数显声响式定时器.doc

《数显声响式定时器.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数显声响式定时器.doc（23页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、 电子技术综合课程设 计 课 程： 电子技术综合课程设计 题 目： 数显 声响式定时器 所属院(系) 物理与电信工程学院 专业班级 电子1202 姓 名 学 号： 指导老师 完成地点 2014年 10 月 11 日目 录前 言21.总体设计方案选择与论证31.1方案选择31.2整体设计思路42.电路分析与设计42.1电源电路设计42.2 信号源电路设计52.3倒计时与显示电路82.4 复位电路102.5最后三秒声响部分112.6停止电路122.7总体电路133.仿真调试及实验装调143.1总体仿真图143.2步骤方法143.3故障及处理164.小结185元器件清单19附录A20附录B21附录C

2、22 前言电子技术综合课程设计是针对数字逻辑电路及电路分析的课程，对我们进行综合性实践训练的实践学习环节，它包括选择课程、电子电路设计、组装、调试和编写总结报告等实践内容。通过课程设计实现以下三个目标：第一，让学生初步掌握电子线路的试验、设计方法。即学生根据设计要求和元器件性能参数，查阅文献资料，收集、分析类似电路的性能，并通过组装调试等实践活动，使电路达到一定的性能指标；第二，课程设计为后续的毕业设计打好基础。毕业设计是系统的工程设计实践，而课程设计的着眼点是让学生开始从理论学习的轨道上逐渐引向实际运用，从已学过的定性分析、定量计算的方法，逐步掌握工程设计的步骤和方法，了解科学实验的程序和实

3、施方法。第三，培养学生勤于思考的习惯，通过组装电路、调试电路，增强学生分析问题的能力。本课程设计介绍的是数字逻辑电路中以TTL集成电路为基础的数显、声响定时器，以电路的基本理论为基础，着重介绍电路的设计装调及性能参数的调试方法。本课程设计应达到如下基本要求：（1） 综合运用电子技术课程中所学的理论知识独立完成一个数显、声响式定时器的设计。（2）通过查阅手册和参考文献资料，培养独立分析和解决实际问题的能力。（3）熟悉常用电子元器件的类型和特性，并掌握合理选用的原则。（4）掌握电子电路的安装和调试技能。（5）熟悉的使用各类数字电子仪器。（6）学会撰写课程设计论文。（7）培养严肃认真的工作作风和严谨

4、的科学态度。（8）由于本次试验是分组完成所以也锻炼了我们团结协作的能力。（9）由于组装电路可能会出现很多提前难以预料的问题，从而也培养学生持之以恒，艰苦奋斗的精神。1.总体设计方案选择与论证 1.1方案选择方案一如图1.1所示，由555定时器发出1秒，占空比为0.5的矩形脉冲，将之与停止信号通过与非门后，即为时钟信号；由74LS192控制倒计数；JK触发器控制74LS192和显示管的复位；由与非门使其停止计数。方案二如图1.2所示，由555定时器发出0.1秒，占空比为0.5的矩形脉冲通过十分频得到1秒矩形脉冲，将之与停止信号通过与非门后，即为时钟信号；由74LS192控制计数；JK触发器控制7

5、4LS192和显示数码管的复位；由与非门使其停止计数。 方案选择 从准确角度来说方案二要比方案一好，因为方案二时钟信号经过十分频，误差更小、占空比更准确，但就任务书来说，方案一就可以满足要求，并且方案一所用的芯片少，简单，实用，而且大多数我们都已经了解了，因此我们选择方案一。1.2整体设计思路这次做实验选用的器材有1个74LS192芯片，它是减法计数器。在此次实验中它起的是一个减法计数的作用，由15开始减到00停止计数，在计数的过程中由一个LED发光二极管来表示十位，当数从15开始减到10时也就是数码显示管上的数字从5到0发光二极管都是亮的；当数码显示管上的数字由0变成9的瞬间发光二极管灭，此

6、后数字从9减到0发光二极管都是灭的。由于每个芯片需要一个5V的直流电源来驱动，所以我们还需要用一个9V的变压器，整流桥和一个三端稳压器来设计一个电源。然后还需要一个74LS47译码器与一个七段显示共阳数码管,来对计数器所记得数进行翻译和显示。当发光二极管灭的时候同时显示管上的数字为3、2、1这三个数字的时候蜂鸣器响，这个可以用一个四输入与门来实现，其次我们还需要1个555多谐振荡器，它能产生一个1hz的矩形波信号作为脉冲，还可以调节它的电阻和电容来得到不同频率和不同占空比的脉冲信号。因为我们需要的是以秒为单位的计数器，所以我们需要的是1hz的脉冲信号，这个可以由555多谐振荡器来完成。系统还能

7、开机复位，包括计数器清零。停止电路是通过控制74LS192的始能控制端来完成的。2.电路分析与设计 2.1电源电路设计 降压电路：直流电源的输入为220V（）的电网电压（即220V交流电也称市电），所需的直流电压的数值和有效值相差较大，因此需要电源变压器进行降压，再对交流电压进行处理，此处采用变压器直接变压，输出9V交流电压。 整流电路：整流电路分为全波整流和半波整流两种。在此次用的电源中，我们采用了单相桥式整流电路，单相桥式整流电路将变压器副边电压从交流变为直流电压。图2.1.1 半波整流与全波整流波形图 滤波电路：电容滤波电路是最常见也是最简单的滤波电路，在整流滤波 电路的输出端（即负载的

8、两端）并联四个电容构成电容滤波电路。滤波电容容量较大，一般采用电解电容，由于采用电解电容，考虑到电网电压的波动范围为+10%，电解电容的耐压值应大于1.1U。滤波电路需要4.7uf、1000uf、2.2uf、100uf电容各一个。 稳压电路：对于任何稳压电路都应从两个方面考虑其稳压特性，一是设电网电压波动，研究其输出电压是否稳定；二是设负载变化，研究其输出电压是否稳定。在这个电路中我们采用了集成7805稳压器稳压电路进行稳压，为后面的一切电路提供了稳定的电压。 综合以上，整体电源设计原理为：AC220V、50HZ电源变压器整流电路滤波电路稳压电路输出。电源电路图如下： 图2.1.2 电源电路图

9、2.2 信号源电路设计 利用555集成定时器，构成多谢振荡器来产生1秒、占空比为0.5的信号。 （1） 555定时器的引脚排列： 图2.1.3 555定时器的引脚排列图其中1脚（GND)为接地端，2脚（TR)为低电平触发端，3脚（V）为输出端，4脚（R）是复位端，5脚为控制电压输入端，可改变上、下触发电位，不用时接0.01uf电容到地。6脚（TH）为高电平触发端，也称阀值端。7脚（D）为放电端，8脚（ V=5V18V）电源端。（2）555定时器的几种功能：多谢振荡器是一种自激振荡器，接通电源后不再需要外加触发便能产生矩形脉冲。a. 只要RD=0，无论两个触发端为何种状态，输出端都为0。b. 当

10、RD=1，高电平触发端TH2/3Vcc时，低触发端TR1/3Vcc时，D放电管导通，输出Vo=0。c. 当RD=1，低触发端TR1/3Vcc,D放电管截止，输出端Vo=1。d. 当RD=1，而低触发端TR和高电平触发端TH的电平在1/3Vcc到2/3Vcc之间时，输出维持不变。（3）555定时器控制功能表（4）构成多谐振荡器 由555定时器组成的多谐振荡器如图(C)所示，其中R1、R2和电容C为外接元件。其工作波如图(D)所示。 设电容的初始电压，t时接通电源，由于电容电压不能突变，所以高、低触发端，比较器1输出为高电平，输出为低电平，即，（1表示高电位，0表示低电位），触发器置，定时器输出此

11、时，定时器内部放电三极管截止，电源经，向电容充电，逐渐升高。当上升到时，输出由翻转为，这时，触发顺保持状态不变。所以0t期间，定时器输出为高电平。时刻，上升到，比较器的输出由变为，这时，触发器复，定时器输出。期间，放电三极管导通，电容通过放电。按指数规律下降，当时比较器输出由变为，触发器的，的状态不变，的状态仍为低电平。时刻，下降到，比较器输出由1变为0，R-S触发器的1，0，触发器处于1，定时器输出。此时电源再次向电容C放电，重复上述过程。通过上述分析可知，电容充电时，定时器输出，电容放电时，0，电容不断地进行充、放电，输出端便获得矩形波。多谐振荡器无外部信号输入，却能输出矩形波，其实质是将

12、直流形式的电能变为矩形波形式的电能。所以可以通过高低电平的转换，来得到方波。 由图（D）可知，振荡周期。为电容充电时间，为电容放电时间。充电时间 ,放电时间 矩形波的振荡周期因此改变、和电容C的值，便可改变矩形波的周期和频率。对于矩形波，除了用幅度，周期来衡量外，还有一个参数：占空比q，q=（脉宽）/（周期T），指输出一个周期内高电平所占的时间。图（C）所示电路输出矩形波的占空比，f=通过改变R和C的参数即可改变振荡频率。 上式说明，原电路输出脉冲的占空比始终大于50%。为了得到小于或等于50%的占空比，可以通过改变电路，接入二极管，电容充电电流和放电电流流经不同的路径，充电电流只流经R1，放

13、电电流只流经R2，因此电路的振荡周期变为：T=(R1+R2)Cln2,输出脉冲的占空比为：q= ，若取R1=R2，则q=50%。在这次设计中需要产生1秒的脉冲，占空比为50%，即 q= =0.5 R1=R2 T=(R1+R2)Cln2=1 令C=10uf 取ln2=0.693，得R1=R2=72.15K 实际选取2个68K电阻和一个10K的滑动变阻器，调至中央。综上，得到设计图如下：1秒信号源电路图2.3倒计时与显示电路使用74LS192进行减法计数，清零端接低电平，置数端接复位信号，加法计数时钟接高电平，借位端接JK触发器的CLK端。JK触发器的J、K、R端接高电平，当JK为高电平时，每当有

14、时钟信号输入时，触发器的状态就会发生翻转，当9到0发生借位时，JK触发器CLK端得到一个下降沿，使当前状态翻转一次，即显示从5到0再从9到0。5到0时发光二级管亮，9到0时发光二级管灭。电路显示部分主要为译码器和数码管。译码器用74LS247，它是一个BCD七段译码启动器。显示器电路的设计用七段发光二级管来显示译码器输出的数字，显示器有二种：共阴极和共阳极显示器。 利用译码器将（BCD)码转换成七段信号，在驱动器的作用下驱动显示器的a、b、c、d、e、f、g七个发光段，推动发光数码管（LED）进行显示。（参考图1）(1) LT()：试灯输入，是为了检查数码管各段是否能正常发光而设置的。当LT(

15、)=0时，无论输入A3 ，A2 ，A1 ，A0为何种状态，译码器输出均为低电平，若驱动的数码管正常，是显示8。 (2)BI()：灭灯输入，是为控制多位数码显示的灭灯所设置的。BI()=0时。不论LT()和输入A3 ，A2 ，A1，A0为何种状态，译码器输出均为高电平，使共阳极7段数码管熄灭。 (3)RBI(-)：灭零输入，它是为使不希望显示的0熄灭而设定的。当对每一位A3= A2 =A1 =A0=0时，本应显示0，但是在RBI(-)=0作用下，使译码器输出全1。其结果和加入灭灯信号的结果一样，将0熄灭。(4)RBO()：灭零输出，它和灭灯输入BI()共用一端，两者配合使用，可以实现多位数码显示

16、的灭零控制。 显示器采用七段发光二极管显示器，它可以直接显示出译码器输出的十进制数，如果输入的频率较高时，显示器显示的数字可能出现混乱或很快改变的结果，这时，可在计数器的后面加一级锁存，如果显示器所显示的数字暗淡，可加缓冲器。倒计时与显示部分电路图如下：图2.3 倒计时与显示部分电路图2.4 复位电路如图2-4-1所示，JK触发器的J,K,S端接高电平，当JK为高电平时，每当有时钟信号输入时，触发器的状态就会发生翻转，打开电源开关瞬间，JK触发器的Rd 端接低电平有效清零，待电容C充完电之后Rd端变为高电平，清零无效，故保持原状态，上电复位完成；开关闭合一次，CLK端得到一个下降沿，当前状态翻

17、转一次，使可以达到复位/计时的效果。其中的开关K是一个脉冲开关，按下开关后就对JK触发器有一个信号触发器能够保持这个信号，其输出端连接计数器预置数端，从而控制计数器的预置数功能，信号源提供计数器的时钟信号。计数器的借位端本应连接发光二极管，一旦高位发生借位，则借位端发出低电平有效信号，与其连接的发光二极管就因连接低电平而熄灭。但因为发生皆为这个过程太短暂不容易观察，因此就将借位这一信号连接到触发器（此时触发器的时钟信号应为上跳沿有效）的时钟信号上，以保持一段时间。这样以来，计数器就可以开始预置，正常计数的同时保证发光二极管的亮与灭。 图2.4.1表2.4.2 JK触发器功能表J KQ功能0 0

18、Q保持0 10置01 01置11 1Q翻转（计数）2.5最后三秒声响部分声响电路主要是在计数的后三秒响半秒停半秒。实现此功能的主要因素是逻辑正确。电路在后三秒发出声响的条件是高位为0，低位为3、2、1。当为0是自动停止并且保持二极管灭，数码管为0。实现此功能的一个必须条件是信号源占空比为1/2。据任务书要求，电路具有最后3秒报时功能。要求响半秒，停半秒共三下；这一功能的实现思路为：最后三秒响，那么就将最后三秒的信号取出；其半秒信号的报时可有信号源控制，因为信号源是一个占空比为50%的1HZ信号源，其波形中1秒的周期内有50%T即半秒的时间是高电平，那么高电平就可以驱动蜂鸣器报警。所以报警电路是

19、由一个四输入与门和反相器组成。最后三秒信号对应的输出应为0011、0010、0001，所以，计数器输出的低两位经过或门接入四输入与门，高两位经过一个或非门接入四输入与非门，再将脉冲信号及显示部分的JK触发器的Q非端接入四输入与非门，共同控制蜂鸣器。2.5声响电路图2.6停止电路通过与非门使当前电路停止。即发光二极管灭且7段显示数码管显示为0时，四或门输出低电平，从而时使与非门输出端为低电平，即当与非门输出端为低电平，使74LS192的DN管脚为低电平输入，进而使得时钟信号停止，所以计数停止。停止电路的仿真图如下：图2.62.7总体电路由555定时器构成多谐振荡器产生1秒，占空比为0.5的矩形脉

20、冲信号，将之与停止信号通过与非门后，即可得到时钟信号；由74LS192控制倒计数；JK触发器控制74LS192和显示管的复位；由与非门使其停止计数。总体电路图见附录A3.仿真调试及实验装调3.1总体仿真图如图3-1所示，把所有的单元电路按照逻辑关联方式联系在一起，电路便可以从15开始倒计时， 并且后三秒响半秒、停半秒，开机或开关可使之复位。74LS192的借位端控制发光二极管在74LS192从5到0时发光，所以借位端接JK触发器的CLK端，使其每一次从0到9变化时，都有一次反转来控制二极管；蜂鸣器要求在后三秒响半秒停半秒，使用与门和三态门电路即可实现。图3-1 仿真图3.2步骤方法根据总体电路

21、图及相关集成芯片的管脚图连接好电路，采用单元电路调试发对电路各个部分分块进行试，这样比总体电路的调试要容易的多。我们用万用表测试法。装调步骤如下：1、电源的制作与调试。 2、1秒、占空比为1/2的信号源的连接与调试。 3、计数器和译码器数码管的装调 4、报警与后三秒半响半停电路的连接和调试 5、停止电路和复位电路的装调首先是对电源的装调，电源虽然是最好做的，但也不能马虎，首先按照设计的单元电路连接好电路，然后接通电源，用万用表测量输出是否为5V，若为5V则元器件的连接正确。若输出不为5V，则需用万用表的交流电压档测变压器输出是否为9V，以及整流桥处的电压，各个电容处的电压，逐一纠错。接着是对1

22、秒信号源的装调，同样是按照电路图进行连接，然后接通5V电源，555的输出端接万用表，观察指针的摆动情况，如果摆动周期大约为一秒、摆动幅度较大，并且，指针在零状态与+5V处来回摆动，则1秒、占空比1/2的信号源连接基本无误，如果理论计算值与实际电路有差异，应检查电阻大小搭配是否得当。电源和信号源的装调完成后就可以进行主电路的装调，主电路的装调不能一口气将整个电路连接好，而应该将整体电路分为计数显示部分，报警与后三秒半响半停电路部分以及停止电路和复位电路的装调。当每一个部分都能正常工作时再进行总体电路的连接和调试。具体的调试过程如下：3.2.1电源的制作及调试首先按照设计的单元电路连接好电路，然后

23、接通220V的电源，注意接交流电的时候不能将两根导线短接，否则会出现不安全事件，用万用表的交流电压档测变压器的输出是否为9V。如果不是则可能是领错了变压器，应及时更换，确认前面无误后，测整个电路的输出是否为直流+5V,此时应用万用表的直流电压档。若不是，用万用表逐步检查电路，有可能是导线没有连接好或者某个期间出现了问题。由于电子电工实习时我们做过5V电源，这一次我们一次性就做成功了。3.2.2 1秒信号源的连接与调试按照设计好的信号源电路连接好电路，两个电阻理论值是72.46，因为实验室没有这样阻值的电阻，我们只好用了68的电阻代替，可是当实验以后，却超出大家的想象，出来的信号有问题，我们经过

24、讨论和检测电路发现是电阻的问题，所以我们就加了一个10K的电位器，但是试验以后还是有问题，由于出来的信号并不是1Hz的频率，我们调节电位器也最终没能解决这个问题。3.2.3 译码显示的连接和调试电路显示部分主要为数码管和译码器。我们所选用的是74LS48，它是一个BCD七段译码启动器。显示器电路的设计用七段发光二极管来显示译码器输出的数字。 74LS48译码器对应的显示器是共阴显示器。利用译码器将二十进制（BCD）码转换成七段信号，在驱动器的作用下驱动显示器的a、b、c、d、e、f、g七个发光段，推动发光数码管（LED）进行显示。如图3-2-1 七段显示数码管。图3-2-1 七段显示数码管3.

25、2.4计数器的连接和调试计数器连接时，首先根据原理图将各管脚都按照管脚图连接好检查接线无误后接上电源对计数器部分进行检测。我们用了一片74LS192。调试比较简单，我们利用已做好的信号源进行调试，本应该计数器应该是从5到0计数，再继续从9倒计数到0，可是计数是出现乱跳。出现乱码，从3直接跳到0，经过大家的检测和老师建议我们把74LS48芯片更换，然后对线路连接进行检测，把复位电路从新连接后，问题得到解决。3.2.5 报警电路的连接和调试实验中最后3秒声响部分主要有各种门电路组成，当倒计时显示进行到03，02，01这3个数字得时候就报警，以蜂鸣器响声来表示，并且停半秒响半秒，我们组蜂鸣器一端接的

26、是高电平要让蜂鸣器响另一端应为低电平，所以我们用了与门。当十位74LS192的Q0-Q3端为0，个位的高两位全为0，低两位不全为0，才会是蜂鸣器响。但在实际电路的运行中我们的电路在最后三秒的声响明显的频率快了，这也是我们的555定时器产生的信号源输出占空比不是50%所致。3.3故障及处理在本次实验中，遇到的困难及故障非常多。从仿真阶段就开始遇到问题，直到最后的连接元器件都有很多的问题。故障一:仿真阶段，电路图虽然连接正确，但不能正常工作。解决方法:仔细和电路图对比，检查每根线是否正确，看是否忘了接地或者电源，信号源是否出现问题。故障二：仿真时，蜂鸣器未响。解决方法：蜂鸣器的工作电压未达到。故障

27、三:实验室所提供芯片不能满足原本设计的电路。解决方法：更改电路图，用不同的芯片解决同样的问题，比如实验室不能提供三态门，所以改用与非门代替；比如实验室没有74LS48芯片了，所以用74LS47配合共阳数码管来代替74LS48所行使的功能。故障四:计时与显示部分时，数码管无法显示数字。解决方法:仔细观察连线，结果发现有些芯片没有接地。故障五:发光二极管在按复位开关后不亮。解决方法:检查发光二极管的正负极是否接对以及74LS112管脚是否接对。故障六:当接通电源时，数码管显示5而不是任务书要求的不亮。解决方法:经过检查，发现没有接7447的BI/RBO管脚。故障七：蜂鸣器未响。解决方法：自己的粗心

28、，将74LS21和74LS21的芯片位置插反。故障八:倒计时以及声响过快。解决方法:改变信号源的电阻，进而改变其频率，在不断的实验中，终于找到最合适的电阻及频率。故障九:倒计时，数码管在倒计时过程中有时跳过9直接到8，从0直接到8。解决方法:反复检查，发现有的芯片没有按紧，并没有完全按入面包板中。故障十:电源时有电压时无电压。解决方法:用万用表从变压器处逐一进行测量，发现有电容没有完全插入面包板中。故障十一:跨接现象非常严重，接线很难看。解决方法:更改线路，跨接可以将一根线用两根甚至三根线进行代替，从而逐渐解决跨接问题。在电路能满足任务书要求的同时力求线路美观。除了以上故障外，本次实验中还遇到

29、了很多其他问题，但都在同组队员的反复检查和讨论中解决了。总而言之，遇到的故障大多原因都是由于接线没有接好造成的。4.小结本次课程设计总共进行了三周时间，在这三周时间内，我学到了课堂上不可能学到的知识，让我认识到学习任何知识，仅从理论上去求知，而不去实践、探索是不够的，所以开设电子电路课程设计对我有着极大的帮助和提高，同时锻炼了我用所学的知识去灵活解决问题的方法。刚开始拿到课题的时候，根本不知道课设是要做啥东西，本以为只是连连电路图那么简单，自己以前所学过的知识就足够了。可是当我真正的理解要做啥之后，才发现自己的知识储备远远不够，通过查阅书籍、网上相关的资料，才对课题有了点头绪。仿真对我来说只是

30、听过，根本没有实践过。对于这个课题，老师要求我们先进行仿真，然后根据仿真电路图再进行组装和调试。所以，我就开始自学仿真软件Proteus。刚开始接触Proteus，我发现我连一个元器件都找不到，随后我找了一个中英文对照表才能找到需要的一些元器件。在仿真的过程中我也遇到了很多问题，通过向其他同学学习使问题得到了解决。不仅学会了仿真软件的使用，而且也掌握了数模电以前没有搞清楚的许多问题。在硬件的组装上我也学到了不少东西，大大的提高了我的动手能力。这次课程设计让我充分认识到团队合作的重要性，只有分工协作才能保证整个项目的井然有序。在课程设计过程中，我小组成员都能积极参与、主动思考，表现了极强的学习积

31、极性和主动性。这次我负责的是复位电路、报警器和最后三秒声响部分，但是，我并没有将自己局限于只了解这两部分的知识。通过与小组成员交流学习，我明白了信号源占空比计算的具体步骤，学会了很多的原理和作用。除此之外，通过这次课设，我的独立思考能力和合作能力也有所提升，之前我总是习惯一个人思考，经过课设我发现合作的力量是无穷的，有的问题经过不同思维的碰撞就会解决。一开始，我们的设计总是不能正常运行，经过大家的讨论，一个个问题都迎刃而解，让我得到了前所未有的满足感和对知识的渴望。其次，这次课设提高了我解决实际问题的能力，锻炼了我通过查阅资料和讨论交流解决困难的本领，可以顺利完成一个电路的接线运行工作，这为我

32、以后毕业设计打下了坚实的基础。课程设计是一次宝贵的学习经历，感谢老师在课设期间的悉心指导，感谢同学们对我的帮助和鼓励。5元器件清单名称规格数量电容4.7uF 1000uF 2.2uF 100uF 10uF 10nF 6电阻68K 68K 100 1004电位器10K2或门74LS321555振荡器17805174LS1921与非门74LS001非门74LS041与门74LS211译码器74471蜂鸣器1LED发光二极管17段数码显示管共阳1变压器1整流二极管6表5.1元器件清单附录A总体电路原理附录B 附录C参考文献： 1、阎石，数字电子技术基础（第五版） 北京高等教育出版社，2006 2、童诗白、华成英 主编模拟电子技术基础 北京高等教育出版社，2006 3、何碧华，数字电子技术实验指导书，电工电子实验指导中心，2009 4、章忠全、电子技术基础及课程设计 中国电力出版社22