数显、声响倒计时电路设计

PAGE电子技术综合课程设计课程：电子技术综合课程设计题目：数显声响式定时器所属院(系)物电学院专业班级通信1204姓名蔡小煜学号：1213024106指导老师王婷老师完成地点博园楼C1015数电实验室2011年09月19日目录前言 11方案论证 21.1方案一 21.2方案二 21.3方案确定 22理论设计 22.1电源电路的设计 32.2信号源的设计 42.3减法电路的设计 52.4显示电路的设计 62.5控制电路的设计 72.6报警电路的设计 82.7整体电路图初稿 93仿真调试及实验装调 93.1仿真调试 93.2实验装调 11小结 13附录1整体电路图 14附图1.整体电路图 14附录2元器件清单 14附录3器件管脚与功能说明 15第22页共21页前言电子技术综合课程设计是针对模拟电子技术，数字逻辑电路及电路分析课程的要求，对我们进行综合性实践训练的实践学习环节，它包括选择课程、电子电路设计、组装。调试和编写总结报告等实践内容。通过课程设计实现以下四个目标:第一，培养学生团队合作以及其迎难而上精神。第二，让学生初步掌握电子线路的试验、设计方法。即学生根据设计要求和性能参数，查阅文献资料，收集、分析类似电路的性能，并通过组装调试等实践活动，使电路达到性能指标；第三，培养勤于思考的习惯，同时通过设计并制作电子产类品，增强学生这方面的自信心及兴趣；第四，课程设计为后续的毕业设计打好基础。毕业设计是系统的工程设计实践，而课程设计的着眼点是让学生开始从理论学习的轨道上逐渐引向实际运用，从已学过的定性分析、定量计算的方法，逐步掌握工程设计的步骤和方法，了解科学实验的程序和实施方法；本课程设计介绍的是数字逻辑电路中以TTL集成电路为基础的数显，声响倒计时器，以电路的基本理论为基础，着重介绍电路的设计装调及性能参数的调试方法.本课程设计应达到如下基本要求：（1）综合运用电子技术课程中所学的理论知识独立完成一个数显、声响倒计时器的设计。（2）通过查阅手册和参考文献资料，培养寻找、分析和解决实际问题的能力。（3）熟悉常用电子元器件的类型和特性，并掌握合理选用的原则。（4）掌握电子电路的安装和调试技能。（5）熟悉的使用各类数字电子仪器。（6）学会撰写课程设计论文。（7）培养严肃认真的工作作风和严谨的科学态度。在整个设计过程中，在老师和同学们的帮助下，顺利完成整个设计，同时在这一过程中我更加深切体会到了学以致用以及团队精神的重要性。1方案论证1.1方案一方案一实现框图如下：5V电压源5V电压源74LS190指示灯和蜂鸣器74LS147（优先编码器）555多谐振荡器7段显示数码管74LS48译码器1.2方案二方案二实现框图如下：5V电压源5V电压源74LS192(倒计时部分)JK触发器(复位开关)指示灯和蜂鸣器555多谐振荡器7段显示数码管74LS48译码器1.3方案确定方案的选择应该是基于电路简单，器件成本较少的。第一个方案用到优先编码器74LS147，所以导致多用一个拨码开关，用的是74LS190计数器，但是不用JK开关；第二个方案用的是74LS192计数器，然后加了一个JK触发器。经过大家的讨论，由于第一个方案整个电路相对比较复杂，所以我们选用了第二种方案，第二个方案整个设计也比较简单易懂并且节约，同时满足课设与指导老师所要求的条件。2理论设计总体思路：选用2个加、减十进制计数器74LS192，并且选用555多谐振荡器，它的作用是产生一个1Hz的方波信号来作为秒脉冲，作为它的CP脉冲。又因为我们要选用2片计数器构成2位计数的状态，固要采用计数器的级联的方法，为了加快速度的运行，我们选用的是串行进位的级联。因为每个模块以及各种元件均需要一个5V的直流电源来驱动，故我们还需要用一个5V的变压器，整流桥与一个三端稳压器7805来设计一个电源。因为我们要的是以秒为单位的计数器，所以我们需要的是1Hz的cp信号，这个可以由555多谐振荡器来完成。对于555多谐振荡器，可以通过调节它的电阻和电容来得到不同频率和不同占空比的脉冲信号。然后还需要两个74LS48译码器与两个共阴数码管来对计数器所记得数进行翻译和显示。当倒计时显示进行到03，02，01这三个数字得时候就报警，以蜂鸣器响声来表示；这个可以用一个四线与门来实现，四线与门的四个输入分别为十位计数器的进位信号，多谐振荡器的输出端，个位的高两位经过或非输出端与低两位经过或门输出端。然后四线与门的后面接蜂鸣器就可以完成报警功能。系统还能开机复位，包括计数器清零，从而达到课设题目要求。2.1电源电路的设计1）电路原理图设计图2-1电源电路2）元器件选择及参数计算元器件：变压器、整流桥、1000uF电容、4.7uF电容、2.2uF电容、7805稳压器整体电源设计原理：220V、50HZ→9V变压器→整流电路→滤波电路→稳压电路→5V输出。降压电路：利用线圈比数，将电网220V交流电压转换成合适的交流电源，再送给整流电路。学校提供的是220V转成9V的线圈。整流电路：利用单向导电原件，将50HZ的正弦交流电转成脉动的直流电点，为了使电路更简便，采用了桥式整流。滤波电路：将整流电路输出电压中的交流成分，大部分滤除得到比较平滑的直流电压，需要用到C1、C2、C3电容值分别为1000uF、4.7uF、2.2uF的极性电容。稳压电路：采用了集成7805三端稳压器型稳压器进行稳压，为后面的所有电路提供了稳定的5V电压。2.2信号源的设计1）电路原理图设计图2-2信号源电路2）元器件选择及参数计算元器件：NE555芯片、二极管2个、68kΩ电阻2个、10kΩ电位器、10uF极性电容、103瓷片电容为了得到小于或者等于50%的占空比，所以信号源电路设计成用555定时器组成的占空比可调的多谐振荡器。电路中接入了二极管和，电容的充电电流和放电电流流经不同的路径，充电电流只流经，放电电流只流经，因此电容的充电时间为：（2.2.1）放电时间为：（2.2.2）故电路的振荡周期为：（2.2.3）输出脉冲的占空比为：（2.2.4）由于我们需要的是1Hz的cp信号，所以取、通过分析计算：==72.46kΩ，=10uF因==72.46kΩ，所以取两只68K电阻与一个10kΩ的电位器串联，即可得到图2-2的设计结果。2.3减法电路的设计1）电路原理图设计图2-3减法电路2）元器件选择及参数计算元器件：2个74LS192芯片（管脚图与功能附于附录3）74LS192是同步十进制加、减可逆计数器，具有双时钟输入，并具有清除和预置数功能。异步清除：当MR=1时，无论有无CP，计数器立即清零，Q3～Q0均为0，称之为异步清除。预置数：当＝0时，Q3＝D3，Q2=D2，Q1＝D1，Q0=D0.称之为预置数。减法电路中将MR端置0，置1，置1，为上升沿时，则74LS192执行减法计数功能。根据功能表当=1，MR=0，置1时若时钟脉冲加到端，则计数器在预置数的基础上完成加计数功能；当加计数到9时，端发出下跳脉冲完成进位。若时钟信号加到端，且=1，则计数器在预置数的基础上完成减计数功能。当减计数到0时，端发出借位下跳脉冲。计数器完成并行置数,在端的输入时钟作用下，计时器再次进入下一循环减计数。通过对两片74LS192芯片采用串行连接的级联方式，将地位借位信号加在高位的CP端，便可实现0～99的置数倒计。2.4显示电路的设计1）电路原理图设计图2-4显示电路2）元器件选择及参数计算元器件：74LS48译码器2片、共阴数码管2个电路显示部分主要为数码管和译码器。用74LS48的四个输入端A、B、C、D分别接减法电路中74LS192的四个输出，将BCD码转换成七段信号；七个输出端a～g接共阳七段显示器的对应端，驱动事加上适当大的上拉电阻。2.5控制电路的设计1）电路原理图设计图2-5控制电路2）元器件选择及参数计算元器件：1个100nf的电容器、1个74LS107、1个压按式开关计数器的工作由信号源与手动开关共同控制。方案设计中，控制模块由JK触发器74LS107构成,将J端与K端连接具有共同的输入，形成T触发器，它的特性方程为。按电路原理图连接，端为低电平有效，所以一开始JK触发器初态Q=0，而待电容C3充电完毕后又给一高电平，使其不再有效。其中的开关k是一个脉冲开关，按下开关后就对JK触发器有一个信号，触发器可保持这个信号，其输出端连接计数器74LS192的预置数端，从而控制计数器的预置数功能，由信号源提供计数器的时钟信号，当J、K连一起接高电平就可翻转，当开关k闭合时，JK触发器由初态Q=0翻转为Q=1。控制电路还有另外一个功能，就是实现指示灯（发光二极管）的亮灭。指示灯本应该接在计数器的借位端，当高位发生借位，则借位端发出低电平有效信号，这时指示灯应接低电平而熄灭，但是因为借位的发生过程太短，不利于观察。所以就将借位信号与当高位计数器输出0000状态时，输出高电平状态端口，一同接到连接到74LS00（与非门）的输入端，输出端再与触发器的输出端Q，一同接到74LS08（与门），由输出端接指示灯。因此，计数器就可开始预置，在正常计数同时保证指示灯的亮灭。2.6报警电路的设计1）电路原理图设计图2-6报警电路2）元器件选择及参数计算元器件：74LS02芯片、74LS04芯片、74LS08芯片、74LS21芯片、NPN型三极管、陶瓷蜂鸣器。根据任务书上面的要求后三秒倒计时有报警功能，那么就将最后三秒的信号取出，即计数器高位输出0000，低位位输出0011、0010、0001，由这三种状态通过列真值表求出表达式，再根据表达式，用门电路表示，如上图2-6所示，输入端从上往下顺序依次连入的是十位计数器的四个输出端和个位计数器的高两位，该六位最终经过或非门与个位计数器的低两位或后相与。由于报警时，蜂鸣器要响半秒停半秒，所以上面相与之后的输出端再跟信号源的输出端相与控制控制蜂鸣器，信号源的高电平就可以驱动蜂鸣器报警。2.7整体电路图初稿图2-7整体电路图初稿3仿真调试及实验装调3.1仿真调试为了更准确调试，我们采用单元电路试调法，分别对各个电路模块进行调试。1）电源电路的仿真调试在仿真中连接好的电源电路输出端接一个电压表，进行仿真，电压表显示5.01V，所以该电源电路没什么大问题。2）信号源电路的仿真调试在仿真中连接好的信号源电路输出端接一个示波器，进行仿真，示波器显示如图3-2-1所示，其周期大约1.2s明显误差相对较大，但是元器件参数都是计算出来的。为了减小误差，我们根据，在保持电容的值的条件下，不断减小、的阻值，直到、取值为51K的时候，波形周期才1s左右，如图3-2-1所示。图3-2-1信号源示波器显示（一）图3-2-1信号源示波器显示（二）3）减法电路与显示电路的仿真调试在前面两个电路试调完后，再接上减法电路与显示电路，接通之后发现数码管能够正常显示倒计时。4）控制电路与报警的仿真调试在之前的电路上再接上控制电路与报警电路，电路基本功能能实现，但是数码管在显示倒计时时，显示00之后没有停下来，原来是缺少停止电路，思量后给电路添加了个与门，又因为两个计数芯片是通过串行连接的级联方式，输出端给低位计数器的减计数脉冲输入端，即可控制电路停止。3.2实验装调1）电源电路的实验装调由于大一电子电工实习做过直流5V电源，所以这个模块做起来还是轻车熟路的，按照仿真设计的电路，将元器件插在面包板上连接好。将插头与变压器连接，接上200V，50HZ电源，用万用表打在交流电压档测变压器的输出是否为9V，万用表显示8.97V，表明变压器没有问题；然后将变压器输出端的中间线接地，其余两条分别接入整流桥的交流电输入端；接着将万用表打在直流电压档，测整个电路的输出是否为直流+5V，万用表显示值为4.89V,所以电源电路的实验装调没有问题。2）信号源电路的实验装调之前仿真时候，、阻值取68K时，示波器显示周期约1.2s，当、取值51K时，示波器显示1s，不过在与指导老师交流之后，还是选择使用了68K电阻。按照设计好的信号源电路连接好电路，并确认每个管脚接入准确无误之后，接通+5V电源。然后在555芯片的输出端引出一条导线，接在示波器上，调好示波器显示后，发现周期果然接近1s，但是高低电平不均匀，必然是电位器没有调好，所以开始调电位器，直到高低电平接近相等。3）显示电路的实验装调将译码器74LS48和数码管连接好，为了防止数码烧坏，所以每个数码管加上了限流电阻，接入电源，再接地后，给译码器输入端置数，看数码管的显示，发现数码管并不能正常显示，以为是数码管有问题，跟旁边的同学借了两个数码管试一下，问题还是一样。在询问了老师之后，换了两个新的74LS48芯片，老师说芯片的3、4、5管脚都得接高电平，重新连接之后译码器能正常使用，数码管也能正常显示，所以这部分做好了。4）减法电路的实验装调有大二下学期数电实验课的基础，计数器的连接也是相对比较简单，为了更便于找出错误，我们分别对2个计数器74LS192进行调试。用实验室里数电实验箱的信号发生器，给计数器提供脉冲，再给置数端置数，通过数码管显示，观察是否能正常做减数运算。一开始不能正常实现功能，以为线路连错，检查了一遍，再测试依旧不行，所以把问题放在了计数器上，换了另一个芯片测试，果然能正常做减数运算。用这样的方式，找到另外一个功能正常的计数器，然后通过串行连接的级联方式，再观察其是否能够正常两位数倒计时，结果还是比较顺利。5）控制电路的实验装调原本方案设计中使用的JK触发器是74LS107芯片，但是领元器件的时候发现只有74LS112芯片，所以将控制电路模块做了调整，重新设计了整个控制电路，按照新的设计图连接完实物，然后在触发器的输出端接一个发光二极管串一个限流电阻接地，接通电源后，按下开关，能看到二极管亮了，再按一下二极管灭了，所以控制开关电路基本完成。6）报警电路的实验装调报警电路主要有各种门电路组成，在减法电路和显示电路的基础上，将所用到门电路先插在面包板上，根据方案中的报警电路，用导线将所有端口连接好，顺便连好计数器的停止电路，然后接上蜂鸣器，老师说该电路不用三极管，所以我们便没接三级管。接完并检查电路准确无误之后，接通电源，预置数完毕，按下控制开关，等待蜂鸣器是否在后三秒发出半秒响半秒停的警报，显然该电路也能正常工作。7）指示灯与拨码开关的实验装调整体电路基本连接好了，最后按照设计方案，接上了指示灯，与拨码开关，一切工作完成后，就看整体电路是否能够正常工作了。接通电源，拨码开关可以正常置数，按下开关，指示灯亮了，整个电路也正常工作，所以整个实验装调算是完成了。整体电路图见附录1小结接到这个课题后，我们马上展开讨论，研究方案，然后分工合作。在小组里，我担任电源电路、控制电路，指示灯电路的设计，由于个人在小组里面属硬件方面比较强的，所以还有担任将所有单元电路连接到一块的角色，想要将所有单元电路连接到一起，就必须了解所有的电路，说实话这工程不小，我花了一天半的时间将所有单元电路搞清楚后，开始对自己负责的单元电路进行设计。同学们下去后都认真去了解、设计自己负责的模块，在第一周的第三天大家都完成了设计后，进行整体仿真电路的连接，可能大家下去后都有阅读了大量的参考资料，所以各个模块的设计都相当完美，整体仿真也比较顺利，出现的小问题都能很快解决。在仿真验收完，元器件领取完之后，我们并没有马上开始装调，俗话说“磨刀不误砍材工”，我们先将所用到的所有芯片，先在百度是找到他们管脚图，并仔细了解，然后将每个芯片放在数电实验箱上一个个测试好坏之后，才开始动工。两个同学们负责检测元器件的好坏，我负责电路连接，另一个同学负责电路测量是否导通。电路的连接可没有像仿真那样点点就行了，而是每个元器件都必须得仔细的安插，每个芯片管脚和导线都得用万用表测量是导通，不然要是出现电路障碍时很难查出来的，由于接线可能会有点多，但我们还是认真仔细完成了。装插电路结束，并不代表总体都完成了，调试才是最重要的部分，电路出问题的时候，我们小组会换着轮流检查电路，仔细分析问题所在，所以出现的问题很快都能迎刃而解。本次课程设计，是对之前所学知识的检验与延伸，提高同学们的实际操作能力。在做实验这方面我一直有个很大的缺点，那就是不够细心，有时候会插错管脚，只有在同学们的合作配合下，才顺利完成整个设计的装调。通过本次课程设计，我认识到自己在理论知识层面还不够充足，不得不重新学习数字电子技术的有关知识，当然我也更熟练了对Proteus的掌握，了解更多芯片的工作原理和工作方式。本次课程设计，对我们以后的学习路程做了很好的铺垫，也为毕业设计打好基础，同学们都更深切认识到了学以致用的重要性。在此要感谢指导老师对我们的悉心指导与帮助。整个课程设计的过程中，我们小组成员们先通过查阅大量的有关资料，再交流讨论，向老师请教，每个同学都学到了不少知识，做实验总会遇到难题的，但是只要大家一起努力，细心分析，再加上请教老师，很多问题都能够解决的。在整个设计中，我发现自己的不足，更加认识到了团队精神的重要性，在以后的学习工作中会更加注重，再次感谢指导老师与小组同学的协力合作。附录1整体电路图附图1.整体电路图附录2元器件清单元器件数量变压器1个整流桥1个稳压二极管4个1000uf电容（1）、10uf电容（2）、4.7uf电容(1)、100nf电容(1)、10uf电容（2）、2.2uf电容（1）、10nf电容（1）7805稳压器1个555定时器1个电阻68k、10K、1K2个/4个/3个按键开关1个JK触发器74LS1121个共阴数码显示管1个译码器74LS482个计数器74LS1922个拨码开关DIPSW-81个或非门74LS021个非门74LS041个二输入与门74LS081个四输入与门74LS211个与非门74LS001个蜂鸣器1个发光二极管1个附录3器件管脚与功能说明1.7805引脚排列：图附3-17805稳压管引脚图2.555多谐振荡器管脚与功能说明：1)管脚图图附3-2555多谐振荡器管脚图2）555多谐振荡器的各个引脚功能如下：1脚(VSS)：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。8脚(V