数字电子技术课程设计-简易顺序控制器.doc

湖南工程学院课 程 设 计课程名称 数字电子技术 课题名称 简易顺序控制器 专 业 电子科学与技术 班 级 1202 学 号 201201180215 姓 名 黄垚锟 指导教师 周京广 2014年 6 月 25 日湖南工程学院课程设计任务书 课程名称： 数字电子技术 题 目：简易顺序控制器（自选参数） 专业班级： 电科1202 班 学生姓名：黄垚锟 学号：201201180215 指导老师： 周京广 审 批：任务书下达日期 2014年 6月16日设计完成日期 2014年 6月25日设计内容与设计要求 一、 任务与要求：设计并制作一个简易顺序控制器，使执行机构按一定的程序工作，要求如下：1、 执行机构的加工程序步骤为六步，第一步 5秒，第二步 4 秒，第三步为 6 秒，第四步为 11 秒，第五步为 12 秒，按顺序依次动作；2、 用显示器显示顺序控制器的各步加工时间（用倒计时方式）；3、 用发光二极管显示控制器的各道工序；4、 用显示器显示加工步数；5、 功能扩展（自选）二、设计要求：1、 设计思路清晰，给出整体设计框图；2、 设计各单元电路，给出具体设计思路、电路器件；3、 总电路设计；4、 安装调试电路；5、 写出设计报告；主要设计条件1. 提供直流稳压电源、示波器； 2. 提供 TTL集成电路芯片、电阻、电容及插接用面包板、导线等。说明书格式1、 课程设计封面；2、 课程设计任务书；3、 说明书目录；4、 设计总体思路，基本原理和框图；5、 单元电路设计（各单元电路图）；6、 总电路设计（总电路图）；7、 安装、调试步骤；8、 故障分析与电路改进；9、 总结与设计调试体会；10、 附录（元器件清单）；11、 参考文献；12、 课程设计成绩评分表。进 度 安 排 第一周 星期一 上午 安排任务、讲课。 星期一 下午- 星期二 下午 查资料、设计星期三开始1、 计算机仿真2、 测试元器件3、 调试单元电路4、 调试总电路第二周 星期三星期四 1、 调试验收2、 写课程设计报告书 星期五 答辩地 点：实验楼四楼 电子综合实验室参 考 文 献 电子技术课程设计历雅萍、易映萍编电子技术课程设计指导 彭介华、主编 高等教育出版社 电子线路设计、实验、测试 谢自美主编华中理工出版社。 目录第一章 设计总体思路1第二章 单元电路设计与分析22.1 电路所用元件简介22.2 各功能模块介绍7第三章 总电路设计13第四章 电路安装与调试144.1 电路安装144.2 电路调试15第五章 故障分析与电路改进155.1 常见的故障现象155.2 产生故障的原因155.3 检查故障的一般方法16第六章 总结与设计调试体会17附录19参考文献19课程设计评分表20 第一章 总体设计思路 此次设计的是一个简易顺序控制器，我们需要设计一个步骤计数模块、一个倒数计时模块、一个预置数逻辑模块。三个主要单元之间互相控制和制约。CP脉冲接入2片74LS192组成倒计时计数器，开始倒计时，个位减到零时，借位输出给十位一个脉冲，使得十位减1，用显示器显示倒计时数，当全部减为零时，借位使步骤计数器加1,显示步骤。步骤计数器加1的同时，输出通过138译码器和与非门组成的预置数逻辑给倒计时计数器，实现循环。 步骤计数器的输出用一个138译码器来控制相应的LED灯亮。当顺序控制电路置入不同的数时，减计时电路执行不同的任务，所以列出真值表，选用138线译码器实现数据传送，利用卡诺图化简后，利用组合逻辑实现对减计数显示电路的置数。最后是实现功能扩展，我们选择记录循环的次数，每五步为一个循环，并控制循环几次后整个电路停止工作。设计总体框图如图一所示： 显示显示译码/驱动译码/驱动 2位倒计时计数器脉冲步骤计数器 借位 预置数逻辑 第二章 单元电路设计与分析2.1 电路所用元件简介2.1.1 74LS160 十进制计数器（1）74LS160的引脚图 CLR: 置零端 CLK:时钟信号端 A、B、C、D:输入端 QA、QB、QC、QD:输出端 ENP、ENT：使能端 GND：地端 VCC:电源端 RCO:进位端 LOAD：置数端（2） 74LS160十进制计数器的功能表： 它的主要功能为：异步清除：当CLR=0时，无论有无CLK，计数器立即清零，QD-QA均为0。同步预置：当LOAD=0时，在时钟脉冲上升沿的作用下，QD=D，QC=C，QB=B，QA=A。当使能端ENP=ENT=1时，并有脉冲上升沿作用，计数器计数。锁存：当使能端ENP=0或ENT=0时，计数器禁止计数，为锁存状态。2.1.2 74LS138译码器 在中规模集成电路中译码器有几种型号，使用最广的通常是74LS138，从表中可以看出其输出为低电平有效，使能端G1为高电平有效，/G2,/G3为低电平有效，当其中一个为低电平，输出端全部为1。（1）74LS138引脚图 VCC:电源端 GND：地端Y0Y7：输出端 A、B、C：输入端 G1、G2A（S2）、G2B(S3)：控制端（2）74LS138功能表输入 输 出 使能端 选择端 G1 /G2* C B A /Y0 /Y1 /Y2 /Y3 /Y4 /Y5 /Y6 /Y7 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 /G2*=/G1A+G2B l 72.1.3 BCD-七段显示译码器74LS48 （1）74LS48引脚图 （2）74LS48功能表 要求输出015时，灭灯输入（BI）必须开始时保持高电平。如果不灭，则动态灭灯输入（RBI）必须开路或为高电平。 将一低电平直接加于灭灯输入（BI）时，则不管其他输入为任何电平，所有各段输出都关闭。 当动态灭灯输入/动态灭灯输出（BI/RBO）开路或者保持高电平而试灯输入为高电平时，所有各段输出都关闭并且动态灭灯输出（RBO）处于低电平（响应条件）。 当灭灯输入/动态灭等输出（BI/RBO）开路或者保持高电平而试灯输入为低电平时，则所有各段都开通。 BI/RBO是线与逻辑，作灭灯输入（BI）或动态灭灯（RBO）之用，或两者兼用。2.1.4 74LS192双时钟集成十进制同步可逆计数器（1）、74LS192引脚图 UP:低电平加法计数 DOWN:高电平减法计数 A、B、C、D:输入端 QA、QB、QC、QD:输出端 BO：借位端 GND：地端 VCC:电源端 CO进位端 LOAD：置数端 CLR: 置零端（2） 、74LS192功能表 输入 输出CLRLOADUPDOWNDCBAQDQCQBQA1000000dcbadcba011 加计数011 减计数74192是同步十进制可逆计数器，具有双时钟和可预置功能。当清除端CLR=1时，无论有无计数脉冲，QD-QA均为O，即为异步清除。当置数端LOAD=0时，无论有无计数脉冲，数据输入端D-A所置数据被并行送到输出端QD-QA.当DOWN=1，计数脉冲从UP送入，则在CP上升沿的作用下，计数器进行加计数，加到9后，进位输出端CO=0.当UP=1，计数脉冲从DOWN送入，则在CP上升沿的作用下，计数器进行减计数，减到0后，借位输出端BO=0.2.1.6 其他芯片的引脚图74LS00（二输入与非）、74LS10（三输入与非）、74LS04（非）、74LS32（二输入或）在此不做介绍。2.2 各功能模块介绍2.2.1 模块一 步骤显示单元：以下这一模块是显示加工步骤的，我们通过十进制计数器74LS160的置数功能，在输入端初始置成0001，然后将与非门的输出端又接到160的置数端，这样就将160制成6进制，从而实现了步骤自加和循环。160的CLK则是由两片192的借位端 BO同时为0时给出的信号，两片192的 BO可以通过或门后，输出接到160的CLK。模块电路如图二所示： 图二2.2.2 模块二 倒数计时显示单元通过两片十进制减法器74192来实现，两个数码显示管显示工序倒计时，当低位减为零时，再给高位192一个脉冲，高位实现减一。当高位和低位都减到0时，给置位信号，将译码后的信号给192，再重新减。 简易框图如图三所示： 图三模块电路图如图四所示： 图四2.2.3 模块三 发光二极管显示工序该模块利用74138的译码功能，其输入端与上面的计数器74160输出端QA、QB、QC相连，控制整个顺序控制器的步骤计数。发光二极管对应与74138的6个输出端相连，使顺序控制器每运行一步就有对应的一个二极管发光。模块电路图如图五所示: 图五 2.2.4 模块四 组合逻辑电路置数通过74160置入工序所需时间，分别将输出接入两片74192输入端,完成5个步骤的不同置数，由于160每个步骤的输出不同，经过此组合电路后每次的输出也就不同，根据设计要求把它设计为我们需要的数据，完成每个步骤的进行。模块电路如图六所示： 图六组合逻辑电路的真值表如下： 输入 输出Q2Q1Q0D7D6D5D4D3D2D1D00010000010001000000110011000100011000001001010100000101192输入端D0、D1、D2、D3、D4、D5的逻辑表达式D0=m3+m5 D1=m2+m4D2=Y4+Y6=m1+m2+m5 D4=m3+m42.2.4 模块五（功能扩展）控制总循环次数控制电路的总循环次数，74ls160步骤计数器每循环到1则给控制总循环次数的74ls160一个脉冲，160就会计数。当160计数到指定数字时，通过一个与非门再和脉冲相与，将输出接到低位192的DOWN。控制了整个电路停止工作。模块电路图如图七所示: 第三章 总电路设计总电路图如图八所示： 图八第四章 电路安装与调试4.1电路安装 我们是根据我的设计思路来接线, 分步安装调试检查电路.因为这样不仅比较简单,而且便于在安装完后检查调试电路，容易找出问题在哪。首先我们要检测各个芯片及导线，确认所有元器件都是完好的、芯片无引脚掉落并且正常工作这是最基础最重要的一步。首先,把需要的各芯片安到面板上，合理布局芯片。合理的布局会为以后的接线带来很大的方便。 我先接步骤计数器这个单元，按照设计图把74LS160接好，先按照74LS160管脚图和总的电路原理图将74LS160接线安装好，稳定各个管脚，接好与非门。接入脉冲，测试一下74LS160芯片是否能正常循环计数。接着我们开始安装倒计时部分。两片74LS192有高低位的区别，低位的借位信号直接送给高位片的脉冲信号输入端，两片芯片的置数信号由两片芯片的借位信号通过或门来提供。而两片192的输入端是由译码器的输出端通过组合逻辑电路来完成，组合逻辑电路后面再接。我们先手动置入一个数，看能否循环递减。成功后再做后面的步骤。然后接线预置数逻辑，将步骤计数器160的输出分别接入138译码器的输入，输出则根据自己数据的真值表，通过与非门后接入对应的2片192的输入端，完成预置数。 三大部分都连接完成后，然后把160的输出端通过138后，输出接到LED低电平显示灯上，测试成功后我们将其与已接好的电路连接起来。4.2 电路调试 把经过准确测量的元件接好电路。打开电源，调试、验证电路是否符合要求，调试是最难的一部分工作了，往往需要花前面工作好几倍的时间来完成。接线时我们按照一个一个模块接，连完一个模块后测试一个模块，主要是通过电路的各输入端和输出端的高低电平及其逻辑关系，可以即时发现已经损坏的元器件，判断电路工作情况，并及时调整电路参数，是电路工作状态符合设计要求。第五章 故障分析与电路改进5.1 常见的故障现象在本次课程设计中常见的故障现象：（1）192不能倒计时（2）显示器不能正常显示（3）通过138译码器出来置给倒计时时间不正确（4）计数出现紊乱。5.2 产生故障的原因 故障产生的原因很多，情况也很复杂，有的是一种原因引起的简单故障，有的是多种原因相互作用引起的故障。本实验产生故障的原因主要有以下几种：（1）元器件是坏的，连接线路是发生短路或断路。（2）导线插孔接错。这个问题也很常见，但是最容易解决和查找出来。因为面板上插孔过多以及导线错综复杂的问题，我们很容易会吧导线接错位置。（3）置数端和清零端悬空。（4）输入端接0的没有接入地而是悬空。5.3 检查故障的一般方法1直接观察法：直接观察法包括不通电检查和通电检查。检查仪器的选用和使用是否正确；电源电压是否符合要求；集成电路的引脚有无错接和漏接，互碰等情况；布线是否合理，电阻和电容有无烧焦和炸裂等。仔细观察元器件有无发烫、冒烟，电子管是否亮。 2对比法：怀疑某一电路存在问题时，可将此电路与工作状态相同的正常电路的参数进行一一对比，从中找到电路的不正常情况，进而分析故障原因，判断故障点。3.部件替换法：有时故障比较隐蔽，不能一眼看出，可以找与故障仪器同型号的仪器，可以将仪器中的部件、元器件、等替换有故障的相应部件，以缩小故障范围。 第六章 总结与设计调试体会 为期两个星期的课程设计，我感觉学到了不少的东西。由于以前学的都是理论知识，动手实践操作的很少。而我们这次的设计就是要求我们要理论与实践相结合，并且更加注重实践。这对我来说是学习，更是挑战。因为我知道，这不仅能巩固以前学的知识，更能提高我的动手能力。刚看到老师给我们这组的课题时，我觉得无从下手，脑子一片空白。幸好有周老师的指导，她通过简单的例子介绍了一下大体思路，使我从中得到了启发，有了点眉目，然后我从图书馆借了几本相关的资料，逐渐搞清楚了各部分的关联，然后慢慢的一部分一部分的设计。准备动手画电路图时对于Multisim这个软件并不太熟悉，找元件、高低电平怎么接、二极管和七段显示器该用多大的电子等等都要百度查一下，这样进度虽然很慢，但慢慢的地也熟悉了，用起来感觉更加老练了。我在电脑上画原理图的过程并不是很顺利，我第一次画出我的原理图时，发现仿真结果完全不正确。这让我感到非常疑惑，因为我是按照思路一步一步画的，一个单元不成功，后面也就做不下去了，这让我很苦恼。后来我开始检查我的图是否对芯片的功能有理解错误。在没有结果下，我查阅了大量资料，终于找出了原因。就这样，一个单元一个单元做，一步步的改错。经过3昼夜，最后，完整的电路图终于完工。仿真后不出意外的成功了，这是对我辛苦付出的最好的回报，那时的喜悦只有自己能感受。 准备接线时，我感觉很自信，我相信3、4个小时就能搞定，但是实际接线测试时我们遇到了更多问题，情况也更复杂。一开始我们信心满满的接倒计时模块，我们很仔细的接线，但测试结果却是显示器闪烁，无数字，无倒计时。我们很纳闷，接线应该没错，我们想会不会显示器管脚接反，反过来后还是错误。实在没找出问题，我们决定拆了先检查各个芯片的好坏。皇天不负有些人，检查各芯片虽然花了不少时间，但是我们检查出一个74LS32或门损坏，之前的问题顿时迎刃而解，换了一个芯片后，果然成功了。然后再各个模块分别接线并测试。在这其中，还找出一个显