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摘 要 数字电子技术主要研究各种逻辑门电路、集成器件的功能及其应用,逻辑门电路组合和时序电路的和设计、集成芯片各脚功能.555定时器等. 随着计算机科学与技术突飞猛进地发展，用数字电路进行信号处理的优势也更加突出。 数字电子技术课程设计是数字电子技术学习中非常重要的一个环节，是将理论知识和实践能力相统一的一个环节，是真正锻炼学生能力的一个环节。 本课程设计是脉冲数字电路的简单应有，设计了篮球竞赛24秒计时器。此计时器功能齐全，可以直接清零、启动、暂停和连续以及具有光电报警功能，同时应用了七段数码管来显示时间。此计时器有了启动、暂停和连续功能，可以方便的实现断点计时功能，当计时器递减到零时，会发出光电报警信号。本设计完成的中途计时功能，实现了在许多特定场合进行时间追踪的功能，在社会生活中也具有广泛的应用价值。 此计时器的设计采用模块化结构，主要有以下3个部分组成，即计时模块、控制模块、以及译码显示模块。在设计计时器时，采用模块化设计思想，使设计起来更加简单、方便、快捷。此电路是一时钟产生，触发，倒计时计数，译码显示为主要功能，在此结构的基础上，构造主体电路和辅助电路两个部分。 在本课程设计任务中对篮球竞赛24秒计时器的功能以及它的原理做了较好的介绍。同时在设计过程中得到了有关指导教师的支持和同学的帮助，在此一并致谢！ 关键字：24秒计时器；七段数码管；译码显示 目 录 摘要……………………………………………………………….…..5 61计数器概述 61.1篮球竞赛24秒计时器功能 71.2设计任务及要求 72 电路设计原理与单元模块 72.1设计原理 82.2 设计方案 92.3 各单元电路的设计 315数字电路的仿真与调试 153.1 Protues仿真 16结束语 17参考文献 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； （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 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8421BCD码递减计数器构成。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8421BCD码编码，具有直接清零、异步制数的功能，且有进位 和借位 输出端。当需要进行多级扩展连接时，只要将前级的 端接到下一级的CP+端， 端接到下一级的CP-端即可。详见下面的功能表。 输 入 输 出 R CP+ CP- D0 D1 D2 D3 Q0 Q1 Q2 Q3 1 X X X X X X X 0 0 X X I0 I1 I2 I3 0 1 ↑ 1 X X X X 0 1 1 1 X X X X 0 1 1 1 X X X X 0 0 0 0 I0 I1 I2 I3 加计数 减计数 保持 表2.3 74192的功能表 由功能表可以看出，当 =1，CR=0，CPD=1时，如果时钟脉冲加到CPU端，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， 端输出进位下降沿跳变脉冲；当 =1，CR=0，CPD=1时，如果有时钟脉冲加到CPD端，则计数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CPD端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 74ls47引脚图 输入 输出 字形 数字 A3 A2 A1 A0 BI/RBO a b c d e f g 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 X X X X X X X X X 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 消隐 脉冲消隐 灯测试 X 1 0 X 0 X X X X X 0 0 0 0 X X X X 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 8 表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0～15共16个数字的对应关系 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CMOS型两种产品。一般双极性型产品型号的最后三位数都是555，CMOS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4．5～12V，最大输出电流200mA以内，并能与TTL、CMOS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（ ）：低电平触发端，简称低触发端，标志为 。 VCO：控制电压端。 VO：输出端。 Dis：放电端。 ：复位端。 555定时器内含一个由三个阻值相同的电阻R组成的分压网络，产生 VCC和 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G3。 是复位端，低电平有效。复位后, 基本RS触发器的 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VCO悬空，则比较器C1的同相输入端接参考电压 VCC，比较器C2反相输入端接参考电压 VCC ，为了学习方便，我们规定： 当TH端的电压> VCC时，写为VTH=1，当TH端的电压< VCC时，写为VTH=0。 当 端的电压> VCC时，写为VTR=1，当 端的电压< VCC时，写为VTR=0。 低触发：当输入电压Vi2< VCC 且Vi1< VCC时，VTR=0，VTH=0，比较器C2输出为低电平，C1输出为高电平，基本RS触发器的输入端 =0、 =1，使Q＝1， ＝0，经输出反相缓冲器后，VO＝1，T截止。这时称555定时器“低触发”； 保持：若Vi2> VCC 且Vi1< VCC，则VTR=1，VTH=0， = =1，基本RS触发器保持，VO和T状态不变，这时称555定时器“保持”。 高触发：若Vi1> VCC，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 =0，使 ＝1，经输出反相缓冲器后，VO＝0；T导通。这时称555定时器“高触发”。 VCO为控制电压端，在VCO端加入电压，可改变两比较器C1、C2的参考电压。正常工作时，要在VCO和地之间接0．01μF（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RC定时电路，用于设定脉冲的周期和宽度。调节RW或电容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 图2.7 自激多谐振荡器电路和波形图 分析方法与单稳态电路相似，但电容器C的充电电阻是R1 +R2 ，放电电阻是R2 。当VC是低电平时，555定时器低触发，VO为高电平，放电管T截止，电容器经（R1 +R2）充电，当充电至VC=VTH> VCC时，电路高触发，输出VO变为低电平，放电管T导通，电容器经R2放电，当放电至VC=VTR< VCC时，电路又进入低触发，VO变为高电平，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，计数器开始进行递计数。电路图中，当开关S1合上时， =0，74LS192进行置数；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的控制电路。当定时时间未到时，74LS192的借位输出信号 2=1，则CP信号受“暂停/连续”开关S2的控制，当S2处于“暂停”位置时，门G3输出为0，门G2关闭，封锁CP 信号，计数器暂停计数；当S2处于连续位置时，门G3输出1，门G2打开，放行CP信号，计数器在CP作用下，继续累计计数。当定时时间到时， 2=0，门G2关闭，封锁CP信号，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”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时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： 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： 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资料，使得我的课程设计能够顺利的完成，同时在课程设计过程中，我们巩固和学习了我们的电子技术知识。相信这对我以后的课程设计和毕业设计将会有很大的帮助！ 参考文献 [1]温如坤、高志敏.数字电子技术基础实验[M].湖北汽车工业学院,2004. 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