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数字电路课程设计实例---24秒计时器

2023-02-27 来源:易榕旅网
河南理工大学万方科技学院课程设计

河南理工大学万方科技学院

《数字电子技术基础》

课程设计

电气与自动化工程系 电气工程及其自动化 10届电气3班 1016301013 张克科 李宝平 2012.6.18—2012.6.24

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24秒计数器概述

1.1篮球竞赛24秒计时器功能

数字电子技术在社会生活中发挥着越来越重要的作用,在生活中有着各种各样的应用。因此课程设计是数字电子技术学习中非常重要的一个环节,它将学生的理论知识和实践能力统一起来,为以后的工作做好准备。

在篮球比赛中,规定了球员的持球时间不能超过24秒,否则就犯规了。本课程设计的“篮球竞赛24秒计时器”可用于篮球比赛中,用于对球员持球时间24秒限制。一旦球员的持球时间超过了24秒,它就自动报警从而判定此球员的犯规。

本课程设计是脉冲数字电路的简单应用,设计了篮球竞赛24秒计时器。此计时器功能齐全,有显示24秒倒计时的功能,同时系统设置外部操作开关,控制计时器的直接清零、启动、暂停、连续功能。而在直接清零时,数码管显示器灭灯,计时器为24秒递减计时其计时间间隔为1秒,计时器递减计时到零时,数码管显示器不灭灯,同时发出光电报警信号。

1.2设计任务及要求

1.2.1 基本要求

(1)显示24秒计时功能。

(2)设置外部操作开关控制计时器直接清零、启动、暂停/连续功能。 (3)在直接清零时,要求数码显示器灭灯。

(4)计时器为24秒递减计时器,其计时间隔为1秒。

(5)递减计时到零时,显示器不能灭灯,同时发出光电报警信号。 (6)秒脉冲由555多谐振荡器给出。 1.2.2设计任务及目标

(1)根据原理图分析各单元电路的功能;

(2)熟悉电路中所用到的各集成块的管脚及其功能;

(3)进行电路的装接、调试、直到电路能达到规定的设计要求;

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(4)写出完整、详细的课程设计报告

电路设计原理与单元模块

2.1设计原理

24秒计时器的总体参考方案框图如图2.1所示。它包括秒脉冲发生器、计数器、译码显示电路、报警电路和辅助时序控制电路等五个模块组成。其中计数器和控制电路是系统的主要模块。计数器完成24秒计时功能.而控制电路完成计数器的直接清零、启动计数、暂停/连续计数;译码显示电路的显示与灭灯、定时时间到启动报警等功能。

译码 显示 定时到 译码 显示 递减 计数器 报警 电路 秒脉冲 发生器 启动 暂停/连续 清除 递减 计数器 控制 电路 图2.1 24秒计时器系统设计框图

秒脉冲发生器产生的信号是电路的时钟脉冲和定时标准,但是设计对此信号要求并不太高,故电路可采用555集成电路或由TTL与非门组成的多谐振荡其构成。

译码显示电路由74LS47(译码器)和共阴极七段LED显示器组成。报警电路在试验中可用发光二极管与蜂鸣器代替。

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2.2 设计方案

分析设计任务,计数器和控制电路是系统的主要部分。计数器完成24s计时功能,而控制电路具有直接控制计数器的启动计数、暂停/连续计数、译码显示电路的显示和灭灯功能。为了满足系统的设计要求,在设计控制电路时,应正确处理各个信号之间的时序关系。在操作直接清零开关时,要求计数器清零,数码显示器灭灯。

当启动开关闭合时,控制电路应封锁时钟信号CP,同时计数器完成置数功能,译码显示电路显示“24”字样;当启动开关断开时,计数器开始计数;当暂停/连续开关拨在暂停位置上时,计数器停止计数,处于保持状态;当暂停/连续开关拨在连续时,计数器继续递减计数。

2.3 各单元电路的设计

2.3.1 24进制计数器的设计

本设计中计数器是由两片74192的8421BCD码递减计数器构成。如图2.2所示。

图2.2 74192双时钟十进制计数器

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74192是十进制同步加/减法计数器,采用8421BCD码编码,具有直接清零、异步制数的功能,且有进位OC和借位OB输出端。当需要进行多级扩展连接时,只要将前级的OC端接到下一级的CP+端,OB端接到下一级的CP-端即可。详见下面的功能表。

输 入 R LD 输 出 Q0 Q1 Q2 Q3 CP+ CP- D0 D1 D2 D3 1 X X X X X X X 0 0 X X I0 I1 I2 I3 0 1 ↑ 1 X X X X 0 1 1 1 X X X X 0 1 1 1 X X X X 0 0 0 0 I0 I1 I2 I3 加计数 减计数 保持 表2.3 74192的功能表

由功能表可以看出,当LD=1,CR=0,CPD=1时,如果时钟脉冲加到CPU端,则计数器在预置数的基础上进行加法计数,当计数到9(1001)时,OC端输出进位下降沿跳变脉冲;当LD=1,CR=0,CPD=1时,如果有时钟脉冲加到CPD端,则计数器在预置数的基础上进行减法计数器。只有当低位1端发出借位脉冲,高位计数器才做减计数。当高,低位计数器全为零时,且CPD为0时,置数端 2,计数器完成并行置数,在CPD端的输入时钟脉冲作用下,计数器进入下一轮循环减计数。 2.3.2数码显示译码器的设计

在本设计中,根据设计的要求,我使用74LS48译码器来驱动共阴极数码显示管, 74LS48芯片是一种常用的七段数码管译码器驱动器,常用在各种数字电路和系统的显示系统中,下面我就给大家介绍一下这个元件的一些参数与应用技术等资料。74LS47的引脚图和功能表分别如图2.4和表2.5所示。

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图2.4 74ls47引脚图

输入 数字 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 消隐 脉冲消隐 灯测试 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 X 1 0 输出 字形 BI/RBO 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 a b c d e f g 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 8 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 X X X X X X X X X X 0 X A3 A2 A1 A0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 X X X X 0 0 0 0 X X X X 表2.5 74LS47的功能表

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七段译码显示原理图如图2.4(a)所示,图2.4(b)给出了七段显示笔画与0~15共16个数字的对应关系

图2.6 七段数码显示管的引脚图

2.3.3秒脉冲的设计

根据设计要求,本电路需要产生间隔为一秒的时间脉冲,完成正确的计数功能。所以选择555定时器来设计此模块。从而产生标准的秒脉冲。

1.器件特性

555定时器是一种中规模集成电路,外形为双列直插8脚结构,体积很小,使用起来方便。只要在外部配上几个适当的阻容元件,就可以构成史密特触发器、单稳态触发器及自激多谐振荡器等脉冲信号产生与变换电路。它在波形的产生与变换、测量与控制、定时电路、家用电器、电子玩具、电子乐器等方面有广泛的应用。

集成555定时器有双极性型和CMOS型两种产品。一般双极性型产品型号的最后三位数都是555,CMOS型产品型号的最后四位数都是7555.它们的逻辑功能和外部引线排列完全相同。器件电源电压推荐为4.5~12V,最大输出电流200mA以内,并能与TTL、CMOS逻辑电平相兼容。

引脚功能:

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Vi1(TH):高电平触发端,简称高触发端,又称阈值端,标志为TH。 Vi2(TR):低电平触发端,简称低触发端,标志为TR。 VCO:控制电压端。 VO:输出端。 Dis:放电端。

Rd:复位端。

555定时器内含一个由三个阻值相同的电阻R组成的分压网络,产生

13VCC和

23VCC

两个基准电压;两个电压比较器C1、C2;一个由与非门G1、G2组成的基本RS触发器(低电平触发);放电三极管T和输出反相缓冲器G3。

Rd是复位端,低电平有效。复位后, 基本

RS触发器的Q端为1(高电平),经反

相缓冲器后,输出为0(低电平)。

分析图2.2.3.1的电路:在555定时器的VCC端和地之间加上电压,并让VCO悬空,则比较器C1的同相输入端接参考电压为了学习方便,我们规定:

当TH端的电压>当TR端的电压>

2323VCC,比较器C2反相输入端接参考电压

13VCC ,

VCC时,写为VTH=1,当TH端的电压1323VCC时,写为VTH=0。 VCC时,写为VTR=0。

1313低触发:当输入电压Vi223VCC时,VTR=0,VTH=0,比较器C2输出

为低电平,C1输出为高电平,基本RS触发器的输入端S=0、R=1,使Q=1,Q=0,经输出反相缓冲器后,VO=1,T截止。这时称555定时器“低触发”;

保持:若Vi2>

13VCC 且Vi1<3VCC,则VTR=1,VTH=0,S=R=1,基本RS触发器保

2持,VO和T状态不变,这时称555定时器“保持”。

高触发:若Vi1>

23VCC,则VTH=1,比较器C1输出为低电平,无论C2输出何种电

平,基本RS触发器因R=0,使Q=1,经输出反相缓冲器后,VO=0;T导通。这时称555定时器“高触发”。

VCO为控制电压端,在VCO端加入电压,可改变两比较器C1、C2的参考电压。正常工作时,要在VCO和地之间接0.01μF(电容量标记为103)电容。放电管Tl的输出端Dis为集电极开路输出。根据555定时器的控制功能,可以制成各种不同的脉冲信号产生与处理电路电路,例如,史密特触发器、单稳态触发器、自激多谐振荡器等。在此次设计中,采用多谐振荡器来设计。

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2.自激多谐振荡器

图2.7所示为自激多谐振荡器电路和波形图。自激多谐振荡器用于产生连续的脉冲信号。电路采用电阻、电容组成RC定时电路,用于设定脉冲的周期和宽度。调节RW或电容C,可得到不同的时间常数;还可产生周期和脉宽可变的方波输出。

脉冲宽度计算公式:Tw1=0.7 (R1 +R2) C Tw2=0.7R2 C 振荡周期计算公式:T=0.7 (R1 +2R2) C≈1s

图2.7 自激多谐振荡器电路和波形图

分析方法与单稳态电路相似,但电容器C的充电电阻是R1 +R2 ,放电电阻是R2 。当VC是低电平时,555定时器低触发,VO为高电平,放电管T截止,电容器经(R1 +R2)充电,当充电至VC=VTH>

23VCC时,电路高触发,输出VO变为低电平,放电管T导通,电容

13器经R2放电,当放电至VC=VTR复始,循环不止,输出连续脉冲信号。 2.3.4时序控制电路

完成计数器的复位、启动计数、暂停/ 继续计数、声光报警等功能。控制电路由IC5 组成。IC5B 受计数器的控制。IC5C、IC5D 组成RS 触发器, 实现计数器的复位、计数和保持“24”、以及声、光报警的功能。操作“清零”开关时,计数器清零。闭合

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“启动”开关时,计数器完成置数,显示器显示24断开“启动”开关,计数器开始进行递计数。电路图中,当开关S1合上时, =0,74LS192进行置数;当S1断开时, =1,74LS192处于计数工作状态。开关S2是时钟脉冲信号CP的控制电路。当定时时间未到时,74LS192的借位输出信号 2=1,则CP信号受“暂停/连续”开关S2的控制,当S2处于“暂停”位置时,门G3输出为0,门G2关闭,封锁CP 信号,计数器暂停计数;当S2处于连续位置时,门G3输出1,门G2打开,放行CP信号,计数器在CP作用下,继续累计计数。当定时时间到时, 2=0,门G2关闭,封锁CP信号,计数器保持零状态不变。

(1) K1: 启动按钮。K1 按下后处于断开位置时, 计数器从“24”递减计数到“00”同时控制电路发出声、光报警信号, 计数器保持“00”状态不变, 处于等待状态。当K1 再次闭合时, 计数器开始计数。

(2) K2: 手动复位按钮。当按下K2 时, 不管计数器工作于什么状态, 计数器立即复位到预置数值, 即“00”。

(3) K3:消隐按钮。按下K3时计数器断电并消除所有计数。

(4) K4: 暂停按钮。当“暂停/ 连续”开关处于“暂停”时, 计数器暂停计数, 显示器保持不变, 当此开关处于“连续”开关, 计数器继续累计计数。控制电路开关如图所示:

图 2.8 控制电路开关图

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数字电路的仿真与调试

3.1 Protues仿真

首先在Protues中选好元器件,然后连好线,检查线路是否存在错误,如无,则进入了调试的正式阶段,启动调试,观察系统运行的状况是否良好,然后观察现系统的效果是否达到预期的要求,如无,则停止仿真,分析电路中存在的缺陷与错误,改正后再次启动调试,然后再次观察仿真效果是否达到预期的效果,如此循环下去,直到得到满意的仿真效果。到此调试仿真过程结束。以下是本设计的系统仿真结果图:

图3.1 系统仿真结果图

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课程设计小结

此次数字电子技术的电子课程设计让我获益匪浅,使我尝到了将所学的知识用于实践的喜悦和成就感。

此课程设计所设计制作的篮球竞赛24秒计时器是一个实用性设计。此次设计的成不仅为所学的专业课程打下了坚实的基础,提高了我们对分析与解决问题的能力,也在研究与电子爱好追求上做了一个很好的起步。

在这个设计中,我学到了学习理论时学不到的东西,不但锻炼我的动手能力而且巩固我们所学的理论知识,这样实践与理论相结合就可以更快而有效地掌握知识。

本次的设计使我从中学到了一些很重要的东西,那就是如何从理论到实践的转化,怎样将我所学到的知识运用到我以后的工作中去。在大学的课堂的学习只是在给我们灌输专业知识,而我们应把所学的用到我们现实的生活中去,此次的篮球竞赛24秒计时器的设计给我奠定了一个实践基础,我会在以后的学习、生活中磨练自己,使自己适应于以后的竞争,同时在查找资料的过程中我也学到了许多新的知识,在和同学协作过程中增进同学间的友谊,使我对互帮互助精神的积极性和重要性有了更加充分的理解。

最后,感谢老师和同学对我的细心的指导和帮助,正是由于老师的细心的辅导和他提供给我们的参考资料,以及同学之间交流获得的帮助,使得我的课程设计能够顺利的完成,同时在课程设计过程中,我们巩固和学习了我们的数字电子技术知识。相信这对我以后的课程设计和毕业设计将会有很大的帮助!

参考文献

[1]温如坤、高志敏.数字电子技术基础实验[M].湖北汽车工业学院,2004. [2]阎石.电子技术基础(数字部分)[M].高等教育出版社,2006. [3]白中英.数字逻辑与数字系统[M].科学出版社,2002.

[4]谢自美.电子线路设计、实验、测试[M].华中科技大学出版社,2001. [5]朱余钊.电子材料与元件[M].西安电子科技大学出版社,2002. [6]杨志忠.数字电子技术[M].高等教育出版社,2000.

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附录

完整的电路原理图

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元器件明细表 NE555 74LS48 74LS192 74LS00 可调电阻62K 固定电阻20K 电容0.1uF 1个 2个 2个 1个 1个 1个 1个 电容10uF 固定电阻330 固定电阻1k 开关 蜂鸣器 发光二极管 LED数码显示管 1个 14个 14个 3个 1个 1个 2个 万能板一块、芯片底座五个及一段导线

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