十進(jìn)制加減可逆計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)

1、摘 要計(jì)數(shù)器是數(shù)字電路中最為基本的一個(gè)單元電路。本次基礎(chǔ)強(qiáng)化的目標(biāo)是要我們熟悉常用MSI集成計(jì)數(shù)器的功能和應(yīng)用；掌握利用集成計(jì)數(shù)器構(gòu)成不同功能的計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)方法；學(xué)會利用EDA軟件（Proteus）對模M的可逆計(jì)數(shù)器電路進(jìn)行仿真；掌握可逆計(jì)數(shù)器電路的安裝及調(diào)試方法。本次課設(shè)報(bào)告先是說明了十進(jìn)制加/減可逆計(jì)數(shù)器的技術(shù)指標(biāo)，簡要地陳述了設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)思路，然后就對其有關(guān)理論知識作了一些簡要的介紹，然后在性能指標(biāo)分析基礎(chǔ)上進(jìn)行單元電路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出整體電路圖并且在軟件Proteus中進(jìn)行仿真，最后通過protel做出電路板驗(yàn)證是否達(dá)到技術(shù)要求，總結(jié)課設(shè)體會。關(guān)鍵詞：手動控制，自動控制，計(jì)數(shù)器，加減可逆

2、目錄摘 要 11設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 .32設(shè)計(jì)方案及其比較 .32.1 設(shè)計(jì)方案.32.2設(shè)計(jì)思路 .4 .4 .4 .52.3集成電路及元件選擇 .63實(shí)現(xiàn)方案 .63.1 脈沖發(fā)生電路實(shí)現(xiàn)方案 6 .6有關(guān)參數(shù)及計(jì)算 .73.2 加/減/計(jì)數(shù)器控制電路實(shí)現(xiàn)方案 .73.3 自動控制可逆計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)方案 .93.4譯碼顯示單元電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案 .10譯碼顯示單元電路設(shè)計(jì) 10譯碼器74LS48 .11顯示器LG5011AH .12譯碼顯示電路 133.5 手動脈沖發(fā)生電路實(shí)現(xiàn)方案 .143.6 清零功能實(shí)現(xiàn)方案 .153.7 總原理圖的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案 .164 Proteus仿真 .175 制版與調(diào)

3、試 .185.1 DXP注意事項(xiàng) .185.2 制作PCB板的流程 195.3 注意事項(xiàng) .195.4 調(diào)試結(jié)果與分析 .196 課設(shè)總結(jié) .20謝辭 .21參考文獻(xiàn) .22附錄 .231設(shè)計(jì)任務(wù)與要求設(shè)計(jì)一個(gè)十進(jìn)制加/減可逆計(jì)數(shù)器。要求：（1）接通電源時(shí)電路能夠自啟動；（2）外部開關(guān)控制清零、啟動和暫停等功能，并實(shí)現(xiàn)加、減計(jì)數(shù)，自動加減可逆計(jì)算；（3）用數(shù)碼管顯示計(jì)數(shù)器值。（4）參考元件：74LS00，74LS76，74LS192，74LS48及LED。2設(shè)計(jì)方案及其比較2.1 設(shè)計(jì)方案這里設(shè)計(jì)模為10的十進(jìn)制加/減可逆計(jì)數(shù)功能的電路的設(shè)計(jì)方案主要為如圖2-1所示：數(shù)碼管顯示圖2-1 設(shè)計(jì)方

4、案2.2設(shè)計(jì)思路 因?yàn)?4LS192就已經(jīng)為10進(jìn)制計(jì)數(shù)器，給輸入端CPU輸入脈沖信號就進(jìn)行10進(jìn)制加法計(jì)數(shù)。給輸入端CPD輸入脈沖信號就進(jìn)行10進(jìn)制減法計(jì)算。所以需要解決的問題是如何切換加、減狀態(tài)切換。經(jīng)過分析，應(yīng)該實(shí)現(xiàn)如下表2-1的功能表2-1 自動加、減信號控制脈沖輸入端的方式信號M計(jì)數(shù)方式CPUCPD0加法CLK11減法1CLK這一功能通過一片數(shù)據(jù)選擇器即可實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)自控方式的一種加/減可逆計(jì)數(shù)順序如圖2-1所示。 圖2-2 自控計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)順序從上述圖中可以看出，當(dāng)加計(jì)數(shù)到最大值9后自動進(jìn)行減計(jì)數(shù)；當(dāng)減計(jì)數(shù)到最小值0后自動進(jìn)行加計(jì)數(shù)，如此不斷循環(huán)。所以要解決的關(guān)鍵問題是：電路如何自動

5、產(chǎn)生加/減計(jì)數(shù)控制信號M。其中的一種設(shè)計(jì)思路如圖2-3所示。CLK圖2-2 自動控制信號產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)思路圖當(dāng)電路不暫停的時(shí)候，計(jì)數(shù)器自動計(jì)數(shù)。當(dāng)按下暫停的時(shí)候，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。這時(shí)可以手動輸入脈沖，通過分析可得設(shè)計(jì)方案圖如圖2-3所示。暫停信號=1圖2-3手動脈沖設(shè)計(jì)思路圖由圖可以看出當(dāng)暫停按鈕沒有按下的時(shí)候，輸出信號端是由脈沖信號源。當(dāng)暫停按下去的時(shí)候，此時(shí)輸入信號端不受脈沖信號源的影響，而是由手動脈沖來決定了。當(dāng)沒有按下手動脈沖時(shí)，輸出信號端為持續(xù)高電平。只有按下手動脈沖按鈕才能產(chǎn)生低電平。所以通過按動手動按鈕就可以實(shí)現(xiàn)手動產(chǎn)生脈沖信號了。2.3集成電路及元件選擇 “脈沖信號產(chǎn)生電路”采

6、用NE555?！凹?減計(jì)數(shù)控制電路”采用一片數(shù)據(jù)分配器74LS138?！凹?減計(jì)數(shù)控制信號自動產(chǎn)生電路”采用集成D觸發(fā)器74LS74和集成門電路74LS00、74LS32。集成計(jì)數(shù)器采用74LS192?！帮@示譯碼電路”采用74LS48。LED數(shù)碼管采用共陰極數(shù)碼管。3實(shí)現(xiàn)方案3.1 脈沖發(fā)生電路實(shí)現(xiàn)方案圖3-1多諧振蕩器電路圖1、理論數(shù)據(jù)：多諧振蕩器的振蕩周期T計(jì)算公式為:T = 0.693*( (R1 + 2R2 * C1各參數(shù)的值:R1=100K R2 =22K C=10uf將各參數(shù)的值帶入上面的計(jì)算公式得:T=0.999999999s1s3.2 加/減/計(jì)數(shù)器控制電路實(shí)現(xiàn)方案加/減計(jì)數(shù)控

7、制電路主要由74LS138構(gòu)成。74LS138芯片是常用的3-8線譯碼器，常用在單片機(jī)和數(shù)字電路的譯碼電路中，74LS138的引腳排列如圖3-2所示，真值表如表3-1所示。圖3-2 74LS138的引腳排列圖表3-1 74LS138的真值表由74LS138構(gòu)成的加/減計(jì)數(shù)控制電路如圖3-3所示。圖3-3 加/減計(jì)數(shù)控制電路當(dāng)開關(guān)接到高電平時(shí)，A=1，此時(shí)Y1輸出脈沖信號，如果Y1連接著74LS192的CPD端，此時(shí)計(jì)數(shù)器就能進(jìn)行減法計(jì)數(shù)功能。當(dāng)開關(guān)接到低電平時(shí)，A=0，此時(shí)Y0輸出脈沖信號，如果Y0連接著74LS192的CPU端，此時(shí)計(jì)數(shù)器就能進(jìn)行加法計(jì)數(shù)功能。3.3 自動控制可逆計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)方

8、案計(jì)數(shù)單元電路主要由十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS192構(gòu)成。74LS192是同步十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器，它具有雙時(shí)鐘輸入，并具有清除和置數(shù)等功能，其引腳排列圖如圖3-4所示。圖3-4 74LS192的引腳排列圖圖中：為置數(shù)端，為加計(jì)數(shù)端，為減計(jì)數(shù)端，為非同步進(jìn)位輸出端， 為非同步借位輸出端，P0、P1、P2、P3為計(jì)數(shù)器輸入端，為清除端，Q0、Q1、Q2、Q3為數(shù)據(jù)輸出端。其功能表如表3-2所示。表3-2 74LS192的功能表輸入     輸出MRP3P2P1P0Q3Q2Q1Q0 1 × × ×&

9、#215;×××0000 0 0 × ×dcbadcba 0 1  1××××    加計(jì)數(shù) 0 1 1 ××××    減計(jì)數(shù)用74LS192結(jié)合由74LS138組成的加/減控制電路，再加上一個(gè)單刀三擲開關(guān)就構(gòu)成了十進(jìn)制加/減/加減可逆計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)單元電路，如圖3-5所示。圖3-5 計(jì)數(shù)

10、單元電路原理圖當(dāng)開關(guān)接到反饋電路時(shí)，由圖可以看出，當(dāng)觸發(fā)器D=1時(shí)，計(jì)數(shù)器到9或者到0時(shí)給D觸發(fā)器一個(gè)高電平，產(chǎn)生的上升沿使D觸發(fā)器置1，并使D=0。當(dāng)觸發(fā)器D=0時(shí)，計(jì)數(shù)器到9或者到0時(shí)給D觸發(fā)器一個(gè)高電平，產(chǎn)生的上升沿使D觸發(fā)器置0，并使D=1。通過這樣能使計(jì)數(shù)器的加減狀態(tài)發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)可逆計(jì)數(shù)功能。考慮到組合邏輯電路部分可能發(fā)生競爭-冒險(xiǎn)現(xiàn)象，這種由于競爭而產(chǎn)生的尖峰脈沖會引起D觸發(fā)器的誤翻轉(zhuǎn)，造成錯(cuò)誤的結(jié)果。所以在D觸發(fā)器的CLK端前面加一個(gè)濾波電容，過濾掉產(chǎn)生的尖峰脈沖。3.4譯碼顯示單元電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)了對時(shí)間的累計(jì)以8421BCD碼形式輸出，譯碼驅(qū)動電路將計(jì)數(shù)器輸出

11、的8421BCD碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管需要的邏輯狀態(tài)，并且為七段數(shù)碼管的正常工作提供足夠的工作電流。譯碼器是一個(gè)多輸入、多輸出的組合邏輯電路。它的工作是把給定的代碼進(jìn)行“翻譯”，變成相應(yīng)的狀態(tài)，使輸出通道中相應(yīng)的一路有信號輸出。譯碼器在數(shù)字系統(tǒng)中有廣泛的用途，不僅用于代碼的轉(zhuǎn)換、終端的數(shù)字顯示，還用于數(shù)字分配，存儲器尋址和組合控制信號等。譯碼器可以分為通用譯碼器和顯示譯碼器兩大類。用于驅(qū)動LED七段數(shù)碼顯示常用的有74LS48。74LS48是BCD-7段譯碼器/驅(qū)動器，其輸出是OC門輸出且高電平有效，專用于驅(qū)動LED七段共陰極顯示數(shù)碼管。其功能是把輸入的8421BCD碼ABCD譯成七段輸出a-g，再由

12、七段數(shù)碼管顯示相應(yīng)的數(shù)。由74LS48和LED七段共陰極數(shù)碼管組成一位數(shù)碼顯示電路。若將個(gè)位、時(shí)位、百位計(jì)數(shù)器的輸出分別接到相應(yīng)七段譯碼器的輸入端，便可進(jìn)行不同數(shù)字顯示。在譯碼器輸出與數(shù)碼管之間串聯(lián)的R為限流電阻。當(dāng)計(jì)數(shù)器在CP脈沖的作用下，就應(yīng)將其狀態(tài)顯示成清晰的數(shù)字符號。 74LS48的管腳如圖3-6所示。在管腳圖中，管腳LT、RBI、BI/RBO都是低電平是起作用，作用分別為：LT為燈測檢查，用LT可檢查七段顯示器個(gè)字段是否能正常被點(diǎn)燃。BI是滅燈輸入，可以使顯示燈熄滅。RBI是滅零輸入，可以按照需要將顯示的零予以熄滅。BI/RBO是共用輸出端，RBO稱為滅零輸出端，可以配合滅零輸出端R

13、BI，在多位十進(jìn)制數(shù)表示時(shí)，把多余零位熄滅掉，以提高視圖的清晰度。74LS48圖3-6 74LS48 的管腳圖74LS48的功能：74LS48的功能表如表3-3所示。表3-3 74LS48 BCD七段譯碼驅(qū)動器功能表74LS48引腳功能-七段譯碼驅(qū)動器功能表十進(jìn)制數(shù)輸 入BT/RB0輸 出LTRBIABCDabcdefg0H/0000H11111111H/0001H01100002H/0010H11011013H/0011H11110014H/0100H01100115H/0101H10110116H/0110H00111117H/0111H11100008H/1000H11111119H/1

14、001H1110011（1）譯碼功能：將LT，RBI和BI/RBO端接高電平，輸入十進(jìn)制數(shù)09的任意一組8421BCD碼（原碼），則輸出端ag也會得到一組相應(yīng)的7位二進(jìn)制代碼（74LS48驅(qū)動共陰極，輸出3FH、06H、5BH；74LS47驅(qū)動共陽極，輸出COH、F9H、A4H）。如果將這組代碼輸入到數(shù)碼管，就可以顯示出相應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)。（2）試燈功能：給試燈輸入加低電平，而BI/RBO端加高電平時(shí)，則輸出端ag均為高電平。若將其輸入數(shù)碼管，則所有的顯示段都發(fā)亮。此功能可以用于檢查數(shù)碼管的好壞。（3）滅燈功能：將低電平加于滅燈輸入時(shí)，不管其他輸入為什么電平，所有輸出端都為低電平。將這樣的輸出信號

15、加至數(shù)碼管，數(shù)碼管將不發(fā)亮。（4）動態(tài)滅燈功能：RBI端為滅零輸入端，其作用是將數(shù)碼管顯示的數(shù)字0熄滅。當(dāng)RBI=0，且DCBA=0000時(shí)，若LT=1，ag輸出為低電平，數(shù)碼管無顯示。利用該滅零端，可熄滅多位顯示中不需要的零。不需要滅零時(shí)，RBI=1。圖3-7是共陰極式LED數(shù)碼管的原理圖，使用時(shí)公共陰極接地，使每個(gè)發(fā)光二極管都處于導(dǎo)通狀態(tài)，而且這7個(gè)發(fā)光二極管a到g分別由相應(yīng)的BCD七段譯碼器來驅(qū)動。圖3-7 共陰極LED數(shù)碼管的原理圖選用型號為LG5011AH的數(shù)碼管，LG5011AH的管腳功能圖如圖3-8所示， 圖3-8 LG5011AH的管腳圖譯碼顯示電路由共陰極譯碼器74LS48和

16、七段數(shù)碼管LED組成。74LS48和共陰數(shù)碼管的連接圖如圖3-9所示。圖3-9 譯碼顯示電路圖3.5 手動脈沖發(fā)生電路實(shí)現(xiàn)方案圖3-10 手動脈沖電路圖如圖3-10所示，由圖可以看出當(dāng)暫停按鈕沒有按下的時(shí)候，輸出信號端是由脈沖信號源。當(dāng)暫停按下去的時(shí)候，與非門4腳為低電平，與非門6腳為高電平，此時(shí)脈沖信號源不起作用，而是由手動脈沖來決定了。當(dāng)沒有按下手動脈沖時(shí)，輸出信號端為持續(xù)高電平。只有按下手動脈沖按鈕才能產(chǎn)生低電平。所以通過按動手動按鈕就可以實(shí)現(xiàn)手動產(chǎn)生脈沖信號了。由于當(dāng)暫停按鈕按下時(shí)，電源和地線短路，這種情況是不允許的，所以在電源和按鈕之間串聯(lián)一個(gè)10K的上拉電阻。圖3-11 按鈕抖動圖

17、按鈕按下去的期間為產(chǎn)生抖動，如圖3-11所示，可能會連續(xù)產(chǎn)生幾個(gè)較小脈沖，影響電路。此時(shí)可以利用電容的充放電特性，通常在按鈕兩端并聯(lián)一只電容，來達(dá)到濾除抖動帶來的干擾，這樣就能把前沿抖動和后沿抖動去除。3.6 清零功能實(shí)現(xiàn)方案根據(jù)74LS192的功能表可以看出，清零的方法有兩種，一種是復(fù)位法,通過給MR端一個(gè)高電平來進(jìn)行清零，另一種是預(yù)置數(shù)法，先把D0、D1、D2、D3 接地(相當(dāng)于0，通過給一個(gè)低電平，達(dá)到置零的目的。這里選擇第二方法，如圖3-12所示:圖3-12 清零電路設(shè)計(jì)圖通過圖分析，可以看出當(dāng)清零按鈕按下去的時(shí)候 為0，此時(shí)74LS192置為預(yù)設(shè)好的0000.,即達(dá)到了清零的目的。因

18、為之前說過，電源和地線不能直接相連，所以要在電源端串聯(lián)一個(gè)10K的電阻。防止清零的時(shí)候整個(gè)電路短路。3.7 總原理圖的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案將計(jì)數(shù)電路、顯示譯碼電路、加/減法/加減可逆控制電路、清零電路和手動脈沖電路連接起來就構(gòu)成了符合設(shè)計(jì)要求電路圖，如圖3-13所示。圖3-13 手動、自動控制加/減可逆計(jì)數(shù)器原理圖4 Proteus仿真Proteus軟件是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。雖然目前國內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機(jī)愛好者、從事單片機(jī)教學(xué)

19、的教師、致力于單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。 打開該軟件，按照如圖X-X所示布置完整個(gè)電路圖之后，點(diǎn)擊proteus右下角圖標(biāo)中的圖標(biāo)，開始仿真，仿真先在可逆計(jì)數(shù)的模式下計(jì)數(shù)：先加法計(jì)數(shù)，從0計(jì)數(shù)到9，當(dāng)加計(jì)數(shù)到最大值9后自動進(jìn)行減計(jì)數(shù)，當(dāng)減計(jì)數(shù)到最小值0后自動進(jìn)行加計(jì)數(shù)，如不斷循環(huán)。仿真中的一個(gè)狀態(tài)如圖4-1所示。圖4-1 完整電原理圖十進(jìn)制加法仿真：從0計(jì)數(shù)到9，然后又跳到0，不斷循環(huán)。十進(jìn)制減法仿真：從9計(jì)數(shù)到0，然后又跳到9，不斷循環(huán)。清零按鈕仿真：按下清零之后，數(shù)碼管馬上顯示0，計(jì)數(shù)器重新從0開始計(jì)數(shù)。暫停按鈕仿真：按下暫停之后，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。手動脈沖仿真：按一下手動脈沖，計(jì)數(shù)

20、器計(jì)數(shù)一次。從仿真結(jié)果可以得出，在Proteus軟件中仿真結(jié)果與之前設(shè)計(jì)方案所要求的結(jié)果完全一樣，說明電路圖達(dá)到設(shè)計(jì)要求。5 制版與調(diào)試5.1 DXP注意事項(xiàng)電路繪制的時(shí)候主要是注意各個(gè)元器件的封裝和實(shí)際買回來的元器件的管腳大小及距離相對應(yīng)，并有選擇地采用排針作為信號的輸入以及輸出和直流電源的輸入。元器件采用先手動布局。布線采用自動布局，然后在這基礎(chǔ)上手動調(diào)整布局，布線時(shí)需要設(shè)計(jì)好參數(shù)。由于做電路板的條件有限，不可能按照工廠印刷版的參數(shù)來設(shè)定。所以為了方便做板，一般線條大小為0.7mm，地線為1.5mm，過孔為0.5mm，焊盤為1.8mm。電路板的長寬為：98mm×125mm。實(shí)際板

21、子大小為：105mm×145mm，繪制好的pcb的sch電路圖看附錄圖2。Pcb板請看附錄圖1.5.2 制作PCB板的流程設(shè)計(jì)好原理圖sch改變封裝繪制pcb板布局布線打印pcb圖紙印制銅板腐蝕銅板鉆孔焊接元器件測板修改電路測試（直到符合設(shè)計(jì)要求）。5.3 注意事項(xiàng)（1）在測試過程中，若某項(xiàng)指標(biāo)偏差較大，則根據(jù)設(shè)計(jì)表調(diào)整修正相應(yīng)元器件的值。（2）制作板子過程中，為了節(jié)省材料，節(jié)約資源，盡量用最少的東西完成最佳的功能。所以板子元器件布局緊密。而提高抗干擾能力，布線時(shí)盡量短，少。焊盤過孔設(shè)計(jì)合理。5.4 調(diào)試結(jié)果與分析對安裝好的電路按一下方法進(jìn)行調(diào)整和測試： （1）仔細(xì)檢查裝好的電路，確

22、認(rèn)元件與導(dǎo)線連接無誤后連通電源。（2）在電路輸入端輸入5V電源，接上電路后看數(shù)碼管是否能正常顯示數(shù)字，并自動計(jì)數(shù)。若沒有正常計(jì)數(shù)，應(yīng)該檢查電路，找出故障原因。（3）若數(shù)碼管的數(shù)字能正常跳動，可進(jìn)一步進(jìn)行調(diào)試，觀察其他功能是否滿足設(shè)計(jì)要求，若不滿足設(shè)計(jì)要求應(yīng)該根據(jù)不滿足設(shè)計(jì)要求的相關(guān)元件進(jìn)行檢查，使其達(dá)到設(shè)計(jì)要求。測試結(jié)果顯示自動加減/可逆加減完全符合設(shè)計(jì)要求，但是555多諧振蕩器的振蕩頻率為0.91hz，與理論設(shè)計(jì)的不符，所以通過改變電位器的阻值來使實(shí)際的振蕩頻率大致變?yōu)?Hz。在手動脈沖的情況下實(shí)際中的按鈕抖動問題比較明顯，會出現(xiàn)按一次手動脈沖按鈕，數(shù)字跳動幾下的情況。介于個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)不足，通過嘗試換不同大小的電容，但是還是沒有完全解決按鈕抖動的問題。課設(shè)總結(jié)課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識，是發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實(shí)際問題、鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)，是對學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程。通過此次的課設(shè)，我不僅學(xué)到了很多書上沒有的知識，而且鞏固了以前所學(xué)到的知識。讓我知道了光光學(xué)好理論知識是沒用的，要通過實(shí)踐把理論知識結(jié)合起來才能算是真正的學(xué)到知識。在課設(shè)的設(shè)計(jì)過程中，不斷有新的問題出現(xiàn)，這時(shí)要通過查資料和搜索相關(guān)的文獻(xiàn)來解決這些問題，強(qiáng)化了我自己自學(xué)能力和動手能力。積累了大量有用的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。做課設(shè)保持良好的態(tài)度和心態(tài)是非常重要的，不能一遇到困難就放棄或者去抄襲別人的方案。而