河南理工大学电仪专业数电课程设计.docx
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河南理工大学电仪专业数电课程设计
正文
1、设计总体思路
1.1课程设计要求
设计并制作一个简易的三位数字显示计时系统,供运动员比赛计时用,要求如下:
1)精确到秒,最大计时为9分59秒;
2)开机时自动清零;
3)具有启停输入控制功能,按下启停输入控制键时,开始计时,再次按下时,停止计时;
4)用7段数码管显示时间;
5)功能扩展(自选)
1.2设计目的
1)进一步熟悉和掌握常用数字电路元器件的应用。
2)巩固加深理解数字电路的基本理论知识,学习基本理论在实践中综合运用的初步经验,掌握数字电路系统设计的基本方法及在面板上接线的方法、技术、要注意的问题。
3)培养数字电路实物制作、调试、测试、故障查找和排除的方法。
4)培养细致、认真做实验的习惯。
5)培养实践技能,提高分析解决实际问题的能力。
6)学会运用仿真软件进行电路仿真。
7)熟悉555定时器产生脉冲的应用。
1.3设计总体思路
1)主电路
用3个7段数码管显示时间,3块cd4511共阴极七段译码器实现译码功能,3块74LS192同步加减计数器实现计时功能,时钟脉冲用555定时电路产生秒脉冲,1块74LS76实现清零和启停功能。
2)控制电路
按下清零按钮后,使74LS192的清零端为高电平,使其清零。
按下暂停/继续按钮后,使74LS192的CP端为高电平,不再有上升沿输入,使其保持之前的数据不变,再次按下按钮后,74LS192的CP端为低电平,当下一个高电平输入时,将有上升沿,使74LS192计数,从而实现暂停/继续功能。
2、基本原理及框图
1)基本原理
开机启动后,给第3块74LS192一个信号,当上升沿到来时,74LS192的输出端输出加1,直到输出为9时,产生进位信号,送到第2块74LS192的UP端,直到第2块74LS192的输出为6时,使其置数为0,同时给第一块74LS192的UP端一个信号使其输出加1,循环进行。
74LS192的功能表见下表。
RM
CPU
CPD
功能
H
╳
╳
╳
清零
L
L
╳
╳
置数
L
H
H
H
保持
L
H
↑
H
加计数
L
H
H
↑
减计数
CD4511是一个用于驱动共阴极LED(数码管)显示器的BCD码—七段码译码器,特点:
具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。
可直接驱动LED显示器。
2)设计整体框图
设计框图如图1-1所示:
图1-1三位数字显示的计时系统设计框图
3、单元电路设计及单元电路图
3.1秒脉冲发生电路
用555组成多谐振荡器输出秒脉冲,工作原理如下:
接通电源Vcc后,Vcc经电阻R1和R2对电容C充电,其电压Uc由0按指数规律上升。
当Uc≥2/3Vcc时,电压比较器C1和C2的输出分别为Uc1
=0、Uc2=1,基本RS触发器被置0,Q=0,
=1,输出U0跃到低电平U01.与此同时,放电管V导通,电容C经电阻R2和放电管V放电,电路进入暂稳态。
随着电容C放电,uc下降到Uc≤1/3Vcc时,则电压比较器C1和C2的输出为Uc1=1、Uc2=0,基本RS触发器被置1,Q=1,
=0,输出u0由低电平U01跃到高电平U0h。
同时,因
=0,放电管V截止,电源Vcc又经过电阻R1和R2对电容充电。
电路又返回前一个暂稳态。
因此,电容C上的电压Uc将在2/3Vcc和1/3Vcc之间来回充电和放电,从而使电路产生了振荡,输了矩形脉冲。
多谐振荡器的振荡周期T为:
T=0.7(R1+R2)C
振荡频率f为:
用555组成多谐振荡器输出秒脉冲电路,其电路图如图1-2所示:
图1-2秒脉冲电路图
3.2计时单元电路
如图1-3所示。
该电路用2块74LS192组成六十进制秒显示电路,1块74LS192组成分显示电路,当00秒递增到59后,进位到分,同时使其置0。
图1-3计数器显示电路图
3.3共阴极七段译码电路
如图1-4所示。
该电路用3块cd4511组成译码电路,为实现七段共阴极数码管的显示提供译码作用。
图1-4cd4511译码功能图
3.4显示电路
该电路采用BCD码数码管,如图1-4所示。
图1-5数码管
3.5控制电路
电路图如图1-5所示,74LS76的
(14端子)接计数器74LS192的清零端(MR端),按下清零按钮后,
端由
变为
,从而使计数器的MR=1,使计数器清零。
74LS76的Q端(11端子)接到与非门的一端,按下启动/停止键,Q端由Q=0变为Q=1,脉冲得以通过,即启动作用,再次按下启动/停止键,Q端由Q=1变为Q=0,此时脉冲不能通过,即起暂停的作用。
图1-6控制电路图
4、安装、调试步骤
系统总电路如图1-7所示。
设计出来后按以下步骤进行安装。
1)按照真值表和管脚图用3块74LS192和3块cd4511安装成最大为9分59秒的计时器,使其能正确显示。
2)按照管脚图和原理图对应接好数码管,使其准确显示数字。
3)安装控制电路,按下清零按钮后,计数器可以清零,按下启动/停止键后,能启动,再次按下启动/停止键,能暂停,再次按下启动/停止键,能继续。
4)把已插入但未连接的线理清楚,然后把它们对应接入正确位置,使电路接通。
实践表明,一个电子装置,即使用仿真软件仿真没问题,但接实物时,往往不能达到设计的预期效果。
因此电子产品做出来之后,不仅要仿真,更要进行实物测试。
这是因为设计者在设计时,很难考虑到实际的各种情况及其所处环境对电路的影响程度。
图1-7总设计电路仿真图
5、故障分析及电路改进
在电路的调试过程中,可谓是历经艰难险阻,通过排除故障后,才把电路给测试通过。
5.1故障产生原因
对于新设计电路来说,调试中产生的故障原因主要有以下几种情况。
1)元器件、接口处损坏。
电子电路中通常有很多的元器件在安装的过程中,由于某种不正确操作,容易损坏电子器件。
电子器件损坏后,将使电路不能实现它的功能。
2)电子器件与面包板接触不良。
由于线与接口处孔的大小不是很适合,接上的线比较容易脱落:
由于管脚没插好,也会导致接触不良。
3)安装的接线电路与原理图不一致,主要是某些管脚比较靠近,接线时没注意就接错了。
4)某些电子器件的没用到的端子没有接地线或接高电平。
5)竞争与冒险现象。
当电子器件的两端同时同时变化时,容易产生竞争冒险现象,导致电路显示不稳定。
5.2故障的分析方法
在电路的调试过程中不可避免的出现各种各样的问题,在查找故障时,需要耐心和细心,一步一步地检查。
1)安装前,对每个器件进行检查,是否有管脚缺失,是否与功能表的各项功能一致。
2)在安装时要逐个安装、调试,检查是否达到了预定的要求。
3)在断电情况下,观察是否有器件没有与面包板接触好,是否有线脱落的现象,是否按照了原理图上进行安装,是否有器件没有接通电源。
4)在通电情况下,用一根导线接到共阴极的LED上,另一端接到待检查处,从信号源到输出一一进行检查,观察是否与仿真时的情况一致,是否与预期的电平一致。
5.3电路的改进
1.在电路的调试过程中,由于器件本身的原因,需对电路做进一步改进,如从09直接跳到19,正确的跳转应该是从09跳到10,这时就需在进位的同时给置数端一个信号,使其在进位的同时置0,从而达到预期目标。
2.由于仿真与实际的区别,在调试的时候发现与74LS192的清零端相连接的JK触发器输出端的高低电平恰好与仿真时相反,从而使得开机时不能清零,当把CR输入端子交换后,发现恰好达到预期效果。
6、总结与设计调试体会
经过几个星期的设计,过程曲折可谓一言难尽。
在此期间我失落过,也曾热情高涨。
从开始时满富盛激情到最后腰酸背痛的复杂心情,到最后也未能调试出来后的遗憾之情。
也许生活就是这样,汗水预示着结果也见证着收获。
设计确实很辛苦,尤其是当某些问题思考了很久,却无法解决时,那种郁闷的心情,可谓是无法用言语进行表达。
但再苦也是值得的,通过课程设计,认识到了自己理论知识的缺陷,学会了怎样去进行电路的设计。
首先,要逐个分析它要实现的功能,然后考虑用那些元器件可以实现这种功能;其次,要查找这些元器件的资料,包括功能表及工作原理等等;然后,做出连接图,用仿真软件进行仿真:
最后进行实物连接、调试。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的,只有理论知识是远远不够的,只有把所学的理论知识与实践相结合起来,从理论中得出结论,才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
这次课程设计终于完成了,在设计中遇到了很多问题,经过与同学的交流和大量的搜寻资料,部分已经攻克了,每当我打开电脑时,我总要看看我自己设计的电路图,总感觉有一种激动的心情,虽然没在实际操作中实现,但这也是辛勤劳动的成果。
总体来说,这次课程设计使我受益匪浅.在设计与仿真的过程中特别有趣,提高了我的设计水平,增加了我们的实际操作能力.
7、附录
元器件清单(见下表)
名称
型号
数量/个
四2输入与非门
74LS00
1
六反相器
74LS04
1
双JK触发器
74LS76
1
十进制同步加/减计数器
74LS192
3
555定时器
555
1
发光二极管
2
数码管
3
按钮开关
2
电阻
2(48K)、1(10KΩ)
电容
1(0.1μF)1(10μF)
七段数码管译码器
Cd4511
3
二极管
2
数字时钟设计
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