数电课程设计-30秒倒计时器.doc

河南理工大学计算机学院30秒倒计时计数器设计 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： 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：七段数码管显示数码管译码器减法计数器秒定时振荡发生器控制电路闪烁报警电路 倒计时计数器原理组成框图图11.2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100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5.1k，由周期计算公式：T0.7（R1+2R2）C1 1s 图22.4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。图32.7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。图42.7.2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。图52.7.3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：预置使能加/减控制时钟预置数据输入输出工作模式LDEND/UCP D3 D2 D1 D0 Q3 Q2 Q1 Q00xxx d3 d2 d1 d0 d3 d2 d1 d0异步置数11xx x x x x保持数据保持100 x x x x加法计数加法计数101 x x x x加法计数减法计数图62.8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）输入输入/输出输出LTRBIA3A2A1A0BI/RBO a b c d e f g 灭灯xxxxxx0 0 0 0 0 0 0 0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：JK输出10置111翻转图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。图9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 百度文库；附录：一、电路原理图二、 元器件明细表 555定时器 1个七段共阴极红色数码管2个74LS48N译码器2个74LS191N加/减计数器2个74LS00（四-2输入与非门）2个（一共需要7个2输入与非门）74LS02（四-2输入或非门）1个（共需要2个或非门）D触发器3个JK触发器2个电容2个（C1 1uF，C2 10nF) 开关3个 (J1、J4为单刀单掷开关，J3为自动复位开关)电阻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