(整理)数字电路课程设计实例---24秒计时器

1、精品文档1 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

2、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；（

3、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；（ 4）写出完整、详细的课程设计报告1.2.3 主要参考器件555晶体定时器74 LS74双D触发器74LS47译码器74192双时钟十进制计数器2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

4、功能。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。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

5、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8421BC驷递减计数器构成。如图2.2所示图2.2 74192双时钟十进制计数器74192是十进制同步加/减法计数器，采用8421BC则编码，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

6、 的0c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。输入输出R LD CP+ CP-D0 D1 D2 D3Q0 Q1 Q2 Q31 XX XX X X X000000 XXI0 I1 I2 I3I0 I1 I2I301T1X X X X加计数0111X X X X减计数0111X X X X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,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，0c端输出进位下降沿跳变脉冲；当石=1, CR=0 CPD=1M,如果有时钟脉冲加到 CPD,则计数

7、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 CPW 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。图2.4 741s47弓I脚图Al -A2-LT -

8、bi/rbo _RBI-ASAO 一 GND 一输入输出字 形数字LTRBIA3 A2 A1 A0BI/RBOabcdefg0110 0 0 010000001011X0 0 0 110011111121X0 0 1010010010231X0 0 1110000110341X0 10 011001100451X0 10 110100100561X0 11010100000671X0 11110001111781X10 0 010000000891X10 0 1100001009消隐XXXXX X00000000脉冲消隐100 0 0 0000000008灯测试0XXXX X11111111表

9、2.5 74LS47 的功能表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015共16个数字的对应关系七段显示器BI/RBO LTl As Az Ai AoRBI(a)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

10、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CMO掣两种产品。一般双极性型产品型号的最后三 位数都是555, CMO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. 512V,最大输出电流200mAW内，并能与TTL、 CMO逻辑电平相兼容。引脚功能：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 0VCO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

11、个阻值相同的电阻 R组成的分压网络，产生/ VCCF口为 VCC 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G3Rd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VCOB;空， 则比较器C1的同相输入端接参考电压23 VCC比较器C2反相输入端接参考电压入VCC , 为了学习方便，我们规定：当TH端的电压为VCC寸，写为VTH=1当TH端的电压% VCC寸，写为VTH=0当

12、TR端的电压,/ vccM,写为vtr=i当TR端的电压/ vccm,写为vtr=o低触发：当输入电压 Vi2%VCC且Vi1 13VCC 且 Vi123VCC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，YO 0; T导通。这时称 555定时器“高触发”。VCO；控制电压端，在VCO!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VCCffi地之间接0. 01 pF (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

13、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。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 RC4时电路，用于设定脉冲的周期和宽度。调节RVW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分析方法与单稳态电路相似，但电容器 C勺充电电阻是R1+R2 ,放电电阻是R2。当 VO低电平时，555定时器低触发，VM高

14、电平，放电管T截止，电容器经(R1+R2)充 电，当充电至VC=VTH VCCf,电路高触发，输出V吸为低电平，放电管T导通，电容 器经R纵电，当放电至VC=VTR VCCf,电路又进入低触发，VO为高电平，如此周而 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 “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

15、 递计数。电路图中，当开关S1合上时，=0,74LS192a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勺控制电路。当定时时间未到时，74LS192 的借位输出信号2=1 ,则CPJ号受“暂停/连续”开关S2的控制，当S班于“暂停”位 置时，门G3俞出为0,门G兴闭，封锁CP信号，计数器暂停计数；当S班于连续位置时， 门G3俞出1,门G2丁开，放行CPJ号，计数器在CP乍用下，继续累计计数。当定时时间 到时，2=0,门6状闭，封锁CP言号，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”

16、 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寸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：停上，继纣清零消隐图2.8控制电路开关图3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

17、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：U9口 L E E a a ci a%?TKS4T3E83 醒S5SSU16T1ffl g- 口 68 - lT8旭 RIU 友 ER图3.1 系统仿真结果图结束语此次电子线路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

18、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，此次的电子时钟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，使我对团队精神的积极性和重要性有了更加充分的理解。最后，感谢老师对我的细心的指导，正是由于老师的细心的辅导和他提供给我们的参考