模电设计篮球计时器.docx
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模电设计篮球计时器
课程设计报告
(2009--2010年度第2学期)
名称:
数字电子技术课程设计
题目:
篮球竞赛30秒计时器
学号:
学生姓名:
成绩:
日期:
2010年5月22日
目录
一、电子技术课程设计的目的与要求…………………………3
二、课程设计名称及设计要求…………………………………3
三、系统框图及简要说明………………………………………4
四、方案选择与论证……………………………………………4
五、单元电路设计(原理、芯片、参数计算等)……………5
六、总体电路……………………………………………………8
七、实验过程……………………………………………………9
八、心得体会……………………………………………………9
附录I:
总原理图………………………………………………10
附录II:
multisim仿真图……………………………………11
附录III:
元器件清单…………………………………………12
附录IV:
参考文献……………………………………………12
一、电子技术课程设计的目的与要求:
电子技术课程设计作为电子技术课程的重要组成部分,目的是使学生进一步理解课程内容,基本掌握电子电路系统设计和调试的方法,增加集成电路应用知识,培养学生实际动手能力以及分析、解决问题的能力。
按照本学科教学培养计划要求,在学完专业基础课数字电子技术和模拟电子技术课程后,分别进行相应的课程设计,其目的是使学生更好地巩固和加深对基础知识的理解,学会设计中小型电子电路系统的方法,独立完成调试过程,增强学生理论联系实际的能力,提高学生电路分析和设计能力。
通过实践教学引导学生在理论指导下有所创新,为专业课的学习和日后工程实践奠定基础。
1.教学基本要求
要求学生独立查阅有关资料,完成选题设计,掌握数字或模拟电子系统设计方法;完成系统的组装配及调试工作;在课程设计中要注重培养工程质量意识,并写出课程设计报告。
2.能力培养要求
(1)通过查阅手册和有关文献资料培养学生独立分析和解决实际问题的能力。
(2)通过实际电路方案的分析比较、设计计算、元件选取、安装调试等环节,掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法。
(3)掌握常用仪器设备的使用方法,学会简单的实验调试,提高动手能力。
(4)综合应用课程中学到的理论知识去独立完成一个设计任务。
(5)培养严肃认真的工作作风和严谨的科学态度。
二、课程设计名称及设计要求:
设计题目:
篮球竞赛30秒计时器
设计要求:
(1)30秒计时器具有显示30秒的计时功能。
(2)系统设置两个外部操作按钮,一个按钮控制计时器的复位、启动;一个按钮控制计时器的暂停、连续计数的功能。
(3)计时器为30秒递减计时,其计时间隔为1秒。
(4)当计时器递减计时到零时,数码显示管不能灭灯,应发出光电报警信号。
三、系统框图及简要说明:
30秒计时器系统设计框图
30秒计时器系统设计它包括译码显示电路、计数器、脉冲发生器、控制电路、报警电路五个模块组成。
译码显示电路由74LS48和共阴极七段LED显示器组成。
计数器完成30秒计时功能。
脉冲发生器产生的信号是电路的时钟脉冲和定时标准,故采用555集成电路。
控制电路完成计数器的复位、启动、暂停、连续计数以及译码显示电路的显示、灭灯、定时时间到报警等功能。
报警电路可用发光二极管显示。
四、方案选择与论证:
根据实验的四个要求可以设计出相应的方案来。
首先需要设计一个30秒的计时器,则想到用两个74LS190来实现,74LS190是BCD码同步加减计数器,可完成30秒的计时。
其次控制电路需要完成三项功能
1)闭合“启动”开关,控制电路不给时钟信号,计数器完成置数的功能,显示器显示30,断开“启动”开关,控制电路给时钟信号,计数器开始进行递减计数;
2)当“暂停/连续计数”开关处于“暂停”,计数器暂停计数,显示器保持不变,当开关处于“连续计数”时,计数器继续计数;
3)当计数器递减数到零时,控制电路应发出报警信号,计数器保持零的状态不变,同时报警器工作;
此时需要构造门电路实现开关的作用,复位、启动功能可以使用或门实现,使其输出接到两个74LS190的CTEN端(保持端),并且将或门的一个输入端接在报警器的一端控制报警信号的出现。
另一个暂停、连续计数的功能可以使用非门实现,使其输出接到两个74LS190的LOAD端(置数端且LD为0时预置数;LD为1时计数器开始倒计时)。
其中由于按钮不能记录被使用的状态,故需要使用JK触发器(74LS73)记录它的使用状态。
再者要求计时器为30秒递减计时,其计时间隔为1秒。
则需要由555定时器构成的多谐振荡器完成,它可以给计数器74LS191提供一个时序脉冲信号,使其进行减计数。
由555工作特性和其输出周期计算公式可知,其产生的脉冲周期为:
T=0.7(R1+2R2)C
要想获得频率为1Hz的信号。
若T=1,通过计算可知了R1取48k欧姆,R2取48k欧姆,电容取C为10nF、C1为100nF。
最后一个要求是当计数器递减计数到零(即定时时间到)时,控制电路发出报警信号,使计数器保持零状态不变,同时报警电路工作。
此时可以使用与门来实现,将与门的两个输入分别接到两个74LS190的进位/借位输出端(CO/BO),当
计数器递减计数到零时,两个进位/借位输出端(CO/BO)都为1,此时就会有报警信号。
结果通过用multisim仿真以及多次尝试达到了实验要求。
五、单元电路设计(原理、芯片、参数计算等)
1.译码显示电路
译码显示电路
LED数码管
一个LED数码管可用来显示一位0~9十进制数和一个小数点。
每个发光二极管的点亮电流在5~10mA。
LED数码管要显示BCD码所表示的十进制数字就需要有一个专门的译码器,该译码器不但要有译码功能,还要有相当的驱动能力。
74LS48的引脚排列
74LS48译码器的功能是对指定的代码进行“翻译”,使之变成相应的状态,使输入通道中相应的一路有信号输出。
此模块主要是由74LS48译码器和共阴极七段LED显示器组成,通过计数器加到译码器,从而实现共阴极七段LED显示器从30递减到零的计数显示功能。
74LS48是七段显示译码器
a)A0、A1、A2、A3是BCD码的输入端;
b)Y0、Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7是输出端;
c)试灯输入端
:
低电平有效。
当
=0时,数码管的七段应全亮,与输入的译码信号无关。
本输入端用于测试数码管的好坏;
d)动态灭零输入端
:
低电平有效。
当
=1、
=0、且译码输入为0时,该位输出不显示,即0字被熄灭;当译码输入不全为0时,该位正常显示。
本输入端用于消隐无效的0。
如数据0034.50可显示为34.5;
e)灭灯输入/动态灭零输出端
:
这是一个特殊的端钮,有时用作输入,有时用作输出。
当
作为输入使用,且
=0时,数码管七段全灭,与译码输入无关。
当RBOBI/作为输出使用时,受控于
和
:
当
=1且
=0时,
=0;其它情况下
=1。
本端钮主要用于显示多位数字时,多个译码器之间的连接。
2.74LS190(可预置同步可逆BCD计数器)
74LS190管脚图
74LS190是BCD同步加/减计数器,并行输出。
计数时,时钟CP的上升沿有效。
CP端、加/减端(
)和置数端(
)都先经过缓冲,从而降低了这些输入端对驱动信号的要求。
附表列出了74LS190的主要功能,下面作简要说明。
1)预置数:
当置数端(
)为低电平时,数据输入端信号A、B、C、D将对内部触发器直接置位或复位,结果使QA=A、QB=B、QC=C、QD=D,而与其他控制端的电平无关。
2)计数:
在允许端
为低电平,置数端无效(
=1)的条件下,若加/减输入端
为低电平,则可进行加计数,反之可进行减计数。
3)禁止计数:
当允许端
为高电平时,计数被禁止。
值得注意的是,允许端的电平应在CP为高电平时发生变化。
4)级联:
当计数器溢出时,进位/借位输出端(CO/BO)产生一个宽度为一个CP周期的正脉冲,串行时钟端(QCR)也形成一个宽度等于时钟低电平部分的负脉冲,上述正脉冲或负脉冲的后沿比产生溢出的时钟脉冲上升沿稍微滞后,它们可作为级联信号来用。
例如,把两级74LS190连接为同步计数器,只要将低位计数器的QCR端连至高位计数器的允许端
。
而要把两级计数器连接为异步计数器,则低位计数器的QCR端应和高位计数器的CP端相连.CO/BO端可用来完成高速计数的先行进位。
3.555
555定时器是一个模拟与数字混合集成电路,可以将输入的模拟信号变化为一定的数字信号输出
555时钟发生器
555定时器应用为多谐振荡电路时,当电源接通Vcc通过电阻R1.R2向电容C充电,其上电压按指数规律上升,当u上升至2/3Vcc,会使比较器C1输出翻转,输出电压为零,同时放电管T导通,电容C通过R2放电;当电容电压下降到1/3Vcc,比较器C2工作输出电压变为高电平,C放电终止,Vcc通过R1。
R2又开始充电;周而复始,形成振荡。
则其振荡周期与充放电时间有关,也就是与外接元件有关,不受电源电压变化影响。
多谐振荡器输出波形的振荡周期可用过渡过程公式计算:
tw1:
uC(0)=VCC/3V、uC(∞)=VCC、t1=(Ra+Rb)C、当t=tw1时,uC(tw1)=2VCC/3代入三要素方程。
于是可解出tw1=0.7(Ra+Rb)Ctw2:
uC(0)=2VCC/3V、uC(∞)=0V、t1=RBC、当t=tw2时,uC(tw2)=VCC/3代入公式。
于是可解出tw2=0.7RbC振荡周期T=tw1+tw2=0.7(Ra+2Rb)C=1(s)
555定时器构成的多谐振荡器完成,它可以给计数器74LS191提供一个时序脉冲信号,使其进行减计数。
由555工作特性和其输出周期计算公式可知,其产生的脉冲周期为:
T=0.7(R1+2R2)C
要想获得频率为1Hz的信号。
若T=1,通过计算可知了R1取48k欧姆,R2取48k欧姆,电容取C为10nF、C1为100nF。
4.74LS73(JK触发器)
74LS73管脚图
74LS73是下降沿触发双JK触发器,具有置0、置1、保持、翻转功能,带异步复位功能。
J、K—触发信号输入端,Q1、Q2—两个互补的输出端,C、P—时钟输入端,C、R—直接置0端,低电平有效。
六、总体电路
七、实验过程
1.根据实验给出的要求设计方案,通过查阅书籍以及相关的资料,用multisim进行仿真,通过仿真实现实验要求实现的功能;
2.领取相关的实验器件、导线、工具以及面包板;
3.根据仿真电路在面包板上固定导线和实验器件;
4.检查电路,并发现改正错误;
5.加电源验证结果的正确性,并改进和发现错误;
6.验证实验结果的正确后,找老师检查。
硬件电路安装、调试需注意:
1.对各芯片组成逻辑功能测试,验证其功能状态,
2.当检测出问题后分析出原因,是元器件本身原因还是接线错误,更换元件或重新正确接线,保证电路的正确运行。
3.检测正确把各个模块整体连接,联调校正,检测电路是否能满足系统的设计要求。
4.经检测校正各个模块正确实现其功能,整体电路满足系统的设计要求
我在实验的过程中检验到了7404非门是坏的,因为在电路连接正确的情况下,不能满足要求当计数器递减数到零时,控制电路应发出报警信号,计数器保持零的状态不变,同时报警器工作,而我看到的报警器一直是亮着的,故验证它是坏的。
不过最好的方法应该是在领取芯片的时候就检查它的好坏,这个是我实验结果出来晚的一个客观的理由。
后来出现了无法调试的状态,计数不正常,从30记到29后就直接从19记到10,通过老师的帮助,发现是由于74LS48与74LS190连接的一根导线接触不良导致此现象,除此之外,在操作开关实现结果的时候,按钮的固定不是很牢固,导致结果不易看出来,在调试改正后完成了实验的要求。
八、心得体会
本次实验的关键就是能够设计出方案,选出器材,安装和调试好电路,本次设计主要通过模块化思想,逐步实现设计所需达到的功能要求:
时钟模块为减计数提供一个频率为1Hz的脉冲信号,从而实现计数器计数间隔为1秒钟;
计数、译码显示模块主要是为了达到能显示减计数功能;
报警模块是为了实现当减计数到零时发出光电报警信号;
控制模块主要是为了实现计时器的启动、复位和暂停/连续功能,其中在复位时,由外控制开关控制译码器消隐端,从而可以实现显示译码器灭灯;通过暂停/连续开关从而实现断点计时功能。
完成了这些即达到实验的目的要求。
通过本次实验,我们将课本理论知识与实际应用联系起来,首先分析研究此次电路设计任务和要求,然后按照分析的结果进行实际连接操作,检测和校正,最后完善电路。
我在实验过程中遇到一些不解问题,都和同学认真分析讨论,然后对讨论出的结果进行实际检测校正,对一些疑难问题也向老师询问请教,和老师一起探讨解决。
通过此次电路设计,我们加深了对模电知识的认识理解,对电路设计方法和实际电路连接也有了一定的初步认识。
本次实验主要锻炼了我们的操作能力和分析调试的能力,通过本次实验我了解到自己调试的这个环节比较薄弱,需要在今后的实验过程中慢慢的加强。
单单是理解了书本上的知识不够的,只有实践才能验证它的正确性。
附录I:
总原理图
附录II:
multisim仿真图
附录III:
元器件清单
2输入端四与非门74LS001个
六反相器74LS041个
2输入端四或非门74LS02 1个
BCD同步加/减计数器74LS1902个
七段译码器74LS2482个
555定时器ne5551个
共阴数码管2个
发光二极管1个
电阻48K欧姆2个
电容100nf和10nf各1个
JK触发器74LS731个
附录IV:
参考文献
[1]数字电子技术基础(第五版)
[2]《电子技术》课程设计实验指导书
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- 关 键 词:
- 设计 篮球 计时器