《数字电子技术》课件第9章 综合课程设计

第9章综合课程设计内容提要

数字电子技术是一门实践应用性非常强的课程，在学习中不仅要掌握基础理论知识，还要有熟练的操作技能。通过综合课程设计这一环节，可以使学生了解各功能电路间的相互影响，掌握各功能电路之间参数的衔接和匹配关系以及模拟电路和数字电路之间的结合，提高对单元功能电路理解和灵活运用的能力及综合运用知识的能力。本章内容9.1概述9.2智力竞赛抢答器电路设计

9.3数字电子钟逻辑电路设计9.4交通灯控制逻辑电路设计9.5数字温度计逻辑电路设计

综合课程设计是在教师指导下，由学生独立完成的，大体对分成以下3个阶段：

1．设计与计算阶段学生根据所选课题的任务、要求和条件进行总体方案的设汁，通过论证与选择，确定总体方案．并对方案中单元电路进行选择和设计计算，最后画出总体电路图。此阶段约占课程设计总学时的30％。2．安装与调试阶段经指导教师审查通过后，学生即可领取所需元器件进行电路组装和电路调试，排除电路故障，调整元器件，修改电路．使之达到设计指标要求。此阶段往往是课程设计的重点与难点所在，所需时间约占总学时的50％。

9.1概述9.1概述3．拱写总结报告阶段总结报告是学生对课程设计全过程的系统总结，学生应按规定的格式编写设汁说明书，其主要内容有以下几个方向：(1)课题名称。(2)课题设计任务和要求。(3)课题方案选择与论证。(4)课题方案的原理框图、总体电路图、布线图以及它们的说明，单元电路设计与计算说明，元器件选择和电路参数计算的说明等。(5)具体电路调试。对调试中出现的问题进行分析并说明解决的措施，进行测试、记录、整理与结果分析。

(6)实验后的收获体会、存在问题和进—步的改进意见等。

1.抢答组数为4组，输入抢答信号的控制电路应由无抖动开关来实现。2.判别选组电路。能迅速、准确地判处抢答者，同时能排除其它组的干扰信号，闭锁其它各路输入使其它组再按开关时失去作用，并能对抢中者有光、声显示和呜叫指示。3.计数、显示电路。每组有三位十进制计分显示电路，能进行加/减计分。4.定时及音响。必答时，启动定时灯亮，以示开始，当时间到要发出单音调“嘟”声，并熄灭指示灯。抢答时，当抢答开始后，指示灯应闪亮。当有某组抢答时，指示灯灭，最先抢答一组的灯亮，并发出音响。也可以驱动组别数字显示（用数码管显示）。回答问题的时间应可调整，分别为10s、20s、50s、60s或稍长些。主持人应有复位按钮。抢答和必答定时应有手动控制。

9.2.1智力竞赛抢答器电路设计任务9.2.2智力竞赛抢答器电路设计方案

1.复位和抢答开关输入防抖电路，可采用加吸收电容或RS触发器电路来完成。2.判别选组实现的方法可以用触发器和组合电路完成，也可用一些特殊器件组成。例如用MC14599或CD4099八路可寻址输出锁存器来实现。3.计数显示电路可用8421码拨码开关译码电路显示。8421码拨码开关能进行加或减计数。也可用加/减计数器（如74LS193）来组成。译码、显示用共阴或共阳组件，也可用CL002译码显示器。

4.定时电路。当有开关启动定时器时，使定时计数器按减计数或加计数方式进行工作，并使一指示灯亮，当定时时间到，输出一脉冲，驱动音响电路工作，并使指示灯灭。

9.2.3智力竞赛抢答器电路元器件1.通用实验底板2.直流稳压电源3.集成电路：74LS190、74LS48、CD4043、74LS112及门电路4.显示器：LCD5011-11、CL002、发光二极管5.拨码开关（8421码）6.阻容元件、电位器7.喇叭、开关等9.2.4智力竞赛抢答器原理及参考电路该抢答器由计分部分、判组部分、定时部分、音响部分等电路组成，参考电路简要说明如下：1.计分部分每组均由8421码拨码开关KS-1，完成分数的增和减，每组为三位，个、十、百位，每位可以单独进行加减。例如：100分加10分变为110分，只需按动拨码开关十位“+”号一次；若加“20”分，只要按动“+”号两次。若减分，方法相同，即按动“－”号就能完成减数计分。顺便提一下，计分电路也可以用电子开关或集成加、减法计数器来组合完成。2.判组电路这部分电路由RS触发器完成，CD4043为三态RS锁存触发器，当S1按下时，Q1为1，这时或非门74LS25为低电平，封锁了其它组的输入。Q1为1，使发光管D1发亮，同时也驱动音响电路呜叫，实现声、光的指示。输入端采用了阻容方法，以防止开关抖动。

3.定时电路

当进行抢答或必答时，主持人按动单次脉冲起动开关，使定时数据置入计数器，同时使JK触发器翻转（Q=1），定时器进行减计数定时，定时开始，定时指示灯亮。当定时时间到，即减法计数器为“00”时，Bo为“1”，定时结束，这时去控制音响电路呜叫，并灭掉指示灯（JK触发器的/Q=1，Q=0）。

4.音响电路

音响电路中，f1和f2为两种不同的音响频率，当某组抢答时，应为多音，其时序应为间断音频输出。当定时到，应为单音，其时序应为单音频输出

9.2.4智力竞赛抢答器原理及参考电路9.2.4智力竞赛抢答器原理及参考电路9.3.1数字电子钟逻辑电路设计简述

数字电子钟是一种用数字显示秒、分、时、日的计时装置，与传统的机械钟相比，它具有走时准确，显示直观、无机械传动装置等优点，因而得到了广泛的应用。小到人们日常生活中的电子手表，大到车站、码头、机场等公共场所的大型数显电子钟。

数字电子钟框图

9.3.2数字电子钟逻辑电路设计要求

用中、小规模集成电路设计一台能显示日、时、分、秒的数字电子钟，要求如下：

1.由晶振电路产生1Hz标准秒信号。2.秒、分为00～59六十进制计数器。3.时为00～23二十四进制计数器。4.周显示从1～日为七进制计数器。5.可手动校时：能分别进行秒、分、时、日的校时。只要将开关置于手动位置，可分别对秒、分、时、日进行手动脉冲输入调整或连续脉冲输入的校正。6.整点报时。整点报时电路要求在每个整点前呜叫五次低音（500Hz），整点时再呜叫一次高音（1000Hz）。

9.3.3数字电子钟逻辑电路设计方案

1.

秒脉冲发生器脉冲发生器是数字钟的核心部分，它的精度和稳定度决定了数字钟的质量，通常用晶体振荡器发出的脉冲经过整形、分频获得1Hz的秒脉冲。如晶振为32768Hz，通过15次二分频后可获得1Hz的脉冲输出。1.

2.计数译码显示秒、分、时、日分别为60、60、24、7进制计数器、秒、分均为60进制，即显示00～59，它们的个位为十进制，十位为六进制。时为二十四进制计数器，显示为00～23，个位仍为十进制，而十位为三进制，但当十进位计到2，而个位计到4时清零，就为二十四进制了。1.

3.校时电路在刚刚开机接通电源时，由于日、时、分、秒为任意值，所以需要进行调整。置开关在手动位置，分别对时、分、秒、日进行单独计数，计数脉冲由单次脉冲或连续脉冲输入。1.

4.整点报时电路当时计数器在每次计到整点前六秒时，需要报时，这可用译码电路来解决。即当分为59时，则秒在计数计到54时，输出一延时高电平去打开低音与门，使报时声按500Hz频率呜叫5声，直至秒计数器计到58时，结束这高电平脉冲；当秒计数到59时，则去驱动高音1KHz频率输出而鸣叫1声。

1.通用实验底板

2.直流稳压电源

3.集成电路：CD4060、74LS74、74LS161、74LS248及门电路

4.晶振：32768Hz

5.电容：100μF/16V、22pF、3～22pF之间

6.电阻：200Ω、10KΩ、22MΩ

7.电位器：2.2KΩ或4.7KΩ

8.数显：共阴显示器LC5011-11

9.开关：单次按键

10.三极管：8050

11.喇叭：1W/4，8Ω

9.3.4数字电子钟逻辑电路元器件9.3.5数字电子钟逻辑电路原理1.秒脉冲电路由晶振32768Hz经14分频器分频为2Hz，再经一次分频，即得1Hz标准秒脉冲，供时钟计数器用。2.单次脉冲、连续脉冲这主要是供手动校时用。若开关K1打在单次端，要调整日、时、分、秒即可按单次脉冲进行校正。如K1在单次，K2在手动，则此时按动单次脉冲键，使周计数器从星期1到星期日计数。若开关K1处于连续端，则校正时，不需要按动单次脉冲，即可进行校正。单次、连续脉冲均由门电路构成。3.秒、分、时、日计数器这一部分电路均使用中规模集成电路74LS161实现秒、分、时的计数，其中秒、分为六十进制，时为二十四进制。可以发现秒、分两组计数器完全相同。当计数到59时，再来一个脉冲变成00，然后再重新开始计数。利用“异步清零”反馈到/CR端，而实现个位十进制，十位六进制的功能。时计数器为二十四进制，当开始计数时，个位按十进制计数，当计到23时，这时再来一个脉冲，应该回到“零”。所以，这里必须使个位既能完成十进制计数，又能在高低位满足“23”这一数字后，时计数器清零，采用了十位的“2”和个位的“4”相与非后再清零。对于日计数器电路，它是由四个D触发器组成的（也可以用JK触发器），其逻辑功能满足了表1，即当计数器计到6后，再来一个脉冲，用7的瞬态将Q4、Q3、Q2、Q1置数，即为“1000”，从而显示“日”（8）。

9.3.5数字电子钟逻辑电路原理4．译码、显示译码、显示很简单，采用共阴极LED数码管LC5011-11和译码器74LS248，当然也可用共阳数码管和译码器。5.整点报时当计数到整点的前6秒钟，此时应该准备报时。9当分计到59分时，将分触发器QH置1，而等到秒计数到54秒时，将秒触发器QL置1，然后通过QL与QH相与后再和1s标准秒信号相与而去控制低音喇叭呜叫，直至59秒时，产生一个复位信号，使QL清0，停止低音呜叫，同时59秒信号的反相又和QH相与后去控制高音喇叭呜叫。当计到分、秒从59：59—00：00时，呜叫结束，完成整点报时。6.呜叫电路呜叫电路由高、低两种频率通过或门去驱动一个三极管，带动喇叭呜叫。1KHz和500Hz从晶振分频器近似获得。如图中CD4060分频器的输出端Q5和Q6。Q5输出频率为1024Hz，Q6输出频率为512Hz。

9.3.5数字电子钟逻辑电路原理9.4.1交通灯控制逻辑电路设计简述

为了确保十字路口的车辆顺利、畅通地通过，往往都采用自动控制的交通信号灯来进行指挥。其中红灯（R）亮表示该条道路禁止通行；黄灯（Y）亮表示停车；绿灯（G）亮表示允许通行。交通灯控制器的系统框图

9.4.2交通灯控制逻辑电路设计要求1.设南北方向的红、黄、绿灯分别为NSR、NSY、NSG，东西方向的红、黄、绿灯分别为EWR、EWY、EWG。它们的工作方式，有些必须是并行进行的，即南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮；南北方向红灯亮，东西方向黄灯亮。

9.4.2交通灯控制逻辑电路设计要求

2.应满足两个方向的工作时序：即东西方向亮红灯时间应等于南北方向亮黄、绿灯时间之和，南北方向亮红灯时间应等于东西方向亮黄、绿灯时间之和。

假设每个单位时间为3秒，则南北、东西方向绿、黄、红灯亮时间分别为15秒、3秒、18秒，一次循环为36秒。其中红灯亮的时间为绿灯、黄灯亮的时间之和，黄灯是间歇闪耀。

9.4.2交通灯控制逻辑电路设计要求3.十字路口要有数字显示，作为时间提示，以便人们更直观地把握时间。具体为：当某方向绿灯亮时，置显示器为某值，然后以每秒减1计数方式工作，直至减到数为“0”，十字路口红、绿等交换，一次工作循环结束，而进入下一步某方向的工作循环。例如：当南北方向从红灯转换成绿灯时，置南北方向数字显示为18，并使数显计数器开始减“1”计数，当减到绿灯灭而黄灯亮（闪耀）时，数显得值应为3，当减到“0”时，此时黄灯灭，而南北方向的红灯亮；同时，使得东西方向的绿灯亮，并置东西方向的数显为18。4.可以手动调整和自动控制，夜间为黄灯闪耀。5.在完成上述任务后，可以对电路进行以下几方面的电路改进或扩展。

（1）在某一方向（如南北）为十字路口主干道，另一方向（如东西）为次干道；主干道由于车辆、行人多，而次干道的车辆、行人少，所以主干道绿灯亮的时间可以选定为次干道绿灯亮时间的2倍或3倍。（2）用LED发光二极管模拟汽车行驶电路。当某一方向绿灯亮时，这一方向的发光二极管接通，并一个一个向前移动，表示汽车在行驶；当遇到黄灯亮时，移位发光二极管就停止，而过了十字路口的移位发光二极管继续向前移动；红灯亮时，则另一方向转为绿灯亮，那么，这一方向的LED发光二极管就开始移位（表示这一方向的车辆行驶）。

9.4.3交通灯控制逻辑电路设计方案1．秒脉冲和分频器因十字路口每个方向绿、黄、红灯所亮时间比例分别为5:1:6，所以，若选4秒（也可以3秒）为一单位时间，则计数器每计4秒输出一个脉冲。这一电路就很容易实现，逻辑电路参考前面有关课题。2．交通灯控制器计数器每次工作循环周期为12，所以可以选用12进制计数器。计数器可以用单触发器组成，也可以用中规模集成计数器。这里我们选用中规模74LS164八位移位寄存器组成扭环形12进制计数器。3.显示控制部分显示控制部分实际上是一个定时控制电路。当绿灯亮时，使减法计数器开始工作（用对方的红灯信号控制），每来一个秒脉冲，使计数器减1，直到计数器为“0”而停止。译码显示可用74LS248BCD码七段译码器，显示器用LC5011-11共阴极LED显示器，计数器材用可预置加、减法计数器，如74LS168、74LS193等。4．手动/自动控制，夜间控制这可用一选择开关进行。置开关在手动位置，输入单次脉冲，可使交通灯在某一位置上，开关在自动位置时，则交通信号灯按自动循环工作方式运行。夜间时，将夜间开关接通，黄灯闪亮。

9.4.3交通灯控制逻辑电路设计方案5．汽车模拟运行控制用移位寄存器组成汽车模拟控制系统，即当某一方向绿灯亮时，则绿灯亮“G”信号使该路方向的移位通路打开，而当黄、红灯亮时，则使该方向的移位停止。如图所示为南北方向汽车模拟控制电路。

9.4.4交通灯控制逻辑电路设计元器件1.通用实验底板2.直流稳压电源3.交通信号灯及汽车模拟装置4.集成电路：74LS74、74LS164、74LS168、74LS248及门电路5.显示：LC5011-11，发光二极管6.电阻7.开关

9.4.5交通灯控制逻辑电路设计原理1.单次手动及脉冲电路单次脉冲是由两个与非门组成的RS触发器产生的，当按下K1时，有一个脉冲输出使74LS164移位计数，实现手动控制。K2在自动位置时，由秒脉冲电路经分频后（4分频）输入给74LS164，这样，74LS164为每4秒向前移一位（计数1次）。秒脉冲电路可用晶振或RC振荡电路构成。2．控制器部分它由74LS164组成扭环形计数器，然后经译码后输出十字路口南北、东西两个方向的控制信号。其中黄灯信号必须满足闪耀，并在夜间时，使黄灯闪亮，而绿、红灯灭。

9.4.5交通灯控制逻辑电路设计原理

3．数字显示部分当南北方向绿灯亮，而东西方向红灯亮时，使南北方向的74LS168以减法计数器方式工作，从数字“24”

开始往下减，当减到“0”时，南北方向绿灯灭，红灯亮，而东西方向红灯灭，绿灯亮。由于东西方向红灯灭信号（EWR：0）使与门关断，减法计数器工作结束，而南北方向红灯亮使另一方向——东西方向减法计数器开始工作。在减法计数开始之前，由黄灯亮信号使减法计数器先置入数据，图中接入U/和的信号就是由黄灯亮（为高电平）时，置入数据。黄灯灭（Y=0）而红灯亮（R=1）开始减计数。4．汽车模拟控制电路这一部分电路参考图4。当黄灯（Y）或红灯（R）亮时，则这端为高（H）电平，在CP移位脉冲作用下，而向前移位，高电平“H”从QH一直移到QA（图中74LS164-1）由于绿灯在红灯和黄灯位高电平时，它为低电平，所以74LS164-1QA的信号就不能送到74LS164-2移位寄存器的RI端。这样，就模拟了当黄、红灯亮时汽车停止的功能。而当绿灯亮，黄、红灯灭（G=1，R=0，Y=0）时，74LS164-1、74LS164-2都能在CP移位脉冲作用下向前移位。这就意味着绿灯亮时汽车向前运行这一功能。

9.4.5交通灯控制逻辑电路设计原理9.5.1数字温度计逻辑设计电路要求设计一个测试温度范围为0～100℃的数字温度计。

（1）查阅资料选择温度传感器。（2）设计温度测量电路（确定温度与电压之间的转换关系）。（3）设计温度显示电路（显示的数字应反映被测量的温度）。（4）画出数字温度计电路图