12位二—十进制数演示器

12位二—十进制数演示器的设计 引言人类跨入21世纪，科学技术突飞猛进，随着电子技术的不断开发与应用，人民的生活发生了翻天覆地的变化。电子技术在日常的生活中有着极其广泛的应用，包括计算机、数字通信、智能仪器仪、自动控制及航天等领域中。这些给人们带来了生活，工作等方面带来了极大的方便。 在教学手段中电子技术也得到了充分的利用。在数字电子技术的教学中，数制间的转换是必要内容，而学好数制间的转换由是学好数字电子技术的关键基础， 而数制转换的难点在于难以理解数制间的对应关系。为了让学者能够一目了然的看出数制间的对应关系，必须要设计出一种电路系统，通过程控输入预置数字，并通过显示部分同时显示不同数制的状态。例如，输入十进制数8能通过数码管显示8还能够通过数制的转换显示出二进制数8（1000）。而发光二极管的亮灭状态正好可以用来显示1和0的状态，亮代表1，灭代表0 ，从而实现的一一对应的关系。 为了达到这种一一对应的效果，避免复杂的人工运算，利用发光二极管和LED数码管同时显示二进制和十进制数，同时可以很好的找出二进制数和十进制数之间的对应关系，并可以通过程控输入数据并显示，故设计一种12位二—十进制数演示器并能够很好的应用于数字电子技术的教学中。达到一目了然，一一对应的关系。 摘要12位二—十进制数演示器是利用发光二极管和LED数码管同时显示二进制和十进制数的。12位二一十进制数演示器可以用于数字电路教学中，可以非常方便地找出二进制数和十进制数之间的对应关系，避免复杂的人工换算。也可以用于人工编程电路中，显示编程数据。12位二—十进制数演示器系统主要由直流稳压电源电路，信号发生电路，二进制计数串行显示电路，十进制译码显示电路，十进制计数电路模块组成。由编程开关操作，发光二极管显示，数码管数字显示。具有界面友好，数制间对应关系鲜明，体积小、交互性强等优点。本系统采用二进制串行计数器实现信号发生，根据其内部功能组成多谐振荡器，输出16.8KHz的多谐信号，经过其内部多级分频形成不同频率的时钟信号。同时分别送入二进制计数器经发光二极管显示和十进制计数器计数输出BCD码经译码器译码通过数码管显示十进制数。具有电路结构简单、程控简单、系统可靠性高、操作简便等特点。 关键词 二进制，十进制,数制转换，编程显示 一 , 系统结构设计 1​  设计指标及方案论证 1．1 12位二进制数用发光管顺序显示的分析 设计12位的二进制数用发光管顺序显示，所以为了达到直观的效果，并且避免复杂的电路，现考虑发光管使用发光二极管进行显示，因发光二极管便宜，电路构成简单，而且指示让人易读，发光二极管的亮灭状态正好可以用来显示1和0的状态，亮代表1，灭代表0 ，从而实现的一一对应的关系。而且同时要求顺序显示，故考虑使用二进制串行计数器技术并能驱动显示，从而达到顺序显示的效果，所以这里采用CD4040二进制串行计数器作为计数，驱动显示电路。 1.2 十进制数用数码管顺序显示的分析 设计要求直接显示十进制数并用用数码管顺序显示 ，所以这里的十进制显示数码管采用四位一体共阴数码管显示，采用CD4511,BCD码译码器进行译码，作为译码电路，采用数字实时计数器CD4534 进行脉冲计数。 1.3​  能预置12位二进制数，数码管能同时显示相应的十进制数的分析 设计要求能够预置数值，所以电路必须要有信号发电路作计数信号，通 过信号的分频，分出不同的基准信号作为时基信号，并通过程控开关进行信号程控输出并计数，从而实现数值的预置，输出基准CP输入分别输入到二进制串行计数器和实时十进制计数器进行计数，而二进制计数器通过计数译码通过发光二极管的亮灭进行直观显示显示，十进制计数器进行计数输出BCD码通过译码显示电路直观的显示出所预置的十进制数用十进制形式显示。 1.4​  采用AC：50Hz-220V电源的分析 设计要求使用市电，而整个电路系统的工作必须使用直流电源，故电 源必须使用直流稳压电源，即把市电通过交流变压器进行交流变压，变成低压的交流电，再把低压的交流电通过整流电路进行整流变成脉动的直流，再通过大电容进行滤波，瓷片电容高频滤波，再通过集成稳压模块进行稳压，然后再进行高频滤波，铝电解电容滤波，然后得到输出稳定的稳压直流电源。 2​ 结构框图设计 二, 单元电路设计 1​ 直流稳压电源电路 1.1 方案分析 电子产品为获得良好的性能，需要稳定和直流电源。直流电源是将交流市电经过交流变压，通过整流、滤波和稳压来为负载提供稳定的电压。负载通常是变化的，而稳压电源又不可避免地具有阻抗，因此，其输出电压就不可避免地会发生变化。这就需要采取使其稳定的措施。通常是加输出反馈和并联滤波电容。 稳压电源有模拟电源和开关电源两类。模拟稳压电源的基本原理是根据输出的变化，用线性调节电路进行反向调节，即反馈，来抵消这种变化。以达到稳定的目的。开关稳定电源的基本原是根据输出电压的变化，产生不同宽度的脉冲，去控制电源回路的导通时间，以抵消这种变化。两者各有优缺点，模拟稳压电源的稳定性好，没有毛刺（由脉冲边沿引起的尖峰），纹波也可以做得很小。但它需要较大的变压器和滤波器，因此体积和重量都比较大，功耗也比较大，对输入交流电压变化的适应范围也较小。开关稳压电源由于采用了高频脉冲调制，变压器和滤波器就较小，所以体积和重量都比较小，输出效率也很高，很多场合用起来比较方便，并且，它对输入交流电压变化的适应范围也比较大。通过以上一系列的比较，得到与本设计更为匹配的是模拟稳压电源。根据设计指标要求，采用的电源输入为220V市电，而整个电路系统的工作必须使用低压直流电源。这里采用5V直流电源。 1.2​  市电变压保护电路 根据设计指标要求，整个系统设计的最大输出不超过1A故为了保护整个电路的安全，避免在电路不正常超负荷工作时导致电流过大，能及时的切断电源输入，以达到保护电路系统的安全。所以在市电输入变压器前加熔断保护器即通常说的保险丝，熔断器的熔断电流为1A。 直流电源的输入为市电220V的电网电压，而所需的直流电压的数值和电网电压的有效值相差太大，因而需要通过电源变压器变压后，再对交流电压进行处理。 由于设计为5V的输出，而变压器的输出必须要能够包证输出有一定的余量。又因市电是220V，50Hz的交流电，故变压器采用初级输入为交流220V，次级输出为交流9V，频率为50Hz，输出最大输出为1.5A的交流变压器。 1.3​  整流电路 市电经过交流变压器变压后输出9V的电压仍然为交流电，为了把交流电转换成直流电，必须经过整流。整流电路是将交流电压转换成直流电压，即将正弦波电压转换为单一方向的脉动电压。 为了使整流后输出的纹波达到很好的效果，这里整流电路采用单相全波整流电路，这里采用最常用的单相桥式整流电路。是有4个整流二极管组成，其整流原理是利用二极管的单向导通特性，即加正向电压导通，加反向电压时截止；在正弦波的正负半周分别导通来达到整流的目的。为了很好的达到整流的效果，这里采用全桥整流模块，同时考虑输出余量，采用的全桥整流模块最大输出为1.5A。 1.4​  滤波电路 整流电路的输出电压虽然是单一方向的，仍然含有较大的交流成分，不能够适应电路的需要，因此，在整流后采用滤波电路将脉动的直流电压变为平滑的直流电压。电源滤波的显著特点是采用无源电路，滤除所有的交流成分，保留直流成分；能够输出较大的电流；而且整流管工作在非线性的状态，即导通和截止。 电容滤波是最常见的也是最简单的滤波电路，在整流电路的输出端并联一个电容即构成电容滤波电路，而滤波电容的容量要求较大，因此常采用电解电容，电容滤波电路是利用电容的充放电作用，使输出电压趋于平滑的。这里的滤波电容采用2200uF的电解电容。 1.5​  稳压电路 虽然整流滤波电路能够将正弦交流电压变换成比较平滑的直流电压，但是一方面，由于输出电压平均值取决于变压器的次级输出的有效值，所以党电网电压发生波动时，输出电压的平均值将随之产生相应的波动，另一方面，由于整流率电路内阻的存在，党负载发生变化时，内阻的电压将产生变化，于是输出电压的平均值也将随之发生相应的变化。因此，整流滤波电压会随着电网电压的波动而波动，随着负载电阻扥变化而变化，为了获得稳定性好的直流电压，必须采取稳压措施。这里采用三段集成稳压块7805。 为了更好的滤除高频脉动，必须在稳压块的输入输出并联高频滤波电容，这里采用，1uF的瓷片电容。 1.6​  工作指示电路 为了更好直观的观察电源的正常工作必须有工作指示，这里采用简便，经济，直观的发光二极管作为指示，由于发光二极管的工作压降为2V，正常工作电流为10mA左右，所以必须加限流电阻，通过计算限流电阻采用330欧姆的金属膜电阻。 计算如下： 电路如图1所示 图1 2 信号发生程控输入电路 信号发生电路是采用CD4046二进制串行计数器实现信号发生的，CD4046为二进制串行计数，分频和振荡器。它由两部分组成：一部分电路是14级分频，另一部分是振荡器。分频器部分是由T形触发器组成的14位二进制串行计数，分频器，其分频系数为16——16384；振荡部分由外接电阻和电容构成的RC振荡器，也可以通过外接晶体振荡器构成高精度的晶体振荡器。输入脉冲下降沿进一位。 根据其内部功能可以组成多谐振荡器，故电阻R2,R3分别采用100K，10K和电容C6采用2700PF构成RC振荡器并提供输出16.8KHz的多谐信号，经过其内部多级分频形成不同频率的时钟信号即经Q4输出1024Hz信号提供十进制实时计数器的进位信号，经Q8,Q12,Q13,Q14分别输出1Hz,2Hz,4Hz,64Hz的信号通过拨动开关进行程控输出信号即CP进位脉冲信号。同时分别送入二进制计数器经发光二极管显示和十进制计数器计数输出BCD码经译码器译码通过数码管显示十进制数。为了防止输出有抖动使电路产生误动作所以CP输出端必须接10K的下拉电阻。此具有电路结构简单、程控简单、系统可靠性高、操作简便等特点。 电路如图2所示 图2 2​ 十进制计数电路 十进制计数电路采用5位数字实时计数器CD4534作为本系统的十进制计数器。CD4534接收1024Hz信号实现使能，再通过接收到的CP脉冲信号进行实时十进制计数，CD4534的计数结果十位、百位、干位、万位分别以BCD码的形式从Q3Q2Q1Q0端按时序输出，个位的BCD码输出时，DS1=1，VT1饱和，个位数码管N1公共端接“0”，而显示数字；十位BCD码输出时，DS2=1，VT2饱和,十位数码管N2公共端接“0”显示十位的数字。百位的BCD码输出时，DS3=1，VT3饱和,百位数码管N3公共端接“0”显示百位的数字，千位BCD码输出时，DS4=1，VT4饱和,千位数码管N4公共端接“0”显示千位的数字。Q3Q2Q1Q0 输出分别经CD4511译码、驱动数码管N，～N4即个位到十位从而显数字。N1～N4所显示的数与VD1～VD4所显示的二进制是完全对应的。而这里采用的数码管为共阴四位一体数码管，而考虑到系统的稳定性和实际的驱动能力，故采用9013三极管利用其工作在饱和状态时具有电流放大和开关的作用，来驱动数码管的显示。 电路如图3所示 图3 3​ 二进制串行计数显示电路 二进制串行计数器采用CD4040实现二进制的串行计数。CD4040是由12个T形触发器组成的串行二进制计数器，分频器，复位端高电平复位。它有两个输入端，一个是时钟的输入端CP，一个是复位清零端R。有12个分频输出端Q1—Q12，最大的分频系数为4096.CD4040所有的输入输出端均设有缓冲级，因而可以得到较好的噪声容限。 CD4040接收信号发生电路送过来的CP计数脉冲实现二进制计数，通过二进制计数，计数的结果通过Q1—Q12以二进制的形式输出。并直接驱动发光二极管进行显示，即LED1—LED12。亮代表1，灭代表0.从而达到直观的显示效果，直接读出与数码管所显示的十进制数所对应的二进制数。有于Q1—Q12输出的高电平为5V的电平信号，为了保护发光二极管的正常工作，所以加限流电阻进行限流。通过计算得出限流电阻应为0.33K。 电路如图4所示 4​ 十进制译码驱动显示电路 十进制译码驱动显示电路采用CD4511进行锁存译码驱动显示。CD4511为4线-七段锁存译码，驱动器。他具有较大的输出电流驱动能力，最大可以达到25mA，可以直接驱动LED数码管。CD4511有四个输入端A0,A1,A2,A3和7个输出端Ya-Yg。他有BCD码锁存ST功能，灯测试LT和熄灭BI显示功能。当输入的BCD码大于1001时，七段输出的显示全为“熄灭”信号。 CD4511接收十进制实时计数器CD4534的计数结果并以BCD码的形式输出。再进行十进制译码，即把接收到的BCD码译成十进制数并锁存通过数码管显示出来，并与发光二极管所显示的二进制数数值相对应的十进制数。由于发光二极管每段也是由发光二极管组成，即每段的工作电流在10mA左右，同样为了保护数码管的正常工作，所以在CD4511的每段输出都加上限流电阻进行限流，维持数码管的正常工作。由于本电路系统采用的是5V电源，所以通过计算的出限流电阻的电阻值为0.33K。 电路如图5所示 图5 三，调试方法 在完成整个电路后，首先应该用万用表测量输入，输出的阻抗。看阻抗的范围是否正常。然后加上工作电源，看电路是否正常的工作，即数码管是否显示清零的状态，发光二极管是否全部不显示（0状态）。电路通电后即开始演示之前先按S2进行所有计数器清零，即所有显示数据的清零。当要显示较小的数值时,可以按下S1,S2,输出的频率比较低,计数比较慢,便于观看数字的变化。当需要演示较大的数字时，可选按下S4一段时间，然后松开再按S1,S2这样通过程控输出直到要求显示的数值显示出来。然后迅速的松开。即实现数值的预置并显示，达到二进制与十进制数同时显示的对应关系。 参考目 黄智伟 全国大学生电子设计竞赛训练教程 北京 电子工业出版社 2005 高吉祥 全国大学生电子设计竞赛训练教程 北京 电子工业出版社 2006 卿太全 常用数字集成电路原理与应用 北京 人民邮电出版社 2006 肖景和 COMS数字电路应用300例 北京 中国电力出版社 2005 黄永定 电子线路与课程设计 北京 机械工业出版社 2005 黄智伟 全国大学生电子设计竞赛电路设计 北京 北京航空航天出版社 2006 7，​ 附录 1​ 电路图 3​ PCB图 4​ 元器件材料清单