數(shù)字電子技術紅綠燈課程設計

1、 込商學虎 數(shù)字電子技術 課程設計指導書 山東工商學院信息與電子工程學院 2006年2月 目錄 數(shù)字電子技術課程設計概述2 課程設計課題 課題一數(shù)字電子鐘邏輯電路設計 6 課題二智力競賽搶答器邏輯電路設計 13 課題三交通燈控制邏輯電路設計 19 課題四汽車尾燈控制電路 28 課題五數(shù)字溫度計 30 課題六多路防盜報警電路設計 33 課題七電梯控制電路設計 35 課題八倒計時計時器35 設計舉例：出租車計費器 36 數(shù)字電子技術課程設計概述 一、本課程設計的地位和作用 數(shù)字電子技術課程設計是電子技術基礎教學中的一個實踐環(huán)節(jié)，它使學生自己 通過設計和搭建一個實用電子產品雛形，鞏固和加深在數(shù)字電子

2、技術課程中的理論 基礎和實驗中的基本技能，訓練電子產品制作時的動手能力。 通過該課程設計，設計 出符合任務要求的電路，掌握通用電子電路的一般設計方法和步驟， 訓練并提高學生 在文獻檢索、資料利用、方案比較和元器件選擇等方面的綜合能力 ，同時為畢業(yè)設計 和畢業(yè)以后從事電子技術方面的科研和開發(fā)打下一定的基礎。 二、課程設計的目的和要求 1. 能夠較全面地鞏固和應用“數(shù)字電子技術”課程中所學的基本理論和基本方 法，并初步掌握小型數(shù)字系統(tǒng)設計的基本方法。 2. 能合理、靈活地應用各種標準集成電路（ SSI、MSI、LSI等）器件實現(xiàn)規(guī)定 的數(shù)字系統(tǒng)。 3. 培養(yǎng)獨立思考、獨立準備資料、獨立設計規(guī)定功能

3、的數(shù)字系統(tǒng)的能力。 4. 培養(yǎng)獨立進行實驗， 包括電路布局、安裝、調試和排除故障的能力。 5. 培養(yǎng)書寫綜合設計實驗報告的能力。 三、課程設計的基本要求 根據(jù)設計任務，從選擇設計方案開始，進行電路設計；選擇合適的器件，畫出 設計電路圖；通過安裝、調試，直至實現(xiàn)任務要求的全部功能。對電路要求布局合 理，走線清晰，工作可靠，經驗收合格后，寫出完整的課程設計報告。 四、課程設計的具體步驟 電子電路的一般設計方法和步驟是：分析設計任務和性能指標， 選擇總體方案, 設計單元電路，選擇器件，計算參數(shù)，畫總體電路圖。進行仿真試驗和性能測試。 實際設計過程中往往反復進行以上各步驟，才能達到設計要求，需要靈活掌

4、握。 1總體方案選擇 設計電路的第一步就是選擇總體方案，就是根據(jù)提出的設計任務要求及性能指 標，用具有一定功能的若干單元電路組成一個整體，來實現(xiàn)設計任務提出的各項要 求和技術指標。 設計過程中，往往有多種方案可以選擇，應針對任務要求，查閱資料，權衡各 方案的優(yōu)缺點，從中選優(yōu)。 2. 單元電路的設計 2.1設計單元電路的一般方法和步驟 A. 根據(jù)設計要求和選定的總體方案原理圖，確定對各單元電路的設計要求， 必要時應詳細擬定主要單元電路的性能指標。 B. 擬定出各單元電路的要求后，對它們進行設計。 C. 單元電路設計應采用符合的電平標準。 2.2元器件的選擇 針對數(shù)字電路的課程設計，在搭建單元電路

5、時，對于特定功能單元選擇主要集 成塊的余地較小。比如時鐘電路選555,轉換電路選 0809，譯碼及顯示驅動電路也 都相對固定。但由于電路參數(shù)要求不同，還需要通過選擇參數(shù)來確定集成塊型號。 一個電路設計，單用數(shù)字電路課程內容是不夠的，往往同時摻有線性電路元件和集 成塊，因此還需對相應內容熟悉，比如運算放大器的種類和基本用法，集成比較器 和集成穩(wěn)壓電路的特性和用法?？傊?，構建單元電路時，選擇器件的電平標準和電 流特性很重要。普通的門電路、時序邏輯電路、組合邏輯電路、脈沖產生電路、數(shù) 模和模數(shù)轉換電路、采樣和存儲電路等，參數(shù)選擇恰當可以發(fā)揮其性能并節(jié)約設計 成本。 單元電路設計過程中，阻容元件的選擇

6、也很關鍵。它們的種類繁多，性能各異。 優(yōu)選的電阻和電容輔助于數(shù)字電路的設計可以使其功能多樣化、完整化。 3. 單元電路調整與連調 數(shù)字電路設計以邏輯關系為主體，因此各單元電路的輸入輸出邏輯關系與它們 之間的正確傳遞決定了設計內容的成敗。具體步驟要求每一個單元電路都須經過調 整，有條件情況下可應用邏輯分析儀進行測試，確保單元正確。各單元之間的匹配 連接是設計的最后步驟，主要包含兩方面，分別是電平匹配和驅動電流匹配。它也 是整個設計成功的關鍵一步。 4. 衡量設計的標準 工作穩(wěn)定可靠；能達到預定的性能指標，并留有適當?shù)挠嗔?；電路簡單，成?低，功耗低；器件數(shù)目少，集成體積小，便于生產和維護。 五、

7、課程設計報告要求 課程設計報告應包括以下內容： 1. 對設計課題進行簡要闡述。 2. 設計任務及其具體要求。 3. 總體設計方案方框圖及各部分電路設計（含各部分電路 功能、輸入信號、輸出信號、電路設計原理圖及其功能闡述、所選用的集成電路器 件等）。 4. 整機電路圖（電路圖應用標準邏輯符號繪制，電路圖中 應標明接線引出端名稱、元件編號等）。 5. 器件清單。 6. 調試結果記錄。 7總結與體會。 課程設計報告應內容完整、字跡工整、圖表整齊、數(shù)據(jù)詳實。 課程設計課題 課題一 數(shù)字電子鐘邏輯電路設計 一、簡述 數(shù)字電子鐘是一種用數(shù)字顯示秒、分、時、日的計時裝置，與傳統(tǒng)的機械鐘相 比，它具有走時準確

8、，顯示直觀、無機械傳動裝置等優(yōu)點，因而得到了廣泛的應用。 小到人們日常生活中的電子手表，大到車站、碼頭、機場等公共場所的大型數(shù)顯電 子鐘。 數(shù)字電子鐘的電路組成方框圖如圖1.1所示。 顯示器 顯示器 顯示器 顯示器 t ir ir 譯碼器 譯碼器 譯碼器 譯碼器 1T 1T 1T 1T 圖i.i數(shù)字電子鐘框圖 由圖i.i可見，數(shù)字電子鐘由以下幾部分組成：石英晶體振蕩器和分頻器組成 的秒脈沖發(fā)生器；校時電路；六十進制秒、分計數(shù)器，二十四進制（或十二進制） 計時計數(shù)器；秒、分、時的譯碼顯示部分等。 二、設計任務和要求 用中、小規(guī)模集成電路設計一臺能顯示日、時、分、秒的數(shù)字電子鐘，要求如 下： 1.

9、 由晶振電路產生1Hz標準秒信號。 2. 秒、分為0059六十進制計數(shù)器。 3. 時為0023二十四進制計數(shù)器。 4. 周顯示從1日為七進制計數(shù)器。 5. 可手動校時：能分別進行秒、分、時、日的校時。只要將開關置于手動位置，可 分別對秒、分、時、日進行手動脈沖輸入調整或連續(xù)脈沖輸入的校正。 6. 整點報時。整點報時電路要求在每個整點前嗚叫五次低音（500Hz）,整點時再嗚 叫一次高音（1000Hz ）。 三、可選用器材 1. 通用實驗底板 2. 直流穩(wěn)壓電源 3. 集成電路：CD4060、74LS74、74LS161、74LS248 及門電路 4. 晶振：32768 Hz 5. 電容：100

10、卩 F/16V、22pF、322pF 之間 6. 電阻：200 Q、10K Q、22M Q 7. 電位器：2.2K Q 或 4.7K Q 8. 數(shù)顯：共陰顯示器 LC5011-11 9. 開關：單次按鍵 10. 三極管：8050 11. 喇叭：1 W /4 , 8Q 四、設計方案提示 根據(jù)設計任務和要求，對照數(shù)字電子鐘的框圖，可以分以下幾部分進行模塊化 設計。 1. 秒脈沖發(fā)生器 脈沖發(fā)生器是數(shù)字鐘的核心部分， 它的精度和穩(wěn)定度決定了數(shù)字鐘的質量， 通 常用晶體振蕩器發(fā)出的脈沖經過整形、 分頻獲得1Hz的秒脈沖。如晶振為32768 Hz , 通過15次二分頻后可獲得 1Hz的脈沖輸出，電路圖如

11、圖1.2所示。 74LS74 20pF 10 3 20p CD4060 Q14 C1 32768Hz 22M Q 1D 12 圖1.2秒脈沖發(fā)生器 2. 計數(shù)譯碼顯示 秒、分、時、日分別為 60、60、24、7進制計數(shù)器、秒、分均為 60進制，即顯 示0059,它們的個位為十進制，十位為六進制。時為二十四進制計數(shù)器，顯示為 0023,個位仍為十進制，而十位為三進制，但當十進位計到2,而個位計到4時 清零，就為二十四進制了。 周為七進制數(shù)，按人們一般的概念一周的顯示日期“日、1、2、3、4、5、6”， 所以我們設計這個七進制計數(shù)器，應根據(jù)譯碼顯示器的狀態(tài)表來進行，如表1.1所 示。 按表1.1狀

12、態(tài)表不難設計出“日”計數(shù)器的電路（日用數(shù)字8代替）。 所有計數(shù)器的譯碼顯示均采用BCD 七段譯碼器，顯示器采用共陰或共陽的顯 口 口 示器。 Q4 Q3 Q2 Q1 顯示 1 0 0 0 日 0 0 0 1 1 0 0 1 0 2 0 0 1 1 3 0 1 0 0 4 0 1 0 1 5 0 11 0 6 表1.1狀態(tài)表 3. 校時電路 在剛剛開機接通電源時，由于日、時、分、秒為任意值，所以，需要進行調整。 置開關在手動位置，分別對時、分、秒、日進行單獨計數(shù)，計數(shù)脈沖由單次脈沖或 連續(xù)脈沖輸入。 4. 整點報時電路 當時計數(shù)器在每次計到整點前六秒時，需要報時，這可用譯碼電路來解決。 即 當分

13、為59時，則秒在計數(shù)計到 54時，輸出一延時高電平去打開低音與門，使報時 聲按500Hz頻率嗚叫5聲，直至秒計數(shù)器計到 58時，結束這高電平脈沖；當秒計數(shù) 到59時，則去驅動高音 1KHz頻率輸出而鳴叫1聲。 五、參考電路 數(shù)字電子鐘邏輯電路參考圖如圖1.3所示。 z UH 11 4A0L-4 H R ZU41 ：- *-一 r QQBU4DC 3q 6Q T WR 音低 R 223L7 dr/ taolt 4S4 動手 c2t/S*4 校周 克手 4校分 5K 4k n RCC Rp Rp OQIQQQ OQ-Q2nQ OQ-ahooQ a-2 oqaalt 8 8 分 日日日 d SC Q

14、 S L L| JIUW = 六、參考電路簡要說明 1. 秒脈沖電路 由晶振32768Hz經14分頻器分頻為2Hz，再經一次分頻，即得1Hz標準秒脈 沖，供時鐘計數(shù)器用。 脈沖，即可進行校正。單次、連續(xù)脈沖均由門電路構成。 3.秒、分、時、日計數(shù)器 這一部分電路均使用中規(guī)模集成電路 秒、分為六十進制，時為二十四進制。從圖 同。當計數(shù)到 59時，再來一個脈沖變成 步清零”反饋到 /CR端，而實現(xiàn)個位十進制，十位六進制的功能。 2. 單次脈沖、連續(xù)脈沖 這主要是供手動校時用。若開關 按單次脈沖進行校正。如K1在單次， 數(shù)器從星期1到星期日計數(shù)。若開關 K1打在單次端，要調整日、時、分、秒即可 K2

15、在手動，則此時按動單次脈沖鍵，使周計 K1處于連續(xù)端，則校正時，不需要按動單次 74LS161實現(xiàn)秒、分、時的計數(shù)，其中 3中可以發(fā)現(xiàn)秒、分兩組計數(shù)器完全相 00，然后再重新開始計數(shù)。圖中利用“異 時計數(shù)器為二十四進制，當開始計數(shù)時，個位按十進制計數(shù)，當計到23時， 這時再來一個脈沖，應該回到“零”。所以，這里必須使個位既能完成十進制計數(shù)， 又能在高低位滿足“ 23 ”這一數(shù)字后，時計數(shù)器清零，圖中采用了十位的“2”和個 位的“ 4”相與非后再清零。 對于日計數(shù)器電路，它是由四個 D觸發(fā)器組成的（也可以用 JK觸發(fā)器），其 邏輯功能滿足了表1,即當計數(shù)器計到6后，再來一個脈沖，用7的瞬態(tài)將Q4

16、、Q3、 Q2、Q1置數(shù)，即為“ 1000”，從而顯示“日”（8）。 4 .譯碼、顯示 譯碼、顯示很簡單，采用共陰極LED數(shù)碼管LC5011-11和譯碼器74LS248 , 當然也可用共陽數(shù)碼管和譯碼器。 5. 整點報時 當計數(shù)到整點的前 6秒鐘，此時應該準備報時。圖3中，當分計到59分時， 將分觸發(fā)器QH置1而等到秒計數(shù)到 54秒時，將秒觸發(fā)器 QL置1然后通過QL 與QH相與后再和1s標準秒信號相與而去控制低音喇叭嗚叫，直至59秒時，產生 一個復位信號，使 QL清0,停止低音嗚叫，同時 59秒信號的反相又和 QH相與后 去控制高音喇叭嗚叫。當計到分、秒從59: 5900 : 00時，嗚叫結

17、束，完成整點報 時。 6. 嗚叫電路 嗚叫電路由高、低兩種頻率通過或門去驅動一個三極管，帶動喇叭嗚叫。1KHz 和500Hz從晶振分頻器近似獲得。如圖中 CD4060分頻器的輸出端 Q5和Q6。Q5 輸出頻率為1024Hz，Q6輸出頻率為 512Hz。 課題二 智力競賽搶答器邏輯電路設計 一、簡述 智力競賽是一種生動活潑的教育形式和方法，通過搶答和必答兩種方式能引 起參賽者和觀眾的極大興趣，并且能在極短的時間內，使人們增加一些科學知識和 生活知識。 實際進行智力競賽時，一般分為若干組，各組對主持人提出的問題，分必答 和搶答兩種。必答有時間限制，到時要告警，回答問題正確與否，由主持人判別加 分還

18、是減分，成績評定結果要用電子裝置顯示。搶答時，要判定哪組優(yōu)先，并予以 指示和鳴叫。 因此，要完成以上智力競賽搶答器邏輯功能的數(shù)字邏輯控制系統(tǒng)，至少應包 括以下幾個部分。 1. 計分、顯示部分； 2. 判別選組控制部分； 3. 定時電路和音響部分。 二、設計任務和要求 用TTL或CMOS集成電路設計智力競賽搶答器邏輯控制電路，具體要求如下: 1. 搶答組數(shù)為4組，輸入搶答信號的控制電路應由無抖動開關來實現(xiàn)。 2. 判別選組電路。能迅速、準確地判處搶答者，同時能排除其它組的干擾信 號，閉鎖其它各路輸入使其它組再按開關時失去作用，并能對搶中者有光、聲顯示 和嗚叫指示。 3計數(shù)、顯示電路。每組有三位十

19、進制計分顯示電路，能進行加/減計分。 4. 定時及音響。 必答時，啟動定時燈亮，以示開始，當時間到要發(fā)出單音調“嘟”聲，并熄 滅指示燈。 搶答時，當搶答開始后，指示燈應閃亮。當有某組搶答時，指示燈滅，最先 搶答一組的燈亮，并發(fā)出音響。也可以驅動組別數(shù)字顯示（用數(shù)碼管顯示）?；卮饐?題的時間應可調整，分別為 10s、20s、50s、60s或稍長些。 4.主持人應有復位按鈕。搶答和必答定時應有手動控制。 三、可選用器材 1. 通用實驗底板 2. 直流穩(wěn)壓電源 3. 集成電路：74LS190、74LS48、CD4043、74LS112 及門電路 4. 顯示器：LCD5011-11、CL002、發(fā)光二

20、極管 5. 撥碼開關（8421碼） 6. 阻容元件、電位器 7喇叭、開關等 四、設計方案提示 1.復位和搶答開關輸入防抖電路，可采用加吸收電容或 RS觸發(fā)器電路來完成。 2. 判別選組實現(xiàn)的方法可以用觸發(fā)器和組合電路完成，也可用一些特殊器件組 成。例如用MC14599或CD4099八路可尋址輸出鎖存器來實現(xiàn)。 3計數(shù)顯示電路可用 8421碼撥碼開關譯碼電路顯示。8421碼撥碼開關能進行 加或減計數(shù)。也可用加/減計數(shù)器（如74LS193）來組成。譯碼、顯示用共陰或共陽 組件，也可用CL002譯碼顯示器。 4. 定時電路。當有開關啟動定時器時，使定時計數(shù)器按減計數(shù)或加計數(shù)方式進 行工作，并使一指示

21、燈亮，當定時時間到，輸出一脈沖，驅動音響電路工作，并使 指示燈滅。 五、參考電路 根據(jù)智力競賽搶答器的設計任務和要求，其邏輯參考電路如下圖所示。 1 1 秒脈沖 關開碼 5A0L4 0 4SK關開碼撥碼4 2R 位個 動啟 答必答搶 F 400 QKO1 su 撥j14 ZO0D 1 音瓷 WR + X + X + X 位十 位百 卜 2 卜 2 卜 2 + 3 + 3 + 3 亠一 亠_ 二 4P 4000 40 1 20 1 IXdlaJAWOL 組 I J g LU In 組H g H 組m g 1 實S 3 L 三 + 4 al* %F = + 4 三 + 4 組w 關開碼 撥碼4 向

22、方北南 frBC D 0O4S4 一 i 4 BL Din/-UL 忖 8-CO6S7PT-p UQQMOhQ p n P. 4AOLO/ 7- 4/SLOZZ ? 次單 若將此信號加到 Sd，則Sd=1，Q=1;置位、復位過后，電容充電而使 Rd（ Sd） 變?yōu)?，電路可進入計數(shù)狀態(tài)。 圖（e）是用開關電路產生點動脈沖，每按一次開關產生一個正脈沖，使觸發(fā) 器構成的計數(shù)器計數(shù) 1次；圖（f）是用開關電路產生負脈沖，每按一次開關產生一 個負脈沖。 四、電路的安裝與調試 數(shù)字電路系統(tǒng)的設計完成后，一個重要的步驟是安裝調試。這一步是對設計內 容的檢驗，也是設計修改的實踐過程，是理論知識和實踐知識綜合應用的重要環(huán)節(jié)。 安裝調試的目標是使設計電路滿足設計的功能和性能指標，并且具有系統(tǒng)要求的可 靠性、穩(wěn)定性、抗干擾能力。這里簡要敘述安裝調試數(shù)字電路的幾個步驟。 （1）檢測電路元件 最主要的電路元件是集成電路，常用的檢測方法是用儀器測量、用電路實驗或 用替代方法接入已知的電路中。集成電路的檢測儀器主要用集成電路測試儀，還可 用數(shù)字電壓表作簡易測量。實驗電路則模擬現(xiàn)場應用環(huán)境