...wd......wd......wd...數(shù)字邏輯電路設計課程設計報告系〔部〕：三系專業(yè)：通信工程班級：11通信1班姓名：張夢瑤學號：20110306111成績：指導教師：李海霞開課時間：2012-2013學年二學期一、設計題目籃球比賽24秒倒計時器二、主要內(nèi)容分析設計題目的具體要求完成課題所要求的各個子功能的實現(xiàn)用multisim軟件完成題目的整體設計三、具體要求具有顯示24s倒計時功能：用兩個共陰數(shù)碼管顯示，其計時間隔為1s。分別設置啟動鍵和暫停/繼續(xù)鍵，控制兩個計時器的直接啟動計數(shù)，暫停/繼續(xù)計數(shù)功能。設置復位鍵：按復位鍵可隨時返回初始狀態(tài)，即進攻方計時器返回到24s。計時器遞減計數(shù)到“00〞時，計時器跳回“24〞停頓工作，并給出聲音和發(fā)光提示，即蜂鳴器發(fā)出聲響和發(fā)光二極管發(fā)光。四、進度安排第一天：介紹所用仿真軟件；布置任務，明確課程設計的完整功能和要求。第二天：消化課題，掌握設計要求，明確設計系統(tǒng)的全部功能，圖書館查閱資料。第三天：確定總體設計方案，畫出系統(tǒng)的原理框圖。第四天：繪制單元電路并對單元電路進展仿真。第五天：分析電路，對原設計電路不斷修改，獲得最正確設計方案。第六天：完成整體設計并仿真驗證。第七天：對課程設計進展現(xiàn)場運行檢查并提問，給出實踐操作成績。第八天：完成實踐報告的撰寫五、成績評定課程設計成績按優(yōu)、良、中、及格、不及格評定，最終考核成績由四局部組成：理論設計方案，演示所設計成果，總成績40％；設計報告，占總成績30％；答復教師所提出的問題，占總成績20％；考勤情況，占總成績10％；無故曠課一次，平時成績減半；無故曠課兩次平時成績?yōu)?分，無故曠課三次總成績?yōu)?分。遲到20分鐘按曠課處理。目錄前言51、總體設計思路、根本原理和框圖61.1設計思路61.2設計原理和功能71.2.1根本功能71.3總體設計框圖82、單元電路設計92.1各芯片的用法和功能92.1.174LS0092.1.2555定時器92.1.374LS90102.1.474LS192112.2單元模塊122.2.1秒脈沖發(fā)生模塊122.2.2倒計時模塊132.2.3控制電路模塊142.2.4報警提示模塊153、電路仿真調(diào)試〔總電路圖〕163.1總電路圖163.2仿真調(diào)試173.2.1啟動功能173.2.2復位功能183.2.3暫停功能183.2.4自動停頓、復位功能194、故障分析與電路改良214.1故障分析和解決214.2電路改良215、總結(jié)236、心得體會247、元件清單258、參考文獻26前言電子課程設計是電子技術(shù)學習中非常重要的一個環(huán)節(jié)，是將理論知識和實踐能力相統(tǒng)一的一個環(huán)節(jié)，是真正鍛煉學生能力的一個環(huán)節(jié)。在許多領(lǐng)域中計時器均得到普遍應用，諸如在體育比賽，定時報警器、游戲中的倒時器，交通信號燈、紅綠燈、行人燈、交通纖毫控制機，還可以用來做為各種藥丸、藥片，膠囊在指定時間提醒用藥等等，由此可見計時器在現(xiàn)代社會的應用是相當普遍的。在籃球比賽中，規(guī)定了球員的持球時間不能超過24秒，否則就違例了。本課程設計“智能籃球比賽倒計時器的設計〞，可用于籃球比賽中，用于對球員持球時間24秒限制。一旦球員的持球時間超過了24秒，它自動報警從而判定此球員的違例。本設計主要能完成一下功能：顯示24秒倒計時功能；系統(tǒng)設置外部操作開關(guān)，控制計時器的直接復位、啟動和暫停/繼續(xù)功能；在直接復位時，數(shù)碼管顯示為“24〞；計時器為24秒遞減計時其計時間隔為1秒；計時器遞減計時到“00〞時，數(shù)碼顯示器不滅燈，并且直接回到“24〞，同時報警電路發(fā)出光電報警信號等。整個電路的設計借助于Multisim仿真軟件以及數(shù)字電路相關(guān)理論知識，并在Multisim下設計和進展仿真，得到了預期的結(jié)果。1、總體設計思路、根本原理和框圖1.1設計思路本課程設計是脈沖數(shù)字電路的簡單應用，設計了籃球比賽24秒倒計時器。此計時器功能齊全，具有直接復位、啟動、暫停|繼續(xù)以及光電報警功能，同時使用了兩個共陰極數(shù)碼管來顯示時間。此計時器有了啟動、暫停和繼續(xù)功能，可以方便地在中途實現(xiàn)暫停計時功能。當計時器遞減到零時，會發(fā)出光電報警信號。此計時器的設計采用模塊化構(gòu)造，主要由以下5個局部組：秒信號產(chǎn)生模塊、計時模塊、控制模塊、譯碼顯示模塊以及報警電路模塊。在設計此倒計時器時，采用模塊化的設計思想，使設計起來更加簡單、方便、快捷?；@球比賽24秒倒計時系統(tǒng)的主要功能包括：進攻方24秒倒計時和計時完畢警報提示。秒信號產(chǎn)生電路由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器和74LS90構(gòu)成的分頻器構(gòu)成，為計數(shù)電路提供計數(shù)秒脈沖。攻方24秒倒計時，當比賽準備開場時，屏幕上顯示24秒字樣，當比賽開場后，倒計時從24逐秒倒數(shù)到00。這一計時模塊主要是利用雙向計數(shù)器74LS192來實現(xiàn)；控制電路主要利用SR鎖存器的鎖存功能和計時電路的反響信息來控制電路的計時模塊，以實現(xiàn)倒計時器的多項功能。當計數(shù)器計時到零時，警報電路給出發(fā)光提示和提示音。這局部電路主要通過一些門電路來實現(xiàn)。1.2設計原理和功能籃球比賽24秒倒計時器的總體電路包括秒脈沖發(fā)生電路、計數(shù)電路、顯示電路、報警電路和控制電路等五個模塊組成。其中計數(shù)器和控制電路是系統(tǒng)的主要模塊。計數(shù)器完成24秒計時功能，而控制電路完成計數(shù)器的直接復位、啟動計數(shù)、暫停/繼續(xù)計數(shù)、顯示電路的顯示與滅燈、定時時間到報警等功能。秒脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的信號是電路的時鐘脈沖和定時標準，本電路采用555定時器組成的多諧振蕩器產(chǎn)生秒脈沖信號。顯示電路采用共陰極數(shù)碼管對計數(shù)器的輸出信號直接進展譯碼顯示。報警電路在實驗中可用發(fā)光二極管和蜂鳴器代替。主體電路：24秒倒計時局部由74LS192計數(shù)器組成的計數(shù)電路完成。計數(shù)芯片清零端接低電平，并使計數(shù)器工作在減計數(shù)狀態(tài)。系統(tǒng)啟動后，計數(shù)器的置數(shù)端無效，24秒倒計時器開場進展倒計時，逐秒倒計到零。利用計數(shù)器減計數(shù)到“00〞狀態(tài)后將自動跳變到“99〞狀態(tài)繼續(xù)進展倒計時這一特點，將短暫出現(xiàn)的“99〞狀態(tài)信息通過與非門反響到控制電路，使控制電路控制計數(shù)器的置數(shù)端持續(xù)有效，電路回到“24〞狀態(tài)并停頓計時。另外，在控制電路中還設置了控制開關(guān)來實現(xiàn)電路的啟動、直接復位以及暫停/繼續(xù)等功能。1.2.1根本功能本電路根本功能主要包括啟動、直接復位、暫停/繼續(xù)等功能，這些功能的實現(xiàn)由控制電路的控制作用來完成。啟動功能：控制電路局部主要由與非門組成的SR鎖存器和一些門電路、控制開關(guān)組成。在保證74LS192雙向計數(shù)器工作在減計數(shù)狀態(tài)的前提下，將其置數(shù)端接在控制電路SR鎖存器的輸出端。在按下啟動鍵J1之前，鎖存器輸出為低電平，置數(shù)端有效，計數(shù)器處于置數(shù)狀態(tài)。當按下J1后，鎖存器輸出翻轉(zhuǎn)為高電平，置數(shù)端無效，計數(shù)器進入計數(shù)狀態(tài)。直接復位功能：單刀雙擲開關(guān)J3為復位鍵，當其接在鎖存器輸出端時，計數(shù)器按照其他控制信號正常工作，當按下J3將其接地時，計數(shù)器置數(shù)端被置零處于有效狀態(tài)，計數(shù)器直接復位為“24〞當再次按下開關(guān)時，計數(shù)器再次工作進入計數(shù)狀態(tài)。暫停/繼續(xù)功能：開關(guān)J2為暫停/繼續(xù)鍵，當其斷開時多諧振蕩器產(chǎn)生的秒脈沖信號被截斷，因而計數(shù)器暫停計數(shù)并保持；當開關(guān)J2閉合時，秒脈沖信號接通繼續(xù)為計數(shù)器提供脈沖信號，計數(shù)器繼續(xù)進展計數(shù)。1.3總體設計框圖控制電路控制電路十位數(shù)字計數(shù)器各位數(shù)字計數(shù)器秒信號信號產(chǎn)生電路報警電路圖1.1總設計框圖2、單元電路設計2.1各芯片的用法和功能2.1.174LS0074LS00為二輸入與非門，本電路利用其構(gòu)成了SR鎖存器和其他一些根本功能。與非門邏輯功能為兩輸入端有“0〞為“1〞，全“1〞為“0〞。兩輸入與非門74LS00引腳圖如圖2.1所示。圖2.174LS00引腳圖2.1.2555定時器555定時器是一種集模擬、數(shù)字于一體的中規(guī)模集成電路，其應用極為廣泛。它不僅用于信號的產(chǎn)生和變換，還常用于控制與檢測電路中。555定時器的內(nèi)部電路由分壓器、電壓比擬器C1和C2、簡單SR鎖存器、放電三極管T以及緩沖器G組成，其內(nèi)部構(gòu)造圖如圖2.2所示。圖2.2555定時器內(nèi)部構(gòu)造圖本電路采用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生脈沖信號。用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器如圖2.3(a)所示。接通電源后，電容C被充電，當vc上升到2Vcc/3時，是vo為低電平，同時放電三極管T導通，此時電容C通過R2和T放電，vc下降。當vc下降到Vcc/3時，vo翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器C放電所需時間為tPL=R2C㏑2≈0.7R2C當放電完畢時，T截止，Vcc將通過R1、R2向電容器C充電，vc由Vcc/3上升到2Vcc/3所需時間為tPH=(R1+R2)C㏑2≈0.7(R1+R2)C當vc上升到2Vcc/3時，電路又翻轉(zhuǎn)為低電平。如此周而復始，于是，在電路的輸出端就得到了一個周期性的舉行波。電路的工作波形如圖2.3〔b〕，器振蕩頻率為f=1/(tPL+tPH)≈1.43/(R1+2R2)C〔a〕電路圖〔b〕工作波形圖2.3由555定時器組成的多諧振蕩器2.1.374LS90本電路秒脈沖發(fā)生信號由多諧振蕩器和74LS90構(gòu)成的分頻器組成。首先由多諧振蕩器產(chǎn)生頻率為1000Hz的周期矩形波信號，然后經(jīng)過分頻器分頻最終得到頻率為1Hz的脈沖信號。74LS90計數(shù)器是一種中規(guī)模二——五進制計數(shù)器，將三片74LS90級聯(lián)便可構(gòu)成分頻比為1000的分頻器。其功能表如圖2.4所示。圖2.474LS90功能表將輸出QA與輸入B相接構(gòu)成8421BCD碼計數(shù)器。將輸出QD與輸入A相接構(gòu)成5421BCD碼計數(shù)器。表中H為高電平、L為低電平、×為不定狀態(tài)。74LS90邏輯電路圖如圖2.5所示，它由四個主從JK觸發(fā)器和一些附加門電路組成。在74LS90計數(shù)器電路中，設有專用置“0〞端R1、R2和置位〔置“9〞端〕S1、S2。圖2.574LS90引腳圖2.1.474LS19274LS192是十進制計數(shù)器，具有“異步清零〞和“異步置數(shù)〞功能，且有進位和借位輸出端。當需要進展多級擴展連接時，只要將前級的端接到下一級的CP+端，端接到下一級的CP-端即可。74192功能表和引腳圖如圖2.6、2.7所示：操作×××1清零××00置數(shù)↑110加計數(shù)1↑10減計數(shù)1110保持圖2.674LS192功能表圖2.774LS192引腳圖圖中：~LOAD為置數(shù)端，接低電平是預置數(shù)置入，正常計數(shù)時接高電平；CLR為清零端，接高電平時計數(shù)器清零；UP為加計數(shù)端，DOWN為減計數(shù)端，實現(xiàn)加計數(shù)時DOWN接高電平，UP接脈沖信號，實現(xiàn)減計數(shù)時UP接高電平，DOWN接脈沖信號；~CO為進位輸出端，~BO為借位輸出端；A、B、C、D為計數(shù)輸入端；QA、QB、QC、QD為數(shù)據(jù)輸出端。2.2單元模塊2.2.1秒脈沖發(fā)生模塊秒脈沖的產(chǎn)生由555定時器所組成的多諧振蕩電路和74LS90構(gòu)成的分頻器完成。電路圖如圖2.7所示，首先由多諧振蕩器產(chǎn)生頻率為1000Hz的周期矩形波信號，然后經(jīng)過分頻器分頻最終得到頻率為1Hz的脈沖信號。當開關(guān)閉合時，分頻器輸出的頻率為1Hz的脈沖信號輸入到74LS192中；當開關(guān)斷開時，沒有脈沖輸入74LS192中，故74LS192處在保持狀態(tài)，即實現(xiàn)暫停功能。圖2.8秒脈沖發(fā)生電路圖2.2.2倒計時模塊24秒倒計時電路。這局部電路的主體局部在時鐘脈沖的輸入情況下工作，下面進展具體分析。計數(shù)器的倒計時功能。用兩片74LS192分別做個位〔低位〕和十位〔高位〕的倒計時計數(shù)器，由于本系統(tǒng)只需要從開場時的“24〞倒計到“00〞然后停頓，所以，這里的高位不需要做成六十進制的計數(shù)器。因為預置的數(shù)不是“00〞，所以我選用置數(shù)端LOAD來進展預置數(shù)。低位的借位輸出信號用作高位的時鐘脈沖。兩片計數(shù)器具體接法。Vcc、UP接+5V電源，GND接地；時鐘脈沖輸出后接到低位的DOWN，然后從低位BO接到高位的DOWN；低位輸入端C、高位輸入端B接電源，其他引腳和CLR都接地。LOAD接到開關(guān)J3的非活動端。電路圖如圖2.8所示。圖2.9秒脈沖產(chǎn)生電路2.2.3控制電路模塊倒數(shù)計數(shù)器到零時，需要將電路轉(zhuǎn)換到“24〞并且停住。現(xiàn)在選取計數(shù)器到零的狀態(tài)24秒計到“00”，從兩片74LS192芯片的輸出引腳QD引出線接到二腳與非門，當計數(shù)器從“00”狀態(tài)轉(zhuǎn)換到“99”時，用與非門把該狀態(tài)轉(zhuǎn)換成低電平〔其余時間為高電平〕控制。使電路轉(zhuǎn)換到“24〞。由于數(shù)字99是在很短的時間才能看到，用肉眼是看不到的，于是能實現(xiàn)從“00〞到“24〞的轉(zhuǎn)換。再通過與非門所組成的觸發(fā)器的輸出端輸出低電平，使74LS192處于保持狀態(tài)。這樣就實現(xiàn)了轉(zhuǎn)換并停頓的電路。電路圖如圖圖2.10控制電路電路圖2.2.4報警提示模塊當電路由“00〞到“24〞時，構(gòu)成SR鎖存器的下面一個與非門輸出低電平，而鳴蜂器的和LED1的正極已經(jīng)接了高電平，故這時由于兩端存在電壓差，所以鳴蜂器和LED1均能正常工作。從而發(fā)出報警信號。如圖2.10所示。圖2.11報警電路圖3、電路仿真調(diào)試〔總電路圖〕3.1總電路圖由多諧振蕩器和分頻器共同產(chǎn)生的秒脈沖輸入到計數(shù)器低位片的DOWN端，作為減計數(shù)脈沖。當按下啟動開關(guān)J1使其活動端接地時，計數(shù)器開場計數(shù)。當計數(shù)器計數(shù)計到0時，低位片的(13)腳輸出借位脈沖使高位計數(shù)器開場計數(shù)。當計數(shù)器計數(shù)到“00〞時應使計數(shù)器復位并置數(shù)“24〞。本電路利用從“00〞到“99〞時，通過與非門，使電路置數(shù)到“24〞并且保持該狀態(tài)。由于“99〞是一個過渡時期，不會顯示出來，所以本電路采用“99〞作為計數(shù)器復位脈沖。當計數(shù)器由“00〞跳變到“99〞時，利用個位和十位的“9〞即“1001〞通過與非門U8去觸發(fā)SR觸發(fā)器使電路翻轉(zhuǎn)，使11腳變?yōu)榈碗娖剑嫈?shù)器置數(shù)，并保持為“24〞，同時LED發(fā)光二極管亮，蜂鳴器發(fā)出報警聲，即聲光報警。假設需要暫停時，斷開暫停/繼續(xù)開關(guān)J2，這時CP信號被截止，計數(shù)器停頓計數(shù)并保持不變。當閉合J2后，計數(shù)器繼續(xù)計數(shù)。J3為直接復位開關(guān)，當將其活動端接地時，無論計數(shù)器處于什么狀態(tài)，計數(shù)器將立即復位到“24〞。圖3.1總電路原理圖3.2仿真調(diào)試3.2.1啟動功能當按下啟動開關(guān)J1使其活動端接地時，計數(shù)器開場計數(shù)。圖3.2剛剛啟動時圖圖3.3運行中圖3.2.2復位功能J3為直接復位開關(guān)，當將其活動端接地時，無論計數(shù)器處于什么狀態(tài)，計數(shù)器將立即復位到“24〞。圖3.4直接復位圖3.2.3暫停功能J2為暫停/繼續(xù)開關(guān)，斷開暫停/繼續(xù)開關(guān)J2，這時CP信號被截止，計數(shù)器停頓計數(shù)并保持不變。當閉合J2后，計數(shù)器繼續(xù)計數(shù)。圖3.5暫停狀態(tài)圖3.2.4自動停頓、復位功能當計數(shù)器計數(shù)到“00〞時，計數(shù)器自動復位并置數(shù)“24〞。同時LED發(fā)光二極管亮，蜂鳴器發(fā)出報警聲，即聲光報警。圖3.6自動停頓、復位圖4、故障分析與電路改良4.1故障分析和解決電路在整體設計好之后，仿真時出現(xiàn)各種故障是在所難免的。比方，由于粗心造成的連線錯誤，電源、電容或電阻等元器件參數(shù)選擇不當?shù)榷紩Ψ抡娼Y(jié)果造成影響，甚至使電路不能運行。這就需要我們在完成整體設計之后不斷的仔細檢查與認真思考，改正電路存在的各種錯誤和不完美的地方，使電路應有的各項功能都能很好的實現(xiàn)，并且整齊美觀。在分析電路故障的過程中，一定要有足夠的耐心和細心。首先要利用學習的理論知識對各種芯片、器件的工作原理、工作條件等有一個明確的認識，再根據(jù)電路存在的問題找出原因與解決方法。遇到實在無法解決的問題要努力查閱資料或向教師請教。4.2電路改良經(jīng)過一系列的調(diào)試、改正后，本電路已經(jīng)能夠正確的實現(xiàn)各項功能并穩(wěn)定工作，但仍存在許多缺乏與缺點。其中主要問題是利用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器所產(chǎn)生的脈沖信號穩(wěn)定性不是特別好，而且由于讓其產(chǎn)生正常波形的電容、各電阻的比例不好掌握，所以很難通過理論計算使其產(chǎn)生理想頻率的脈沖信號。而且多謝振蕩器也不容易直接產(chǎn)生頻率為1Hz的脈沖信號。經(jīng)過反復的思考和教師的指導，我利用Mltisim軟件自動編譯電路功能產(chǎn)生了一個輸出信號頻率為1kHz的多諧振蕩器，然后利用74LS90構(gòu)成一個分頻器對多諧振蕩器產(chǎn)生的信號進展分頻最終得到1Hz的脈沖信號。另外，仿真時還出現(xiàn)了理論倒計時時間和仿真時間不一致的情況，這一問題主要是由于仿真步長的設置不合理和脈沖信號產(chǎn)生電路不太穩(wěn)定造成的，經(jīng)過一些設置和改良，最終電路倒計時時間根本上接近1秒鐘。從實際應用角度來看，本電路還是有值得改良的地方。比方當數(shù)碼管顯示到“00〞時便發(fā)出警報信號，應該是更合理的。但是本電路只有在從“00〞轉(zhuǎn)到“24〞是才能報警。實際的電路改良可以先在兩個74LS192的輸出端接上兩個四輸入與非門，并接到觸發(fā)器的輸入端，這樣能實現(xiàn)當數(shù)碼管顯示到“00〞時，實現(xiàn)報警功能。但是，這樣的代價就是使電路更加的復雜。5、總結(jié)在此次課程設計中，我們將本學期學習的數(shù)字電路的根本理論知識與其實際應用聯(lián)系起來。拿到課程設計的題目后，首先根據(jù)學到的理論和教師講授的方法，和同組同學一起分析研究此次電路設計的任務和要求，初步確定了整個電路的大體框架和各個功能的實現(xiàn)方法。然后按照分析的結(jié)果進展整體的電路設計。電路初步完成后，局部地方的思考不夠縝密導致電路還不夠完善，在運行過程中出現(xiàn)了一些問題。后來經(jīng)過仔細檢測和校正，電路進一步完善并能夠正常工作。在其中遇到一些憑一己之力難以解決的問題時，我們都認真分析討論，通過大家的力量解決問題。對于一些實在難以解決的問題，我們也認真向教師詢問請教，和教師一起探討解決。通過此次電路設計，我加深了對課本知識的認識和理解，對課本中學習過的一些芯片的用法和原理、電路原理以及電路設計方法也有了更深一步的認識。6、心得體會本次為期一周半的數(shù)字課程設計已經(jīng)完畢了，在這并不算長的時間里我卻獲益良多。第一，我對本學期所學的理論知識有了更加深刻的理解。首先是對本次課程設計用到的74LS192、74LS90、555定時器、SR鎖存器等芯片的原理、功能、用途等有了更加深刻的認識。以前在課堂上一些一知半解的東西，經(jīng)過這次的實際應用也頓時覺得豁然開朗。同時通過本次課程設計，我對M