電氣自動化專業(yè)課程設(shè)計(jì)

1、電子課程設(shè)計(jì)簡易公用電話計(jì)時器學(xué)院：電子信息工程學(xué)院專業(yè)：電氣工程及其自動化班級：電氣101501班姓名：趙樹剛學(xué)號：201015010143指導(dǎo)老師：李小松2012年12月21日目錄一設(shè)計(jì)任務(wù)與要求介紹 3二 . 總體框圖 32.1 設(shè)計(jì)總體框圖 32.2 設(shè)計(jì)思路 42.3 模塊功能 4三 . 使用的主要器件及其功能 63.1 74LS160 的介紹 63.2 555 多諧震蕩器的功能及應(yīng)用 93.3 三極管非門的應(yīng)用 113.4 LED 顯示屏的簡單介紹 12四 . 各部分功能模塊 12五 . 總體設(shè)計(jì)電路圖及仿真結(jié)果 18六 . 心得體會 19簡易公用電話計(jì)時器.設(shè)計(jì)任務(wù)與要求簡易公用

2、電話計(jì)時器是一種用數(shù)字顯示的計(jì)時裝置，具體要求如下：1每一秒鐘計(jì)時一次。最大計(jì)時時間為 59分59秒。2 具有手動復(fù)位功能。3. 每一分鐘報警一次。4 通話時長超過三分鐘按通話一次計(jì)數(shù)。最大計(jì)數(shù)為99。5.可對通話次數(shù)手動清零。要求完成的任務(wù)如下：1. 畫出整體電路圖，并進(jìn)行必要的分析說明。2. 用設(shè)計(jì)軟件對可編程器件進(jìn)行設(shè)計(jì)輸入、設(shè)計(jì)仿真和器件編程，使器件具有所規(guī)定的邏輯功能。3. 安裝調(diào)試所設(shè)計(jì)的電路，使之達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求。4. 對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析記錄。、總體框圖2.1總體框圖該簡易公用電話計(jì)時器總體框圖如圖 1所示。圖1簡易公用電話計(jì)時器總體框圖2.2設(shè)計(jì)思路實(shí)驗(yàn)的第一步是要提供一個標(biāo)準(zhǔn)

3、時間，即提供一個周期為一秒的方波信號。由于最大計(jì)時為59分59秒，因此設(shè)計(jì)需要四位計(jì)數(shù)電路，分別為秒個位、 秒十位、分個位、分十位。計(jì)數(shù)之后才能進(jìn)行進(jìn)行譯碼顯示。同時在一分鐘的時 候給報警電路一個脈沖信號，用以達(dá)到報警的目的。另外需要設(shè)計(jì)電話的手動開 關(guān)，即模擬打電話和掛電話的過程。同時其要求超過三分鐘按一次計(jì)數(shù)。 及要求 有計(jì)數(shù)功能。最大計(jì)數(shù)為99故需要添加一個二位計(jì)數(shù)電路。同時為其設(shè)計(jì)一個 開關(guān)以達(dá)到手動清零的目的。2.3模塊功能(1) 秒脈沖發(fā)生器模塊本實(shí)驗(yàn)選用555計(jì)時器組成多諧振蕩器發(fā)出的脈沖，從而獲得1HZ的秒脈 沖。秒脈沖發(fā)生器電路圖如圖2所示。:vccR114kQLr r *

4、n 34rL4kQA1-vccrst OUT7 HRTRI.rCON 55532Rd10VIRTU/圖2秒脈沖發(fā)生器(2) 譯碼顯示模塊秒個位、秒十位、分個位、分十位分別位 10、6、10、6進(jìn)制計(jì)數(shù)器。秒、分個位均為十進(jìn)制，即顯示0-9秒、分十位為6進(jìn)制計(jì)數(shù)器，顯示0-5。其顯示仿真電路圖如圖3所示。1_卜7 p t 工峠1 "rap HI37 晶屋flc圖3譯碼顯示模塊（3）手動復(fù)位模塊該部分有一個開關(guān)和串聯(lián)電阻以及一個 5V電壓源組成。用以達(dá)到模擬電 話的通話及掛斷過程。（4）報警裝置模塊用一個燈泡來實(shí)現(xiàn)該電路的報警功能。（5）通話計(jì)數(shù)模塊該部分用倆片74LS160芯片來實(shí)現(xiàn)起

5、最大計(jì)數(shù)為99的功能要求。（6）計(jì)數(shù)器手動清零模塊該部分用與手動復(fù)位部分相同的元器件來實(shí)現(xiàn)其要求。三、選擇器件本設(shè)計(jì)所需要的元器件如表1所示。表1選用元器件74LS160十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器6個555555計(jì)時器1個74LS03雙輸入與非門3個74LS04非門9個74LS12三輸入與非門1個74LS20四輸入與非門1個74LS11三輸入與門1個電容10nF和 750nF1個電阻1K歐2個電阻1.4K 歐2個電阻100歐1個開關(guān)單刀單擲開關(guān)2個DCD-HEXLED顯示屏6個VCC5V電壓源8個燈泡燈泡1個3.1十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器74LS160的應(yīng)用它是同步十進(jìn)制加法記數(shù)器，當(dāng)LOAD端輸入底電平時處于

6、預(yù)置數(shù)狀態(tài)，D0D1、D2、D3的數(shù)據(jù)將會在CP上升沿到達(dá)時被置入 Q0 Q1 Q2 Q3中，它的預(yù) 置數(shù)是同步的。74LS160的邏輯圖如圖4所示。圖中LD為預(yù)置數(shù)控制端，A到D 為數(shù)據(jù)輸入端，RCC為進(jìn)位輸出端，RLC為異步置零端，QA-QD位數(shù)據(jù)輸出端， ENP和ENT為工作狀態(tài)控制端。十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器74LS160的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖如 圖5所示。QQQQT 7EIJP ENT-LOAT> CLKCLKKCO圖4 74LS160的邏輯符號邏輯圖CLRHE Q13忙HNP-CLKr_1>1°r-RCOQa>1idRCID Ob-BCh圖5 74LS160的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

7、圖當(dāng)RC=0時所有觸發(fā)器將同時被置零，而且置零操作不受其他輸入端狀態(tài) 的影響。當(dāng)R.1、LD=0時，電路工作在預(yù)置數(shù)狀態(tài)。這時門 G16-G19的輸出始終 是1,所以FF0-FF1輸入端J、K的狀態(tài)由D0-D3的狀態(tài)決定。當(dāng)RC=LD二而EP=0 ET=1時，由于這時門G16-G19的輸出均為0,亦即FF0-FF3均處在J=K=0的狀態(tài)， 所以CP信號到達(dá)時它們保持原來的狀態(tài)不變。同時C的狀態(tài)也得到保持。如果ET=0則EP不論為何狀態(tài)，計(jì)數(shù)器的狀態(tài)也保持不變，但這時進(jìn)位輸出C等于0。當(dāng)RC=LD=EP=ET=1,電路工作在計(jì)數(shù)狀態(tài)。從電路的0000狀態(tài)開始連續(xù)輸 入16個計(jì)數(shù)脈沖時，電路將從1

8、111的狀態(tài)返回0000的狀態(tài)，C端從高電平跳 變至低電平。利用C端輸出的高電平或下降沿作為進(jìn)位輸出信號。74LS160的邏輯功能如表2所示。表2 74LS160邏輯功能表CPREPET工作狀態(tài)X0XXX置零孔10XX預(yù)置數(shù)X1101保持X11X0保持（但C = 0 ）1111計(jì)數(shù)由74LS160功能表2可得，當(dāng)置數(shù)端為0時，輸出全為0。預(yù)置數(shù)端為0, 當(dāng)脈沖到達(dá)時，計(jì)數(shù)器置數(shù)；當(dāng)置數(shù)和預(yù)置數(shù)端都為 1,且EP=ET=1寸，計(jì)數(shù)器 進(jìn)行加法計(jì)數(shù)；當(dāng)EP=Q EP=1時，輸出不變，且RCO=0當(dāng)ET=1時，各輸出及 RCO都保持不變。3.2 555定時器應(yīng)用555定時器的邏輯管腳圖如圖6所示。連

9、接合適的電阻電容即可組成秒脈沖發(fā)生器。國產(chǎn)雙極型定時器CB555電路結(jié)構(gòu)圖。它是由比較器 Ci和C2，基本RS 觸發(fā)器和集電極開路的放電三極管 Td三部分組成。Vh是比較器C1的輸入端，V12是比較器C2的輸入端。Ci和C2的參考電壓 VR1和VR2由Vcc經(jīng)三個五千歐電阻分壓給出。在控制 電壓輸入端 Vco懸空 時，Vr1=2/3Vcc,Vr2=1/3Vcc。如果 Vco外接固定電壓，則V R1 =V co,V r2=1/2V co.Rd是置零輸入端。只要在Rd端加上低電平，輸出端V0便立即被置成低電 平，不受其他輸入端狀態(tài)的影響。正常工作時必須使 Rd處于高電平。圖中的數(shù) 碼1 8為器件引

10、腳的編號。S4f6555J-21圖6 555定時器邏輯符號555定時器是一種中規(guī)模集成電路，只要在外部配上適當(dāng)阻容元件，就可以 方便地構(gòu)成脈沖產(chǎn)生和整形電路。555定時器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7所示。(1)電路組成555集成定時器由五個部分組成。 基本RS觸發(fā)器：由兩個“與非”門組成 比較器：C1、C2是兩個電壓比較器 分壓器：阻值均為5千歐的電阻串聯(lián)起來構(gòu)成分壓器，為比較器C1和C2提供參考電壓。 晶體管開卷和輸出緩沖器：晶體管VT構(gòu)成開關(guān)，其狀態(tài)受Q端控制。15 :6 :r2 -I4Ou DO43 7輸出緩沖器就是接在輸出端的反相器 G3,其作用是提高定時器的帶負(fù)載能力和 隔離負(fù)載對定時器的影響。C

11、OTHTR圖7 555定時器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖(2) 基本功能555定時器邏輯功能如表3所示。當(dāng)R = 0時，Q =1，輸出電壓 V二V°L為低電平，VT飽和導(dǎo)通21當(dāng)R =1時，Vth -Vcc時，VTR .Vcc時，C1輸出低電平，C2輸出高電平,3Q =1， Q 0， vo =VOL ， T D 飽和導(dǎo)通。2 1當(dāng)R=1、VthVcc、VTR -Vcc時，C1、C2輸出均為高電平，基本RS觸發(fā)器保持原來狀態(tài)不變，因此V。、VT也保持原來狀態(tài)不變。2 1當(dāng)R =1、VthVcc、VTR ：Vcc時，C1輸出高電平，C2輸出低電平，Q=0,Q 1， v。=V°H， VT 截止。表

12、555定時器邏輯功能表閾值輸入(VI1)觸發(fā)輸入(VI2)XXv 2/3VCCv 1/Vcc> 2/Vcc> 1/Vccv 2/Vcc> 1/Vcc輸入.三極管非門輸出復(fù)位(RD)輸出(Vo)放電管T00導(dǎo)通11截止10導(dǎo)通1不變不變在一些實(shí)用的反向器電路中，為了保證在輸入低電平時三極管可靠地截止，常將電路接成圖2.的形式。由于接入了電阻R2和負(fù)電源Vee,即使輸入的低電平信號稍大于零，也能使三極管的基極為負(fù)電位，從而使三極管能可靠地截止，輸出為高電平。當(dāng)輸入信號為高電平時，應(yīng)保證三極管工作在深度飽和狀態(tài)，以使輸出電 平接近于零。為此，電路參數(shù)的配合必須合適，保證提供給三極的

13、基極電流大于 深度飽和的基極電流。 三極管非門邏輯圖如圖8所示。C*-圖8三極管非門邏輯圖校時電路所用的芯片是74LS04，74LS04管腳圖如圖9所示。voc|i+l Ini |i?l Lull liol> 1 8 1rl>-LjJ UJ a1 5 | EL LzJGND圖9 74LS04管腳圖三極管非門74LS04功能表如表4所示。表4 三極管非門74LS04功能表輸入輸出0110同理可知其他各非門與04的原理基本相同。其之間最大的區(qū)別在于是幾輸入 的。00與03均為雙輸入與非門。12為三輸入20為四輸入。在此就不做過細(xì)的介 紹了。3.4 七段顯示數(shù)碼管LED顯示屏是由發(fā)光二極

14、管排列組成的一顯示器件。它采用低電壓掃描驅(qū) 動，具有：耗電少、使用壽命長、成本低、亮度高、故障少、視角大、可視距離 遠(yuǎn)、規(guī)格品種全等特點(diǎn)。目前LED顯示屏作為新一代的信息傳播媒體， 已經(jīng)成為 城市信息現(xiàn)代化建設(shè)的標(biāo)志。管腳12 3 4分別接輸出段的Q °、Q1Q2、Q3 七 段顯示數(shù)碼管管腳圖如圖10所示。U14圖10七段顯示數(shù)碼管四、功能模塊4.1 555多諧振蕩器組成脈沖發(fā)生器多諧振蕩器不需要外加輸入信號，只要加上直流電源就能自動輸出相應(yīng)頻率和寬度的矩形脈沖。由于矩形脈沖含有豐富的高次諧波，所以稱為多諧振蕩器多諧振蕩器電路能從一種狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到另一種狀態(tài)，變化極其迅速。多諧振蕩器的穩(wěn)

15、定度及頻率的準(zhǔn)確度決定了數(shù)字鐘計(jì)時的準(zhǔn)確程度，通常選用成品振構(gòu)成振蕩 器電路。一般來說，振蕩器的頻率越高，計(jì)時精度越高。如果精度要求不高也可 采用集成邏輯門與RC組成的時鐘源振蕩器或由集成定時器 555與RC組成的多諧振蕩器。555多諧振蕩器組成脈沖發(fā)生器電路圖如圖11所示。vcc:j 1 42-3彳1513:C2A1VCC vurDI5.?RI ' CON -''JG1STD ''55532:10VIRTU/L4kQ C1 -712nF圖11秒脈沖發(fā)生器通過該電路我們可以得到脈沖為1Hz的秒脈沖42計(jì)數(shù)器譯碼顯示這一部分采用74LS160實(shí)現(xiàn)秒個位、秒

16、十位、分個位、分十位的計(jì)數(shù)，其 中秒十位和分十位是6進(jìn)制，秒個位和分個位是10進(jìn)制。當(dāng)?shù)谝粋€秒個位計(jì)數(shù) 器的計(jì)數(shù)到9的時候，就發(fā)出一個脈沖給秒十位計(jì)數(shù)器電路一個進(jìn)位信號，當(dāng)秒十位計(jì)數(shù)器到5,秒個位計(jì)數(shù)器到9的時候給分個位計(jì)數(shù)器電路一個進(jìn)位信號。如下圖可看出秒個、十位和分個、十位電路圖相同。所有計(jì)數(shù)器的顯示均采用DCD-HEX譯碼顯示器。計(jì)數(shù)器譯碼顯示如圖 12所示。卜卜片卜 L* r m wE 3S ggl崔A *«-hrU-W1T1F曰匸匯卜上F卜.F III Ubr； kt 號童 1-U-* 'HU1-巳口ng-*7-ai-n* I*伴VIHWsC. £童圖12

17、譯碼電路4.3 計(jì)數(shù)器功能該部分要求就是的最大值為99.我們選用兩片74LS160通過級聯(lián)的方式組成十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。同時其要求通話時長超過三種按一次計(jì)數(shù)。 故其分別由分個位， 分十位引出輸出0011, 0000,將0011的11和第二位0取非后接入三輸入與門， 將0000中的四個0分別取非后接入四輸入與門，二者的輸出在經(jīng)過74LS00與非 之后送入個位芯片的74LS160的CLK端，作為輸入信號。計(jì)數(shù)器功能顯示電路如 圖13所示。EHTR匚0EWPCLK11AQABQBcQCQt>&C74LS04ETLQ74LS04NEWTftCOENPL 11AUAB(JECQtDQD-LOJU

18、D1-A -qTU7E74LS0：JJCLKCLK74LS03NQiNTWP74LS11N74LS04N時匚匚-CLR -LOM&U13A 7心;vcc-LOAE>WNT£L.OOkrittiMl圖13計(jì)數(shù)器觸發(fā)電路4.4報警功能模塊該模塊由一個燈泡和一個74LS04非門組成。其輸入信號是74LS12的輸出端輸出的信號，以達(dá)到每一分鐘報警一次。報警功能電路如圖14所示。圖14報警電路4.5手動復(fù)位和清零模塊該模塊分別有開關(guān)，5V電壓源，電阻組成。構(gòu)成簡單的開關(guān)。復(fù)位開關(guān)四 個計(jì)時裝置的74LS160清零端相連，而清零裝置與計(jì)數(shù)裝置的兩片74LS160芯片 的清零端相連。

19、手動復(fù)位電路如圖15所示。計(jì)時器清零電路如圖16所示。ElDVYS 'UfchCLXo>n匸ycc圖16計(jì)數(shù)器清零電路五、總體設(shè)計(jì)電路圖1 EDA仿真實(shí)驗(yàn)本電路的工作過程如下：由555定時器組成一個多諧振蕩器，產(chǎn)生周期為 1Hz的脈沖，秒脈沖傳給 秒個位計(jì)數(shù)器的CP脈沖輸入端，從而4位顯示計(jì)數(shù)開始工作。4位顯示計(jì)數(shù)的秒個位、分個位都是十進(jìn)制計(jì)數(shù)器（顯示09）,秒十位、分十位都是6進(jìn)制計(jì)數(shù)器（顯示05），總共使用4片74LS160實(shí)現(xiàn)。當(dāng)秒個位計(jì)數(shù)器顯示9,秒十位計(jì)數(shù)器顯示5的時候給分個位計(jì)數(shù)器一個脈 沖信號使其進(jìn)位，同時給報警電路一個脈沖信號，使起報警1秒鐘。同時當(dāng)通話時長超過3分鐘時，信號傳輸?shù)接蓛善?4L