——数字电子计数基础课程设计
学院:计算机学院
专业班级:通信工程10-2班 时间:2013年1月7日
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目 录
设计要求………………………………………………………………………………………3 正文
一、倒计时器组成及原理 ………………………………………………………………3 1.1倒计时计数器组成 ……………………………………………………………3 1.2工作原理 ………………………………………………………………………3 二、拟定设计方案 ………………………………………………………………………4 2.1用Multisim进行仿真设计 ……………………………………………………4 2.2设计实现数码管显示 …………………………………………………………4 2.3设计555定时振荡实现秒振荡发生功能 ……………………………………4 2.4设计实现减法计数功能 ………………………………………………………5 2.5设计实现二位数减法计数功能 ………………………………………………5 2.6设计实现反馈电路实现30秒计数功能 ………………………………………5 2.7设计实现控制电路实现启动、清零/复位和暂停/继续计数控制电路 ………5 2.7.1清零/复位电路………………………………………………………………5 2.7.2暂停/继续计数电路…………………………………………………………6 2.7.3启动电路 ……………………………………………………………………7 2.8设计实现闪烁报警电路 ………………………………………………………8 三、功能说明总结 ……………………………………………………………………9 四、课程设计小结 ……………………………………………………………………9
参考文献 …………………………………………………………………………………10 附录:
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一、电路原理图 ………………………………………………………………………11 二、元器件明细表 ……………………………………………………………………11
设计要求:
设计30秒倒计时计数器。
30秒倒计时器的设计功能要求包括: 1、具有30秒倒计时功能;
2、设置外部操作开关,控制计时器的直接清零/复位、开始和暂停/连续计数功能; 3、计时器计时间隔为1秒;
4、计时器递减计时到零时,数码显示器不灭灯,保持并闪烁光电报警。 5、计时器暂停计数时,数码管闪烁提醒;
正文:
一、倒计时器组成及原理
1.1倒计时计数器组成
倒计时计数器选用TTL集成电路,主要由秒定时振荡发生器、减法计数器、译码器、七段数码显示器、控制电路、闪烁报警电路等组成,在电路工作过程中,电路能够通过控制器实现开始计数、清零/复位、暂停/继续计数等功能,在倒计时结束保持00状态并不断闪烁提示报警,原理图如下:
秒定时振荡 发生器 减法计数器 数码管译码器 七段数码管显示 控制电路 闪烁报警电路 倒计时计数器原理组成框图 图1
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1.2工作原理
当电路工作时,由555定时器组成多谐振荡器,选取适当的电容使振荡周期为1s;用两片减法计数器芯片级联组成二位数计数器,用七段数码管显示计数;控制电路通过控制减法计数器的控制端实现对电路保留、启动、清零/复位和暂停/继续计数功能的控制;利用JK触发器的翻转状态特性和译码器BI/RBO端的控制实现闪烁报警功能。
二、拟定设计方案
2.1用Multisim进行仿真设计
Multisim是美国国家仪器(NI)有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具,适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。Multisim中提供了丰富的硬件数据可供选择,它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式,具有丰富的仿真分析能力。通过Multisim可以及时仿真实现电路设计功能并及时发现存在的问题进行改正,可以确保设计的电路能够正常实现应有的功能。
2.2设计实现数码管显示
选取共阴极七段红色数码管作为显示器,译码器选择74LS48N,将译码器的LT、RBI端直接接高电平,BI/RBO也接高电平,将七段数码管的七个引脚分别接100Ω电阻后于译码器输出端相连,在译码器输入端输入电平实现了数码管显示功能。
2.3设计555定时振荡实现秒振荡发生功能
如图2,用555定时器、电容电阻组成多谐振荡发生器,C1选择1uF,图中C1为100nF为仿真实验用数据,C2选择10nF,电阻均为5.1kΩ,由周期计算公式:
T≈0.7(R1+2R2)C1 ≈ 1s
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图2 2.4设计实现减法计数功能
选用74LS191N加减计数器作为减法计数器芯片,U/D加减控制端接高电平将74LS191N设置为减法计数状态,将74LS191N输出端与74LS48N译码器的输入端相接,脉冲接555定时振荡电路产生的谐振脉冲,实现减法计数功能。
2.5设计实现二位数减法计数功能
级联两片均设置为减法计数器的74LS191N,将低位减计数器的进位端RCO接高位减计数器的EN使能端(图中为CTEN端),将数码管、电阻及译码器74LS48N按2.2中说明连接,实现二位数减计数功能。
2.6设计实现反馈电路实现30秒计数功能
如图3,采用74LS191N异步置数,高位反馈输出OA、OB通过两个2输入与非门两次与非反馈给D触发器RESET端,为实现控制功能准备,最终反馈给预制LD端(电路图中为LOAD端);低位反馈输出OB、OD同高位方法实现。高位预置数端DCBA预置0100,低位预置数端DCBA预置1001,实现30秒计数。
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图3
2.7设计实现控制电路实现启动、清零/复位和暂停/继续计数控制电路 2.7.1清零/复位电路
高、低位74LS191N的反馈信号分别通过两个2输入与非门两次与非输入D触发器的RESET端,同时D端与清零/复位控制电路相连,D触发器输出Q再反馈会LOAD端(即LD端),两个D触发器的D端均与开关J4所在清零/复位控制电路电阻、二极管右端,开关左端相接(如图3),高位74LS191N的高电平预置数与低位74LS191N的高电平预置数端与D输入接线位置相同,使得开关闭合前高低位74LS191N的高电平预置数及D为高电平,闭合后高低位74LS191N的高电平预置数及D为低电平,从而控制LD预置端实现清零和复位功能。
如图4,J4控制电路为清零/复位控制电路,J4为控制开关,闭合清零,开启复位。
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图4
2.7.2暂停/继续计数电路
单刀单掷开关J1所在电路为暂停/继续计数功能电路。如上图4,开关J1闭合前,J1所在电路反馈低电平,当J1闭合后,J1所在电路反馈高电平,反馈信号经如下图5两个或非门两次或非输入D触发器输入D端(如下图5),D触发器输出Q接低位74LS191N的CTEN端(及EN使能端),上面的JK触发器的输出端与第一个或非门的另一输入端相连。电路工作时,当J1断开,正常工作,当J1闭合时,使能端CTEN变为高电平,低位74LS191N输出保持,使电路进入暂停状态,断开J1则继续计数。
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图5
2.7.3启动电路
如上图5,J3所在为启动控制电路,当J1处于断开状态,RESET端为低电平,当闭合J1后,RESET端为高电平,JK触发器输出置0,正常工作状态下第一级或非门另一输入为0,经两级或非后输入D触发器,且输入为低电平,即输出端Q输出低电平至CTEN(EN使能端)使电路启动。
74LS191N功能表如图:
加/减预置 使能 控制 LD 0 1 1 1 EN x 1 0 0 D/U x x 0 1 CP x x D3 D2 D1 D0 d3 d2 d1 d0 x x x x x x x x x x x x 图6
Q3 Q2 Q1 Q0 d3 d2 d1 d0 保持 加法计数 加法计数 异步置数 数据保持 加法计数 减法计数 时钟 预置数据输入 输出 工作模式 8
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2.8设计实现闪烁报警电路 根据译码器控制端BI/RBO功能 功能 输入 (输入) 灭灯 LT x RBI x A3 x A2 x A1 x A0 x 图7
如图7,当BI/RBO为0时,不论LT,RBI及A3A2A1A0为何值,输出为0且数码管为灭灯状态。当BI/RBO为1时,正常输出输入数据。
对于JK触发器,J端接高电平,K端与低位74LS191N的使能端EN(电路图中CTEN端)相接,则K端在计数使能时为低电平,暂停或计数到00时为高电平,由JK触发器功能表如下:
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图8
如图9,将74LS48N译码器的BI/RBO与该JK触发器的输出端相连,由图8可知当J=1,K=0时,BI/RBO置1,数码管正常工作;当J=1,K=1时,BI/RBO翻转,使数码管时亮时灭闪烁。
1 翻转 0 置1 J K 输出 /输出 BI/RBO 0 a b c d e f g 0 0 0 0 0 0 0 输入输出 图9
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经过以上功能分析、设计和仿真,30s计数器的各项功能得到实现,在清零/复位与暂停/继续控制电路中,当J1闭合,暂停计数时,发光二极管点亮,J1断开,继续计数时,发光二极管灭;当J4闭合,数码管清零,发光二极管点亮,当J4断开后,发光二极管灭。
三、功能说明总结
实现从29到00的30秒倒计时计数功能,时间间隔为1s,具有启动,清零/复位与暂停/继续计数功能;同时当清零与暂停时,清零/复位或暂停/继续计数功能电路中的发光二极管点亮,作为功能标识;暂停时,数码管显示闪烁提醒,倒计时到00时计数保持00,并且闪烁报警,提示计数结束。
J1为单刀单掷开关,是暂停/继续计数功能控制开关,闭合J1,开关,计数暂停,断开J1开关,计数继续;J3为自动复位开关,时计数启动开关,当清零/复位开关断开复位后,按下J3启动计数;J4为单刀单掷开关,是清零/复位功能控制开关,闭合J3开关,数码管清零保持,再断开J3开关,复位29,等待启动开关J3启动。
四、课程设计小结
课程设计过程中对学到的各种芯片的功能,作用有了更加深入的学习,尤其是通过Multisim的设计与仿真,Multisim之前没有接触过,这几天学习了其基本功能和仿真实验。在设计30秒倒计时计数器时,用到了74LS191N加/减计数器,共阴极数码管,74LS48N译码器,555定时器组成多谐振荡器电路,JK触发器和D触发器等元器件,对这些元器件的特性,功能有了进一步深入的了解。通过555定时器构成多谐振荡电路的仿真对其电路结构有了更深刻的印象,掌握了通过改变RC的值对振荡周期进行调整。
当然在设计各各功能的过程中也遇到了许多问题,如最初使用74LS191N加/减计数器的时候对其反馈和异步置数功能不是很清楚,在查阅书本和实践多次的基础上终于解决异步置数问题,又如在设计反馈控制电路的过程中,时选用JK触发器还是D触发器,最初的设想是用的JK触发器,但是实验多次后才觉得如果用D触发器会更好,最终用D触发器实现清零/复位控制电路和计数器反馈电路;另一个问题是倒计时计数到00时的保持与闪烁问题,当计数到00时,74LS191N的MAX/MIN端输出将从低电平变为高电平,试了不少方法,有些无法保持00状态,有些在00状态无法闪烁,最终通过反馈两个74LS191N的MAX/MIN端与非两次后的输控制D触发器U21的SET端控制低位74LS191N的使能端CTEN端(即EN端)实现保持00计数状态,并利用JK触发器的翻转和置1功能特性控制
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74LS48译码器的BI/RBO端输入实现闪烁功能。每遇到一个问题都时进一步学习和加深对电路,原理,元器件学习的过程,每解决一个问题,没实现一个功能,都会十分的兴奋,总之,课程设计是一个提高能力,实践所学知识的过程,当然,还有许多的元器件,电路原理等有待于进一步的学习,对Multisim的学习也是一个开始,希望今后也能进一步学习到更多这一功能强大仿真软件的功能。
参考文献:艾永乐 付子义 《数字电子计数基础》 2008 [北京] 中国电力出版社; 邱关源 罗先觉 《电路》第五版 2011 [北京] 高等教育出版社; 《Multisim原件介绍》 ;
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附录: 一、电路原理图
二、元器件明细表 555定时器 七段共阴极红色数码管 74LS48N译码器 74LS191N加/减计数器 74LS00(四-2输入与非门) 74LS02(四-2输入或非门) D触发器 JK触发器 电容 1个 2个 2个 2个 2个(一共需要7个2输入与非门) 1个(共需要2个或非门) 3个 2个 2个(C1 1uF,C2 10nF) 12
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开关 电阻 3个 (J1、J4为单刀单掷开关,J3为自动复位开关) 18个(与数码管串电阻100欧姆14个,与二极管串接电阻1000欧姆2个,多谐振荡电路电阻5100欧姆2个) 发光二极管
2个(1.66V 5mA) 13
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