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1、数字规律电路设计课程设计报告系部：三系专业：通信工程班级：11 通信 1 班名：学号：成绩：指导教师：开课时间： 2023-2023学年二 学期数字规律电路设计一、设计题目篮球竞赛 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（1） 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。（2） 分别设置启动键和暂停/连续键，把握两个计时器的直接启动计数，暂停/连续计数功能。（3） 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。（4） 计时器递减计数到
2、“00”时，计时器跳回“24”停顿工作，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。 其次天：消化课题，把握设计要求，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展仿真。第五天：分析电路，对原设计电路不断修改，获得最正确设计方案。第六天：完成整体设计并仿真验证。第七天：对课程设计进呈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，最终考核成绩由四局部组成：4篮
3、球竞赛 24 秒倒计时器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、答复教师所提出的问题，占总成绩 20；4、考勤状况，占总成绩 10；无故旷课一次，寻常成绩减半；无故旷课两次寻常成绩为 0 分，无故旷课三次总成绩为 0 分。迟到 20 分钟按旷课处理。名目前言51、总体设计思路、根本原理和框图61.1 设计思路61.2 设计原理和功能71.2.1 根本功能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92.1.174LS0092.1.2555 定时器92.1.374LS90102.1.474LS192112.2 单元模块122.2.
4、1 秒脉冲发生模块122.2.2 倒计时模块132.2.3 把握电路模块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 自动停顿、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26前言电子课程设计是电子技术学习中格外重要的一个环节，是将理论学问和实践力气相统一的一个环节，是真正熬炼学生力气的一个环节。在很多领域中计时器均得到普遍应用，诸如在体育竞赛，定时报警器、玩耍中
5、的倒时器，交通信号灯、红绿灯、行人灯、交通纤毫把握机，还可以用来做为各种药丸、药片，胶囊在指定时间提示用药等等，由此可见计时器在现代社会的应用是相当普遍的。在篮球竞赛中，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“智能篮球竞赛倒计时器的设计”，可用于篮球竞赛中，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，把握计时器的直接复位、启动和暂停/连续功能；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
6、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学问，并在 Multisim 下设计和进展仿真，得到了预期的结果。1、总体设计思路、根本原理和框图1.1 设计思路本课程设计是脉冲数字电路的简洁应用，设计了篮球竞赛 24 秒倒计时器。此计时器功能齐全，具有直接复位、启动、暂停|连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、暂停和连续功能，可以便利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。此计时器的设计承受模块化构造，主要由以下 5
7、个局部组：秒信号产生模块、计时模块、把握模块、译码显示模块以及报警电路模块。在设计此倒计时器时， 承受模块化的设计思想，使设计起来更加简洁、便利、快捷。篮球竞赛 24 秒倒计时系统的主要功能包括：进攻方 24 秒倒计时和计时完毕警报提示。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，为计数电路供给计数秒脉冲。攻方 24 秒倒计时，当竞赛预备开头时，屏幕上显示 24 秒字样，当竞赛开头后，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；把握电路主要利用 SR 锁存器的锁存功能和计时电路的反响信息来把握电路的计时模块
8、，以实现倒计时器的多项功能。当计数器计时到零时，警报电路给动身光提示和提示音。这局部电路主要通过一些门电路来实现。1.2 设计原理和功能篮球竞赛 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、报警电路和把握电路等五个模块组成。其中计数器和把握电路是系统的主要模块。计数器完成 24 秒计时功能，而把握电路完成计数器的直接复位、启动计数、暂停/连续计数、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，本电路承受 555 定时器组成的多谐振荡器产生秒脉冲信号。显示电路承受共阴极数码管对计数器的输出信号直接进展译码显示。报警电路在试验中
9、可用发光二极管和蜂鸣器代替。主体电路： 24 秒倒计时局部由 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 秒倒计时器开头进展倒计时，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”状态连续进展倒计时这一特点，将短暂消灭的“99”状态信息通过与非门反响到把握电路，使把握电路把握计数器的置数端持续有效，电路回到“24”状态并停顿计时。另外，在把握电路中还设置了把握开关来实现电路的启动、直接复位以及暂停/连续等功能。1.2.1 根本功能本电路根本功能主要包括启动、直接复位、暂停/连续等功能，这些
10、功能的实现由把握电路的把握作用来完成。启动功能：把握电路局部主要由与非门组成的 SR 锁存器和一些门电路、把握开关组成。在保证 74LS192 双向计数器工作在减计数状态的前提下，将其置数端接在把握电路 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，计数器依据其他把握信号正常工作，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
11、状态。十位数字各位数字把握电路计数器计数器秒信号信号产生电报警电路暂停/连续功能：开关 J2 为暂停/连续键，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，秒脉冲信号接通连续为计数器供给脉冲信号，计数器连续进展计数。1.3 总体设计框图图 1.1 总设计框图数字规律电路设计2、单元电路设计2.1 各芯片的用法和功能2.1.174LS0074LS00 为二输入与非门，本电路利用其构成了 SR 锁存器和其他一些根本功能。与非门规律功能为两输入端有“0”为“1”，全“1”为“0”。两输入与非门 74LS00 引脚图如图 2.1 所示。图 2.174LS0
12、0 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，还常用于把握与检测电路中。555 定时器的内部电路由分压器、电压比较器 C1和 C 、简洁 SR 锁存器、放2电三极管 T 以及缓冲器 G 组成，其内部构造图如图 2.2 所示。图 2.2555 定时器内部构造图本电路承受 555 定时器构成的多谐振荡器产生脉冲信号。篮球竞赛 24 秒倒计时器9数字规律电路设计用 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
13、 导通，此时电o 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t =R C 20.7R CPL22当放电完毕时，T 截止，Vcc 将通过 R 、R 向电容器 C 充电，v由 Vcc/3 上12c升到 2Vcc/3 所需时间为t =(R +R )C 20.7(R +R )CPH1212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进展波。电路的工作波形如图 2.3b，器振荡频率为f=1/( t + t )1.43/(R +2R )CPLPH12a电路图b工作波形图 2
14、.3由 555 定时器组成的多谐振荡器2.1.374LS90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。篮球竞赛 24 秒倒计时器10数字规律电路设计A. 将输出 QAB. 将输出 QD图 2.474LS90 功能表与输入 B 相接构成 8421BCD 码计数器。与输入 A 相接构成 5421BCD 码计数器。C. 表中
15、 H 为高电平、L 为低电平、为不定状态。74LS90 规律电路图如图 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 R 、R 和置位置“9”12端S 、S 。12图 2.574LS90 引脚图2.1.474LS19274LS192 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。当需要进展多级扩展连接时，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：+-篮球竞赛 24 秒倒计时器11数字规律电路设计PDOWNLDCLR操作1
16、清零00置数110加计数110减计数1110保持U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，接高电寻常计数器清零；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；Q 、AQ 、Q 、Q 为数据输出端。BCD2.2 单元模块2.2.1 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
17、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。篮球竞赛 24 秒倒计时器12数字规律电路设计图 2.8秒脉冲发生电路图2.2.2 倒计时模块24 秒倒计时电路。这局部电路的主体局部在时钟脉冲的输入状况下工作， 下面进展具体分析。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，
18、由于本系统只需要从开头时的“24”倒计到“00”然后停顿， 所以，这里的高位不需要做成六十进制的计数器。由于预置的数不是“00”，所以我选用置数端 LOAD 来进展预置数。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。篮球竞赛 24 秒倒计时器13数字规律电路设计图 2.9秒脉冲产生电路2.2.3 把握电路模块倒数计数器到零时，需要将
19、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 Q 引出线接到二脚D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把握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顿的电路。电路图如图 2.9 所示。图 2.10把握电路电路图篮球竞赛 24 秒倒计时器14数字规律电路设计2.2.4 报警提示模块当电路由
20、“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 2.11报警电路图篮球竞赛 24 秒倒计时器15数字规律电路设计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，计数器开头计数。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头计数。当计数器计数到“00”时应使计数器复位并置数“
21、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，所以本电路承受“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。假设需要暂停时，断开暂停/连续开关 J2，这时 CP 信号被截止，计数器停顿计数并保持不变。当闭合J2 后，计数器连续计数。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
22、数器将马上复位到“24”。图 3.1总电路原理图篮球竞赛 24 秒倒计时器16数字规律电路设计3.2 仿真调试3.2.1 启动功能当按下启动开关 J1 使其活动端接地时，计数器开头计数。图 3.2刚刚启动时图图 3.3运行中图篮球竞赛 24 秒倒计时器17数字规律电路设计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，计数器将马上复位到“24”。图 3.4直接复位图3.2.3 暂停功能J2 为暂停/连续开关，断开暂停/连续开关 J2，这时 CP 信号被截止，计数器停顿计数并保持不变。当闭合 J2 后，计数器连续计数。篮球竞赛 24 秒倒计时器18数字规律电
23、路设计图 3.5暂停状态图3.2.4 自动停顿、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。篮球竞赛 24 秒倒计时器19数字规律电路设计图 3.6自动停顿、复位图篮球竞赛 24 秒倒计时器20数字规律电路设计4、故障分析与电路改进4.1 故障分析和解决电路在整体设计好之后，仿真时消灭各种故障是在所难免的。比方，由于马虎造成的连线错误，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认真检查与认真思考，改正电路存在的各种错误和不完善的地方，使电路
24、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，确定要有足够的急躁和细心。首先要利用学习的理论学问对各种芯片、器件的工作原理、工作条件等有一个明确的生疏，再依据电路存在的问题找出缘由与解决方法。遇到实在无法解决的问题要努力查阅资料或向教师请教。4.2 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，但仍存在很多缺乏与缺点。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、各电阻的比例不好把握，所以很难通过理论计算使其产生抱负频率的脉冲信号。而且多谢振荡器也不简洁直接产生频率为 1
25、Hz 的脉冲信号。经过反复的思考和教师的指导，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展分频最终得到 1Hz 的脉冲信号。另外，仿真时还消灭了理论倒计时时间和仿真时间不全都的状况，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根本上接近 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。比方当数码管显示到“00”时便发出警报信号，应当是更合理的。但是本电路只有在从“00”转到“24” 是才能报警。实际的电路改
26、进可以先在两个 74LS192 的输出端接上两个四输入与23篮球竞赛 24 秒倒计时器非门，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简洁。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根本理论学问与其实际应用联系起来。拿到课程设计的题目后，首先依据学到的理论和教师讲授的方法， 和同组同学一起分析争论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。然后依据分析的结果进展整体的电路设计。电路初步完成后，局部地方的思考不够缜密导致电路还不够完善，在运行过程中消灭了一些问题。后来经过认真检测和校正，电路
27、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问题时，我们都认真分析争论，通过大家的力气解决问题。对于一些实在难以解决的问题，我们也认真向教师询问请教，和教师一起探讨解决。通过此次电路设计，我加深了对课本学问的生疏和理解，对课本中学习过的一些芯片的用法和原理、电路原理以及电路设计方法也有了更深一步的生疏。6、心得体会本次为期一周半的数字课程设计已经完毕了，在这并不算长的时间里我却获益良多。第一，我对本学期所学的理论学问有了更加深刻的理解。首先是对本次课程设计用到的 74LS192、74LS90、555 定时器、SR 锁存器等芯片的原理、功能、用途等有了更加深刻的生疏。以前在课堂上
28、一些一知半解的东西，经过这次的实际应用也赶忙觉得豁然开朗。同时通过本次课程设计，我对 Mltisim 仿真软件也有了初步的了解，信任在将来的学习工作中这确定会对我有所帮助。其次，提高了我理论联系实际的力气。在本科生的学习中，大局部是对理论学问的学习，很少有真正实际应用与实践的时机。每个学期末的课程设计无疑是格外难得的，我们应好好利用并倍加珍惜。在上理论课时，对各种芯片的原理、功能等都只是有一种浅薄的生疏，并没有特别深刻的了解。即使是试验课也只是一种验证性试验，但这次的课程设计却让我对学习的理论学问有了更加深刻的生疏，并将其运用到实际的电路设计中，在学会运用的过程中再一次对理论进展了升华。为以后
29、的工作打下了良好的根底。第三，使我生疏到了团结协作的重要性。完本钱次课程设计也不是一件轻松的事情，设计的过程中也总会消灭这样那样的问题。有些问题凭自己绞尽脑汁的空想是很难解决的，这个时候我们就需要其他同学或教师的帮助。在遇到疑难时， 有时看着很困难的问题，在通过与同学们的争论分析之后就迎刃而解了。由此可见，同学间的互帮互助是格外重要的。同时，在有些问题实在无法解决之时，教师的教育总是关键性的。课程设计的开设不仅稳固了我们对理论学问的把握，激发了我们对学习的兴趣，同时也熬炼了我们实际动手与应用的力气，使我们对专业领域的学问有了初步的了解，并且提高了我们应用理论学问解决生活中实际存在的问题的力气，
30、这对我们今后走向社会做了良好的开端与铺垫。7、元件清单NE5551 个固定电阻1002 个74LS903 个电容 0.01uF2 个74LS1922 个开关3 个74LS003 个蜂鸣器1 个固定电阻 29K1 个发光二极管1 个固定电阻 58K1 个LED 数码显示管2 个8、参考文献1 数字规律电路试验及课程设计指导书自编2 康华光，电子技术根底 数字局部 第五版.北京：高等教育出版社， 2023.13 吴慎山，数字电子技术试验与实践. 北京：电子工业出版社，2023.44 马楚仪，数字电子技术试验. 广州：华南理工大学出版社，2023.93 王连英，基于 Multisim10 的电子仿真试验与设计. 北京邮电大学出版社，2023.2