數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)實(shí)例---24秒計(jì)時(shí)器

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì) 電氣與自動化工程系 電氣工程及其自動化 10屆電氣3班 張克科 李寶平 2012.6.182012.6.2424秒計(jì)數(shù)器概述1.1籃球競賽24秒計(jì)時(shí)器功能數(shù)字電子技術(shù)在社會生活中發(fā)揮著越來越重要的作用，在生活中有著各種各樣的應(yīng)用。因此課程設(shè)計(jì)是數(shù)字電子技術(shù)學(xué)習(xí)中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，它將學(xué)生的理論知識和實(shí)踐能力統(tǒng)一起來，為以后的工作做好準(zhǔn)備。在籃球比賽中，規(guī)定了球員的持球時(shí)間不能超過24秒，否則就犯規(guī)了。本課程設(shè)計(jì)的“籃球競賽24秒計(jì)時(shí)器”可用于籃球比賽中，用于對球員持球時(shí)間24秒限制。一旦球員的持球時(shí)間超過了24秒，

2、它就自動報(bào)警從而判定此球員的犯規(guī)。本課程設(shè)計(jì)是脈沖數(shù)字電路的簡單應(yīng)用，設(shè)計(jì)了籃球競賽24秒計(jì)時(shí)器。此計(jì)時(shí)器功能齊全，有顯示24秒倒計(jì)時(shí)的功能，同時(shí)系統(tǒng)設(shè)置外部操作開關(guān)，控制計(jì)時(shí)器的直接清零、啟動、暫停、連續(xù)功能。而在直接清零時(shí)，數(shù)碼管顯示器滅燈，計(jì)時(shí)器為24秒遞減計(jì)時(shí)其計(jì)時(shí)間間隔為1秒，計(jì)時(shí)器遞減計(jì)時(shí)到零時(shí)，數(shù)碼管顯示器不滅燈，同時(shí)發(fā)出光電報(bào)警信號。1.2設(shè)計(jì)任務(wù)及要求1.2.1 基本要求（1）顯示24秒計(jì)時(shí)功能。（2）設(shè)置外部操作開關(guān)控制計(jì)時(shí)器直接清零、啟動、暫停/連續(xù)功能。（3）在直接清零時(shí)，要求數(shù)碼顯示器滅燈。（4）計(jì)時(shí)器為24秒遞減計(jì)時(shí)器，其計(jì)時(shí)間隔為1秒。（5）遞減計(jì)時(shí)到零時(shí)，顯示器

3、不能滅燈，同時(shí)發(fā)出光電報(bào)警信號。（6）秒脈沖由555多諧振蕩器給出。1.2.2設(shè)計(jì)任務(wù)及目標(biāo)（1）根據(jù)原理圖分析各單元電路的功能；（2）熟悉電路中所用到的各集成塊的管腳及其功能；（3）進(jìn)行電路的裝接、調(diào)試、直到電路能達(dá)到規(guī)定的設(shè)計(jì)要求；（4）寫出完整、詳細(xì)的課程設(shè)計(jì)報(bào)告電路設(shè)計(jì)原理與單元模塊2.1設(shè)計(jì)原理24秒計(jì)時(shí)器的總體參考方案框圖如圖2.1所示。它包括秒脈沖發(fā)生器、計(jì)數(shù)器、譯碼顯示電路、報(bào)警電路和輔助時(shí)序控制電路等五個(gè)模塊組成。其中計(jì)數(shù)器和控制電路是系統(tǒng)的主要模塊。計(jì)數(shù)器完成24秒計(jì)時(shí)功能.而控制電路完成計(jì)數(shù)器的直接清零、啟動計(jì)數(shù)、暫停/連續(xù)計(jì)數(shù);譯碼顯示電路的顯示與滅燈、定時(shí)時(shí)間到啟動報(bào)

4、警等功能。 圖2.1 24秒計(jì)時(shí)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖秒脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的信號是電路的時(shí)鐘脈沖和定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)，但是設(shè)計(jì)對此信號要求并不太高，故電路可采用555集成電路或由TTL與非門組成的多諧振蕩其構(gòu)成。譯碼顯示電路由74LS47(譯碼器)和共陰極七段LED顯示器組成。報(bào)警電路在試驗(yàn)中可用發(fā)光二極管與蜂鳴器代替。2.2 設(shè)計(jì)方案分析設(shè)計(jì)任務(wù)，計(jì)數(shù)器和控制電路是系統(tǒng)的主要部分。計(jì)數(shù)器完成24s計(jì)時(shí)功能，而控制電路具有直接控制計(jì)數(shù)器的啟動計(jì)數(shù)、暫停連續(xù)計(jì)數(shù)、譯碼顯示電路的顯示和滅燈功能。為了滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，在設(shè)計(jì)控制電路時(shí)，應(yīng)正確處理各個(gè)信號之間的時(shí)序關(guān)系。在操作直接清零開關(guān)時(shí)，要求計(jì)數(shù)器清零，數(shù)碼顯示器滅

5、燈。當(dāng)啟動開關(guān)閉合時(shí)，控制電路應(yīng)封鎖時(shí)鐘信號CP，同時(shí)計(jì)數(shù)器完成置數(shù)功能，譯碼顯示電路顯示“24”字樣；當(dāng)啟動開關(guān)斷開時(shí)，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)；當(dāng)暫停連續(xù)開關(guān)撥在暫停位置上時(shí)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，處于保持狀態(tài)；當(dāng)暫停連續(xù)開關(guān)撥在連續(xù)時(shí)，計(jì)數(shù)器繼續(xù)遞減計(jì)數(shù)。2.3 各單元電路的設(shè)計(jì)2.3.1 24進(jìn)制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中計(jì)數(shù)器是由兩片74192的8421BCD碼遞減計(jì)數(shù)器構(gòu)成。如圖2.2所示。圖2.2 74192雙時(shí)鐘十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74192是十進(jìn)制同步加/減法計(jì)數(shù)器，采用8421BCD碼編碼，具有直接清零、異步制數(shù)的功能，且有進(jìn)位和借位輸出端。當(dāng)需要進(jìn)行多級擴(kuò)展連接時(shí)，只要將前級的端接到下一級的CP+端，

6、端接到下一級的CP-端即可。詳見下面的功能表。輸 入輸 出R CP+ CP- D0 D1 D2 D3Q0 Q1 Q2 Q31 X X X X X X X0 0 X X I0 I1 I2 I30 1 1 X X X X0 1 1 1 X X X X0 1 1 1 X X X X0 0 0 0I0 I1 I2 I3加計(jì)數(shù)減計(jì)數(shù)保持表2.3 74192的功能表由功能表可以看出，當(dāng)=1，CR=0，CPD=1時(shí)，如果時(shí)鐘脈沖加到CPU端，則計(jì)數(shù)器在預(yù)置數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行加法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)到9（1001）時(shí)，端輸出進(jìn)位下降沿跳變脈沖；當(dāng)=1，CR=0，CPD=1時(shí)，如果有時(shí)鐘脈沖加到CPD端，則計(jì)數(shù)器在預(yù)置數(shù)的

7、基礎(chǔ)上進(jìn)行減法計(jì)數(shù)器。只有當(dāng)?shù)臀?端發(fā)出借位脈沖，高位計(jì)數(shù)器才做減計(jì)數(shù)。當(dāng)高，低位計(jì)數(shù)器全為零時(shí)，且CPD為0時(shí)，置數(shù)端 2，計(jì)數(shù)器完成并行置數(shù)，在CPD端的輸入時(shí)鐘脈沖作用下，計(jì)數(shù)器進(jìn)入下一輪循環(huán)減計(jì)數(shù)。 2.3.2數(shù)碼顯示譯碼器的設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中，根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，我使用74LS48譯碼器來驅(qū)動共陰極數(shù)碼顯示管， 74LS48芯片是一種常用的七段數(shù)碼管譯碼器驅(qū)動器，常用在各種數(shù)字電路和系統(tǒng)的顯示系統(tǒng)中，下面我就給大家介紹一下這個(gè)元件的一些參數(shù)與應(yīng)用技術(shù)等資料。74LS47的引腳圖和功能表分別如圖2.4和表2.5所示。 圖2.4 74ls47引腳圖輸入輸出字形數(shù)字A3 A2 A1 A0BI/RB

8、Oa b c d e f g012345678911111111111XXXXXXXXX0 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 111111111110 0 0 0 0 0 10 0 1 1 1 1 10 0 1 0 0 1 00 0 0 0 1 1 01 0 0 1 1 0 00 1 0 0 1 0 00 1 0 0 0 0 00 0 0 1 1 1 10 0 0 0 0 0 00 0 0 0 1 0 00123456789消隱脈沖消隱燈測試X10X0XX X X X0 0 0 0X X X X

9、0010 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 01 1 1 1 1 1 18表2.5 74LS47的功能表七段譯碼顯示原理圖如圖2.4(a)所示，圖2.4(b)給出了七段顯示筆畫與015共16個(gè)數(shù)字的對應(yīng)關(guān)系圖2.6 七段數(shù)碼顯示管的引腳圖2.3.3秒脈沖的設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本電路需要產(chǎn)生間隔為一秒的時(shí)間脈沖，完成正確的計(jì)數(shù)功能。所以選擇555定時(shí)器來設(shè)計(jì)此模塊。從而產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的秒脈沖。1器件特性555定時(shí)器是一種中規(guī)模集成電路，外形為雙列直插8腳結(jié)構(gòu)，體積很小，使用起來方便。只要在外部配上幾個(gè)適當(dāng)?shù)淖枞菰?，就可以?gòu)成史密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及自激多諧振蕩器等脈沖信號產(chǎn)生與變換電路

10、。它在波形的產(chǎn)生與變換、測量與控制、定時(shí)電路、家用電器、電子玩具、電子樂器等方面有廣泛的應(yīng)用。集成555定時(shí)器有雙極性型和CMOS型兩種產(chǎn)品。一般雙極性型產(chǎn)品型號的最后三位數(shù)都是555，CMOS型產(chǎn)品型號的最后四位數(shù)都是7555.它們的邏輯功能和外部引線排列完全相同。器件電源電壓推薦為4512V，最大輸出電流200mA以內(nèi)，并能與TTL、CMOS邏輯電平相兼容。引腳功能：Vi1（TH）：高電平觸發(fā)端，簡稱高觸發(fā)端，又稱閾值端，標(biāo)志為TH。Vi2（）：低電平觸發(fā)端，簡稱低觸發(fā)端，標(biāo)志為。VCO：控制電壓端。VO：輸出端。Dis：放電端。：復(fù)位端。555定時(shí)器內(nèi)含一個(gè)由三個(gè)阻值相同的電阻R組成的分

11、壓網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生VCC和VCC兩個(gè)基準(zhǔn)電壓；兩個(gè)電壓比較器C1、C2；一個(gè)由與非門G1、G2組成的基本RS觸發(fā)器（低電平觸發(fā)）；放電三極管T和輸出反相緩沖器G3。是復(fù)位端，低電平有效。復(fù)位后, 基本RS觸發(fā)器的端為1（高電平），經(jīng)反相緩沖器后，輸出為0（低電平）。分析圖2.2.3.1的電路：在555定時(shí)器的VCC端和地之間加上電壓，并讓VCO懸空，則比較器C1的同相輸入端接參考電壓VCC，比較器C2反相輸入端接參考電壓VCC ，為了學(xué)習(xí)方便，我們規(guī)定：當(dāng)TH端的電壓>VCC時(shí)，寫為VTH=1，當(dāng)TH端的電壓<VCC時(shí)，寫為VTH=0。當(dāng)端的電壓>VCC時(shí)，寫為VTR=1，當(dāng)端的電

12、壓<VCC時(shí)，寫為VTR=0。低觸發(fā)：當(dāng)輸入電壓Vi2<VCC 且Vi1<VCC時(shí)，VTR=0，VTH=0，比較器C2輸出為低電平，C1輸出為高電平，基本RS觸發(fā)器的輸入端=0、=1，使Q1，0，經(jīng)輸出反相緩沖器后，VO1，T截止。這時(shí)稱555定時(shí)器“低觸發(fā)”；保持：若Vi2>VCC 且Vi1<VCC，則VTR=1，VTH=0，=1，基本RS觸發(fā)器保持，VO和T狀態(tài)不變，這時(shí)稱555定時(shí)器“保持”。高觸發(fā)：若Vi1>VCC，則VTH=1，比較器C1輸出為低電平，無論C2輸出何種電平，基本RS觸發(fā)器因=0，使1，經(jīng)輸出反相緩沖器后，VO0；T導(dǎo)通。這時(shí)稱555

13、定時(shí)器“高觸發(fā)”。VCO為控制電壓端，在VCO端加入電壓，可改變兩比較器C1、C2的參考電壓。正常工作時(shí)，要在VCO和地之間接001F（電容量標(biāo)記為103）電容。放電管Tl的輸出端Dis為集電極開路輸出。根據(jù)555定時(shí)器的控制功能，可以制成各種不同的脈沖信號產(chǎn)生與處理電路電路，例如,史密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、自激多諧振蕩器等。在此次設(shè)計(jì)中，采用多諧振蕩器來設(shè)計(jì)。2自激多諧振蕩器圖2.7所示為自激多諧振蕩器電路和波形圖。自激多諧振蕩器用于產(chǎn)生連續(xù)的脈沖信號。電路采用電阻、電容組成RC定時(shí)電路，用于設(shè)定脈沖的周期和寬度。調(diào)節(jié)RW或電容C，可得到不同的時(shí)間常數(shù)；還可產(chǎn)生周期和脈寬可變的方波輸出。脈

14、沖寬度計(jì)算公式：Tw1=0.7 (R1 +R2) C Tw2=0.7R2 C振蕩周期計(jì)算公式：T=0.7 (R1 +2R2) C1s圖2.7 自激多諧振蕩器電路和波形圖分析方法與單穩(wěn)態(tài)電路相似，但電容器C的充電電阻是R1 +R2 ，放電電阻是R2 。當(dāng)VC是低電平時(shí)，555定時(shí)器低觸發(fā)，VO為高電平，放電管T截止，電容器經(jīng)（R1 +R2）充電，當(dāng)充電至VC=VTH>VCC時(shí)，電路高觸發(fā)，輸出VO變?yōu)榈碗娖?，放電管T導(dǎo)通，電容器經(jīng)R2放電，當(dāng)放電至VC=VTR<VCC時(shí)，電路又進(jìn)入低觸發(fā)，VO變?yōu)楦唠娖剑绱酥芏鴱?fù)始，循環(huán)不止，輸出連續(xù)脈沖信號。2.3.4時(shí)序控制電路 完成計(jì)數(shù)器的復(fù)

15、位、啟動計(jì)數(shù)、暫停/ 繼續(xù)計(jì)數(shù)、聲光報(bào)警等功能。控制電路由IC5 組成。IC5B 受計(jì)數(shù)器的控制。IC5C、IC5D 組成RS 觸發(fā)器, 實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器的復(fù)位、計(jì)數(shù)和保持“24”、以及聲、光報(bào)警的功能。操作“清零”開關(guān)時(shí)，計(jì)數(shù)器清零。閉合“啟動”開關(guān)時(shí)，計(jì)數(shù)器完成置數(shù)，顯示器顯示24斷開“啟動”開關(guān)，計(jì)數(shù)器開始進(jìn)行遞計(jì)數(shù)。電路圖中，當(dāng)開關(guān)S1合上時(shí)， =0，74LS192進(jìn)行置數(shù)；當(dāng)S1斷開時(shí)， =1，74LS192處于計(jì)數(shù)工作狀態(tài)。開關(guān)S2是時(shí)鐘脈沖信號CP的控制電路。當(dāng)定時(shí)時(shí)間未到時(shí)，74LS192的借位輸出信號 2=1，則CP信號受“暫停/連續(xù)”開關(guān)S2的控制，當(dāng)S2處于“暫?！蔽恢脮r(shí)，門G

16、3輸出為0，門G2關(guān)閉，封鎖CP 信號，計(jì)數(shù)器暫停計(jì)數(shù)；當(dāng)S2處于連續(xù)位置時(shí)，門G3輸出1，門G2打開，放行CP信號，計(jì)數(shù)器在CP作用下，繼續(xù)累計(jì)計(jì)數(shù)。當(dāng)定時(shí)時(shí)間到時(shí)， 2=0，門G2關(guān)閉，封鎖CP信號，計(jì)數(shù)器保持零狀態(tài)不變。(1) K1: 啟動按鈕。K1 按下后處于斷開位置時(shí), 計(jì)數(shù)器從“24”遞減計(jì)數(shù)到“00”同時(shí)控制電路發(fā)出聲、光報(bào)警信號, 計(jì)數(shù)器保持“00”狀態(tài)不變, 處于等待狀態(tài)。當(dāng)K1 再次閉合時(shí), 計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。(2) K2: 手動復(fù)位按鈕。當(dāng)按下K2 時(shí), 不管計(jì)數(shù)器工作于什么狀態(tài), 計(jì)數(shù)器立即復(fù)位到預(yù)置數(shù)值, 即“00”。(3) K3：消隱按鈕。按下K3時(shí)計(jì)數(shù)器斷電并消除所

17、有計(jì)數(shù)。(4) K4: 暫停按鈕。當(dāng)“暫停/ 連續(xù)”開關(guān)處于“暫?！睍r(shí), 計(jì)數(shù)器暫停計(jì)數(shù), 顯示器保持不變, 當(dāng)此開關(guān)處于“連續(xù)”開關(guān), 計(jì)數(shù)器繼續(xù)累計(jì)計(jì)數(shù)?？刂齐娐烽_關(guān)如圖所示：圖 2.8 控制電路開關(guān)圖數(shù)字電路的仿真與調(diào)試3.1 Protues仿真首先在Protues中選好元器件，然后連好線，檢查線路是否存在錯誤，如無，則進(jìn)入了調(diào)試的正式階段，啟動調(diào)試，觀察系統(tǒng)運(yùn)行的狀況是否良好，然后觀察現(xiàn)系統(tǒng)的效果是否達(dá)到預(yù)期的要求，如無，則停止仿真，分析電路中存在的缺陷與錯誤，改正后再次啟動調(diào)試，然后再次觀察仿真效果是否達(dá)到預(yù)期的效果，如此循環(huán)下去，直到得到滿意的仿真效果。到此調(diào)試仿真過程結(jié)束。以下是

18、本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)仿真結(jié)果圖：圖3.1 系統(tǒng)仿真結(jié)果圖課程設(shè)計(jì)小結(jié)此次數(shù)字電子技術(shù)的電子課程設(shè)計(jì)讓我獲益匪淺，使我嘗到了將所學(xué)的知識用于實(shí)踐的喜悅和成就感。此課程設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)制作的籃球競賽24秒計(jì)時(shí)器是一個(gè)實(shí)用性設(shè)計(jì)。此次設(shè)計(jì)的成不僅為所學(xué)的專業(yè)課程打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，提高了我們對分析與解決問題的能力，也在研究與電子愛好追求上做了一個(gè)很好的起步。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，我學(xué)到了學(xué)習(xí)理論時(shí)學(xué)不到的東西，不但鍛煉我的動手能力而且鞏固我們所學(xué)的理論知識，這樣實(shí)踐與理論相結(jié)合就可以更快而有效地掌握知識。本次的設(shè)計(jì)使我從中學(xué)到了一些很重要的東西，那就是如何從理論到實(shí)踐的轉(zhuǎn)化，怎樣將我所學(xué)到的知識運(yùn)用到我以后的工作中去。在大學(xué)的課堂的學(xué)習(xí)只是在給我們灌輸專業(yè)知識，而我們應(yīng)把所學(xué)的用到我們現(xiàn)實(shí)的生