投稿類別 : 工程技術類 篇名 : 作者 : 蕭偉祥 臺北市立大安高級工業職業學校 電機三乙 黃星耀 臺北市立大安高級工業職業學校 電機三乙 指導老師 : 黃啟銘老師 邱關誼老師
壹 前言 本研究是利用 555 震盪器以及 CD4017B 兩顆 IC 所構成的電子電路, 並運用 在幸運輪盤的電路設計, 再配合著四位元加法器對 7448 的七段顯示器輸出, 讓 動作更加明瞭生動 一 製作動機 : 在學校的電子學實習中, 老師給了我們許多應用電路的設計圖, 有電子風琴 霹靂燈 電子輪盤 電子骰 等, 這些電路都是由 555 震盪器或 CD4017 兩顆 IC 所組成的電路, 因此我們想要利用之前數位邏輯實習中的 CPLD 來製作 IC 以及電路, 不僅可以讓我們更熟悉 CPLD 設計的動作, 也可以更了解 CPLD 動作原理以及每個元件在電路中的功用, 於是我們選出電子輪盤加上七段顯示器改良成有數字跳動輸出的 二 製作目的 : ( 一 ) 利用 CPLD 程式設計出 CD4017 這顆 IC, 更了解這 IC 的工作原理 ( 二 ) 熟悉在麵包板上之 NE555 IC 的電路運用 ( 三 ) 配合著麵包板上的基本電路接線以及 CPLD 電路板電路接線, 以了解到 麵包板電路的輸入輸出以及 CPLD 輸入輸出的工作原理 貳 正文 一 製作設備及器材 : 設備及器材數量單位規格備註 CPLD 1 個 EPM7128SLC84-15 麵包版 1 個 GL-23 電池 1 個 DC9V 鱷魚夾 1 個 LED 10 顆 紅色 2
單心線 1 卷 紫色 單心線 1 卷 黃色 NE555 1 顆 電晶體 1 顆 9015 電容 1 顆 1μF 電容 1 顆 0.1μF 電阻 1 顆 10kΩ 電阻 1 顆 1.5MΩ 電阻 1 顆 2MΩ 電阻 1 顆 5.1MΩ 電阻 1 顆 10MΩ 二 器具說明 : ( 一 ) 何謂 CPLD 在數位電路快速發展之前, 每做一個實驗就必須重接一個電路, 假如是個複雜電路, 其完成時間更是無法預期 在科技進步下, 幸虧有了可程式邏輯元件 (PLD) 的快速發展, 以個人電腦為媒介, 配合電子設計自動化 (EDA) 軟體的執行, 以實現自行設計開發邏輯晶片的結果 CPLD 全名為 (Complex Programmable Logic Device) 為一種較 PLD 為複雜的邏輯元件, 是一種整合性較高的邏輯元件, 具有高整合性的特點, 故其有性能提升, 可靠度增加,PCB 面積減少及成本下降等優點 ( 註一 ) ( 二 )NE555 內部結構及說明 編號 555 的 IC 是一顆可用於計時 / 計數的通用 IC, 他常用於產生方波來產生 電路, 其內部構造如圖所示, 其組成元件有 : 1 兩顆比較器: 作為輸入電壓比較用 2 三顆 5KΩ 的分壓電阻 : 提供上比較器的參考電位 Vut=2/3Vcc 與下比較器的參考電位 Vlt=1/3Vcc 3 正反器: 提供電路記憶功能 3
4 放電電晶體 : 提供電路放電迴路 5 輸出緩衝器 : 具有阻抗匹配特性, 可提供數位輸出信號 Hi=Vcc 或 Lo=0V ( 三 )555IC 的各種接腳功能別為 : 1 接地腳 2 觸發信號輸入腳, 及下比較器反向輸入腳 3 輸出腳, 可輸出 Hi=Vcc 或 Lo=0V 4 重置電路腳, 使輸出為 0V 5 控制電壓輸入腳, 可改變上 下比較器地參考電位 Vut Vlt, 進而改變輸出震盪頻率, 達到電壓控制震盪的功能 6 臨界信號輸入腳, 及上比較器之非反向輸入腳 7 放電迴路輸入腳 8 電源腳 ( 註二 ) 4
( 四 )CD4017 內部構造及其功能 使用的十進制計數器 CD4017 內部由強生計數器及編碼器兩部分組成, 由編碼器輸出對脈衝信號的分配, 輸出時序依次出現與時鐘同步的高電位 CD40 17 有 10 個輸出端 (O0~O9), 利用其依次輸出原理可製作跑馬燈 電子輪盤等電路 CD4017 內部電路圖 CD4017 時序圖 ( 來源 :http://etronics.free.fr/dossiers/init/images/init2102.gif) 5
( 五 )CD4017 內部強森計數器簡單介紹 強森計數器屬於環形計數器的一種, 又稱強森環形計數器, 其動作是將一位 暫存器的輸出連接到第一級的輸入端, 使整個電路形成一個環狀的計數器 計數器使用的是四個 D 型正反器, 輸出 Qd 連接到第一級的輸入端 此計數 器的初始值為 1000, 使 Qa=1 Qb=0 Qc=0,Qd=0, 則此計數器可隨 clock 輸入 的脈波而進行環形計數 ( 註三 ) 時序圖 ( 來源 :http://img530.imageshack.us/img530/1918/49900012.png) 6
三 製作過程 ( 一 ) 根據電子輪盤電路圖設計出電路功能 ( 二 )CD4017 外之電路零件於麵包板上接線 ( 三 )CD4017 電路於 CPLD 程式繪製, 並做成元件並進行測試其動作 7
( 四 ) 四位元加法器對 7448 七段顯示器之解碼器於 CPLD 程式繪製, 並做成元 件進行測試其動作 布林代數式 : Y1=X4+X7+X8 Y2=X5+X6+X7+X8 Y3=X9+X10 Y4=X2+X3+X6+X8+X10 ( 五 ) 於 CPLD 程式中將 CD4017 輸出與解碼器和 7448 七段顯示器做連接, CD4017 之 10 個輸出分別由電路圖拉出來作為輸出 (Y1~Y10),7448 之 7 個輸出接至 CPLD 之七段顯示器上 ( 六 )CPLD 上 Y1~Y10 內部輸出連接至 CPLD 上之 D1~D10, 將 D1~D10 作 為麵包板上 10 顆 LED 之輸出供應 ( 七 ) 將麵包版電路上之 NE555 輸出接至 CPLD 作為 CD4017 之 Clock 輸入, 麵包版與 CPLD 做共地連接 8
四 動作說明 ( 一 ) 手指碰觸於麵包板上之兩接點 (TOUCH WIRES), 電路開始動作 ( 二 )CPLD 之七段顯示器由 0 至 9 依序顯示 ( 三 ) 麵包板上之 10 顆 LED 依序亮滅 ( 四 ) 手指碰觸於兩接點 (TOUCH WIRES) 越大力, 將造成給予 NE555 電路 之電阻值下降,LED 七段顯示器之變動速率將提升 參 結論一 成品測試後可達到以下目標 ( 一 ) 方便 : 增加之七段顯示器可明顯顯示所亮之 LED 燈號 ( 二 ) 假使原電路之 LED 故障, 七段顯示器仍舊可以照常輸出 ( 三 ) 使用 CPLD 可增加修改電路之方便性 二 在電路上可再增加哪些功能? ( 一 ) 由於電路透過 CPLD 完成, 可在七段顯示器輪流輸出的同時搭配 CPLD 的電子音樂播放, 增加氣氛刺激的效果 ( 二 ) 在電路中增加開關, 可切換為順序模式或亂碼模式 ( 三 ) 在電路中增加具有即時中斷功能之開關, 使跑動中數字即時停止 9
三 成品完成後之感想 在這個專題中做的不是生活上的應用, 我們運用到的是上課所學的知識, 把 電子學實習使用過的題目, 用 CPLD 做變化, 以及增加一些功能, 把原本的電路 做改變 起初我們沒有詢問老師意見, 從實體電子電路轉換到 CPLD 上面, 需要寫成數位電路的形式, 所以有很多邏輯方面的問題要考慮, 因此遇到不少困難, 但是我們抱持著不屈不饒的精神, 翻閱課本仔細研究, 再經過無數次的測試, 終於將電路完成, 最後在組員共同努力之下, 完成了作品 作品完成後, 使我們更加熟悉 CPLD 之特性與操作手法, 了解到 NE555 與 CD4017 兩種 IC 的運用, 也了解到數位電路的多元與廣泛, 深知自己在專業領 域上之知識仍有可努力充實的地方 經過這一次的專題製作, 讓我們了解到, 一種東西, 並非只能使用一種方法製作, 更能讓我們知道, 在困難中如何解決問題 這也是我們第一次互相在專業科目上的合作與搭配, 在討論過程中, 經由兩人的想法, 以及個人專長分配工作, 使我們在這次的專題製作中順利完成作品 肆 引註資料 註一黃慶璋 蔡忠勇 數位邏輯設計 (VHDL) 臺北縣台科大圖書股份有限公 司 註二徐慶堂 黃天祥 電子學 臺北縣台科大圖書股份有限公司 註三張義和 數位邏輯 臺北縣弘揚圖書有限公司 10