數(shù)字邏輯課程設(shè)計(jì)(定時(shí)器)

一 內(nèi)容摘要：定時(shí)器的設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)一個(gè)060分鐘之內(nèi)的定時(shí)器，定時(shí)開始的時(shí)候紅指示燈亮，結(jié)束的時(shí)候綠指示亮，可以隨意以分鐘為單位，在六十分鐘的范圍內(nèi)設(shè)定定時(shí)時(shí)間，隨著定時(shí)的開始，顯示器開始顯示時(shí)間，即依次顯示出0,1,2,3,4.直到定時(shí)結(jié)束，當(dāng)定時(shí)結(jié)束的時(shí)候進(jìn)行手動(dòng)清零。首先設(shè)計(jì)一個(gè)秒脈沖發(fā)生器，一個(gè)計(jì)數(shù)電路，一個(gè)比較電路，然后對(duì)電路進(jìn)行輸出。當(dāng)開始定時(shí)之前手動(dòng)對(duì)要定時(shí)的時(shí)間進(jìn)行預(yù)置數(shù)，然后運(yùn)用秒脈沖發(fā)生器輸入脈沖，用計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖的個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，把編碼器的數(shù)據(jù)與脈沖的個(gè)數(shù)通過數(shù)值比較器進(jìn)行比較，最后按照要求進(jìn)行紅綠等輸出表示定時(shí)的狀態(tài)是正在進(jìn)行定時(shí)，或者是已經(jīng)定時(shí)結(jié)束，在定時(shí)的過程中顯示定時(shí)的時(shí)間。二方案的論證與選擇：方案1 例如設(shè)計(jì)一個(gè)六十分鐘的定時(shí)器，就需要六十進(jìn)制的分鐘計(jì)數(shù)器。設(shè)計(jì)秒脈沖發(fā)生器，當(dāng)計(jì)數(shù)器完成六十分鐘的記數(shù)時(shí)，就手動(dòng)清零。需要設(shè)定其他的時(shí)間時(shí)，只需將計(jì)數(shù)器的進(jìn)制改變一下就行。這個(gè)方案只適用于特定的定時(shí)器，設(shè)定的時(shí)間不變。如果本課設(shè)用此方案，就需要設(shè)計(jì)從160進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，工程量太大。方案2，設(shè)計(jì)一個(gè)定時(shí)器，可以在060分之間一分鐘為單位任意可調(diào)，定時(shí)開始的時(shí)候紅燈亮，定時(shí)結(jié)束的時(shí)候綠燈亮，定時(shí)結(jié)束之后手動(dòng)清零，滿足設(shè)計(jì)的要求，故本次課程設(shè)計(jì)中采用的是這種設(shè)計(jì)方案。三總設(shè)計(jì)思想框圖：圖1編碼電路脈沖發(fā)生計(jì)數(shù)電路數(shù)值比較電路指示燈總體的完整電路圖：就是將各個(gè)單元電路用導(dǎo)線連接起來，然后進(jìn)行仿真處理，開始進(jìn)行定時(shí)的時(shí)候紅指示燈亮。圖中所示的是定時(shí)為16分鐘的定時(shí)仿真結(jié)果，完整的電路圖。 圖2四單元電路的設(shè)計(jì)與參數(shù)的計(jì)算1.秒脈沖發(fā)生器的選擇：（1）采用石英晶體的多諧振蕩器，在RC環(huán)形振蕩器電路中，接入RC可以獲得較小的頻率，而且通過RC的調(diào)節(jié)可以調(diào)節(jié)頻率，用于對(duì)頻率穩(wěn)定性要求比較高的電路，但是它抗干擾的能力比較差，小的干擾就會(huì)使周期發(fā)生很大的變化，而且電路比較復(fù)雜，不太容易掌握，所以本實(shí)驗(yàn)不采取運(yùn)用石英晶體的多諧振蕩器來產(chǎn)生秒脈沖，下面是石英晶體產(chǎn)生的電路圖，電路圖的組成比較復(fù)雜。 圖3（2）利用脈沖整形的方法，根據(jù)大二上時(shí)學(xué)的模電的知識(shí)，設(shè)計(jì)一個(gè)正弦信號(hào)發(fā)生電路，然后再利用整形電路對(duì)于輸出的正弦波進(jìn)行整形，得到矩形波信號(hào)，可以利用施密特觸發(fā)器對(duì)其進(jìn)行整形，但是信號(hào)在傳輸?shù)倪^程中容易發(fā)生畸變，施密特觸發(fā)器就可以把在傳輸過程中發(fā)生畸變的信號(hào)進(jìn)行整形，但是一般都是用于幅度的鑒別比較好，在這里我們就不選用這樣的整形電路。（3）運(yùn)用555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器來構(gòu)成秒脈沖的發(fā)生電路。555定時(shí)器是一種用途廣泛的數(shù)字-模擬混合中規(guī)模集成電路，它只要通過接少量的元件就可以構(gòu)成多種觸發(fā)器和多諧振蕩器，而且市面上的555器件比較多，價(jià)格比較便宜。 圖4因?yàn)橹苯佑?55振蕩器外接幾個(gè)元件直接產(chǎn)生的1Hz的頻率發(fā)生器產(chǎn)生的頻率產(chǎn)生的矩形波的高電平不能激發(fā)下一個(gè)元件的正常工作，所以先產(chǎn)生1kHz頻率的矩形波，然后運(yùn)用分頻電路對(duì)長(zhǎng)生的信號(hào)進(jìn)行分頻，得到頻率為1Hz的矩形波，也就是秒脈沖信號(hào)。 定性分析 設(shè)uc0，則uO1，T截至電容充電，uc按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)uc2 Ucc /3時(shí)，uO0，T導(dǎo)通電容放電，uc按指數(shù)規(guī)律下降，當(dāng)uc Ucc /3時(shí)，uO1，T截至電容再次充電，但充電的初始值與前次不同 波形分析 圖5 計(jì)算振蕩周期 頻率 f=1/T根據(jù)上面的分析且振蕩器需要發(fā)出的頻率為1kHz信號(hào)的發(fā)生器，先取電容為0.01uF，根據(jù)上面的計(jì)算公式得到R1=74千歐，R2=35千歐。利用分頻電路對(duì)產(chǎn)生的1KHz的信號(hào)進(jìn)行分頻。最后由U4的11端輸出1Hz的頻率。 圖6260進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路的選擇（1）采用異步加計(jì)數(shù)器，74LS193是雙時(shí)鐘四位二進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器，它的清零方式是異步清零，高電平有效，其預(yù)置數(shù)是異步的，在異步計(jì)數(shù)器中，由于計(jì)數(shù)器的內(nèi)部各個(gè)觸發(fā)器的時(shí)鐘輸入是異步的，因此觸發(fā)器的各個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間是固定的，在惡劣的情況下其傳播延遲的時(shí)間很多，所以本次課設(shè)沒有采取異步計(jì)數(shù)器。（2）采用同步加計(jì)數(shù)器，74161是四位二進(jìn)制加計(jì)數(shù)器，它具有異步清零，同步預(yù)置數(shù)等功能。在這次的課程設(shè)計(jì)中要實(shí)現(xiàn)的是60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，所以采用兩片74161來完成加計(jì)數(shù)功能，而實(shí)現(xiàn)60進(jìn)制計(jì)數(shù)功能又有多種選擇，乘數(shù)法，將60分解成6*10,用兩片74161分別組成六進(jìn)制和十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，然后在級(jí)聯(lián)成60進(jìn)制的計(jì)數(shù)器。反饋置數(shù)法，將兩片74161級(jí)聯(lián)成16*16=256進(jìn)制計(jì)數(shù)器，然后運(yùn)用反饋置數(shù)法構(gòu)成60進(jìn)制的計(jì)數(shù)器。本次采用的是方法乘數(shù)法，它的電路圖如下。 圖73編碼電路的選擇： 在數(shù)字電路中用二進(jìn)制代碼表示有關(guān)信號(hào)的過程稱之為二進(jìn)制編碼，即建立輸入信息與輸出二進(jìn)制代碼之間的一一轉(zhuǎn)換的關(guān)系，在此次的課程設(shè)計(jì)中，需要定時(shí)的時(shí)間是060分鐘之間，所以就需要對(duì)從060之間進(jìn)行編碼，為了不發(fā)生混亂，此次設(shè)計(jì)中采用的是運(yùn)用三片74LS148優(yōu)先編碼器分別對(duì)于要定時(shí)的時(shí)間的十位和個(gè)位進(jìn)行編碼，因?yàn)槭坏臄?shù)字只是從0到6，所以用一片74LS148就可以，而個(gè)位的輸出需要從0到9所以采用兩片74LS148進(jìn)行級(jí)聯(lián)，也可以采取74LS147，本實(shí)驗(yàn)中采用的是74LS148，編碼電路的電路圖為下圖8 圖84數(shù)值比較電路：數(shù)值比較器就是對(duì)兩數(shù)、進(jìn)行比較，以判斷其大小的邏輯電路。比較結(jié)果有、以及三種情況。定時(shí)器有較多種類，這個(gè)定時(shí)器的設(shè)計(jì)要求用幾個(gè)一位或者兩位數(shù)值比較器級(jí)聯(lián)也可以達(dá)到，但是考慮到操作的簡(jiǎn)便性和價(jià)格因素，最終選擇的是級(jí)聯(lián)兩片集成數(shù)值比較器74LS85來實(shí)現(xiàn)。下面詳細(xì)介紹它的功能：74LS85是位數(shù)值比較器，其功能表如下： 表（1）此次的比較采用一片74LS85不夠用，所以采取兩片進(jìn)行級(jí)聯(lián)的方式來實(shí)現(xiàn)比較功能.如下所示：就是采取的將兩片四位比較器串聯(lián)成的八位比較器，對(duì)于輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。 圖9五元器件明細(xì)表：序號(hào)名稱型號(hào)參數(shù)數(shù)量1多諧振蕩器 555TIMERRATED1個(gè)2數(shù)值比較器74LS85D2個(gè)3計(jì)數(shù)器74LS16個(gè)4數(shù)碼顯示器DCD_HEX_BLUE個(gè)5編碼器 74LS148D3個(gè)6邏輯與門74LS08D個(gè) 7二輸入邏輯與非門74LS01D4個(gè)8單輸入與非門74S05D4個(gè)9電源5V，12V共4個(gè)10開關(guān)單刀，單排多刀開關(guān)共3個(gè)12燈泡普通紅，綠彩燈 2個(gè)13導(dǎo)線普通導(dǎo)線若干表（）六，收獲與體會(huì)：通過這次的數(shù)字技術(shù)基礎(chǔ)的課程設(shè)計(jì)，使我明白只有把知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐中，才能真正把握知識(shí)，另一方面，團(tuán)隊(duì)合作能讓我們學(xué)到更多。首先，數(shù)字電子技術(shù)是一門深?yuàn)W的學(xué)科，從課堂上我們學(xué)到的并非知識(shí)的全部，課程設(shè)計(jì)為我們提供了一次自我學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)。同時(shí)，通過課程設(shè)計(jì)，我和我的同組人提高了動(dòng)手能力，學(xué)會(huì)了將理論運(yùn)用到實(shí)踐中的技巧。其次，通過這次的課程設(shè)計(jì)使我深深地理解到了分工合作的重要性，我們的課程設(shè)計(jì)是三人一組進(jìn)行的，從最初的查找資料確定思路到動(dòng)手畫電路并在電腦上仿真實(shí)現(xiàn)，整個(gè)過程中我們即分工明確又緊密配合，毋庸置疑，團(tuán)隊(duì)合作精神是很重要的。我們?nèi)齻€(gè)通過共同學(xué)習(xí)，共同探討，一方面增進(jìn)了友誼，另一方面也培養(yǎng)了相互之間探討學(xué)習(xí)心得和問題的習(xí)慣，對(duì)以后的學(xué)習(xí)有很大的促進(jìn)作用。再次，這次的課程設(shè)計(jì)不僅鍛煉了我們的動(dòng)手和動(dòng)腦的能力，更讓我們體會(huì)到了理論與實(shí)踐相聯(lián)合的重要行，理論并不等于實(shí)踐，光有理論是絕對(duì)不行的，但是在實(shí)踐的過程中我們必須以理論為根據(jù)，才能在這一個(gè)層次上更好的把理論應(yīng)用到實(shí)踐中去，這次的課設(shè)使我真正的懂得了理論只是實(shí)踐的基礎(chǔ)，只有進(jìn)一步的實(shí)踐才能更好的運(yùn)用理論。所以在以后的學(xué)習(xí)和生活