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1、课程设计说明书 NO.1目 录1. 课程设计的目的21.1设计背景 21.2设计要求22. 设计方案论证 3 2.1译码显示电路 32.2脉冲产生电路（555定时器）62.3计数电路（74LS192D） 102.4控制电路（清零、置数、暂停、报警） 123. 设计结果与分析 134. 设计体会 155. 参考文献 15附录I：元器件清单16附录II：Multisim10软件介绍 16 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.2篮球比赛24秒多功能计时器1课程设计的目的1.1设计背景:此设计是脉冲数字电路的简单应用，设计了篮球竞赛24秒倒计时器。篮球比赛计时器是一种体育比赛计时装置，经过改造可满足多
2、种要求和场合利用中小规模集成电路设计一个数字显示的简易篮球比赛计时器。按篮球比赛规则，进攻方有24 s为倒计时。要求进攻方得到发球权后，必须在24 s内完成一次进攻，否则将球权判给对方，本人设计了一个篮球比赛计时器，可对比赛中进攻方的每次控球时间计时。该计时器采用按键操作、显示，非常实用。此计时器也可作为其他球类比赛的计时器。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，可以方便地实现断点计时功能，当计时器递减到零时，会发出报警信号。本设计完成的中途计时功能，实现了在许多的特定场合进行时间追踪的功能，在社会生
3、活中也具有广泛的应用价值。1.2设计要求1.2.1 30秒计时器具有显示24秒的计时功能。 1.2.2系统设置外部操作开关，控制计时器的直接置数、清零、启动、和暂停功能。 1.2.3计时器为24秒递减计时时，其计时间隔为1秒。1.2.4当计时器递减计时到零时，数码显示器不能灭灯，LED变亮报警。2设计方案论证本实验的核心部分是要设计一个24s计数器，并且对计数结果进行实时显示，同时要实现设计任务中提到的各种控制要求，因此该系统包括秒脉冲发生器、计数器、译码显示电路、辅助时序控制电路(简称控制电路)和报警电路等5个部分构成。其中，计数器和控制电路是系统的主要部分。计数器完成30s计时功能，而控制
4、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，数码显示器显示零。当启动开关闭合时，控制电路应封锁 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.3时钟信号CP，同时计数器完成置数功能，译码显示电路显示30s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。系统设计框图如图下图所示。暂停/继续脉冲发射器译码器计时器LED显示置数清零2.1译码显示电路用发光二极
5、管（LED）组成字型来来显示数字。这种数码管的每个线段都是一个发光二极管，因此也称LED数码管或LED七段显示器。因为计算机输出的是BCD码，要想在数码管上显示十进制数，就必须先把BCD码转换成 7 段字型数码管所要求的代码。我们把能够将计算机输出的BCD码换成 7 段字型代码，并使数码管显示出十进制数的电路称为“七段字型译码器”因此在本次的设计中我们采用了常用的74LS48。 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.4下面是利用74LS47驱动单位共阳极七段数码管的电路图：在数字测量仪表和各种数字系统中，都需要将数字量直观地显示出来，一方面供人们直接读取测量和运算的结果；另一方 面用于监视数字系
6、统的工作情况。因此，数字显示电路是许多数字设备不可缺少的部分。数字显示电路通常由译码器、驱动 器和显示器等部分组成，如下图所示。 驱动器 显示器 译码器 计数器下面对显示器和译码驱动器分别进行介绍。 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.5数码显示器是用来显示数字、文字或符号的器件，现在已有多种不同类型的产品，广泛应用于各种数字设备中，目前数码显示器件正朝着小型、低功耗、平面化方向发展。 数码的显示方式一般有三种：第一种是字形重叠式，它是将不同字符的电极重叠起来，要显示某字符，只须使相应的电极发 亮即可，如辉光放电管、边光显示管等。第二种是分段式，数码是由分布在同一平面上若干段发光的笔划组成，如
7、荧光数码管等。第三种是点阵式，它由一些按一定规律排列的可发光的点阵所组成，利用光点的不同组合便可显示不同的数码，如场致发光记分牌。 数字显示方式目前以分段式应用最普遍，下图表示七段式数字显示器利用不同发光段组合方式，显示015等阿拉伯数字。在实际应用中，1015并不采用，而是用2位数字显示器进行显示。分段式数码管是利用不同发光段组合的方式显示不同数码的。因此，为了使数码管能将数码所代表的数显示出来， 必须将数码经译码器译出，然后经驱动器点亮对应的段。例如，对于8421码的0011状态，对应的十进制数为3，则译码驱动器应使 a、b、c、d、g各段点亮。即对应于某一组数码，译码器应有确定的几个输出
8、端有信号输出，这是分段式数码管电路的主要特点。74LS48为4线七段译码器/驱动器（BCD输入，有上拉电阻），其输出端（YaYg）为高电平有效，可驱动灯缓冲器或共阴极VLED。 当要求输出015时，消隐输入（BI）应为高电平或开路，对于输出为0时还要求脉冲消隐输入（RBI）为高电平或者开路。 当BI为低电平时，不管其它输入端状态如何，YaYg均为低电平。 当RBI和地址端（A0A3）均为低电平，并且灯测试输入端（LT）为高电平时，Ya Yg为低电平，脉冲消隐输出（RBO）也变为低电平。 当BI为高电平或开路时，LT为低电平可使YaYg均为高电平。 48与248的引出端排列、功能和电特性均相同，
9、差别仅在显示6和9,248所显示的6和9比48多出上杠和下杠。引出端符号： A-D 译码地址输入端 BI/RBO 消隐输入（低电平有效）/脉冲消隐输出（低电平有效） LT 灯测试输入端（低电平有效） 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.6RBI 脉冲消隐输入端（低电平有效） a-g 段输出 74LS48引脚图22脉冲产生电路（555定时器）555定时器主要是通过外接电阻R和电容器C构成充、放电电路,并由两个比较器来检测电容器上的电压,以确定输出电平的高低和放电开关管的通断。这就很方便地构成从微秒到数十分钟的延时电路、以及多谐振荡器、单稳态触发器、施密特触发器等脉冲波形产生和整形电路。NE555
10、为8脚时基集成电路，各脚主要功能（集成块图在下面） 1地 GND 2触发 3输出 4复位 5控制电压 6门限(阈值) 7放电 8电源电压Vcc它是数字电子钟的核心部分，它的精度和稳定度决定于数字钟的质量。555定时器引脚图如图2-2-1，多谐振荡器电路如图2-2-2,555定时器原理图2-2-3所示。 图2-2-1 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.7图2-2-2图2-2-32.2.1用555定时器构成多谐振荡器：用555定时器构成多谐振荡器电路如图(a)所示。电路没有稳态,只有两个暂稳态,也不需要外加触发信号,利用电源VCC通过R1和R2向电容器C充电,使uC逐渐升高,升到2VCC/3时,
11、uO跳变到低电平,放电端D导通,这时,电容器C通过电阻R2和D端放电,使uC下降,降到VCC/3时,uO跳变到高电平,D端截止,电源VCC又通过R1和R2向电容器C充电。如此循环,振荡不停, 电容器C在VCC/3和2VCC/3之间充电和放电, 输出连续的矩形脉冲,其波形如图(b)所示。 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.88 476 555 321 5R1R2ucC+VDDuo0.01Ftuo0tw2tw1tuc0T（a）（b） 输出信号uO的脉宽tW1、tW2、周期T的计算公式如下:tW10.7(R1R2)CtW20.7R2CTtW1tW20.7(R12R2)2.2.2用555定时器构成施
12、密特触发器：用555定时器构成的施密特触发器如图(a)所示。将2管脚和6管脚连在一起作为信号输入端即可。在输入端外接三角波ui,当ui上升到2VCC/3时,输出uO从高电平翻转为低电平；当ui下降到VCC/3时,输出uO从低电平翻转为高电平。施密特触发器将输入的三角波整形为矩形波输出。电路的工作波形如图(b)所示。回差电压电压uVCCVCCVCC如图所示：tuo0tui0（b）8 46 2 1 +VCCuiuo（a）555 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.92.2.3用555定时器构成单稳态触发器：用555定时器构成单稳态触发器电路如图(a)所示。R、C是定时元件。输入脉冲信号ui加于2管
13、脚。输入触发信号ui的有效电平是低电平,当ui处于高电平时,放电端D导通,uC和uO均为低电平,电路为稳态。当输入触发信号ui的下降沿到来时刻,2管脚电位瞬间低于VCC/3,使输出uO变为高电平,放电端D截止, 电源VCC通过电阻R向电容器C充电,使uC按指数规律上升,电路为暂稳态。当uC上升到2VCC/3时,使输出uO变为低电平,D端导通,电容器C经D端迅速放电,暂态结束,自动恢复到稳态,为下一个触发脉冲的到来作好准备。波形图如(b)所示。8 476 555 321 5R+VccucCuo0.01Fui（a）tui0tuc0tuo0tW（b）输出脉宽tW是暂稳态的持续时间为 tW1.1RC此
14、电路要求输入信号的负脉冲宽度一定要小于tW 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.102.3计数电路（74LS192）计数器是一个用以实现计数功能的时序逻辑部件，它不仅可以用来对脉冲进行计数，还常用做数字系统的定时、分频和执行数字运算以及其他特定的逻辑功能。2.3.1 24秒倒计时电路计数器的倒计时功能。用两片74LS192分别做个位（低位）和十位（高位）的倒计时计数器，由于本系统只需要从开始时的“24”倒计到“00”然后停止，所以可以直接运用十进制的74LS192进行减计数。因为预置的数不是“00”，所以我选用置数端LOAD来进行预置数。低位的借位输出信号用作高位的时钟脉冲。24秒倒计时电路如
15、图： 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.112.3.2 74LS19274LS192 为可预置的十进制同步加/减计数器（双时钟），其清除端是异步的。当清除端（MR）为高电平时，不管时钟端（CPD、CPU）状态如何，即可完成清除功能；预置是异步的，当置入控制端（PL）为低电平时，不管时钟CP的状态如何，输出端（Q0Q3）即可预置成与数据输入端（P0P3）相一致的状态；计数是同步的，靠CPD、CPU同时加在4个触发器上而实现。在CPD、CPU上升沿作用下Q0Q3 同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。当进行加计数或减计数时可分别利用CPD或CPU，此时另一个时钟应为高电平。 当计数上溢
16、出时，进位输出端（TCU）输出一个低电平脉冲，其宽度为CPU低电平部分的低电平脉冲；当计数下溢出时，错位输出端（TCD）输出一个低电平脉冲，其宽度为CPD低电平部分的低电平脉冲。 当把TCD和TCU分别连接后一级的CPD、CPU，即可进行级联74LS192 引脚图引出端符号 TCD 错位输出端（低电平有效）TCU 进位输出端（低电平有效） CPD 减计数时钟输入端（上升沿有效） CPU 加计数时钟输入端（上升沿有效） MR 异步清除端 P0P3 并行数据输入端 PL 异步并行置入控制端（低电平有效） Q0Q3 输出端 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.122.4控制电路（清零、置数、暂停、报
17、警）当计数器74LS192的清零端CLR=1有效时，即可实现对电路进行清零；而当清零端无效，置数端LOAD=0有效时，即可实现对电路的置数；通过接一与非门对555脉冲发生器输出端的脉冲信号进行控制，即可实现对整个电路进行暂停计时，为减小开关按键产生的机械抖动对计时电路的影响，应接一RS锁存器；当计时器74LS192的借位输出端有效时，即可实现报警。图2-4-1控制电路图 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.13从系统的设计要求可知 , 控制电路要完成以下三项功能：2.4.1设定置数、清零当电路接通电源时，在J1断开的情况下，“清零工作”开关执“工作”时系统正常运作，数码管的初始状态为显示24，
18、计数器开始进行递减计数；“清零工作”开关执“清零”时，计数器进行置数，完成复位功能。2.4.2设定启动、暂停当“暂停/连续”开关处于“暂停”位置时，控制电路控制计数器暂停计数，显示器上保持原来的数不变，“暂停/连续”开关处于“连续”位置时，计数器继续累计计数。2.4.3设定24s报警当J1闭合的情况下计数器递减计数到零 ( 即定时时间到 ) 时 , 控制电路应发出报警信号 ,即发光二极管LED发出光红电报警信号，使计数器保持零状态不变 , 同时报警电路工作。为了方便控制操作，灵活更改预置数范围，本设计使用了3个开关，其实际效用如下图所示。开关名称实际效用J1“开始与倒计时24s”开关J2“清零
19、工作”切换开关J3“暂停连续“切换开关图2-4-2 开关设置一览表3设计结果与分析总电路图如下： 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.14总电路图 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.154设计体会通过这一周天的课程设计，我受益匪浅，收获颇多。首先，通过这次课程设计使自己对课本上的知识可以应用于实际，使理论与实际相结合，加深自己对课本知识的更好理解，同时也锻炼了我个人的动手能力：能够充分利用图书馆去查阅资料，增加了许多课本以外的知识。更加了解了时序逻辑电路的设计步骤及方法。 对时序逻辑电路的触发方式的理解更加深刻即同步连接方式和异步连接方式的了解。把课本上的知识运用到实践当中去，增加了对74L
20、S47N，74LS192D,74LS00D和74LS10D的芯片引脚结构和功能的理解及运用，尤其是74LS192的清零端和进位端的功能的理解和运用，还有对555定时器引脚结构和功能的理解及运用。设计电路板的过程中，要考虑到整体的美观性，连接电路时对各线路的连接要细致，引脚要足够长，使其能够接触到计数器。验证电路板时，出现了很多问题，其主要问题为线的引脚与电路板下面的线没有接上而导致显示错误。经过我无数次的实验，反复的检验，在我的导师陈瑶老师细心的帮助下，我的这个设计终于变的完美无瑕。在这个过程中，充分锻炼了我的细心和耐性。使得我对于数电部分的学习有了充分的认识，并且我坚信这将是我学习数电的一个
21、小小的开始，本次课程设计定会为我考上研究生打下深厚的基础。5参考文献1阎石.数字电子技术 M.第五版.北京:高教出版社,2010年.2黄志伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程M. 北京:电子工业出版社,2008年. 3胡玉建.Protel 99SE 原理图与PCB及仿真M.北京:机械工业出版社,2010年. 4李景华.可编程逻辑器件及EDA技术M.沈阳：东北大学出版社,2009年.5陈晓文.电子线路课程设计M.北京:电子工业出版社,2008年. 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.16附录I：元器件清单元件名型号数量集成电路74LS192D2片74LS47N2片74LS00D1片74LS10D1
22、片74LS04D2片74LS08D1片NE5551片电阻10k3只47 k2只0.2k1只5 k1只电容10uF1只1nF1只发光二极管红色1只单位数码管共阳极七段LED显示器2只轻触开关普通3只 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.17附录II：Multisim10软件介绍Multisim 的前身为EWB（Electronics Workbench）软件。它以界面形象直观、操作方便、分析功能强大、易学易用等突出优点，早在20世纪90年代初就在我国得到迅速推广，并作为电子类专业课程教学和实验的一种辅助手段。21世纪初，EWB 5.0更新换代推出EWB 6.0，并更名为Multisim 2001
23、；2003年升级为Multisim 7.0；2005年发布Multisim 8.0时其功能已十分强大，能胜任电路分析、模拟电路、数字电路、高频电路、RF电路、电力电子及自动控制原理等个方面的虚拟仿真，并提供多达18种基本分析方法。Multisim10.0和Ultiboard10.0是美国国家仪器公司下属的 ElectroNIcs Workbench Group推出的交互式SPICE仿真和电路分析软件，专用于原理图捕获、交互式仿真、电路板设计和集成测试。通过将NI Multisim10.0 电路仿真软件和LabVIEW测试软件相集成，那些需要设计制作自定义印制电路板（PCB）的工程师能够非常方便
24、地比较仿真数据和真实数据，规避设计上的反复，减少原型错误并缩短产品上市时间。使用Multisim10.0可交互式地搭建电路原理图，并对电路行为进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样使用者无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，使用者可以完成从理论到原理图捕获与仿真，再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。打开Multisim10.0后，其基本见面如图3-1所示。Multisim10.0的基本见面主要包括菜单栏、标注工具栏、视图工具栏、主工具栏、仿真开关、元件工具栏、仪器工具栏、设计工具栏、电子工作区、电子表格视窗和状态栏等。下面对各部分加以介绍。 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.18状态栏标准工具栏元件工具栏菜单栏主工具栏仿真工具栏仿真开关电子表格视窗仪器工具栏电路工作区视图工具栏设计工具箱图3-1 Multisim10.0的基本界面 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.19 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.20 沈 阳 大 学