1、1 前言 电子课程设计是学生在修完“数字电子技术基础” 、 “模拟电子技术基础”和“电子技术基础实验”后开设的设计课程。目的是锻炼学生综合运用电子技术基础知识以及动手的能力，提高学生使用中规模集成芯片以及调试较大型电子系统的能力，同时了解基本逻辑单元电路在实际生活中的应用，为今后进行复杂的综合型电子系统的设计和调试打下基础。通过课程设计，使学生加强对数字及模拟电子技术的理解，学会查阅资料、方案比较、方案选择以及原理图设计、计算、制作、调试等基本技能，增强分析、解决实际问题的能力。本设计内容是完成一个篮球比赛 24 秒倒计时器的设计与制作的全过程，包括方案选择、原理图设计、元器件选择、EDA 原
2、理图绘制、电路的安装调试与制作、撰写完整的设计报告等。在设计过程中，我们先讨论研究设计方案，然后再在仿真软件（本次设计我们使用protues）中绘制原理图，对于电路的逻辑功能，时序以及元器件的接法我们通过参考电子技术基础以及上网查询的方式也解决问题。绘制完成后，对原理图进行仿真，在得到理想的效果后，我们在面包板上进行了电路的实际连接，最终在不断修改，测试中，我们按照任务书要求完成了篮球到计时器的设计课程，由于水平有限，望老师检查过后给我们提出需要注意的问题以及需要进行改进的地方。目录1. 前言及目录-12. 任务书-23. 正文-4一、设计任务及要求-4二、原理框图：说明各框图的功能及各框图的
3、联系-4三、选取元件、参数，列出材料清单，列出集成芯片外管脚图，型号、功能表、部分参数计算过程-4 四、所用仪器、设备-10五、绘制 EDA 电路原理图，分析电路工作原理-10六、布线、安装、调试：记录过程，出现的问题，解决的方法-132 七、总结心得体会：感受、想法、新的设想、改进等-134. 参考资料-13郑州大学电气工程学院电子课程设计任务书一、课程设计的目的及设计内容电子课程设计是学生在修完“数字电子技术基础” 、 “模拟电子技术基础”和“电子技术基础实验”后开设的设计课程。目的是锻炼学生综合运用电子技术基础知识以及动手的能力，提高学生使用中规模集成芯片以及调试较大型电子系统的能力，同
4、时了解基本逻辑单元电路在实际生活中的应用，为今后进行复杂的综合型电子系统的设计和调试打下基础。通过课程设计，使学生加强对数字及模拟电子技术的理解，学会查阅资料、方案比较、方案选择以及原理图设计、计算、制作、调试等基本技能，增强分析、解决实际问题的能力。本设计内容是完成一个篮球比赛 24 秒倒计时器的设计与制作的全过程，包括方案选择、原理图设计、元器件选择、EDA 原理图绘制、电路的安装调试与制作、撰写完整的设计报告等。二、主要功能与指标1电路具有 24.0 秒时间显示功能；2系统设置外部操作开关，控制计时器的置数、启动/连续和暂停功能；3计数过程中，无论处于何种状态，当按下置数键时，计数重新开
5、始。4计时器为递减计时，其计时间隔为 0.1 秒；5当计时器递减计时到零时，显示器显示 0，同时发出 CP 同步闪烁报警信号。6该电路可应用于篮球比赛三、主要元器件及仪器设备可逆十进制计数器 74LS192 三片、三输入或非门 74LS27 一片、七段译码器74LS48（内有驱动）三片、七段译码器 CD4511（不含驱动）、共阴极数码管 SM120501K 三个、二输入与非门 74LS00 一片、四输入与非门 74LS20 一片、六反相器 74LS04 一片、555定时器一片，二输入与门 74LS08 一片。开关 3 个，电容 0.01、0.51、1 微法各 1，电阻 10K、470 欧姆若干
6、，LED4 个等，实验板，稳压电源，万用表。四、设计成品要求3 1课程设计报告 1 份；2制作成品 1 套。五、参考资料1康华光.电子技术基础(数字部分).第四版.北京:高等教育出版社,2000221IC 中国电子网（http:/）3阎石数字电子技术基础第四版北京：高等教育出版社，19984自己补充资料六、进度安排进行时间：一周星期一：下达设计任务；查资料、方案设计、原理图设计、元器件选择；星期二：各小组讲解设计方案，检查通过后领元器件及工具；星期三、四：安装、调试，实现各项功能要求；星期五：撰写设计报告，答辩。附：设计框图控制开关递减计数控制电路脉冲发生三 位译码驱动显示报警 电路附：设计报
7、告格式要求名 称一、设计任务及要求。4 二、原理框图：说明各框图的功能及各框图的联系。三、选取元件、参数，列出材料清单，列出集成芯片外管脚图，型号、功能表、部分参数的计算过程。四、所用仪器、设备。五、绘制 EDA 电路原理图，分析电路工作原理。六、布线、安装、调试：记录过程，出现的问题，解决的方法。七、总结心得体会：感受、想法、新的设想、改进等。 正文篮球比赛倒计时器一.设计任务及要求设计任务：用实验室所提供的元器件完成一个篮球比赛 24 秒倒计时器。要求：1电路具有 24.0 秒时间显示功能；2系统设置外部操作开关，控制计时器的置数、启动/连续和暂停功能；3计数过程中，无论处于何种状态，当按
8、下置数键时，计数重新开始。4计时器为递减计时，其计时间隔为 0.1 秒；5当计时器递减计时到零时，显示器显示 0，同时发出 CP 同步闪烁报警信号。6该电路可应用于篮球比赛二原理框图：控制开关递减计数控制电路脉冲发生三 位译码驱动显示报警 电路各框图功能与联系：1. 脉冲发生：由 555 定时器构成多谐振荡器，输出矩形脉冲，为递减计数器提供触发脉冲。5 2. 控制开关：控制计数器的复位，计数和暂停。3. 递减计数：在脉冲和控制电路下进行递减计数（是整个电路的核心部分） 。4. 控制电路：控制开关通过控制电路的作用来控制递减计数器。5. 三位译码驱动显示：将递减计数器当前的二进制值翻译成十进制值
9、并显示出来。6. 报警电路：当计数结束时触发报警电路（由发光二极管构成） 。三所用材料清单：可逆十进制计数器 74LS192 三片，三输入或非门 74LS27 一片，七段译码器74LS48（内有驱动）三片，共阴极数码管 SM120501K 三个、二输入与非门 74LS00 一片、四输入与非门 74LS20 一片 、六反相器 74LS04 一片 、555 定时器一片，二输入与门74LS08 一片 。开关 3 个，电容 0.01、0.51、1 微法各 1，电阻 10K、470 欧姆若干，LED4 个等，实验板，稳压电源，万用表。集成芯片外管脚图，功能表及引脚的功能（1）555 芯片：芯片外管脚图及
10、功能表：555 八个引脚功能：1 脚：GND(或 Vss)外接电源负端 VSS 或接地，一般情况下接地。2 脚：TR 低触发端。3 脚：OUT （或 Vo）输出端。4 脚：R 是直接清零端。当 R 端接低电平，则时基电路不工作，此时不论 TR、TH 处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。5 脚：CO( 或 VC)为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只 0.01F 电容接地，以防引入干扰。6 脚：TH 高触发端。7 脚：D 放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。8 脚：VCC(或 VDD)外接电源 VCC
11、，双极型时基电路 VCC 的范围是 4.516V，CMOS 型时基电路VCC 的范围为 318V。一般用 5V。6 在 1 脚接地，5 脚未外接电压，两个比较器 C1、C2 基准电压分别为 2/3Vcc，1/3Vcc 的情况下，555时基电路的功能表如表 1 示。在本次设计过程中，我们采用 555 定时器构成多谐震荡电路，以此为 74ls192 提供计数脉冲。由于计数最小间隔为 0.1s，即频率为 10Hz，根据所构成的电路以及多谐振荡器频率计算公式：cRf )21(43.在此，我们选择电容 10uF，R1 为 0.3K，R2 为 7 K的组合，经计算可知，输出波形的频率为 10Hz。（2）共
12、阴极数码管：7 共阴极数码管的管脚如图所示，其中标注共极的管脚接电源和地，标注字母的管脚分别接译码器的对应输出端；DP 控制小数点的显示，若不需要显示，则该端口接电平或是悬空，若需要显示，则接高电平；共阴极数码管当输入高电平时显示。（3）三输入或非门 74LS27功能：74ls27由三个三输入或非门构成，如上图所示：A1A3输入端 B1B3输入端 C1C3 输入端 Y1Y3 输出端14管脚和7管脚分别接电源高电平和电平一个三输入或非门的逻辑表达式如下：Y1= 1CBA功能表; A1 0 0 0 0 1 1 1 1B1 0 0 1 1 0 0 1 1C1 0 1 0 1 0 1 0 1Y1 1
13、0 0 0 0 0 0 08 （4）二输入与非门 74LS00功能：74ls00 由 4 个二输入的与 非门构成，如左图所示。A1A4 输入，B1B4 输入Y1Y4 输出14 管脚和 7 管脚分别接电源高电平和低电平一个与非的逻辑表达式； Y1= 1BA功能表：A1 0 0 1 1B1 0 1 0 1Y1 1 1 1 0（5）四输入与非门 74LS20如左图;一个 74ls20 芯片有两对四输入与非门构成1A-1D,2A-2D 为输入端，1Y-2Y 为输出端14 管脚和 7 管脚分别接电源高电平和电平一个四输入与非门的逻辑表达式为：1Y= DCBA1功能表如下：1A 1 0 9 1B 1 0
14、1C 1 0 1D 1 01Y 0 1 1 1 1（6）六反相器 74LS04如上：A1-A6 为输入，Y1-Y6 为输出14 管脚和 7 管脚分别接电源高电平和电平逻辑表达式： Y1= 1A功能表：A1 0 1Y1 1 0(7) 二输入与门 74LS0874ls08 由 4 个二输入与门构成，A1A4 输入端B1B4 输入端Y1Y4 输出端逻辑表达式：Y1=A1B1功能表：10 A1 0 0 1 1B1 0 1 0 1Y1 0 0 0 1(8)七段译码器 74LS48逻辑功能表：74ls48 引脚功能表七段译码驱动器功能表输入 输出十进数或功能 LT RBI D C B A BI/RBOa
15、b c d e f g备注 0 H H 0 0 0 0 H 1 1 1 1 1 1 01 H x 0 0 0 1 H 0 1 1 0 0 0 02 H x 0 0 1 0 H 1 1 0 1 1 0 13 H x 0 0 1 1 H 1 1 1 1 0 0 14 H x 0 1 0 0 H 0 1 1 0 0 1 15 H x 0 1 0 1 H 1 0 1 1 0 1 16 H x 0 1 1 0 H 0 0 1 1 1 1 17 H x 0 1 1 1 H 1 1 1 0 0 0 08 H x 1 0 0 0 H 1 1 1 1 1 1 19 H x 1 0 0 1 H 1 1 1 0 0
16、 1 110 H x 1 0 1 0 H 0 0 0 1 1 0 1111 11 H x 1 0 1 1 H 0 0 1 1 0 0 112 H x 1 1 0 0 H 0 1 0 0 0 1 113 H x 1 1 0 1 H 1 0 0 1 0 1 114 H x 1 1 1 0 H 0 0 0 1 1 1 115 H x 1 1 1 1 H 0 0 0 0 0 0 0BI x x x x x x L 0 0 0 0 0 0 0 2RBI H L 0 0 0 0 L 0 0 0 0 0 0 0 3LT L x x x x x H 1 1 1 1 1 1 1 49.可逆十进制计数器 74LS
17、192192 功能：192 的清除端是异步的。当清除端（MR）为高电平时，不管时钟端（CP D、CP U）状态如何，即可完成清除功能。192 的预置是异步的。当置入控制端（P L）为低电平时，不管时钟CP的状态如何，输出端（Q0Q3）即可预置成与数据输入端（P0P3）相一致的状态。192 的计数是同步的，靠CP D、CP U同时加在 4 个触发器上而实现。在CP D、CP U上升沿作用下Q0Q3 同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。当进行加计数或减计数时可分别利用CP D或CP U，此时另一个时钟应为高电平。当计数上溢出时，进位输出端（ T CU）输出一个低电平脉冲，其宽度为CP
18、U低电平部分的低电平脉冲；当计数下溢出时，错位输出端（ T CD）输出一个低电平脉冲，其宽度为CP D低电平部分的低电平脉冲。当把 T CD和T CU分别连接后一级的CP D、CP U，即可进行级联。四、所用仪器、设备。面包板，稳压电源，万用表。五、绘制 EDA 电路原理图，分析电路工作原理。12 13 电路工作原理：如原理所示：图的右下方电路为由 555 定时器构成的多谐振荡器，它输出频率为 10Hz的脉冲信号。经过第一个与门（U11:A） ，它的作用主要是当计数结束时，四输入与非门（U10:A）的输出端由高变低，从而封锁该与门，使计数脉冲不能到达计数器的脉冲输入端，从而使计数停止。经过第二
19、个与门（U11:B） ，该与门的作用是：通过开关 1（启动/连续）和开关 2（暂停）控制 RS 触发器（由二输入与门（ U12：B 和 U12:C）构成，它的逻辑功能见工作原理下面） ，从而控制该与门的导通与关断，当开关 1 按下，RS 触发器输出高电平“1”，从而使与门打开开始计数，当 RS 触发器输出低电平 “0”时，与门关断，从而封锁与门，使计数脉冲不能到达计数器，暂停计数。每次按下开关，虽然只有短暂的置“0”时间，但由于触发器具有状态保持的功能，因此，输出能保持触发器前一动作后的状态，不会因为开关的弹起，而改变开关的作用。另外，RS 触发器的输入端都需要接上高电平，因为由与非门构成的
20、RS 触发器在两个输入端都是 “1”时，触发器的状态才能保持，因此，开关的作用只是短时间使触发器的输入端置成了“0” 。接下来说一下开关 3（复位）的作用：当电路刚上电时，由于电容（C3）的作用，使计数器的“置位”输入端会有短暂的低电平“0”输入，从而使计数器复位至 24.0，电容（C3）立马被充满电，从而又由于高电平的作用，使计数器的“置位”输入端，变成高电平，从而在计数过程中，不会使计数器复位。而当我们通过控制开关 3 的按下来控制计数器的复位时，只要开关 3 按下，计数器的“置位”输入端立马变为低电平，从而使计数器复位至 24.0.。这里介绍一下在开关 2 和开关 3 之间连接的二极管的
21、作用：当没有这个二极管时，我们分两种情况来讨论当复位按键按下后出现的情况：（1）当按下开关 3 之前，计数器暂停计数停止在某一个数上，此时按下开关 3，计数器复位至 24.0，并且计数器不开始计数。 （2）当按下开关之前，计数器正在计数中，此时按下开关 3，计数器复位至 24.0后立刻又开始计数。这显然不满足设计要求。现在添加上这个二极管，下面分析这个二极管的作用：当按下开关 3 之前计数器处于暂停状态，按下后复位并且不开始计数是因为触发器还是保持低电平的状态输出，与门（U11:B）仍处于封锁状态；而按下开关 3 之前计数器处于计数状态，按下后复位并且开始计数是因为触发器还是保持高电平的状态输
22、出，与门仍然开着，计数脉冲仍能到达，故计数器复位后立刻开始计数。分析原因后，因此若想要在任何状态下按下开关 3 后，计数器复位至 24.0 并且不开始计数，必须在按下开关 3 的一瞬间，必须在（U11:A）和（U11:B）两个与门中选择一个并使之封锁从而阻断计数脉冲向计数器传递，同时按下开关 3 后，还需要开关 3 的低电平状态保持，因此只有通过封锁与触发器输出相连的与门（U11:B）来实现。如原理图中连接，当任何时候按下开关 3 之后，二极管导通，从而 RS 触发器的暂停输入端输入 “0”，这相当与在按下开关 3 的同时也按下了开关2，因此在任何时候复位，计数器都变为 24.0，并且与门（U
23、11:B）封锁，计数器不开始计数。从 U11:B 输出的脉冲送至低位计数器的减脉冲计数端，TCD 输出端接次低位的减脉冲计数端，依次实现三块计数器芯片的级联，各芯片加脉冲计数端均接上高电平， “清零”端均接地， “置数端”均接到开关 3（复位）上，各芯片输入端对应接上该芯片复位后的二进制数，输出端分别接到三片七段译码器 74LS48 上，74ls48 的输出端在分别对应接到三片共阴极数码管上。三个共阴极数码管只有中间的那个 DP 端接上高电平用来显示小数点，其余两个悬空。将 74ls192 的输出端通过或非门和反相器来控制计数结束，当正常计数下，四输入与非14 门(U10:A)的输出总是高电平
24、，当计数到 00.0 时，四输入与非门输出低电平“0”从而封锁与门（U11:A）使计数停止，并且打开与非门（U12:A），触发报警电路。附：我们所设计的 RS 触发器的功能表：启动/连续 0 0 1 1暂停 0 1 0 1输出状态 不确定 1 0 保持六、布线、安装、调试：记录过程，出现的问题，解决的方法。布线，安装，调试，我们均是在 proteus 中进行。在调试过程中，我们遇到的最大的问题有两个：一个就是如何设计控制电路来保持开关按下的状态;；另一个就是如何在计数过程中按下复位键使系统复位并且使计数器暂停计数。解决第一个问题我们通过二输入与非门设计了一个 RS 触发器来保持开关按下的状态；
25、解决第二个问题我们通过在开关 2（暂停）和开关 3（复位）之间加入了一个二极管来实现（实现原理见工作原理） 。在设计的过程中我们还遇到了其他的一些问题，比如 74ls192 的计数原理，数码管的连接，面包板的构造等等，这些问题我们通过上网查资料，以及请教同学便很快得到了解决。七、总结心得体会：感受、想法、新的设想、改进等。通过这两周的学习，我对于数字电路和模拟电路有了更加形象的认识。在这两周实践中，在动手操作的过程中，不断翻阅资料，使自己又将学习的数电和模电进行了复习，并且与实际的芯片进行比较，亲自验证芯片的功能，加深了自己对芯片功能的了解。更加重要的是：通过这些简单芯片的组合，来实现各种各样
26、不同的功能，组成实现各种不同功能的逻辑电路。尤其在设计过程中，不断发现问题，与课程实践要求对比，不断对电路进行改进，从而达到了较好的效果。在设计过程中，我们也提出了其他的设计方案，但是，对比这个主要由 RS 触发器构成控制电路的设计，总显得欠缺技术含量。一方面因为其他组合逻辑电路相对简单，且实现功能比较单一，而且也不能够很好的完成设计要求；另一方面，虽然我们也学习过 RS 触发器，但对于自己用与非门设计触发器（数字电路中用或非门设计）并运用到控制电路中还是需要一点灵感的。在此很感谢我们组中设计出这一思路的同学 。4、参考资料(1)康 华光.电子技术基础(数字部分).第五版.北京: 高等教育出版社,2005(2). protues 视频教程（网上）(3). 院里提供的资料15 (4). 上网搜索的资料
