数字电子技术课程设计

1前言在篮球比赛中，规定了球员的持球时间不能超过30秒，否则就犯规了。本课程设计的“篮球竞赛30秒计时器”，可用于篮球比赛中，一旦球员的持球时间超过了30秒，它自动的报警从而判定此球员的犯规。本设计主要能完成：显示30秒倒计时功能；系统设置外部操作开关，控制计时器的直接清零、启动和暂停/连续功能；在直接清零时，数码管显示器灭灯；计时器为30秒递减计时其计时间隔为1秒；计时器递减计时到零时，数码显示器不灭灯，同时发出光电报警信号等。方案中应用双时钟加、减同步可逆计数器74LS192来实现倒计时功能,在功能选择过程中选择减计数功能,芯片管脚选择中让DOWN处于工作状态。在显示零秒亮灯报警电路中，应用组合电路及二极管发光条件来实现该功能。显示电路用CD451和共阴数码管来实现，通过控制CD4511的灭灯输入信号（BL’）来实现灭灯的功能。设计要求篮球三十秒计时器基本要求；1)具有显示三十秒计时功能；2)设置外部操作开关,控制计数器的直接清零,启动和暂停/连续功能；3)在直接清零时,要求数码显示器灭灯；4)计时器为三十秒递减时,计时间隔为一秒；5)计时器递减计时到零时,数码显示不能灭灯,同时发出光电报警信号。[主要参考元器件]：NE555﹑74LS161﹑74LS1921系统原理框图啊啊图一系统原理框图1、1秒脉冲发生器：秒脉冲信号发生器需要产生一定精度和幅度的矩形波信号。实现这样矩形波的方法很多，可以由非门和石英振荡器构成，可由单稳态电路构成，可以由施密特触发器构成，也可以由555定时器构成等。不同的电路对矩形波频率的精度要求不同，由此可以选用不同电路结构的脉冲信号发生器。本实验中由于脉冲信号作为计数器的计时脉冲，其精度直接影响计数器的精度，因此要求脉冲信号有比较高的精度。一般情况下，要做出一个精度比较高的频率很低的振荡器有一定的难度工程上解决这一问题的办法就是先做一个频率比较高的矩形波震荡器，然后将其输出信号通过计数器进行多级分项，就可以得到秒脉冲发生器计数器译码显示控制电路报警电路外部操作开关2频率比较低精度比较高的脉冲信号发生器，其精度取决于振荡器的精度和分级项数。2．30秒减法计数器：30秒减法计数器采用74LS192设计，74LS192是十进制同步加法|减法计数器，采用8421BCD码编码，具有直接清零异步置数功能。表一74LS192的逻辑控制功能表CPUCPDLD'CR操作××00置数↑110加计数1↑10减计数×××1清零3.控制电路：按照系统的要求，电路应该完成相应的功能。2方案设计2.1时间脉冲产生电路方案一：由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器作为时间标准信号源。图二555与RC组成的多谐振荡器图方案二:由14位二进制串行计数器/分频器和振荡器CD4060、BCD同步加法计数器CD4518构成的秒信号发生器。电路中利用CD4060组成两部分电路。一部分是14级分频器，其最高分频数为16384；另一部分是由外接电子表用石英晶体、电阻及电容构成振荡频率为32768Hz的振荡器。震荡器输出经14级分频后在输出端Q14上得到1/2秒脉冲并送入由1/2CD4518构成的二分频器，分频后在输出断Q13上得到秒基准脉冲。方案选择:本课程设计中对秒脉冲信号的精度要求并不是很高，并且方案二中用CD4060和分频器构成的基准秒脉冲发生电路较于前者要复杂的多，而且CD4060和CD4518我们平常很少用，对其功能和引脚信息了解不多，所以，我们选用了方案一，用555定时器构成电路中的脉冲信号发生器。2.2系统组成本课程设计主要包括秒脉冲发生电路、计数电路、数码显示电路和报警电路，控制电路是由各外部操作开关组成，而秒脉冲发生器是由555定时器构成，计数电路则由计数器组成。其设计原理构图如下图三秒脉冲发生器图四报警电路U1LM555CMGND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI2VCC5VR115kΩR268kΩVCC1C1100nFC210uF320LED1VCC5VR110kΩVCC14图五计时电路图六控制开关2.3工作原理本设计有脉冲发生器、计数器、译码显示电路、报警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。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、定时时间到报警等功能。当启动开关闭合时，555振荡器将产生的信号送至计数器的DOWN信号输入端，减计数器开始工作，完成30秒计时功能。30秒计时器的总体参考方案框图如图2.1所示。它包括控制电路、秒脉器产生的信号是电路的时钟脉冲和定时标准，但本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器构成。译码显示电路由74LS48和共阴极七段LED显示器组成。报警电路在设计中可用发光二极管代替。计数器和控制电路是系统的主要部分。计数器完成30s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U174LS192DA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4~LOAD11~BO13~CO12CLR14GND8VCC16U274LS192DA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4~LOAD11~BO13~CO12CLR14GND8VCC16001U174LS00D1A1B1Y2A2B2YGND3Y3B3A4Y4B4AVCCU274LS00D1A1B1Y2A2B2YGND3Y3B3A4Y4B4AVCCJ1Key=Space0VCC5VR110kΩR210kΩVCC12345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“30”字样；当启动开关断开时，计数器开始计数；为了简单起见，我们将暂停与连续的控制开关放在555电路模块中，通过控制脉冲信号的传送来达到相应的目的。最后灭灯电路是通过74LS192的清零端和74LS48的灭灯输入信号来实现的。当计数器CLR端输入高电平时清零，而此时在CLR端接一个非门，再将非门的输出接至74LS48的BI’端，就能保证74LS48的灭灯输入信号BI’=0，使数码管灭灯。从而就完成了灭灯电路的实现。进而实现整个课程设计的要求3单元电路设计3.1时间脉冲产生电路的设计图七产生1Hz时间脉冲的电路图由于R1=15KΩ,R6=68KΩ,C1=10Uf,C2=10nF，因为T=(R1+2R2)CIn2，算得T=1.05s，时间已经比较接近1s了。63.2控制电路控制电路包括暂停/连续控制电路和置数/启动控制电路来实现整个装置的暂停计数和继续计数，重新置数和启动计数的功能。当B开关置于置数位置时，不管C置于哪端都不开始计数；当B开关置于启动端时，开关C至于连续端时开始计时，开关C置于昝婷端时记数暂停。(1)暂停/连续控制电路电路中通过外部操作开关控制脉冲信号的连续与暂停来实现整个电路的连续与暂停功能。通过开关控制高低电平的接入，进而控制秒脉冲是否接入计数器，从而达到暂停和连续的功能。原理图如下所示。图八暂停/连续控制电路2)置数/启动控制电路利用单刀双掷开关一端接地一端接电源，控制给计数电路的复位清零引脚接入高低电平7图九置数/启动控制电路3.3计数电路在数字系统中使用的最多的时序电路要算是计数器了。计数器不仅能用于对时钟脉冲计数，还可以用于分频、定时、产生节拍脉冲和脉冲序列以及进行数字运算等。计数器的种类非常多。如果按计数器中的触发器是否同时翻转分类，可以将计数器分为同步式和异步式两种。在同步计数器中，当时钟脉冲输入时触发器的翻转是同时发生的。而在异步计数器中，触发器的翻转由先有后，不是同时发生的。在设计中我们选择的是同步加/减计数器74LS192。它是双时钟同步可逆计数器，是8421BCD码计数，其详细引脚图及功能表如下：图十74LS192引脚图8表二74LS192功能表输入输出CRLDCPUCPDD3D2D1D0Q3Q2Q1Q01XXXXXXXO00000XXdcbadcba0111XXXX保持011XXXX加计数011XXXX减计数表中CR是清零端，LD是置数端，CPU是加计数时钟输入端，CPD是减计数时钟输入端，D3﹑D2﹑D1﹑D0DO都是计数器预置数输入端，Q3﹑Q2﹑Q1﹑Q0都是数据输出端，另外，C0是非同步进位输出端，BO是非同步借位端输出端。30秒篮球计时器，只需要进行单一的递减计算，所以在设计中我选择的是同步加/减计数器74LS192。它是双时钟同步可逆计数器，是8421BCD码计数。设计中通过两片74LS192的级联来实现一个30进制的计数器。当低位片从0跳到9时，高位片进位加一，直到实现三十秒的计数功能。再者，因为要求中提到要求电路要实现倒数计时，所以74LS192的加计数器信号输入当应该加上无用性号（高电平）。计数电路的核心是置数部分。本设计中的30秒只需将两计数器的输入端分别置为0011和0000即可。采用同步置数的方式来实现30置数。因为74LS192是十进制的计数器，所以当倒计时为0时，计数器会跳到99，因此我们采用99置数来解决这个问题，最后让显示器停在30秒处。计数电路如下：9图十一计数电路2.4译码驱动及显示单元电路BCD码七段译码驱动器型号有74LS47（共阳）74LS48（共阴）、CD4511（共阴）等，本设计采用的是74LS48。其中A-D为BCD码输入端;a-g为译码输出端，输出“1”有效，用来驱动LED共阴数码管；LT’为测试输入端，LT’=0时，译码输出全为“1”；BI’为消隐输入端，BI’=0，译码输出端全为“0”；LE为锁定端，LE=1时译码器处于锁定状态，译码输出端保持在LE=0时的数值，LE=0为正常译码。74LS48内有上拉电阻，故只需要在输出端与数码管管脚端之间串入限流电阻即可工作。译码器还有拒伪码功能，当输入码超过1001时，输出全为“0”，数码管熄灭。译码电路的功能是将计数器的输出代码进行翻译，变成相应的数字。用于驱动LED七段数码管的译码器常用的有74LS48。74LS48是BCD-7段译码器/驱动器，其输出是OC门输出且低电平有效，专用于驱动LED七段共阳极显示数码管。如图9所示。若将计数器的每位输出分别接到相应七段译码器的输入端，便可进行不同数字的显示。10图十二74LS48引脚图表三74LS48功能表11图十三译码显示电路2.5报警电路设计中要求电路在计数为0时实现光电报警的功能。设计方案中我们用或门和发光二极管实现了这一功能。并且有蜂鸣器发声。它由一个NPN型三极管作为驱动电路，三极管通过4.7千欧电阻也接74192的借位输出端BI。12图十四报警电路图2.6电路总图图十五总电路图3调试及测试结果分析3.1调试在这次的课程设计中，通过查找资料、比较各种方案、讨论，最终确立了比较简单又比较完善的方案，并用仿真软件仿真出了结果。经过几天的努力，将基本电路连接完成。但由于没有经验，加上连接电路的时候没有对单元电路进行检验，导致问题太多，数码管根本没有显示。而且有的芯片上VCC和GND两条总线间连电压都没有，由于电线太多，而且出现的问题经调试后也无法减少，所以决定重新连接。这一次，采取“各个击破”的方式进行电路板的连接。不过在单元电路的完成过程中也出现了一些问题，在显示电路的部分中，我们选用的是七段13共阴数码管，它的公共端3脚和8脚本应都接低电平的，而我们在焊接时却不小心将8脚接到了VCC总线上，导致数码管不能正常显示，这让我们明白在焊接过程中要绝对细心，头脑要清楚，在焊接时要数清芯片的管脚，并正确接到别的芯片上对应的管脚上。还有在计数电路中，计数时丢失了有4和7的数，经过分析了解到，我们肯定有虚焊点的存在，通过用万用表检测问题计数器各输出端的电平，发现果然是虚焊问题导致的结果，低位计数器的Qc端一直没有电压，经过再次焊接后，