十進(jìn)制加減可逆計數(shù)器的設(shè)計_圖文

1、摘 要計數(shù)器是數(shù)字電路中最為基本的一個單元電路。本次基礎(chǔ)強化的目標(biāo)是要我們熟悉常用MSI集成計數(shù)器的功能和應(yīng)用；掌握利用集成計數(shù)器構(gòu)成不同功能的計數(shù)器的設(shè)計方法；學(xué)會利用EDA軟件（Proteus）對模M的可逆計數(shù)器電路進(jìn)行仿真；掌握可逆計數(shù)器電路的安裝及調(diào)試方法。本次課設(shè)報告先是說明了十進(jìn)制加/減可逆計數(shù)器的技術(shù)指標(biāo)，簡要地陳述了設(shè)計方案和設(shè)計思路，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，設(shè)計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，計數(shù)器，加減可逆

2、目錄摘 要 11設(shè)計任務(wù)與要求 .32設(shè)計方案及其比較 .32.1 設(shè)計方案.32.2設(shè)計思路 .4 .4 .4 .52.3集成電路及元件選擇 .63實現(xiàn)方案 .63.1 脈沖發(fā)生電路實現(xiàn)方案 6 .6有關(guān)參數(shù)及計算 .73.2 加/減/計數(shù)器控制電路實現(xiàn)方案 .73.3 自動控制可逆計數(shù)器實現(xiàn)方案 .93.4譯碼顯示單元電路設(shè)計實現(xiàn)方案 .10譯碼顯示單元電路設(shè)計 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)生電路實現(xiàn)方案 .143.6 清零功能實現(xiàn)方案 .153.7 總原理圖的設(shè)計實現(xiàn)方案 .164 Proteus仿真 .175 制版與調(diào)

3、試 .185.1 DXP注意事項 .185.2 制作PCB板的流程 195.3 注意事項 .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)計任務(wù)與要求設(shè)計一個十進(jìn)制加/減可逆計數(shù)器。要求：（1）接通電源時電路能夠自啟動；（2）外部開關(guān)控制清零、啟動和暫停等功能，并實現(xiàn)加、減計數(shù)，自動加減可逆計算；（3）用數(shù)碼管顯示計數(shù)器值。（4）參考元件：74LS00，74LS76，74LS192，74LS48及LED。2設(shè)計方案及其比較2.1 設(shè)計方案這里設(shè)計模為10的十進(jìn)制加/減可逆計數(shù)功能的電路的設(shè)計方案主要為如圖2-1所示：數(shù)碼管顯示圖2-1 設(shè)計方

4、案2.2設(shè)計思路 因為74LS192就已經(jīng)為10進(jìn)制計數(shù)器，給輸入端CPU輸入脈沖信號就進(jìn)行10進(jìn)制加法計數(shù)。給輸入端CPD輸入脈沖信號就進(jìn)行10進(jìn)制減法計算。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)選擇器即可實現(xiàn)。設(shè)計自控方式的一種加/減可逆計數(shù)順序如圖2-1所示。 圖2-2 自控計數(shù)器的計數(shù)順序從上述圖中可以看出，當(dāng)加計數(shù)到最大值9后自動進(jìn)行減計數(shù)；當(dāng)減計數(shù)到最小值0后自動進(jìn)行加計數(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/減計數(shù)控制信號M。其中的一種設(shè)計思路如圖2-3所示。CLK圖2-2 自動控制信號產(chǎn)生電路的設(shè)計思路圖當(dāng)電路不暫停的時候，計數(shù)器自動計數(shù)。當(dāng)按下暫停的時候，計數(shù)器停止計數(shù)。這時可以手動輸入脈沖，通過分析可得設(shè)計方案圖如圖2-3所示。暫停信號=1圖2-3手動脈沖設(shè)計思路圖由圖可以看出當(dāng)暫停按鈕沒有按下的時候，輸出信號端是由脈沖信號源。當(dāng)暫停按下去的時候，此時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，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?減計數(shù)控制電路”采用一片數(shù)據(jù)分配器74LS138?！凹?減計數(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實現(xiàn)方案3.1 脈沖發(fā)生電路實現(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)的值帶入上面的計算公式得:T=0.999999999s1s3.2 加/減/計數(shù)器控制電路實現(xiàn)方案加/減計數(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/減計數(shù)控制電路如圖3-3所示。圖3-3 加/減計數(shù)控制電路當(dāng)開關(guān)接到高電平時，A=1，此時Y1輸出脈沖信號，如果Y1連接著74LS192的CPD端，此時計數(shù)器就能進(jìn)行減法計數(shù)功能。當(dāng)開關(guān)接到低電平時，A=0，此時Y0輸出脈沖信號，如果Y0連接著74LS192的CPU端，此時計數(shù)器就能進(jìn)行加法計數(shù)功能。3.3 自動控制可逆計數(shù)器實現(xiàn)方

8、案計數(shù)單元電路主要由十進(jìn)制計數(shù)器74LS192構(gòu)成。74LS192是同步十進(jìn)制可逆計數(shù)器，它具有雙時鐘輸入，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，為加計數(shù)端，為減計數(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××××    加計數(shù) 0 1 1 ××××    減計數(shù)用74LS192結(jié)合由74LS138組成的加/減控制電路，再加上一個單刀三擲開關(guān)就構(gòu)成了十進(jìn)制加/減/加減可逆計數(shù)器的計數(shù)單元電路，如圖3-5所示。圖3-5 計數(shù)

10、單元電路原理圖當(dāng)開關(guān)接到反饋電路時，由圖可以看出，當(dāng)觸發(fā)器D=1時，計數(shù)器到9或者到0時給D觸發(fā)器一個高電平，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，計數(shù)器到9或者到0時給D觸發(fā)器一個高電平，產(chǎn)生的上升沿使D觸發(fā)器置0，并使D=1。通過這樣能使計數(shù)器的加減狀態(tài)發(fā)生改變，從而實現(xiàn)可逆計數(shù)功能?？紤]到組合邏輯電路部分可能發(fā)生競爭-冒險現(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)，造成錯誤的結(jié)果。所以在D觸發(fā)器的CLK端前面加一個濾波電容，過濾掉產(chǎn)生的尖峰脈沖。3.4譯碼顯示單元電路設(shè)計實現(xiàn)方案計數(shù)器實現(xiàn)了對時間的累計以8421BCD碼形式輸出，譯碼驅(qū)動電路將計數(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。若將個位、時位、百位計數(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字段是否能正常被點燃。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，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，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，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，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，RBI=1。圖3-7是共陰極式LED數(shù)碼管的原理圖，使用時公共陰極接地，使每個發(fā)光二極管都處于導(dǎo)通狀態(tài)，而且這7個發(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候，輸出信號端是由脈沖信號源。當(dāng)暫停按下去的時候，與非門4腳為低電平，與非門6腳為高電平，此時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，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現(xiàn)手動產(chǎn)生脈沖信號了。由于當(dāng)暫停按鈕按下時，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)生幾個較小脈沖，影響電路。此時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)計圖通過圖分析，可以看出當(dāng)清零按鈕按下去的時候 為0，此時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10K的電阻。防止清零的時候整個電路短路。3.7 總原理圖的設(shè)計實現(xiàn)方案將計數(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所示布置完整個電路圖之后，點擊proteus右下角圖標(biāo)中的圖標(biāo)，開始仿真，仿真先在可逆計數(shù)的模式下計數(shù)：先加法計數(shù)，從0計數(shù)到9，當(dāng)加計數(shù)到最大值9后自動進(jìn)行減計數(shù)，當(dāng)減計數(shù)到最小值0后自動進(jìn)行加計數(shù)，如不斷循環(huán)。仿真中的一個狀態(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，計數(shù)器重新從0開始計數(shù)。暫停按鈕仿真：按下暫停之后，計數(shù)器停止計數(shù)。手動脈沖仿真：按一下手動脈沖，計數(shù)

20、器計數(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)計方案所要求的結(jié)果完全一樣，說明電路圖達(dá)到設(shè)計要求。5 制版與調(diào)試5.1 DXP注意事項電路繪制的時候主要是注意各個元器件的封裝和實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，布線時需要設(shè)計好參數(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)計要求）。5.3 注意事項（1）在測試過程中，若某項指標(biāo)偏差較大，則根據(jù)設(shè)計表調(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，布線時盡量短，少。焊盤過孔設(shè)計合理。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，并自動計數(shù)。若沒有正常計數(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)計要求，若不滿足設(shè)計要求應(yīng)該根據(jù)不滿足設(shè)計要求的相關(guān)元件進(jìn)行檢查，使其達(dá)到設(shè)計要求。測試結(jié)果顯示自動加減/可逆加減完全符合設(shè)計要求，但是555多諧振蕩器的振蕩頻率為0.91hz，與理論設(shè)計的不符，所以通過改變電位器的阻值來使實際的振蕩頻率大致變?yōu)?Hz。在手動脈沖的情況下實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。介于個人的經(jīng)驗不足，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)計是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識，是發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實際問題、鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié)，是對學(xué)生實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)計過程中，不斷有新的問題出現(xiàn)，這時要通過查資料和搜索相關(guān)的文獻(xiàn)來解決這些問題，強化了我自己自學(xué)能力和動手能力。積累了大量有用的設(shè)計經(jīng)驗。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