篮球24秒倒计时器课程设计报告

数字逻辑电路设计课程设计报告系

（部）：

专班姓学成业：

级：

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绩：

指导老师：

开课时间：

学年

学期数字逻辑电路设计一、设计题目篮球比赛

24秒倒计时器二、主要内容1、

分析设计题目的具体要求2、

完成课题所要求的各个子功能的实现3、

用multisim软件完成题目的整体设计三、具体要求具有显示24s

倒计时功能：用两个共阴数码管显示，其计时间隔为1s。分别设置启动键和暂停/继续键，控制两个计时器的直接启动计数，暂停/继续计数功能。设置复位键：按复位键可随时返回初始状态，即进攻方计时器返回到24s。计时器递减计数到“00”时，计时器跳回“24”停止工作，并给出声音和发光提示，即蜂鸣器发出声响和发光二极管发光。四、进度安排第一天：介绍所用仿真软件；布置任务，明确课程设计的完整功能和要求。第二天：消化课题，掌握设计要求，明确设计系统的全部功能，图书馆查阅资料。第三天：确定总体设计方案，画出系统的原理框图。第四天：绘制单元电路并对单元电路进行仿真。第五天：分析电路，对原设计电路不断修改，获得最佳设计方案。第六天：完成整体设计并仿真验证。第七天：对课程设计进行现场运行检查并提问，给出实践操作成绩。第八天：完成实践报告的撰写五、成绩评定课程设计成绩按优、良、中、及格、不及格评定，最终考核成绩由四部分组成：2数字逻辑电路设计1、 理论设计方案，演示所设计成果，总成绩

40％；2、 设计报告，占总成绩

30％；3、 回答教师所提出的问题，占总成绩

20％；4、 考勤情况，占总成绩

10％；无故旷课一次，平时成绩减半；无故旷课两次平时成绩为

0

分，无故旷课三次总成绩为

0

分。迟到

20

分钟按旷课处理。3数字逻辑电路设计目录前言..............................................................................................................

51、总体设计思路、基本原理和框图.......................................................

61.1

设计思路..........................................................................................................

61.2 设计原理和功能...........................................................................................

71.2.1 基本功能............................................................................................

71.3

总体设计框图..................................................................................................

82、单元电路设计........................................................................................92.1 各芯片的用法和功能...................................................................................

92.1.1 74LS00.................................................................................................

92.1.2 555

定时器.........................................................................................

92.1.3 74LS90............................................................................................102.1.4 74LS192..............................................................................................112.2

单元模块........................................................................................................

122.2.1 秒脉冲发生模块..............................................................................

122.2.2 倒计时模块......................................................................................

132.2.3 控制电路模块..................................................................................

142.2.4 报警提示模块..................................................................................

153、电路仿真调试（总电路图）..............................................................

163.1 总电路图.....................................................................................................

163.2 仿真调试.....................................................................................................

173.2.1 启动功能..........................................................................................

173.2.2 复位功能..........................................................................................

183.2.3 暂停功能..........................................................................................

183.2.4 自动停止、复位功能......................................................................

194、故障分析与电路改进..........................................................................

214.1

故障分析和解决...........................................................................................

214.2

电路改进.......................................................................................................

215、总结......................................................................................................

236、心得体会..............................................................................................

247、元件清单..............................................................................................

258、参考文献..............................................................................................

264数字逻辑电路设计前言电子课程设计是电子技术学习中非常重要的一个环节，是将理论知识和实践能力相统一的一个环节，是真正锻炼学生能力的一个环节。在许多领域中计时器均得到普遍应用，诸如在体育比赛，定时报警器、游戏中的倒时器，交通信号灯、红绿灯、行人灯、交通纤毫控制机，还可以用来做为各种药丸、药片，胶囊在指定时间提醒用药等等，由此可见计时器在现代社会的应用是相当普遍的。在篮球比赛中，规定了球员的持球时间不能超过

24

秒，否则就违例了。本课程设计“智能篮球比赛倒计时器的设计”，可用于篮球比赛中，用于对球员持球时间

24

秒限制。一旦球员的持球时间超过了

24

秒，它自动报警从而判定此球员的违例。本设计主要能完成一下功能：显示

24

秒倒计时功能；系统设置外部操作开关，控制计时器的直接复位、启动和暂停/继续功能；在直接复位时，数码管显示为“24”；计时器为

24

秒递减计时其计时间隔为

1

秒；计时器递减计时到“00”时，数码显示器不灭灯，并且直接回到“24”，同时报警电路发出光电报警信号等。整个电路的设计借助于

Multisim

仿真软件以及数字电路相关理论知识，并在

Multisim

下设计和进行仿真，得到了预期的结果。5数字逻辑电路设计1、总体设计思路、基本原理和框图1.1

设计思路本课程设计是脉冲数字电路的简单应用，设计了篮球比赛

24

秒倒计时器。此计时器功能齐全，具有直接复位、启动、暂停|继续以及光电报警功能，同时使用了两个共阴极数码管来显示时间。此计时器有了启动、暂停和继续功能，可以方便地在中途实现暂停计时功能。当计时器递减到零时，会发出光电报警信号。此计时器的设计采用模块化结构，主要由以下

5

个部分组：秒信号产生模块、计时模块、控制模块、译码显示模块以及报警电路模块。在设计此倒计时器时，采用模块化的设计思想，使设计起来更加简单、方便、快捷。篮球比赛

24

秒倒计时系统的主要功能包括：进攻方

24

秒倒计时和计时结束警报提示。秒信号产生电路由

555

定时器构成的多谐振荡器和

74LS90

构成的分频器构成，为计数电路提供计数秒脉冲。攻方

24

秒倒计时，当比赛准备开始时，屏幕上显示

24

秒字样，当比赛开始后，倒计时从

24

逐秒倒数到

00。这一计时模块主要是利用双向计数器

74LS192

来实现；控制电路主要利用

SR

锁存器的锁存功能和计时电路的反馈信息来控制电路的计时模块，以实现倒计时器的多项功能。当计数器计时到零时，警报电路给出发光提示和提示音。这部分电路主要通过一些门电路来实现。6数字逻辑电路设计设计原理和功能篮球比赛

24

秒倒计时器的总体电路包括秒脉冲发生电路、计数电路、显示电路、报警电路和控制电路等五个模块组成。其中计数器和控制电路是系统的主要模块。计数器完成

24

秒计时功能，而控制电路完成计数器的直接复位、启动计数、暂停/继续计数、显示电路的显示与灭灯、定时时间到报警等功能。秒脉冲发生器产生的信号是电路的时钟脉冲和定时标准，本电路采用

555

定时器组成的多谐振荡器产生秒脉冲信号。显示电路采用共阴极数码管对计数器的输出信号直接进行译码显示。报警电路在实验中可用发光二极管和蜂鸣器代替。主体电路：

24

秒倒计时部分由

74LS192

计数器组成的计数电路完成。计数芯片清零端接低电平，并使计数器工作在减计数状态。系统启动后，计数器的置数端无效，24

秒倒计时器开始进行倒计时，逐秒倒计到零。利用计数器减计数到“00”状态后将自动跳变到“99”状态继续进行倒计时这一特点，将短暂出现的“99”状态信息通过与非门反馈到控制电路，使控制电路控制计数器的置数端持续有效，电路回到“24”状态并停止计时。另外，在控制电路中还设置了控制开关来实现电路的启动、直接复位以及暂停/继续等功能。基本功能本电路基本功能主要包括启动、直接复位、暂停/继续等功能，这些功能的实现由控制电路的控制作用来完成。启动功能：控制电路部分主要由与非门组成的

SR

锁存器和一些门电路、控制开关组成。在保证

74LS192

双向计数器工作在减计数状态的前提下，将其置数端接在控制电路

SR

锁存器的输出端。在按下启动键

J1

之前，锁存器输出为低电平，置数端有效，计数器处于置数状态。当按下

J1

后，锁存器输出翻转为高电平，置数端无效，计数器进入计数状态。直接复位功能：单刀双掷开关

J3

为复位键，当其接在锁存器输出端时，计数器按照其他控制信号正常工作，当按下

J3

将其接地时，计数器置数端被置零处于有效状态，计数器直接复位为“24”当再次按下开关时，计数器再次工作进入计数状态。7数字逻辑电路设计暂停/继续功能：开关

J2

为暂停/继续键，当其断开时多谐振荡器产生的秒脉冲信号被截断，因而计数器暂停计数并保持；当开关J2

闭合时，秒脉冲信号接通继续为计数器提供脉冲信号，计数器继续进行计数。1.3

总体设计框图控制电路十位数字计数器各位数字计数器秒信号信号产生电报警电路图

1.1

总设计框图8数字逻辑电路设计2、单元电路设计2.1 各芯片的用法和功能2.1.1 74LS0074LS00

为二输入与非门，本电路利用其构成了

SR

锁存器和其他一些基本功能。与非门逻辑功能为两输入端有“0”为“1”，全“1”为“0”。两输入与非门74LS00

引脚图如图

2.1

所示。图

2.174LS00

引脚图2.1.2 555

定时器555

定时器是一种集模拟、数字于一体的中规模集成电路，其应用极为广泛。它不仅用于信号的产生和变换，还常用于控制与检测电路中。555

定时器的内部电路由分压器、电压比较器

C1

和

C2、简单

SR

锁存器、放电三极管

T

以及缓冲器

G

组成，其内部结构图如图

2.2

所示。图

2.2 555

定时器内部结构图本电路采用

555

定时器构成的多谐振荡器产生脉冲信号。9数字逻辑电路设计用

555

定时器构成的多谐振荡器如图

2.3(a)所示。接通电源后，电容

C

被充电，当

vc

上升到

2Vcc/3

时，是

vo

为低电平，同时放电三极管

T

导通，此时电容

C

通过

R2

和

T

放电，vc

下降。当

vc

下降到

Vcc/3

时，vo

翻转为高电平。电容器C

放电所需时间为tPL=R2C

㏑

2≈0.7R2C当放电结束时，T

截止，Vcc

将通过

R1、R2

向电容器

C

充电，vc

由

Vcc/3

上升到

2Vcc/3

所需时间为tPH=(R1+R2)C

㏑

2≈0.7(R1+R2)C当

vc

上升到

2Vcc/3

时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到了一个周期性的举行波。电路的工作波形如图

2.3（b），器振荡频率为f=1/(tPL+

tPH)≈1.43/(R1+2R2)C（a）电路图图

2.310（b）工作波形由

555

定时器组成的多谐振荡器2.1.3 74LS90本电路秒脉冲发生信号由多谐振荡器和

74LS90

构成的分频器组成。首先由多谐振荡器产生频率为

1000Hz

的周期矩形波信号，然后经过分频器分频最终得到频率为

1Hz

的脉冲信号。74LS90

计数器是一种中规模二——五进制计数器，将三片

74LS90

级联便可构成分频比为

1000

的分频器。其功能表如图

2.4

所示。数字逻辑电路设计图

2.4 74LS90

功能表将输出

QA

与输入

B

相接构成

8421BCD

码计数器。将输出

QD

与输入

A

相接构成

5421BCD

码计数器。表中

H

为高电平、L

为低电平、×为不定状态。74LS90

逻辑电路图如图

2.5

所示，它由四个主从

JK

触发器和一些附加门电路组成。在

74LS90

计数器电路中，设有专用置“0”端

R1、R2

和置位（置“9”端）S1、S2。图

2.51174LS90

引脚图2.1.4 74LS19274LS192

是十进制计数器，具有“异步清零”和“异步置数”功能，且有进位和借位输出端。当需要进行多级扩展连接时，只要将前级的端接到下一级的CP+端，端接到下一级的

CP-端即可。74192

功能表和引脚图如图

2.6、2.7

所示：数字逻辑电路设计图

2.6 74LS192

功能表 图

2.7 74LS192

引脚图图中：~LOAD

为置数端，接低电平是预置数置入，正常计数时接高电平；CLR为清零端，接高电平时计数器清零；UP

为加计数端，DOWN

为减计数端，实现加计数时

DOWN

接高电平，UP

接脉冲信号，实现减计数时

UP

接高电平，DOWN

接脉冲信号；~CO

为进位输出端，~BO

为借位输出端；A、B、C、D

为计数输入端；QA、QB、QC、QD

为数据输出端。单元模块秒脉冲发生模块秒脉冲的产生由

555

定时器所组成的多谐振荡电路和

74LS90

构成的分频器完成。电路图如图

2.7

所示，首先由多谐振荡器产生频率为

1000Hz

的周期矩形波信号，然后经过分频器分频最终得到频率为

1Hz

的脉冲信号。当开关闭合时，分频器输出的频率为

1Hz

的脉冲信号输入到

74LS192

中；当开关断开时，没有脉冲输入

74LS192

中，故

74LS192

处在保持状态，即实现暂停功能。UPDOWNLDCLR操作×××1清零××00置数↑110加计数1↑10减计数1110保持12数字逻辑电路设计图

2.813秒脉冲发生电路图2.2.2

倒计时模块24

秒倒计时电路。这部分电路的主体部分在时钟脉冲的输入情况下工作，下面进行具体分析。计数器的倒计时功能。用两片

74LS192

分别做个位（低位）和十位（高位）的倒计时计数器，由于本系统只需要从开始时的“24”倒计到“00”然后停止，所以，这里的高位不需要做成六十进制的计数器。因为预置的数不是“00”，所以我选用置数端

LOAD

来进行预置数。低位的借位输出信号用作高位的时钟脉冲。两片计数器具体接法。Vcc、UP

接+5V

电源，GND

接地；时钟脉冲输出后接到低位的

DOWN，然后从低位

BO

接到高位的

DOWN；低位输入端

C、高位输入端

B接电源，其他引脚和

CLR

都接地。LOAD

接到开关

J3

的非活动端。电路图如图

2.8所示。数字逻辑电路设计图

2.9秒脉冲产生电路2.2.3

控制电路模块倒数计数器到零时，需要将电路转换到“24”并且停住。现在选取计数器到零的状态

24

秒计到“00”，从两片

74LS192

芯片的输出引脚

QD

引出线接到二脚与非门，当计数器从“00”状态转换到“99”时，用与非门把该状态转换成低电平（其余时间为高电平）控制

LD

。使电路转换到“24”。由于数字

99

是在很短的时间才能看到，用肉眼是看不到的，于是能实现从“00”

到“24”的转换。再通过与非门所组成的触发器的输出端输出低电平，使

74LS192

处于保持状态。这样就实现了转换并停止的电路。电路图如图

2.9

所示。图

2.1014控制电路电路图数字逻辑电路设计2.2.4

报警提示模块当电路由“00”

到“24”时，构成

SR

锁存器的下面一个与非门输出低电平，而鸣蜂器的和

LED1

的正极已经接了高电平，故这时由于两端存在电压差，所以鸣蜂器和

LED1

均能正常工作。从而发出报警信号。如图

2.10

所示。图

2.1115报警电路图数字逻辑电路设计3、电路仿真调试（总电路图）3.1 总电路图由多谐振荡器和分频器共同产生的秒脉冲输入到计数器低位片的

DOWN

端，作为减计数脉冲。当按下启动开关

J1

使其活动端接地时，计数器开始计数。当计数器计数计到

0

时，低位片的(13)脚输出借位脉冲使高位计数器开始计数。当计数器计数到“00”时应使计数器复位并置数“24”。本电路利用从“00”到“99”时，通过与非门，使电路置数到“24”并且保持该状态。由于“99”是一个过渡时期，不会显示出来，所以本电路采用“99”作为计数器复位脉冲。当计数器由“00”跳变到“99”时，利用个位和十位的“9”即“1001”通过与非门

U8

去触发

SR

触发器使电路翻转，使

11

脚变为低电平，计数器置数，并保持为“24”，同时

LED

发光二极管亮，蜂鸣器发出报警声，即声光报警。若需要暂停时，断开暂停/继续开关

J2，这时

CP

信号被截止，计数器停止计数并保持不变。当闭合J2

后，计数器继续计数。J3

为直接复位开关，当将其活动端接地时，无论计数器处于什么状态，计数器将立即复位到“24”。图

3.116总电路原理图数字逻辑电路设计仿真调试启动功能当按下启动开关

J1

使其活动端接地时，计数器开始计数。图

3.2刚刚启动时图图

3.317运行中图数字逻辑电路设计3.2.2 复位功能J3

为直接复位开关，当将其活动端接地时，无论计数器处于什么状态，计数器将立即复位到“24”。图

3.418直接复位图3.2.3 暂停功能J2

为暂停/继续开关，断开暂停/继续开关

J2，这时

CP

信号被截止，计数器停止计数并保持不变。当闭合

J2

后，计数器继续计数。数字逻辑电路设计图

3.519暂停状态图3.2.4 自动停止、复位功能当计数器计数到“00”时，计数器自动复位并置数“24”。

同时

LED

发光二极管亮，蜂鸣器发出报警声，即声光报警。数字逻辑电路设计图

3.620自动停止、复位图数字逻辑电路设计4、故障分析与电路改进故障分析和解决电路在整体设计好之后，仿真时出现各种故障是在所难免的。比如，由于粗心造成的连线错误，电源、电容或电阻等元器件参数选择不当等都会对仿真结果造成影响，甚至使电路不能运行。这就需要我们在完成整体设计之后不断的仔细检查与认真思考，改正电路存在的各种错误和不完美的地方，使电路应有的各项功能都能很好的实现，并且整齐美观。在分析电路故障的过程中，一定要有足够的耐心和细心。首先要利用学习的理论知识对各种芯片、器件的工作原理、工作条件等有一个明确的认识，再根据电路存在的问题找出原因与解决办法。遇到实在无法解决的问题要努力查阅资料或向老师请教。电路改进经过一系列的调试、改正后，本电路已经能够正确的实现各项功能并稳定工作，但仍存在许多不足与缺点。其中主要问题是利用

555

定时器构成的多谐振荡器所产生的脉冲信号稳定性不是特别好，而且由于让其产生正常波形的电容、各电阻的比例不好掌握，所以很难通过理论计算使其产生理想频率的脉冲信号。而且多谢振荡器也不容易直接产生频率为

1Hz

的脉冲信号。经过反复的思考和老师的指导，我利用

Mltisim

软件自动编译电路功能产生了一个输出信号频率为

1kHz的多谐振荡器，然后利用

74LS90

构成一个分频器对多谐振荡器产生的信号进行分频最终得到

1Hz

的脉冲信号。另外，仿真时还出现了理论倒计时时间和仿真时间不一致的情况，这一问题主要是由于仿真步长的设置不合理和脉冲信号产生电路不太稳定造成的，经过一些设置和改进，最终电路倒计时时间基本上接近

1

秒钟。从实际应用角度来看，本电路还是有值得改进的地方。比如当数码管显示到“00”时便发出警报信号，应该是更合理的。但是本电路只有在从“00”转到“24”是才能报警。实际的电路改进可以先在两个

74LS192

的输出端接上两个四输入与21数字逻辑电路设计非门，并接到触发器的输入端，这样能实现当数码管显示到“00”时，实现报警功能。但是，这样的代价就是使电路更加的复杂。22数字逻辑电路设计5、总结在此次课程设计中，我们将本学期学习的数字电路的基本理论知识与其实际应用联系起来。拿到课程设计的题目后，首先根据学到的理论和老师讲授的方法，和同组同学一起分析研究此次电路设计的任务和要求，初步确定了整个电路的大体框架和各个功能的实现方法。然后按照分析的结果进行整体的电路设计。电路初步完成后，部分地方的思考不够缜密导致电路还不够完善，在运行过程中出现了一些问题。后来经过仔细检测和校正，电路进一步完善并能够正常工作。在其中遇到一些凭一己之力难以解决的