实验题目：流水灯控制电路设计

1. 课程简要信息

课程名称：模拟与数字电路实验
课程学时： 36 学时
项目学时：5 学时（课内 3 学时、课外 2 学时）
适用专业：软件工程、网络工程，物联网工程
学生年级： 一年级（一年级、第二学期）

2. 实验内容与任务（限 500 字，可与“实验过程及要求”合并）

项目需要完成的任务（如需要观察的现象，分析某种现象的成因、需要解决的问题等）；是否设计有不同层次的任务。

1）本实验为设计型,实验任务分为 3 个层次：基础部分，提高部分，拓展部分。其中基础部分必须完成，提高部分要求成绩评优的同学须完成，拓展部分作为选做，供学有余力的同学进行知识拓展,培养创新能力,完成可以获得适当的加分鼓励。基础部分包括：模 6 计数器设计(分别用清零法和置数法实现)，时钟信号产生电路设计，八路彩灯控制器设计；提高部分包括六路流水灯控制电路设计(带全亮控制)；拓展部分为学生自由发挥的趣味性多路流水灯控制电路设计（如心型流水）。
2）在实验中，所有任务都要求进行仿真，学生需要用 Proteus 仿真软件完成实验任务，其中部分任务可通过远程实验箱完成；
3）在课前预习环节，要求学生利用 Proteus 仿真软件完成基础部分实验设计，并要求完成提高部分仿真的仿真设电路计环节；在课堂环节，要求学生完成基础部分的实际操作，教师会对实验操作的情况给予课堂成绩；拓展部分由学生在课外时间完成,老师在线指导,负责答疑解惑；
4） 课程设置开放实验环节。学生可以在开放实验时间进入实验室进行线下实际操作。也可以通过远程实验箱（ $7 * 2 4$ 开放），根据自己的情况随时安排在线实际操作。开放时段实验室预置若干典型故障电路，供同学进行排错练习。拓展部分实验设计，学生可以利用开放实验时间或课余时段完成。
5） 在实验束之后，学生需要按要求整理实验数据、上交实验报告以及实验资料电子版，等待教师批阅下发；
6）经过虚拟仿真和实际操作，培养学生数字电路综合设计能力及分析解决问题的能力。使学生掌握实际电路中分析、排除故障的方法。

3. 实验过程及要求（限 300 字）

如对学生在实验过程中在需求分析、资料查询、自学预习、思考讨论、方法设计、进程规划、软件仿真、平台构建、器件选择、表格设计、现象观察、数据测试、问题分析、总结报告、验收答辩、演讲交流等各方面的要求。

1、实验预习

（1）、资料阅读参阅教程第 21、22 章，及学习通平台的相关资料。

（2）、实验方案设计

根据要求设计模 n 计数器电路、数字时钟信号驱动电路、八路彩灯控制电路与六路流水灯

控制电路的合理方案。

（3）、电路仿真设计根据设计方案，用 Proteus 设计电路原理图并仿真，将电路原理图附实验报告中。

（4）利用开放实验中的常见故障电路，进行故障诊断、分析调试练习。

2、实验操作

根据仿真电路原理图，在实验箱上按要求实现彩灯/流水灯控制器并进行验证。

3、选做实验

参照实验内容，发挥想象，自行确定 led 布局、花色及循环要求，采用Proteus设计带趣味性的流水灯控制电路，可不多于 3人组队。可获加分，要求提交及仿真设计资料。

4、实验报告与总结

实验结束，请按照要求撰写实验报告。

4. 相关知识及背景（限 150 字）

项目涉及所需的知识方法、实践技能、应用背景、工程案例。

流水灯控制器设计实验是一个运用数字电子技术解决现实生活和工程实际问题的典型案例，属综合性设计实验。学生需掌握 Proteus 仿真软件的使用；掌握基本的逻辑电路设计方法，掌握芯片如计数器芯片 74HC161、译码器芯片 74HC154、与非门电路芯片 74HC00 等的逻辑功能，实际操作中，需掌握芯片的选用、插接和连接方法，培养学生能够根据电路实测结果，分析、定位并排除所遇到实际问题的能力。

5. 实验环境条件

项目实施需要实验资源，包括实验装置功能、实验仪器设备、设计软件工具、主要电子元器件等。

6. 教学目标与目的（限 150 字）

如学习、运用知识、技术、方法等；培养、提升技能、能力、素质等。

利用较完整的六路流水灯控制电路设计实验，使学生能根据任务要求，运用所学数字电路知识，引导学生设计满足要求的逻辑电路，选择元器件搭建实际电路并进行测试和分析，解决故障并做出评价，提高解决实际工程故障的能力。

7. 教学设计与实施进程

课堂知识讲解、方法引导、背景解释；实验中的方法指导，问题设置、思路引导等。教学模式、实验渠道、研讨主题、观察节点、验收重点、质询问题等方面设计等。实验实施进程的各个环节（如任务安排、预习自学、现场教学、分组研讨、现

场操作、结果验收、总结演讲、报告批改等）中教学设计的思路、目的，教师、学生各自需要完成的工作任务，需要关注的重点与细节。

教学设计

本实验的教学设计环节参见图 7.1 所示。

图 7.1 教学环节设计

本实验的过程是一个比较完整的六路流水灯控制电路设计的综合性实验，需要经历学习研究、故障解决、方案论证、系统设计、实现调试、设计总结等过程。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导和提示：

1） 虚实结合是本实验案例的特色之一。通过自测题目和 Proteus 仿真设计的预习，解决了学生从理论课堂的原理过渡到实际芯片应用的适应盲端，通过自判定与实验成绩的检查，使其重视预习实验的过程；
2） 实验中进行六路流水灯设计思路的讲解，并提示学生远程实验箱中 4-16译码器芯片 74HC154不可用，可考虑用 74LS138 进行计数器电路设计。引导学生根据实际要求和实验条件选用芯片并设计合理的解决方案。
3） 实验中进行计数器芯片 74HC161 逻辑功能的知识讲解和清零法及置数法模 6 计数器设计方法的讲解和引导，在实验预习中可以使学生在线下得到有效地、独立地思考空间。更深一步地去理解理论知识点，从而达到锻炼解决实际工程问题的能力。
4）在课前准备阶段，提醒学生合理利用开放实验时间，利用实验室仿真软件、实验环境以及提供的常见故障电路，进行电路设计、分析、调试和故障排除，引导学生进行充分的课前准备。
5） 仿真与远程实验相结合，使线上线下的时间得到有效的统一和协调。通过对设计任务进行分层次设置，达到因材施教，实现对学生的引导作用。
6） 教师通过对实验原理和关键点的讲解，在学生电路设计、搭建、调试完成后，完成实验现象的检查。
7） 在提高实验部分，教师只给出实验要求以及适当的实验提示，不给出具体的参考方案，学习与设计过程由学生自行完成，对学生在设计过程中遇到的问题，可以进行在线答疑。从而实现对学生的启发式教学。
8） 在拓展实验部分（可选），教师只给出实验要求以及参考资料，设计和实验由学生独立完成。培养学生创新思维、解决工程实际问题的能力和团队合作能力。
9） 在实验完成后，组织学生围绕项目故障发现问题和解决问题开展讨论评讲，进行交流，了解不同解决方案及其特点，拓宽知识面。对于实验中出现的各种现象进行分析，对不同的故障进行点评。教师根据学生预习成绩、现场应变能力和效果、讨论中的思维变化反映能力、实验报告完成情况等综合因素给予最终成绩评定。

实施进程

1. 利用在线学习平台（本实验采用超星学习通）建立课程、班级并导入学生名单并准备课程资源，利用QQ建立互动交流群。

图 7.2超星学习通课程与班级信息
图 7.3 QQ 互动交流群

2. 通过课前网上实验预习，对于该实验的理论课和实验课的衔接工作做准备，方便学生对该实验项目中涉及的概念、方法和技巧进行预习和自学。（以自测题方式完成）

图 7.4 题库随机题目进行预习自测

3. 通过教材、信息系统微信平台和超星学习通平台等方式提供教学材料。

9.1课件、课堂作业与参考视频

图 7.5 教材资料

图 7.6 微信公众号与超星学习通(a,b)

4. 在课前准备阶段，提醒学生合理利用开放实验时间，利用实验室仿真软件、实验环境以及提供的常见故障电路，进行电路分析、调试和故障排除，引导学生进行充分的课前准备。

图 7.7 实验台的典型故障电路

5. 学生在该实验中的问题，可以通过线上找老师和助教答疑，也可以带到实验课堂，以现场提问的形式，在实验交流环节进行进一步的完善和方案的比较。

6. 在现场操作时候，对于出现的现象进行提问。有故障的进行故障原理的提问，回答问题。对于没有故障的，可以设置故障，让学生在规定的时间内完成改正。

7. 总结实验现象中遇到的问题和解决的方法，分析原理和实际问题的区别。

8. 实验报告进行及时批阅，并返还学生。

图 7.8 实验报告

9. 课程结束后以问卷形式进行调查反馈，以便持续改进。

图 7.9 课程调查反馈表

8. 实验原理及方案

实验的基本原理、设计依据、完成任务的思路方法，可能采用的方法、技术、电路、器件。

8.1 实验内容的组织结构

图 8.1 实验内容组织结构

8.2 实现方案

（一）74HC161 芯片测试

（1）74HC161 芯片逻辑功能表

表 8.1 74HC161 芯片逻辑功能表

（2）、74HC161 芯片功能测试 Proteus 仿真

用Proteus完成74HC161芯片的计数功能仿真电路设计，图8.2为仿真电路图，图 8.3为仿真测试结果。

图 8.2 74HC161芯片计数功能测试仿真电路图

图 8.3 74HC161芯片计数功能仿真测试结果

（二）异步清零法模 6计数器设计

（1）设计思路：

利用同步二进制计数器芯片 74HC161 及二输入与非门 74HC00 实现。当二进制输出从 $0 0 0 0 $ $0 0 0 1 { } 0 0 1 0 { } 0 0 1 1 { } 0 1 0 0 { } 0 1 0 1$ 变化时，下一个脉冲到来时，输出输出状态为 0110 的瞬间将输出清零即可完成 $0 ^ { \sim } 5$ 的重复计数。

（2）异步清零法模 6 计数器 Proteus 仿真设计

用 Proteus 软件完成模 6 计数器（异步清零法）的仿真电路设计并进行测试，图 8.4 为仿真电路图，图8.5为仿真测试结果。

图 8.4 异步清零法模6计数器仿真电路图

图 8.5 异步清零法模6计数器仿真测试结果

（三）同步置数法模 6计数器设计

（1）设计思路：

利用同步二进制计数器芯片 74HC161 及二输入与非门 74HC00 实现。当二进制输出从 $0 0 0 0 $ 0001→0010→0011→0100→0101 变化，此时通过与非门将 LOAD 置 1，下一个脉冲到来后，输出状态即可置入 0000，从而完成计数器由 $0 ^ { \sim } 5$ 的重复计数。

（2）同步置数法模 6 计数器 Proteus 仿真设计

用Proteus软件完成模6计数器（同步置数法）的仿真电路设计并进行测试，图8.6为仿真电路图，图8.7为仿真测试结果。

在测试时，要体会两种方法的区别。

图 8.6同步置数法模6计数器仿真电路图
图 8.7 同步置数法模 6 计数器仿真测试结果

（四）时钟信号产生电路设计

（1）设计思路：

可采用两种方案进行数字时钟的设计：方案1是利用555定时器产生TTL电平方波；方案2是基于集成电路芯片CD40106产生数字时钟，这种方法产生的信号可以通过调节电位器来改变其频率。

（2）Proteus 仿真电路设计

用 Proteus 软件设计的 555 定时器产生 TTL 电平方波信号的的电路原理图如图 8.8 所示，基于集成电路芯片CD40106 产生数字时钟的仿真电路如图 8.9所示。

图 8.8 555 定时器产生 TTL 电平方波仿真电路

（五）八路彩灯控制器设计

（1）设计要求：

设计六种花型的八路彩灯控制器，8 个彩灯一字排开，彩灯的亮灭图案及顺序控制如图 8.10。

图 8.9 基于 CD40106 产生数字时钟仿真电路
图 8.10 八路彩灯的花型及变化顺序

（2）设计思路（多种方案）

六种花型变化由与非门 74hc00 和计数器 74hc161 的低三位输出 Q2、Q1、Q0 组成模 6 计数器来完成，可以用置数方案，也可以用清零方案，Q2、Q1、Q0 输入 3-8 线译码器来实现六种花型的 6 个状态。

（3）八路彩灯控制器 Proteus 仿真设计

用Proteus软件完成八路彩灯控制器的仿真电路设计并进行测试，图8.11 为仿真电路图，图 8.12为仿真测试结果。

图 8.11 八路彩灯控制器仿真电路图

（六）六路流水灯控制器设计

（1）设计要求

六个LED灯一字排开，由左到右依次点亮，再由右向左依次点亮，并循环往复。花色变化参见图8.13,由花色1依次变化到花色 10，在由花色10返回花色1，不断循环往复。

图 8.12 八路彩灯控制器仿真测试结果
图 8.13六路流水灯花色变化

为便于检查LED 的好坏，请设计一个开关信号，打开开关时，灯全亮，开关信号不起作用时，恢复流水灯往复循环。因此，除了图 8.14所示状态外，还有一个全亮状态。

图 8.14全亮状态

（2）实现方案（多种方案）

控制器部分要求选择下列集成电路芯片完成设计：4-16 译码器芯片 74HC154，3-8 译码器芯片74HC138，计数器芯片74HC161，四输入与非门74HC20，两片三输入与非门74HC10，二输入与非门 74HC00。芯片数据参数请自行查阅资料。

提示1：设计过程可按实验指导先列出流水灯控制器真值表，由此列出六路流水灯与译码器输出状态间的逻辑表达式，然后利用Proteus进行仿真电路的设计和测试。仿真设计通过后再进入实际电路操作。

提示2：若选用远程实验箱完成实验操作，需注意只能用3-8译码器芯片完成设计

提示3：时钟信号可采用信号发生器产生，也可用数字时钟电路产生。

多种实现方案：由于时钟电路、模 6 计数电路、译码电路分别都可用多种方案实现，故流水灯实现方案可有多种供学生根据自身情况选择。

检查要点:需要检查全亮控制开关和流水灯往复流动现象。

（3）六路流水灯控制器 Proteus 仿真设计

用 Proteus 软件完成的为仿真电路图如图 8.15，图 8.16，图 8.17。

图 8.15 六路流水灯控制器仿真电路图（无全亮控制方案）
图 8.16 六路流水灯控制器仿真电路图（带全亮控制 4-16 译码器方案）

图 8.17 六路流水灯控制器仿真电路图（带全亮控制 3-8 译码器方案）

教学中，只给出设计方案和提示，不进行讲解，不给出仿真设计参考，设计工作由学生独立完成。

（七）趣味性多路流水灯控制电路仿真设计（选做）

设计要求

参照本实验内容，发挥想象，自行确定 LED 布局、花色及循环要求，采用Proteus设计带趣味性的多路流水灯控制电路，可不多于 3 人组队。完成可获适当加分，要求提交及仿真设计资料。

提示 1：流水灯设计相关内容可以参考马洪连等著《现代电子技术基础实践》一书。

提示2：可以自行设计♥型流水灯，节日彩灯，LED字幕等趣味性内容。

提示 3：本部分只要求仿真设计，有兴趣的同学可以自购器件进行制作。

教学中，这部分内容为选做实验，可以不多于 3 三人组队或个人独立完成。完成任务可获

得加分奖励。不进行讲解但提供答疑，由学生在课外时间完成。

9. 实验报告要求

需要学生在实验报告中反映的工作（如：实验需求分析、实现方案论证、理论推导计算、设计仿真分析、电路参数选择、实验过程设计、数据测量记录、数据处理分析、实验结果总结等等），如：

实验报告需要反映以下工作：

1） 实验需求分析
2） 实现方案论证
3） 理论推导计算
4） 电路设计与参数选择
5） 电路测试方法
6） 实验数据记录
7） 数据处理分析
8）实验结果总结

实验报告需要反映以下工作：

1） 实验原理论述主要考察组合逻辑电路的设计原理。

2） 实现方案论证

设计的方案要考虑设计的正确性、稳定性、实现的难以程度以及成本等因素。设计方案要言之成理，有条理。

3） 理论推导计算理论推导要严谨、有步骤，注意推导中注意方法的准确性。
4） 原理电路设计电路设计要考虑实现的难以程度，以及工程实践中的各种问题。
5） 电路测试方法掌握电路的测试方法，示波器的正确使用方法和记录方法。
6） 实验数据记录记录数据要注明数量和单位以及具体时间，并考虑测量误差问题。
7） 数据处理分析

需要处理的实验数据要注意处理的方法要正确，要表明数据的准确度，需要绘制图表的要选取合适的坐标，表明变量和函数名称，曲线名称，原始数据要足够多，并在曲线中标出。

8） 实验结果总结

对于实验现象要科学记录，分析现象的成因，对于有疑问的现象要深入思考，查阅资料，争取给出合适的解释。实验报告要纸质版和电子版两种，纸质版的要求记录好实验的原理和实验过程和结论。电子版的主要记录自测题和仿真电路图作为真实并正确参加实验的依据。

图 9.1 实验报告要求框图

图 9.2 实验报告纸质版

图 9.3 实验报告电子版

10.考核要求与方法（限 300 字）

考核的节点、时间、标准及考核方法。

1）课前预习，按照 $3 0 %$ 评价。预习报告应考察设计的完整性，正确性和规范性。
2）实验操作占 $4 0 %$ ，主要考察对实验设备和实验方法的熟练程度，是否能正确分析和处理实验中的故障，以及对实验现象的正确解读。
3） 实验总结与数据处理占 $3 0 %$ 。

表 10.1 考核要求与评价方法

11.项目特色或创新（可空缺，限 150 字）

项目的特色在于：项目背景的工程性，知识应用的综合性，实现方法的多样性。

项目的特色包括：

（1）实验采用虚拟仿真与线下操作相结合，适当辅以线上远程实验操作的混合式教学模式；（2）项目具有较强工程背景，实验设计需综合应用所学知识，实验内容具有层次性，实现

方案具有多样性。

（3）课前预习阶段，通过提供实验故障电路训练，提升学生分析诊断电路故障的能力，确保并提升教学效果。