数字逻辑课程设计(定时器)

精品文档 1欢迎下载 一 一 内容摘要内容摘要 定时器的设计 设计一个 0 60 分钟之内的定时器 定时开始的时候红指示灯亮 结束的时候绿指示亮 可以随意以分钟为单位 在六十分钟的范围内设定定时时间 随着定时的开始 显示器 开始显示时间 即依次显示出 0 1 2 3 4 直到定时结束 当定时结束的时候进行手动 清零 首先设计一个秒脉冲发生器 一个计数电路 一个比较电路 然后对电路进行输 出 当开始定时之前手动对要定时的时间进行预置数 然后运用秒脉冲发生器输入脉冲 用计数器对脉冲的个数进行计数 把编码器的数据与脉冲的个数通过数值比较器进行比 较 最后按照要求进行红绿等输出表示定时的状态是正在进行定时 或者是已经定时结 束 在定时的过程中显示定时的时间 二 方案的论证与选择 二 方案的论证与选择 方案 1 例如设计一个六十分钟的定时器 就需要六十进制的分钟计数器 设计秒脉冲 发生器 当计数器完成六十分钟的记数时 就手动清零 需要设定其他的时间时 只需将计数器的进制改变一下就行 这个方案只适用于特定的定时器 设定的时间 不变 如果本课设用此方案 就需要设计从 1 60 进制的计数器 工程量太大 方案 2 设计一个定时器 可以在 0 60 分之间一分钟为单位任意可调 定时开始的时 候红灯亮 定时结束的时候绿灯亮 定时结束之后手动清零 满足设计的要求 故本次课程设计中采用的是这种设计方案 三 总设计思想框图 三 总设计思想框图 精品文档 2欢迎下载 编码电路脉冲发生 计数电路 数值比较电路 指 示 灯 总体的完整电路图 总体的完整电路图 就是将各个单元电路用导线连接起来 然后进行仿真处理 开始进行定时的时 候红指示灯亮 图中所示的是定时为 16 分钟的定时仿真结果 完整的电路图 图 1 精品文档 3欢迎下载 U21 DCD HEX BLUE U22 74LS161N QA 14 QB 13 QC 12 QD 11 RCO 15 A 3 B 4 C 5 D 6 ENP 7 ENT 10 LOAD 9 CLR 1 CLK 2 U23A 74S00D U24 74LS161N QA 14 QB 13 QC 12 QD 11 RCO 15 A 3 B 4 C 5 D 6 ENP 7 ENT 10 LOAD 9 CLR 1 CLK 2 U25A 74S00D U26 DCD HEX BLUE V8 12 V U27A 74S04N U28A 74S04D 13 12 11 10 9 8 5 3 2 U1 DCD HEX BLUE U2 74LS161N QA 14 QB 13 QC 12 QD 11 RCO 15 A 3 B 4 C 5 D 6 ENP 7 ENT 10 LOAD 9 CLR 1 CLK 2 U3A 74S00D U4 74LS161N QA 14 QB 13 QC 12 QD 11 RCO 15 A 3 B 4 C 5 D 6 ENP 7 ENT 10 LOAD 9 CLR 1 CLK 2 U5A 74S00D U6 DCD HEX BLUE V2 12 V U7A 74S04N 0 15 14 6 4 0 26 U10 74LS148D A0 9 A1 7 A2 6 GS 14 D3 13 D4 1 D5 2 D2 12 D1 11 D0 10 D7 4 D6 3 EI 5 EO 15 V1 5 V U11 74LS148D A0 9 A1 7 A2 6 GS 14 D3 13 D4 1 D5 2 D2 12 D1 11 D0 10 D7 4 D6 3 EI 5 EO 15 U17 74LS148D A0 9 A1 7 A2 6 GS 14 D3 13 D4 1 D5 2 D2 12 D1 11 D0 10 D7 4 D6 3 EI 5 EO 15 J2 J3 U18A 74LS08D U19A 74LS08D U20A 74LS08D 46 45 44 43 42 41 40 39 U12 DCD HEX BLUE U13 DCD HEX BLUE U14 74LS85D A2 13 B2 14 A1 12 B1 11 OAGTB 5 A0 10 B0 9 A3 15 B3 1 OAEQB 6 OALTB 7 AEQB 3 ALTB 2 AGTB 4 U15 74LS85D A2 13 B2 14 A1 12 B1 11 OAGTB 5 A0 10 B0 9 A3 15 B3 1 OAEQB 6 OALTB 7 AEQB 3 ALTB 2 AGTB 4 67 65 0 205657 59 60 61 1618 1719 22 232425 X1 2 5 V U16A 74S05D X3 2 5 V 66 J4 Key A 7 21 68 29 J1 27 28 30 31 32 33 34 36 37 38 47 48 49 50 35 0 58 51 VCC OUT U8 555 TIMER RATED GND DIS RST THR CON TRI V3 5 V C1 10nF C2 10nF R1 74k R2 35k U9 74LS90N QA 12 QB 9 QD 11 QC 8 INB 1 R91 6 R92 7 R01 2 INA 14 R02 3 U29 74LS90N QA 12 QB 9 QD 11 QC 8 INB 1 R91 6 R92 7 R01 2 INA 14 R02 3 U30 74LS90N QA 12 QB 9 QD 11 QC 8 INB 1 R91 6 R92 7 R01 2 INA 14 R02 3 71 70 1 69 63 55 54 53 52 72 62 64 0 73 图 2 四 单元电路的设计与参数的计算四 单元电路的设计与参数的计算 1 1 秒脉冲发生器的选择 秒脉冲发生器的选择 1 采用石英晶体的多谐振荡器 在 RC 环形振荡器电路中 接入 RC 可以获得较小的 频率 而且通过 RC 的调节可以调节频率 用于对频率稳定性要求比较高的电路 但是 它抗干扰的能力比较差 小的干扰就会使周期发生很大的变化 而且电路比较复杂 精品文档 4欢迎下载 不太容易掌握 所以本实验不采取运用石英晶体的多谐振荡器来产生秒脉冲 下面是 石英晶体产生的电路图 电路图的组成比较复杂 1 1 C Q C Q C Q C Q 1 1 2 2 14 14 15 15 FFFFFF FF 1 214 15 R CC 12 f ffff 1214 0 32768Hz16384Hz8192Hz2Hz1Hz 秒脉冲 T 触发器 图图 3 3 2 利用脉冲整形的方法 根据大二上时学的模电的知识 设计一个正弦信号发生电 路 然后再利用整形电路对于输出的正弦波进行整形 得到矩形波信号 可以利用施 密特触发器对其进行整形 但是信号在传输的过程中容易发生畸变 施密特触发器就 可以把在传输过程中发生畸变的信号进行整形 但是一般都是用于幅度的鉴别比较好 在这里我们就不选用这样的整形电路 3 运用 555 定时器构成多谐振荡器来构成秒脉冲的发生电路 555 定时器是一种用 途广泛的数字 模拟混合中规模集成电路 它只要通过接少量的元件就可以构成多种触 发器和多谐振荡器 而且市面上的 555 器件比较多 价格比较便宜 84 3 6 2 1 5 555 UCC 7 uO R1 R2 uC 精品文档 5欢迎下载 图 4 因为直接用 555 振荡器外接几个元件直接产生的 1Hz 的频率发生器产生的频率产生的 矩形波的高电平不能激发下一个元件的正常工作 所以先产生 1kHz 频率的矩形波 然 后运用分频电路对长生的信号进行分频 得到频率为 1Hz 的矩形波 也就是秒脉冲信 号 定性分析 设uc 0 则uO 1 T 截至 电容充电 uc 按指数规律上升 当uc 2 Ucc 3 时 uO 0 T 导通 电容放电 uc 按指数规律下降 当uc Ucc 3 时 uO 1 T 截至 电容再次充电 但充电的初始值与前次不同 波形分析 t uO 0 uC t0 T1T2 CC 2 3U CC 1 3U 精品文档 6欢迎下载 图 5 计算振荡周期 频率 f 1 T 根据上面的分析且振荡器需要发出的频率为 1kHz 信号的发生器 先取电容为 0 01uF 根据上面的计算公式得到 R1 74 千欧 R2 35 千欧 利用分频电路对产生的 1KHz 的信号进行分频 最后由 U4 的 11 端输出 1Hz 的频率 U2 74LS90N QA 12 QB 9 QD 11 QC 8 INB 1 R91 6 R92 7 R01 2 INA 14 R02 3 U3 74LS90N QA 12 QB 9 QD 11 QC 8 INB 1 R91 6 R92 7 R01 2 INA 14 R02 3 U4 74LS90N QA 12 QB 9 QD 11 QC 8 INB 1 R91 6 R92 7 R01 2 INA 14 R02 3 6 8 10 1 7 9 图图 6 6 2 2 6060 进制计数器电路的选择进制计数器电路的选择 1 采用异步加计数器 74LS193 是双时钟四位二进制可逆计数器 它的清零方式是 异步清零 高电平有效 其预置数是异步的 在异步计数器中 由于计数器的内部各 个触发器的时钟输入是异步的 因此触发器的各个状态转换时间是固定的 在恶劣的 情况下其传播延迟的时间很多 所以本次课设没有采取异步计数器 2 采用同步加计数器 74161 是四位二进制加计数器 它具有异步清零 同步预 置数等功能 在这次的课程设计中要实现的是 60 进制计数器 所以采用两片 74161 来 完成加计数功能 而实现 60 进制计数功能又有多种选择 乘数法 将 60 分解成 TTR2RCln20 7 R2RC 1212 12 T 精品文档 7欢迎下载 6 10 用两片 74161 分别组成六进制和十进制计数器 然后在级联成 60 进制的计数器 反馈置数法 将两片 74161 级联成 16 16 256 进制计数器 然后运用反馈置数法构 成 60 进制的计数器 本次采用的是方法 乘数法 它的电路图如下 U21 DCD HEX BLUE U22 74LS161N QA 14 QB 13 QC 12 QD 11 RCO 15 A 3 B 4 C 5 D 6 ENP 7 ENT 10 LOAD 9 CLR 1 CLK 2 V6 1000kHz 5 V U23A 74S00D U24 74LS161N QA 14 QB 13 QC 12 QD 11 RCO 15 A 3 B 4 C 5 D 6 ENP 7 ENT 10 LOAD 9 CLR 1 CLK 2 U25A 74S00D U26 DCD HEX BLUE V8 12 V U27A 74S04N U28A 74S04D 13 12 10 9 8 5 3 2 1 U1 DCD HEX BLUE U2 74LS161N QA 14 QB 13 QC 12 QD 11 RCO 15 A 3 B 4 C 5 D 6 ENP 7 ENT 10 LOAD 9 CLR 1 CLK 2 U3A 74S00D U4 74LS161N QA 14 QB 13 QC 12 QD 11 RCO 15 A 3 B 4 C 5 D 6 ENP 7 ENT 10 LOAD 9 CLR 1 CLK 2 U5A 74S00D U6 DCD HEX BLUE V2 12 V U7A 74S04N 0 15 14 6 4 0 26 1618 17 19 22 232425 J4 Key A 7 21 68 29 图图 7 7 3 3 编码电路的选择 编码电路的选择 在数字电路中用二进制代码表示有关信号的过程称之为二进制编码 即建立输入信息与 输出二进制代码之间的一一转换的关系 在此次的课程设计中 需要定时的时间是 0 60 分钟 之间 所以就需要对从 0 60 之间进行编码 为了不发生混乱 此次设计中采用的是运用三片 74LS148 优先编码器分别对于要定时的时间的十位和个位进行编码 因为十位的数字只是从 0 到 6 所以用一片 74LS148 就可以 而个位的输出需要从 0 到 9 所以采用两片 74LS148 进行级 联 也可以采取 74LS147 本实验中采用的是 74LS148 编码电路的电路图为下图 8 精品文档 8欢迎下载 U10 74LS148D A0 9 A1 7 A2 6 GS 14 D3 13 D4 1 D5 2 D2 12 D1 11 D0 10 D7 4 D6 3 EI 5 EO 15 V1 5 V U11 74LS148D A0 9 A1 7 A2 6 GS 14 D3 13 D4 1 D5 2 D2 12 D1 11 D0 10 D7 4 D6 3 EI 5 EO 15 U17 74LS148D A0 9 A1 7 A2 6 GS 14 D3 13 D4 1 D5 2 D2 12 D1 11 D0 10 D7 4 D6 3 EI 5 EO 15 J2 J3 U18A 74LS08D U19A 74LS08D U20A 74LS08D 46 45 44 43 42 41 40 39 U12 DCD HEX BLUE U13 DCD HEX BLUE 2056 57 59 60 61 J1 27 28 30 31 32 33 34 36 37 38 47 48 49 50 35 0 58 图 8 4 4 数值比较电路 数值比较电路 数值比较器就是对两数 进行比较 以判断其大小的逻辑电路 比较结果有 以及 三种情况 定时器有较多种类 这个定时器的设计要求用几个一位或者两位数值比较器级联 也可以达到 但是考虑到操作的简便性和价格因素 最终选择的是级联两片集成数值 比较器 74LS85 来实现 下面详细介绍它的功能 74LS85 是 位数值比较器 其功能表如下 精品文档 9欢迎下载 表 1 此次的比较采用一片 74LS85 不够用 所以采取两片进行级联的方式来实现比较功能 如下 所示 就是采取的将两片四位比较器串联成的八位比较器 对于输入的数据进行比较 图 9 五 元器件明细表 五 元器件明细表 序号名称型号参数数量 1 多谐振荡器 555 TIMER RATED1 个 2 数值比较器 74LS85D 2 个 3 计数器74LS16 个 4 数码显示器 DCD HEX BLUE 个 5 编码器 74LS148D 3 个 6 逻辑与门 74LS08D 个 7 二输入逻辑与非门 74LS01D 4 个 8 单输入与非门 74S05D 4 个 9 电源5V 12V共 4 个 10 开关单刀 单排多刀开 关 共 3 个 精品文档 10欢迎下载 12 灯泡普通红 绿彩灯 2 个 13 导线普通导线若干 表 表 六 收获与体会 六 收获与体会 通过这次的数字技术基础的课程设计 使我明白只有把知识运用到实践中 才 能真正把握知识 另一方面 团队合作能让我们学到更多 首先 数字电子技术是一门深奥的学科 从课堂上我们学到的并非知识的全部 课程设计为我们提供了一次自我学习的机会 同时 通过课程设计 我和我的同组 人提高了动手能力 学会了将理论运用到实践中的技巧 其次 通过这次的课程设计使我