数字逻辑课程设计--电缆通断检测

1、一、概述在通信电缆的所有故障中，由于自然与人为因素造成的断线故障较为常见。因而，在线及时检测断线故障，保证通信网络的畅通，已成为日益关注的问题。考虑到通信电缆的隐蔽性，用简单的工具难以判定断点，需采用一定的测试方法和手段来测取断点位置，从而进行检修排除故障。本课设所设计的装置即为一款可以判断电缆通断的装置。电路由时钟产生电路、计数电路、译码与指示电路四个模块组成。通过时钟电路产生的频率为1Hz的时钟信号，以时钟信号频率为检测频率检测至少24根电缆通断情况。通过点亮发光二极管指示电缆不存在断路，并用数码管显示被检测电缆的序号。本课设所示电路可检测24根电缆。本文所介绍的装置原理、使用器件及组装方

2、法，可根据生产实际要求，供使用该方法的人员参考。二、方案论证对于电缆生产厂家及电缆安装人员，常常需要检测电缆芯线是否存在断路故障。本题目要求设计一个电缆通断检测电路，可自动对多条电缆芯线进行快速检测并指示其通断。电路主要由时钟信号产生电路、计数电路和状态指示电路组成，其原理框图如图1所示。 时钟信号产生电路 计数电路 状态指示电路图1 电缆通断检测电路原理框图 本设计中时钟信号产生电路模块，所使用的是由555定时器接成的多谐振荡器。多谐振荡器先由一个555定时器接成施密特触发器，在施密特触发器基础上改接成多谐振荡器。计数电路模块由两个同步十进制加法计数器构成。题目要求电路至少要检测24根电缆，

3、并要求用数码管显示被检测电缆的序号。则该模块电路可设计成利用同步十进制计数器接成的24进制计数器。可采用并行进位方式将两片十进制加法计数器链接起来，并采用整体置数方式进行预制数功能。状态指示电路由译码部分与指示部分两部分构成。由于本电路采用的计数器是十进制计数器，使用3线-8线译码器必会造成电路结构复杂，原件冗余现象。经老师点拨，选择4线-16线译码器。检测24根电缆可使用3个4线-16线译码器。使电路明了，清晰。指示部分采用发光二极管进行通断信息指示，晶体管显示检测电缆的序号。当电缆正常工作，发光二极管发光，当电缆断路，发光二极管不发光。每检测一根电缆，晶体管显示相应电缆编号。同时保证电缆通

4、断情况不影响晶体管的编号显示。本方案电路成功连接后，电路的工作流程可简述为：由555定时器接成的多谐振荡器每秒发出一个信号给计数电路，计数电路接受信号后计一位数。计数成功后，数码管当即显示出对应计数器所计的数字。该数字也是本次所检测电缆的序号。显示的同时，计数器信号输出端将信号输出给4线-16线译码器。而4线-16线译码器特性之一为具有16线多路分配功能，因此，可将十进制计数器输出的信号分配给十路进行分路工作。剩余6路因无对应输入信号因而无反应，无需连接。前20个数字0-19可以平均分配给两个4线-16线译码器进行分线，20-23额外分配一个4线-16线译码器。到此，24个信号分路完成。计数器

5、计的每个数都有唯一一个回路与之对应。在译码器的16线段串联保护电阻，发光二极管与电缆，构成显示电路。当电缆正常工作时二极管发光，当电缆断路，二极管不发光。上文四段叙述了个模块的原理与规律。且从上文描述中可以看到个模块之间相互依存，缺一不可，却又不冗余。可见方案正确性。本方案实施体条件为给定一个5V直流电源即可工作。条件简单。本方案设计源于题目，从需求出发，根据具体需求设计的电路，则针对本课设课题而言，本方案为有效方案。本方案设计时充分考虑实际生产生活要求，故对生产生活而言，本方案也为有效方案。三、电路设计1.时钟信号产生电路555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。555

6、0;定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器来产生时钟信号，用于计时。由555定时器和外接元件R1、R2、C3构成多谐振荡器，R1，R2和C3是外接定时元件，电路中将高电平触发端（6脚） 和低电平触发端（2脚）并接后接到R2和C4的连接处，将放电端（7脚）接到R1，R2的连接处，电路亦不需要外接触发信号，利用电源通过R1、R2向C3充电，以及C3通过R2向放电端放电，使电路产生振荡时钟产生电路要求时钟信号频率为1Hz。根据振荡频率公式 f=1/T=1/（R+2R)Cln2 (1)可知当C=1×10F时，R1=R2=47.619047M。如图2为

7、时钟产生电路。 图2 时钟产生电路图2.计数电路计数电路部分实现由555定时器组成的多谐振荡电路将时钟信号输入至两个芯片的CLK端口，两个芯片的EP、ET接通高电平，使74HC160实现计数功能，将低位端QC与高位端QB接与非门输入端。同时CLR接高电平，与非输出端接LD，用置数法实现预制数，输出端控制晶体管，4线-16线译码器。当低位计数器QDQCQBQA=0100，高位计数器QDQCQBQA=0010时，两个计数器LD端同时为0，高位QDQCQBQA与低位QDQCQBQA相等且等于ABCD端，ABCD端等于0000，此时置数成功。计数器经历从0-24共25个状态，为一个25进制计数器。使C

8、LK循环输入时，可以对电缆实现循环检测。计数器电路部分如图3所示。计数器高位输出端接显示十位数晶体管，同时作为译码器的控制端。计数器低位输出端接显示个位数晶体管，同时作为译码器的信号输入端。 图3 计数电路3. 状态指示电路 状态指示电路为电缆序号显示部分、译码器分路部分和电缆通断显示部分两部分组成。电缆序号显示电路将两个晶体管分别与计数器的高位输出端与低位输出端相接，从而分别显示数字的个位与十位。且电缆通断与否并不影响电缆序号显示。译码器分路部分由3个154芯片和两个非门构成。154芯片即4线-8线译码器。由高位计数器QAQB端作为154芯片的控制端的输入信号。第一个154控制端直接与QAQ

9、B端相连，当QBQA为00时，第一个154芯片工作。第二个154芯片控制端与QA'QB相连。即QA端接非门。则当QBQA为01时，第二个芯片工作。第三个154芯片控制端与QB'QA相连。即QB端接非门。则当QBQA为10时，第三个芯片工作。电路图见图4 电缆通断显示部分由非门，保护电阻，发光二极管组成。因154芯片输出信号为低电平，题目要求当电缆无断路时二极管发光，则需要将154芯片输出端与非门相连，得到高电平，使电路功能得以实现。电路图见图5 。图4 译码器分路电路图图5 电缆通断显示电路图 四、性能测试1.时钟信号产生电路测试时钟信号实际周期为1.279s，计算所得周期为0

10、.999999987s。时钟信号实际频率为0.7818608288Hz，计算所得频率为1.000000013Hz。图6 时钟信号示波器截图2.显示电路工作截图图7 显示电路工作截图 当检测第一根电缆正常工作，数码管显示1，发光二极管发光。5、 结论 经过测试，可以看到电路能够正常工作，该电路完成了课程设计的基本要求。实现了如下的设计目的：  设计时钟产生电路，时钟信号频率为1Hz； 可检测至少24根电缆； 状态指示采用光指示，通过点亮发光二极管指示电缆不存在断路。用数码管显示被检测电缆的序号。本电路采用同步十进制加法计数器做计数器，使数码管可按十进制显示，因使用十进制计数器，故在译码分路电路里使用4线-16线译码器。使得电路可以检测到24根电缆。因选用适当电阻与电容，多谐振荡器可以发出接近1Hz频率的时钟信号。电路运行后现象为每秒显示一个编号。若该编号电缆可以正常工作，则二极管发光，若不能工作，二极管不发光。当下一秒来临，晶体管显示下一个序号，二极管继续工作。没检测到的电缆所对应的二极管不发光。参考文献1 阎石主编. 数字电子技术. M北京：高等教育出版社，2006年2 陈振官等编著. 新颖高效声光报警器. M北京：国防工业出版社，2005年附录I 总电路图附录II 元器件清单序号编号名称型号数量1V1 时钟信号CLOCK_VOLTAGE12VCC直流信号源