最新二十四进制计数器设计.docx

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最新二十四进制计数器设计

二十四进制计数器设计

二十四进制计数器设计

摘要：

24进制数字钟是一种用数字电路技术实现时计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性。

此次设计与制作24进制电子数字钟时计数、译码、显示电路需要了解组合逻辑电路和时序逻辑电路；了解集成电路的引脚安排；了解各种时计数、译码芯片的逻辑功能及使用方法；了解数字钟的原理。

本次设计是基于24进制电子数字钟的原理，实现具有24进制清零功能的电子钟，它主要由脉冲、二-五-十进制加法器74LS90、译码器74LS48、共阴极LED数码管等四个模块构成。

脉冲利用555设计一个多谐振荡器。

各功能模块multisim软件中描述出，然后将其打包成可调用的元件，再利用原理图输入法将各模块按功能连接起来就得到顶层文件的原理图。

这时，再进行时序仿真、引脚锁定和嵌入逻辑分析仪之后，就编译下载至硬件中，选择正确的模式和各种设置后即可实现这次设计所要求的功能。

关键词：

加法器;译码器;显示数码管

1.设计任务

1.1设计目的

1.了解计数器的组成及工作原理。

2.进一步掌握计数器的设计方法和计数器相互级联的方法。

3.进一步掌握各芯片的逻辑功能及使用方法。

4.进一步掌握数字系统的制作和布线方法。

5.熟悉集成电路的引脚安排。

1.2设计指标

1.以24为一个周期，且具有自动清零功能。

2.能显示当前计数状态。

1.3设计要求

1. 画出总体设计框图，以说明计数器由哪些相对独立的功能模块组成，标出各个模块之间互相联系，时钟信号传输路径、方向。

并以文字对原理作辅助说明。

2. 设计各个功能模块的电路图，加上原理说明。

3. 选择合适的元器件，利用multisim仿真软件验证、调试各个功能模块的电路，在接线验证时设计、选择合适的输入信号和输出方式，在确定电路充分正确性同时，输入信号和输出方式要便于电路的测试和故障排除。

4. 在验证各个功能模块基础上，对整个电路的元器件和布线进行合理布局。

5.在电路板上腐蚀，钻孔，插元器件，焊接再就对整个计数器电路进行调试。

2.设计思路与总体框图

计数器由计数器、译码器、显示器三部分电路组成，再由555定时器组成的多谐振荡器来产生方波，充当计数脉冲来作为计数器的时钟信号，计数结果通过译码器显示。

图2-1所示为计数器的一般结构框图。

▲图2-1计数器结构框图

3.系统硬件电路的设计

3.1555多谐荡电路　　

555多谐器：

利用深度正反馈，通过阻容耦合使两个电子器件交替导通与截止，从而自激产生方波输出的。

常用作方波发生器。

多谐振荡器是一种能产生矩形波的自激振荡器，也称矩形波发生器。

“多谐”指矩形波中除了基波成分外，还含有丰富的高次谐波成分。

多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态。

在工作时，电路的状态在这两个暂稳态之间自动地交替变换，由此产生矩形波脉冲信号，常用作脉冲信号源及时序电路中的时钟信号。

555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。

一般用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。

555定时器的电源电压范围宽，可在4.5V~16V工作，7555可在3~18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。

555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。

它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。

555引脚图如下图3-1所示。

▲图3-1555引脚图

555的内部结构可等效成23个晶体三极管.17个电阻.两个二极管.组成了比较器.RS触发器.等多组单元电路.特别是由三只精度较高5k电阻构成了一个电阻分压器.为上、下比较器提供基准电压.所以称之为555.

555多谐振荡电路由NE555P芯片、电阻和电容组成。

由NE555P的3脚输出方波。

如图3-2所示。

▲图2555多谐振荡电路

3.2计数器电路　　

集成计数芯片一般都设置有清零输入端和置数输入端，而且无论是清零还是置数都有同步和异步之分。

有的集成计数器采用同步方式，即当CP触发沿到来时才能完成清零或置数任务；有的集成计数器则采用异步方式，即通过触发器的异步输入端来直接实现清零或置数，与CP信号无关。

本设计采用异步清零。

由2片74LS90是异步二—五—十进制加法计数器（它既可以作二进制加法计数器，又可以作五进制和十进制加法计数器）、一片与门74LS08和相应的电阻。

由外加送来的计数脉冲（由555电路产生）送入两个计数器的CLK端，电路在计数脉冲的作用下按二进制自然序依次递增1，当个位计数到9时，输出进位信号给十位充当使能信号进位。

当计数到24，这显示器个位输出0010（也就是4），显示器十位输出0010也就是2），显示器十位计数器只有QC端有输出，显示器个位计数器只有QB端有输出，将个位的QC、十位的QB端接一个二输入与门，与门输出一路送入十位计数器的清零端，一路送入个位计数器的清零端，将整个电路清零，完成周期为24的计数。

3.3译码和显示电路　　

由2个74LS48和2个数码管组成驱动电路将计数器输出的8421BCD码转换为数码管需要的逻辑状态，并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。

数码管通常有发光二极管（LED）数码管和液晶（LCD）数码管，本设计提供的为LED数码管。

4.系统设计仿真

4.1各功能元件的选用与分析

设计原理图中各功能元件的引脚图或逻辑功能图的分析如下所示：

一．74LS48译码器

七段显示译码器的主要功能是把8421B码译成对应于数码管的7个字段信号，驱动数码管，显示出相应的十进制数码。

D,C,B,A是8421BCD码的4位输人信号，a,b,c,d,e,f,g是七段译码输出信号，LT，RBI，BI为控制端。

灯测试输人端LT：

当LT=0，BI＝1时，无论A3~A0为何种状态，a,b,c,d,e,f,g的状态均为0，数码管七段全亮，显示“8”字形，用以检查七段显示器各字段是否能正常工作。

灭零输入端RBI：

当RBI＝0时，且LT＝1，BI＝0时，若D～A的状态均为0，则所有光段均灭，在数字显示中用以熄灭不必要的0。

例如，显示0021，21前面的两个0是多余的，可以通过在对应位加灭零信号（RBI＝0）的方法去掉多余的零。

74LS48引脚图如下图4-1所示。

74LS48和半导体数码管的连接图如图4-2所示。

图4-174ls48引脚

▲图4-274ls48和半导体数码管的连接图

二.74LS08芯片

74LS08是常用的TTL2输入端四与门。

▲图4-374LS08引脚图

三.计数及译码显示

二—五—十进制加法计数器74LS90构成电子秒表的计数单元，如表1中单元Ⅳ所示。

其中计数器①接成五进制形式，对频率为50HZ的时钟脉冲进行五分频，在输出端QD取得周期为0.1S的矩形脉冲，作为计数器②的时钟输入。

计数器②及计数器③接成8421码十进制形式，其输出端与实验装置上译码显示单元的相应输入端连接，可显示0.1～0.9秒；1～9.9秒计时。

注：

集成异步计数器74LS90

74LS90是异步二—五—十进制加法计数器，它既可以作二进制加法计数器，又可以作五进制和十进制加法计数器。

图4-4为74LS90引脚排列，图4-5为功能表。

通过不同的连接方式，74LS90可以实现四种不同的逻辑功能；而且还可借助R0

（1）、R0

（2）对计数器清零，借助S9

（1）、S9

（2）将计数器置9。

其具体功能详述如下：

（1）计数脉冲从CP1输入，QA作为输出端，为二进制计数器。

（2）计数脉冲从CP2输入，QDQCQB作为输出端，为异步五进制加法计数器。

（3）若将CP2和QA相连，计数脉冲由CP1输入，QD、QC、QB、QA作为输出端，

则构成异步8421码十进制加法计数器。

（4）若将CP1与QD相连，计数脉冲由CP2输入，QA、QD、QC、QB作为输出端，

则构成异步5421码十进制加法计数器。

（5）清零、置9功能。

异步清零

当R0

（1）、R0

（2）均为“1”；S9

（1）、S9

（2）中有“0”时，实现异步清零功能，即QDQCQBQA＝0000。

置9功能

当S9

（1）、S9

（2）均为“1”；R0

（1）、R0

（2）中有“0”时，实现置9功能，即QDQCQBQA＝1001。

表1：

输入

输出

功能

清0

置9

时钟

QDQCQBQA

R0

（1）、R0

（2）

S9

（1）、S9

（2）

CP1CP2

1

1

0

×

×

0

××

0

0

0

0

清0

0

×

×

0

1

1

××

1

0

0

1

置9

0×

×0

0×

×0

↓1

QA输出

二进制计数

1↓

QDQCQB输出

五进制计数

↓QA

QDQCQBQA输出8421BCD码

十进制计数

QD↓

QAQDQCQB输出5421BCD码

十进制计数

11

不变

保持

▲图4-474LS90引脚图

▲图4-574LS90功能表

四.共阴极七段数码管显示器

显示器件的种类很多,在数字电路中最常见的显示器是半导体显示器（又称为发光二极管显示器,LED）和液晶显示器（LCD）,本设计采用7段LED数码显示器.7段LED数码显示器俗称数码管,其工作原理是将要显示的十进制数码分成7段,每段为一个发光二极管,利用不同发光段组合来显示不同的数字.LED的死区电压较高，工作电压大约1.5~3V，驱动电流为几十毫安。

74LS48译码驱动器输出是高电平有效，所以，配接的数码管必须采用共阴极接法。

下图是共阴极式与共阳极式LED数码管的接线图（图4-6），使用时，公共阴极接地，7个阳极a到g由相应的BCD七段译码器来驱动。

▲4-6半导体数码管共阴极接法和共阳极接法

五.电阻

电阻的英文名称为resistance，通常缩写为R，它是导体的一种基本性质，与导体的尺寸、材料、温度有关。

欧姆定律指出电压、电流和电阻三者之间的关系为I=U/R，亦即R=U/I。

电阻的基本单位是欧姆，用希腊字母“Ω”来表示。

通常“电阻”有两重含义，一种是物理学上的“电阻”这个物理量，另一个指的是电阻这种电子元件。

电阻元件的电阻值大小一般与，，长度，还有横截面积有关，衡量电阻受温度影响大小的物理量是温度系数，其定义为温度每升高1℃时电阻值发生变化的百分数。

电阻的主要物理特征是变为热能，也可说它是一个耗能元件，电流经过它就产生。

电阻在电路中通常起分压、分流的作用。

对信号来说，交流与直流信号都可以通过电阻。

计算公式：

串联：

R=R1+R2+．．．+Rn

并联：

1/R=1/R1+1/R2+．．．+1/Rn两个电阻并联式也可表示为R=R1·R2/（R1+R2）

定义式：

R=U/I

决定式：

R=ρL/S（ρ表示电阻的，是由其本身性质决定，L表示电阻的长度，S表示电阻的横截面积）

单位表示

导体的电阻通常用字母R表示，电阻的单位是欧姆（ohm），简称欧，符号是Ω（希腊字母，读作Omega），1Ω=1V/A。

比较大的单位有千欧（kΩ）、兆欧（MΩ）（兆=百万，即100万）。

KΩ（千欧），MΩ（兆欧），他们的换算关系是：

两个电阻并联式也可表示为1TΩ=1000GΩ；1GΩ=1000MΩ；1MΩ=1000KΩ；1KΩ=1000Ω（也就是一千进率）

基本分类

按阻值特性分为：

固定电阻、可调电阻、特种电阻（敏感电阻）.

不能调节的，称之为定值电阻或固定电阻，而可以调节的，称之为可调电阻。

常见的可调电阻是,例如音量调节的装置是个圆形的滑动变阻器，主要应用于电压分配的，称之为。

按制造材料分为:

、金属膜电阻、线绕电阻，无感电阻，薄膜电阻等。

控制电阻大小的因素

电阻元件的电阻值大小一般与温度有关，还与导体长度、横截面积、材料有关。

衡量电阻受温度影响大小的物理量是温度系数，其定义为温度每升高1℃时电阻值发生变化的百分数。

多数（金属）的电阻随温度的升高而升高，一些半导体却相反。

如：

玻璃，碳在温度一定的情况下，有公式R=ρl/s其中的ρ就是，l为材料的长度，单位为m，s为面积，单位为平方米。

可以看出，材料的电阻大小正比于材料的长度，而反比于其面积。

色环电阻第一环的确定

1．四环电阻

因表示误差的色环只有金色或银色，色环中的金色或银色环一定是第四环。

2．五环电阻：

此为精密电阻。

（1）从阻值范围判断：

因为一般电阻范围是0-10M，如果读出的阻值超过这个范围，可能是第一环选错了。

（2）从误差环的颜色判断：

表示误差的色环颜色有银、金、紫、蓝、绿、红、棕。

如里靠近电阻器端头的色环不是误差颜色，则可确定为第一环。

识别色环电阻的阻值

电子产品广泛采用色环电阻，其优点是在装配、调试和修理过程中，不用拨动元件，即可在任意角度看清色环，读出阻值，使用方便。

一个电阻色环由4部分组成（不包括精密电阻）。

四个色环的其中第一、二环分别代表阻值的前两位数；第三环代表10的幂；第四环代表误差。

下面介绍掌握此方法的几个要点：

（1）熟记第一、二环每种颜色所代表的数。

可这样记忆：

棕=1，红=2，橙=3，黄=4，绿=5，蓝=6，紫=7，灰=8，白=9，黑=0。

彩虹的颜色分布：

红橙黄绿蓝靛紫，去掉靛，后面添上灰白黑，前面加上棕，对应数字1开始。

从数量级来看，在体上可把它们划分为三个大的等级，即：

金、黑、棕色是欧姆级的；红是千欧级，橙、黄色是十千欧级的；绿是兆欧级、蓝色则是十兆欧级的。

这样划分一下也好记忆。

所以要先看第三环颜色（倒数第2个颜色），才能准确。

第四环颜色所代表的误差：

金色为5%；银色为10%；无色为20%。

举例说明：

例1：

四个色环颜色为：

黄橙红金

读法：

前三颜色对应的数字为432，金为5%，所以阻值为43X10*2=4300=4.3KΩ，误差为5%。

选用常识

电阻器的阻值和误差

阻值选用：

原则是所用电阻器的标称阻值与所需电阻器阻值差值越小越好。

误差选用：

时间常数RC电路所需电阻器的误差尽量小。

一般可选5%以内。

对退耦电路，反馈电路滤波电路负载电路对误差要求不太高.可选10%-20%的电阻器。

注意电阻器的极限参数

额定电压：

当实际电压超过额定电压时，即便满足功率要求，电阻器也会被击穿损坏。

：

所选电阻器的额定功率应大于实际承受功率的两倍以上才能保证电阻器在电路中长期工作的可靠性。

要首选通用型电阻器

通用型电阻器种类较多、规格齐全、生产批量大，且阻值范围、外观形状、体积大小都有挑选的余地，便于采购、维修。

根据电路特点选用

高频电路：

分布参数越小越好，应选用金属膜电阻、金属氧化膜电阻等高频电阻。

低频电路：

绕线电阻、碳膜电阻都适用。

功率放大电路、偏置电路、取样电路：

电路对稳定性要求比较高，应选温度系数小的电阻器。

退耦电路、滤波电路：

对阻值变化没有严格要求，任何类电阻器都适用。

电阻测量

用万用表测量大值电阻：

31/2位和41/2位数字万用表电阻档的最大量程一般是20MΩ。

对于31/2位数字万用表而言，使用不同的电阻量程也只能测量0.1Ω～19.99MΩ范围内的电阻；而对于41/2位数字万用表，则只能测量0.01Ω～19.999MΩ范围内的电阻。

当被测电阻Rx≥20MΩ时，仪表将显示溢出符号“1”。

实验证明，采用下述的“并联电阻法”，可将31/2位或41/2位数字万用表20MΩ电阻档的量程扩展到100MΩ。

1、测量方法

预先准备一只十几兆欧的电阻R1，将数字万用表拨至20MΩ档后测出电阻值R1。

然后把被测电阻Rx并联在R1两端，再测出并联总电阻R。

根据电阻并联的计算公式很容易推导出。

测量举例：

被测电阻为一只标记不明的高阻值电阻Rx，R1选用标称阻值为10MΩ的电阻。

使用DT830型数字万用表的20MΩ电阻档，实测R1的阻值为10.05MΩ。

将Rx与R1并联后，再用DT830进行测量，测得总阻值R=7.70MΩ。

由此判定，被测电阻的标称值应为33MΩ。

2、测量注意事项

1）当被测量电阻Rx的阻值超过100MΩ时，并联后的总阻值R与选用的标准电阻R1的阻值非常接近，加之数字万用表本身存在±1个字的误差，会使测量误差增大。

因而，本法不适合用来测量阻值大于100MΩ的电阻。

2）测量操作时，应将被测电阻Rx与标准电阻R1并联接触牢靠，必要时可用鳄鱼夹将两者固定.

六.电容

电容（Capacitance）亦称作“电容量”，是指在给定电位差下的电荷储藏量，记为C，国际单位是法拉（F）。

一般来说，电荷在电场中会受力而移动，当导体之间有了介质，则阻碍了电荷移动而使得电荷累积在导体上，造成电荷的累积储存，储存的电荷量则称为电容。

电容是电子设备中大量使用的电子元件之一，广泛应用于隔直、耦合、旁路、滤波、调谐回路、能量转换、控制电路等方面。

在电路学里，给定电势差，电容器储存电荷的能力。

从物理学上讲，电容是一种静态电荷存储介质，可能电荷会永久存在，这是它的特征，它的用途较广，它是电子、电力领域中不可缺少的电子元件。

主要用于电源滤波、信号滤波、信号耦合、谐振、滤波、补偿、充放电、储能、隔离直流等电路中。

基本单位

在国际单位制里，电容的单位是法拉，简称法，符号是F，由于法拉这个单位太大，所以常用的电容单位有毫法（mF）、微法（μF）、纳法（nF）和皮法（pF）等，换算关系是：

1法拉（F）=1000毫法（mF）=1000000微法（μF），1微法（μF）=1000纳法（nF）=1000000皮法（pF）。

电容与电池容量的关系：

1伏安时=1瓦时=3600焦耳w=0.5cuu

相关公式

定义式：

C=Q/U

决定式C=εS/d=εS/4πkd

电容器的电势能计算公式：

E=CU^2/2=QU/2=Q^2/2C

多电容器并联计算公式：

C=C1+C2+C3+…+Cn

多电容器串联计算公式：

1/C=1/C1+1/C2+…+1/Cn

三电容器串联：

C=（C1*C2*C3）/（C1*C2+C2*C3+C1*C3）

主要分类

1、按照结构分三大类：

固定电容器、可变电容器和微调电容器；

2、按电解质分类有：

有机介质电容器、无机介质电容器、电解电容器和空气介质电容器等；

3、按用途分有：

高频旁路、低频旁路、滤波、调谐、高频耦合、低频耦合、小型电容器；

4、按照功能分：

聚酯（涤纶）电容，聚苯乙烯电容，聚丙烯电容，云母电容，高频瓷介电容，低频瓷介电容，玻璃釉电容，铝电解电容，钽电解电容，空气介质可变电容器。

作用

电容器的基本作用就是充电与放电，但由这种基本充放电作用所延伸出来的许多电路现象，使得电容器有着种种不同的用途，例如：

在电动马达中，用它来产生相移；在照相闪光灯中，用它来产生高能量的瞬间放电等等。

而在电子电路中，电容器不同性质的用途尤多，这许多不同的用途，虽然也有截然不同之处，但因其作用均来自充电与放电。

实际应用

电子制作中需要用到各种各样的电容器，它们在电路中分别起着不同的作用。

与电阻器相似，通常简称其为电容，用字母C表示。

顾名思义，电容器就是“储存电荷的容器”。

尽管电容器品种繁多，但它们的基本结构和原理是相同的。

两片相距很近的金属中间被某物质（固体、气体或液体）所隔开，就构成了电容器。

两片金属称为极板，中间的物质叫做介质。

电容器也分为容量固定的与容量可变的。

但常见的是固定容量的电容，最多见的是电解电容和瓷片电容。

不同的电容器储存电荷的能力也不相同。

规定把电容器外加1伏特直流电压时所储存的电荷量称为该电容器的电容量。

在电子线路中，电容用来通过交流而阻隔直流，也用来存储和释放电荷以充当滤波器，平滑输出脉动信号。

小容量的电容，通常在高频电路中使用，如：

收音机、发射机和振荡器中。

大容量的电容往往是作滤波和存储电荷用。

而且还有一个特点，一般1μF以上的电容均为电解电容，而1μF以下的电容多为瓷片电容，当然也有其他的，如：

独石电容、涤纶电容、小容量的云母电容等。

电解电容有个铝壳，里面充满了电解质，并引出两个电极，作为正（+）、负（-）极，与其它电容器不同，它们在电路中的极性不能接错，而其他电容则没有极性。

把电容器的两个电极分别接在电源的正、负极上，过一会儿即使把电源断开，两个引脚间仍然会有残留电压，电容器储存了电荷。

电容器极板间建立起电压，积蓄起电能，这个过程称为电容器的充电。

充好电的电容器两端有一定的电压。

电容器储存的电荷向电路释放的过程，称为电容器的放电。

电子电路中，只有在电容器充电过程中，才有电流流过，充电过程结束后，电容器是不能通过直流电的，在电路中起着“隔直流”的作用。

电路中，电容器常被用作耦合、旁路、滤波等，都是利用它“通交流，隔直流”的特性。

交流电不仅方向往复交变，它的大小也在按规律变化。

电容器接在交流电源上，电容器连续地充电、放电，电路中就会流过与交流电变化规律一致（相位不同）的充电电流和放电电流。

电容器的选用涉及到很多问题。

首先是耐压的问题。

加在一个电容器的两端的电压超过了它的额定电压，电容器就会被击穿损坏。

一般电解电容的耐压分档为6.3V、10V、16V、25V、50V等。

4.2仿真原理总设计图

根据计数器的一般结构框图，我们通过查阅资料书和上网查询，了解不同元件的功能和实用性，考虑性价比后，制作出的计数器的原理图，如图4-8所示。

5.系统硬件焊接与调试

完成软件仿真和调试后，基本实现设计要求，但是软件仿真有很多是在理想状况线进行的，为了更好地实现本次设计的价值，有必要进行系统硬件的焊接和调试。

5.1焊接步骤

1）元器件的挑选，选择合适的元器件并利用万用表进行检测。

2）元件的布局，元件布局时应考虑走线问题，为了使实物更为美观，尽量使连接线走在焊接层，如果需要走正面，则需要保证导线横平竖直。

3）元件焊接，在焊接之前，需对元器件的位置进行调整，便于布线，然后进行焊接。

4）焊接连接导线，根据前面的构思对元件管脚进行连接并焊接。

5.2元件清单

24进制计数器元器件

品名

型号规格

数量

封装

计数器

74ls90

2片

NO16

译码器

74ls48

2片

NO16

555

555电路（NE555P）

1片

NO8

数码管

7段共阴极数码管

2个

与门

74LS08

1个

NO14

电阻

100欧/0.25

2个

NO14

电阻

47K欧/0.25

2个

电容

10nf，0.01uf

各1个

5.3实物图

焊接的硬件实物正面图如图6-1所示。

焊接的硬件实物反面图如图6-2所示。

5.2硬件电路测试

焊接电路板后，首先要检查加工质量，并确保没有任何方面的错误，如短路和断路，尤其要避免电源短路；元器件在安装前要逐一检查，用万用表测其数值，看是否与所用相同；完成焊接后，应先空载上电（芯片座上不插芯片），并检查各引脚的电位是否正确。

若一切正常，方可在断电的情况下将芯片插入，再次检查各引脚的电位及其逻辑关系。

将万用表的探针放到单片机接电源的引脚上检测一下，看是否符合