数显声响式定时器.docx
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数显声响式定时器.docx
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数显声响式定时器
任务书
数显、声响式定时器
一、任务和要求:
设计并制作一个数显、声响式定时器,要求如下:
1、用压控陶瓷蜂鸣器作为电声元件,电路具有15秒定时功能;
2、用一只数码管及一个发光二极管表示时间计时,格式如下:
初始时LED及数码管均不亮,按开始键后数码管显示5同时二极管亮。
然后开始倒计时计数;
3、具有最后3秒报时功能。
要求响半秒、停半秒共三下;
4、电路应具有开机复位或手动复位功能;
5、自制1秒信号源及制作本电路所用直流稳压电源,用AC220V供电。
二、提示和参考文献:
《数字电子技术实验任务书》实验四
《数字电子技术实验任务书》实验六
直流电源见参考资料P23
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。
一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1Hz,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和显示数码管的复位;由与非门使其停止计数。
图1.1整体电路构思图
方案二
如图1.2所示,由555定时器发出10Hz,占空比为0.5的矩形脉冲通过十分频为1Hz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和显示数码管的复位;由与非门使其停止计数。
图1.2整体电路构思图
对比选择
从准确角度来说方案二要优于方案一,因为方案二时钟信号经过十分频,误差更小、占空比更准确,但单就任务书而言,方案一就足够了,并且方案一所使用的芯片少,简单、实用,因此我们选择方案一。
1.2整体设计思路
总体思路:
我们选用的器材有1个74LS192,它是加、减十进制计数器,选用了555多谐振荡器,它能产生一个1HZ、占空比为1/2的方波信号来作为秒脉冲,作为它的cp脉冲,555多谐振荡器的功能就是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。
因为每个芯片需要一个5V的直流电源来驱动,故我们选择一个9V的变压器、一个整流桥、一个三端稳压器LM7805与四个电容来设计一个电源。
然后还需要1个74LS48译码器、1个七段显示数码管与1个发光二极管来对计数器所记得数据进行翻译和显示。
当定时显示进行到03,02,01这三个数字时应报警,以蜂鸣器响声来表示;这个功能可以用一个四输入与门来实现,四输入与门的四个输入分别为控制灯灭的输出端,多谐振荡器的输出端,高两位经过或非输出端与低两位经过或门输出端接到四输入与门。
然后四输入与门的后面接蜂鸣器就可以完成报警功能。
用JK触发器来控制系统还的开机复位和手动复位。
用一个与非门来构成电路的停止部分。
在器件的选择方面,由于实验室芯片有限,所以没有用共阳的数码管和译码器,没有用4输入与门来筛选最后三秒的信号,而改用三个与门来做此工作。
整个电路由电源,信号源,倒计时与显示部分,复位电路,最后三秒声响部分以及停止电路部分构成。
每个部分都是电路的重要组成部分,缺少一项就不能完成设计要求。
总体来看,整个实验所需的元器件都是通过不断的查阅资料以及反复筛选得出的,能最大限度的利用芯片,做到不乱用,不错用。
在整个设计中,最难的部分要属电路的信号源部分,因为要调节信号源的频率和占空比要反复调节电阻,已得到最后所需的信号,电路的复位部分也有一定难度,但在大家的努力下,所有的问题都得到了解决。
1.3整体电路
图1.3整体电路图
二单元电路分析和总电路设计
2.1电源设计
降压电路:
直流电源的输入为220V的电网电压,一般情况下,所需直流电压的数值和有效值相差较大,因而需要电源变压器进行降压,在对交流电压进行处理降压电路采用变压器直接变压,输出9交流电。
整流电路:
采用了桥式整流,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。
滤波电路:
电容滤波电路时最常见也是最简单的滤波电路,在整流滤波电路的输出端(即负载电阻两端),并联四个电容即得到电容滤波电路。
稳压电路:
我们采用了集成7805稳压器型稳压电路进行稳压,为后面的一切电路提供了稳定的电压。
所以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U0。
电源电路图如下
图2.1电源电路图
2.2信号源
利用555集成定时器,构成多谐振荡器用来产生1HZ、占空比为1/2的cp信号。
(1)555定时器的引脚排列:
图2.2555定时器的引脚排列图
其中1脚(GND)为接地端,2脚(TR)时低电平触发端(<1/3),3脚(Vo)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0.01ημF电容倒地。
6脚(TH)为高电平触发端(>2/3Vcc),也称阀值端。
7端(D)为放电端,8脚(Vcc=5V~18V)电源端。
(2)555定时器的几种功能:
多谐振荡器是一种自激振荡器,接通电源后不需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状态,输出端Vo=0。
b.当RD=1,高电平触发端TH>2/3Vcc,低触发端TR>1/3Vcc时,D放电管导通,输出端Vo=0。
c.当RD=1,低触发端TR<1/3Vcc,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
表2.1555定时器控制功能表
输入
输出
TH
VO
Dis
×
<
VCC
<
VCC
>
VCC
×
<
VCC
>
VCC
×
L
H
H
H
L
H
不变
L
导通
截止
不变
导通
(4)信号源原理图
图2.3信号源原理图
实验参数:
R1=68KΩ,R2=68KΩ,C1=10μF,C2=0.01uF,Vcc=5V。
我们用555定时器构成多谐振荡器,原理很简单,只要将施密特触发器的反相输出端经RC积分电路接回输入端即可.当接通电源以后,因为电容上的初始电压为0,所以输出为高电平,并开始经电阻R1向电容C充电,当充到输入电压为Vi=Vt+时,输出电压跳变为低电平,电容C又经过电阻R2开始放电.当放至Vi=Vt-时,输出电位又跳变为高电平,电容C重新开始充电,如此周而复始,电路便不停的振荡.由Vc的波形求得电容C的充电时间T1和放电时间T2各为
T1=(R1+R2)CLn【(Vcc-VT-)/(Vcc-VT+)】=(R1+R2)CLn2
T2=R2CLn【(0-VT+)/(0-VT-)】=R2CLn2
故电路的振荡周期为T=T1+T2=(R1+2R2)CLn2
振荡频率为f=1/T=1/【(R1+2R2)CLn2】
通过改变R和C的参数即可改变振荡频率。
输出脉冲的占空比为q=T1/T=(R1+R2)/(R1+2R2).为了得到占空比为50%的脉冲,可采用占空比可调的可调电路。
电容的充电电流和放电电流流经不同的路径,充电电流只经过R1,放电电流只经过R2,因此电容充电时间变为T1=R1CLn2而放电时间变为T2=R2CLn2,故输出脉冲占空比为q=R1/(R1+R2)取R1=R2则可得到占空比
为50%的信号源。
经以上分析及计算R1=68K=R2,C=10μF。
2.3.倒计时与显示部分:
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时发光二极管亮,9到0时发光二极管灭。
电路显示部分主要为译码器和数码管。
译码器选用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,显示器有两种:
共阳极或共阴极显示器。
7448A译码器对应的显示器是共阴显示器(译码输出为“1”时,字段点亮,输出为“0”时字段熄灭)。
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。
74LS48管脚图:
图2.474LS48管脚图
LED数码管管脚图:
图2.5LED数码管管脚图
其中,四个输入端A、B、C、D分别接8421码的响应输入端(D为最高位);七个输出端a~g接共阴七段显示器的对应端以驱动对应端亮;LT`、RBT`、BI`/RBO`是三个附加控制端。
当附加控制端LT`、RBT`、BI`均为1时,电路实现正常译码,译码输出为高电平的字锻亮。
74LS48电路结构决定,只有当ABCD为0,且RBI=0时,RBO`才会给出低电平。
显示器采用七段发光二极管显示器,它可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,显示器所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器,如果显示器所显示的数字暗淡,可加一级缓冲器.为了能正常工作,在74LS48A与数码管之间应串联350Ω左右电阻。
倒计时与显示部分电路图如下:
图2.6倒计时与显示部分电路图
2.4.复位电路
选择带置数清零端的JK触发器进行复位,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C1充电完成之后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,当前状态反转一次,使可以达到复位/计时效果。
复位电路部分图如下:
图2.7复位电路部分图
2.5.报警电路与最后三秒声响部分
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。
用或门、非门电路选出最后三秒信号,再与上占空比为1/2的时钟信号,还有JK触发器的Q非输出端,将它们一起接入与门,最终可以实现最后三秒响半秒、停半秒的报时功能。
报警电路与最后三秒声响部分电路图如下:
图2.8报警电路与最后三秒声响部分电路图
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,即当与非门输出端为低电平,从而使74LS192的时钟信号停止,所以计数停止。
停止电路部分电路图如下:
图2.9停止电路部分电路图
2.7总体电路
图2.10总体电路图
三试验装调
3.1步骤及方法
3.1.1仿真调试
根据任务书要求画出总体电路图,然后利用proteus软件进行仿真调试。
在仿真的过程中将总体电路分为多部分进行仿真。
在每个部分都能正常工作的情况下进行总体电路的仿真。
3.1.2装调步骤
根据总体电路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。
3.2.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:
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。
故障三:
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。
故障四:
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。
故障五:
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7448的BI/RBO管脚。
故障六:
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。
故障七:
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。
故障八:
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。
故障九:
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。
四附录
4.1集成芯片管脚图
74LS02(四输入或非门)CB555多谐振荡器
74LS190计数器
74LS112JK触发器74LS20(四输入二与非门)
74LS00(二输入四与非门)74LS04(反相器)
4.2元器件清单
名称
规格
数量
电容
4.7uF1000uF2.2uF100uF10uF10nF1uF
7
电阻
68K68K1k1k
4
电位器
10K
1
二极管
2
555振荡器
1
7805
1
74ls192
1
或非门
74LS02
1
非门
74LS04
1
与门
74LS08
2
译码器
7448
1
蜂鸣器
1
Led发光二极管
1
7段数码显示管
共阴
1
变压器
1
整流桥
1
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