1、0机 械 与 电 子 工 程 学 院课 程 设 计 报 告课 程 名 称 数 字 电 子 技 术 课 程 设 计 设 计 题 目 10 秒 倒 计 时 器 的 设 计 所 学 专 业 名 称 电 子 信 息 工 程 班 级 学 号 学 生 姓 名 指 导 教 师 2014 年 6 月 3 日0机电学院电子信息工程课程设计任 务 书设计名称： 10 秒倒计时器的设计 学生姓名： 指导教师： 起止时间：自 2014 年 5 月 21 日起 至 2014 年 6 月 4 日止1、课程设计目的1).熟悉集成电路及有关电子元器件的使用;2).了解计时器主体电路的组成及工作原理;3).学习数字电路中基本5
2、55定时器、时钟发生器及计数、译码显示等单元电路的综合应用。二、课程设计任务和基本要求设计任务：1).设计好完整的操作方案。2).对电路的原理进行简要分析。3).在 Multisim 仿真软件中绘制出完整仿真电路图。并且尽可能地使整个电路简洁、整齐、一目了然。4).对设计的电路进行调试，完成课程设计应达到的目的.基本要求： 1）具有 10 秒倒计时功能； 2)设置外部操作开关，控制计时器的直接清零/复位、开始和暂停/连续计数功能；3)计时器计时间隔为 1 秒； 4)计时器递减计时到零时，数码显示器不灭灯，保持并闪烁光电报警。5 计时器暂停计数时，数码管闪烁提醒；0机电学院电子信息工程课程设计指
3、导老师评价表院（部） 机电学院 年级专业 12 电信学生姓名 学生学号题 目 10 秒倒计时器的设计一、 指导老师评语指导老师签名： 年 月 日 二、 成绩评定指导老师签名： 年 月 日 目录摘要与关键字 11倒计时器组成及原理 1.1倒计时计数器组成 1.2工作原理 32.拟定设计方案 42.1用 Multisim进行仿真计 42.2设计实现数码管示 42.3设计 555定时振荡实现秒振荡发生功能 42.4设计实现减法计数功能 52.5设计实现二位数减法计数功能 52.6设计实现反馈电路实现 30秒计数功能 52.7设计实现控制电路实现启动、清零/复位和暂停/继续计数控制电 52.7.1清零
4、/复位电路52.7.2暂停/继续计数电路62.7.3启动电路 72.8设计实现闪烁报警电路 83.功能说明总结 4.课程设计小结 9参考文献 10附录一附录二0摘要与关键词摘要：电子秒表是现实生活中的很常见的装置，常见的电子秒表种类很多，其主要运用于运动中。数字式电子秒表是常见的电子秒表中的一种，它有显示更直观等好处。本次课程设计采用现代数字电路设计方法应用 Multism进行设计并仿真。从总体设计框图开始，将设计任务逐步分解，直到可以用标准的集成电路部件实现，然后将各部件联结成系统，通过 Multism进行设计的分析综合和时序仿真验证。本文在原理简要处，还加入了程序设计中用到的几种集成元件的
5、管脚图，以及简单介绍了这些元器件所能实现的功能。先后设计出了计秒、计分和计时电路，并完成了初步的调试与仿真。最后，在分析时序仿真结果的基础上，对设计电路进行进一步的修改和完善，已达到对设计电路正确运行且学会运用Multism电路设计与仿真的目的。操作步骤与解释：（1）启动仿真电路，可观察到数字时钟的秒位开始计时，计数到 60后复位为 0，并进位到分计时电路。（2）观察到数字时钟的分位开始计时，计数到 60后复位为 0，并进位到时计时电路（3）开关 J1可控制时计时电路的方式选择。（4）控制键可控制秒脉冲直接引入时、分计数器。（5）出现整点，即时计数器发生变化。关键字：计数器; 555 定时器;
6、多谢振荡器；课程设计11 倒计时器组成及原理1.1倒计时计数器组成倒计时计数器选用 TTL集成电路，主要由秒定时振荡发生器、减法计数器、译码器、七段数码显示器、控制电路、闪烁报警电路等组成，在电路工作过程中，电路能够通过控制器实现开始计数、清零/复位、暂停/继续计数等功能，在倒计时结束保持 00状态并不断闪烁提示报警，原理图如下：图 11.2工作原理当电路工作时，由 555定时器组成多谐振荡器，选取适当的电容使振荡周期为 1s；用两片减法计数器芯片级联组成二位数计数器，用七段数码管显示计数；控制电路通过控制减法计数器的控制端实现对电路保留、启动、清零/复位和暂停/继续计数功能的控制；利用 JK
7、触发器的翻转状态特性和译码器BI/RBO端的控制实现闪烁报警功能。22拟定设计方案2.1用 Multisim进行仿真设计Multisim 是美国国家仪器（ NI）有限公司推出的以 Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。Multisim 中提供了丰富的硬件数据可供选择，它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。通过 Multisim可以及时仿真实现电路设计功能并及时发现存在的问题进行改正，可以确保设计的电路能够正常实现应有的功能。2.2设计实现数码管显示选取共阴极七段红色数码管作为显示器，译码器选择 74LS48N，将译码器
8、的 LT、RBI 端直接接高电平，BI/RBO 也接高电平，将七段数码管的七个引脚分别接 100 电阻后于译码器输出端相连，在译码器输入端输入电平实现了数码管显示功能。2.3设计 555定时振荡实现秒振荡发生功能如图 2，用 555定时器、电容电阻组成多谐振荡发生器，C 1选择 1uF，图中 C1为 100nF为仿真实验用数据，C 2选择 10nF，电阻均为 5.1k，由周期计算公式：T0.7（R 1+2R2）C 1 1s3图 2 谐振荡发生器2.4设计实现减法计数功能选用 74LS191N加减计数器作为减法计数器芯片，U/D 加减控制端接高电平将 74LS191N设置为减法计数状态，将 74
9、LS191N输出端与 74LS48N译码器的输入端相接，脉冲接 555定时振荡电路产生的谐振脉冲，实现减法计数功能。2.5设计实现二位数减法计数功能级联两片均设置为减法计数器的 74LS191N，将低位减计数器的进位端 RCO接高位减计数器的 EN使能端（图中为 CTEN端） ，将数码管、电阻及译码器 74LS48N按 2.2中说明连接，实现二位数减计数功能。2.6设计实现反馈电路实现 10秒计数功能如图 3，采用 74LS191N异步置数，高位反馈输出 OA、OB 通过两个 2输入与非门两次与非反馈给 D触发器 RESET端，为实现控制功能准备，最终反馈给预制 LD端（电路图中为 LOAD端
10、） ；低位反馈输出OB、OD 同高位方法实现。高位预置数端 DCBA预置 0100，低位预置数端 DCBA预置 1001，实现 10秒计4数。图 3 反馈电路设计图2.7设计实现控制电路实现启动、清零/复位和暂停/继续计数控制电路2.7.1清零/复位电路高、低位 74LS191N的反馈信号分别通过两个 2输入与非门两次与非输入 D触发器的 RESET端，同时 D端与清零/复位控制电路相连，D 触发器输出 Q再反馈会 LOAD端（即 LD端） ，两个 D触发器的 D端均与开关 J4所在清零/复位控制电路电阻、二极管右端，开关左端相接（如图 3） ，高位 74LS191N的高电平预置数与低位 74
11、LS191N的高电平预置数端与 D输入接线位置相同，使得开关闭合前高低位74LS191N的高电平预置数及 D为高电平，闭合后高低位 74LS191N的高电平预置数及 D为低电平，从而控制 LD预置端实现清零和复位功能。如图 4，J4 控制电路为清零/复位控制电路，J4 为控制开关，闭合清零，开启复位。 5图 4 清零/复位电路图2.7.2暂停/继续计数电路单刀单掷开关 J1所在电路为暂停/继续计数功能电路。如上图 4，开关 J1闭合前，J1 所在电路反馈低电平，当 J1闭合后，J1 所在电路反馈高电平，反馈信号经如下图 5两个或非门两次或非输入 D触发器输入 D端（如下图 5） ，D 触发器输
12、出 Q接低位 74LS191N的 CTEN端（及 EN使能端） ，上面的 JK触发器的输出端与第一个或非门的另一输入端相连。电路工作时，当 J1断开，正常工作，当 J1闭合时，使能端 CTEN变为高电平，低位 74LS191N输出保持，使电路进入暂停状态，断开 J1则继续计数。6图 5 暂停/继续计数电路设计图2.7.3启动电路如上图 5，J3 所在为启动控制电路，当 J1处于断开状态，RESET 端为低电平，当闭合 J1后，RESET端为高电平，JK 触发器输出置 0，正常工作状态下第一级或非门另一输入为 0，经两级或非后输入 D触发器，且输入为低电平，即输出端 Q输出低电平至 CTEN（E
13、N 使能端）使电路启动。74LS191N功能表如图：预置 使能加/减控制时钟 预置数据输入 输出LD EN D/U CP D3 D2 D1 D0 Q3 Q2 Q1 Q0工作模式0 x x x d3 d2 d1 d0 d3 d2 d1 d0 异步置数1 1 x x x x x x 保持 数据保持1 0 0 x x x x 加法计数 加法计数1 0 1 x x x x 加法计数 减法计数图 672.8设计实现闪烁报警电路根据译码器控制端 BI/RBO功能功能（输入） 输入输入/输出输出LT RBI A3 A2 A1 A0 BI/RBO a b c d e f g 灭灯 x x x x x x 0
14、0 0 0 0 0 0 0图 7如图 7，当 BI/RBO为 0时，不论 LT，RBI 及 A3A2A1A0为何值，输出为 0且数码管为灭灯状态。当 BI/RBO为 1时，正常输出输入数据。对于 JK触发器，J 端接高电平，K 端与低位 74LS191N的使能端 EN（电路图中 CTEN端）相接，则K端在计数使能时为低电平，暂停或计数到 00时为高电平，由 JK触发器功能表如下：图 8如图 9，将 74LS48N译码器的 BI/RBO与该 JK触发器的输出端相连，由图 8可知当 J=1，K=0 时，BI/RBO置 1，数码管正常工作；当 J=1，K=1 时，BI/RBO 翻转，使数码管时亮时灭
15、闪烁。图 9 闪烁报警电路设计图J K 输出1 0 置 11 1 翻转8经过以上功能分析、设计和仿真，30s 计数器的各项功能得到实现，在清零/复位与暂停/继续控制电路中，当 J1闭合，暂停计数时，发光二极管点亮，J1 断开，继续计数时，发光二极管灭；当 J4闭合，数码管清零，发光二极管点亮，当 J4断开后，发光二极管灭。3，功能说明总结实现从 29到 00的 30秒倒计时计数功能，时间间隔为 1s，具有启动，清零/复位与暂停/继续计数功能；同时当清零与暂停时，清零/复位或暂停/继续计数功能电路中的发光二极管点亮，作为功能标识；暂停时，数码管显示闪烁提醒，倒计时到 00时计数保持 00，并且闪
16、烁报警，提示计数结束。J1为单刀单掷开关，是暂停/继续计数功能控制开关，闭合 J1,开关，计数暂停，断开 J1开关，计数继续；J3 为自动复位开关，时计数启动开关，当清零/复位开关断开复位后，按下 J3启动计数；J4 为单刀单掷开关，是清零/复位功能控制开关，闭合 J3开关，数码管清零保持，再断开 J3开关，复位29，等待启动开关 J3启动。4.课程设计小结课程设计过程中对学到的各种芯片的功能，作用有了更加深入的学习，尤其是通过 Multisim的设计与仿真，Multisim 之前没有接触过，这几天学习了其基本功能和仿真实验。在设计 10秒倒计时计数器时，用到了 74LS191N加/减计数器，
17、共阴极数码管，74LS48N 译码器，555 定时器组成多谐振荡器电路，JK 触发器和 D触发器等元器件，对这些元器件的特性，功能有了进一步深入的了解。通过 555定时器构成多谐振荡电路的仿真对其电路结构有了更深刻的印象，掌握了通过改变 RC的值对振荡周期进行调整。当然在设计各各功能的过程中也遇到了许多问题，如最初使用 74LS191N加/减计数器的时候对其反馈和异步置数功能不是很清楚，在查阅书本和实践多次的基础上终于解决异步置数问题，又如在设计反馈控制电路的过程中，时选用 JK触发器还是 D触发器，最初的设想是用的 JK触发器，但是实验多次后才觉得如果用 D触发器会更好，最终用 D触发器实现
18、清零/复位控制电路和计数器反馈电路；另一个问题是倒计时计数到 00时的保持与闪烁问题，当计数到 00时，74LS191N 的 MAX/MIN端输出将从低电平变为高电平，试了不少方法，有些无法保持 00状态，有些在 00状态无法闪烁，最终通过反馈两个 74LS191N的 MAX/MIN端与非两次后的输控制 D触发器 U21的 SET端控制低位 74LS191N的使能端CTEN端（即 EN端）实现保持 00计数状态，并利用 JK触发器的翻转和置 1功能特性控制 74LS48译码器的 BI/RBO端输入实现闪烁功能。每遇到一个问题都时进一步学习和加深对电路，原理，元器件学习9的过程，每解决一个问题，
19、没实现一个功能，都会十分的兴奋，总之，课程设计是一个提高能力，实践所学知识的过程，当然，还有许多的元器件，电路原理等有待于进一步的学习，对 Multisim是一个开始，希望今后也能进一步学习到更多这一功能强大仿真软件的功能。参考文献：艾永乐 付子义 数字电子计数基础 2008 北京 中国电力出版社； 邱关源 罗先觉 电路第五版 2011 北京 高等教育出版社；Multisim 原件介绍 百度文库；10附录一电路原理图11附录二元器件明细表 555定时器 1个七段共阴极红色数码管 2个74LS48N译码器 2个74LS191N加/减计数器 2个74LS00（四-2 输入与非门） 2个（一共需要 7个 2输入与非门）74LS02（四-2 输入或非门） 1个（共需要 2个或非门）D触发器 3个JK触发器 2个电容 2个（C1 1uF，C2 10nF)开关3个 (J1、J4 为单刀单掷开关，J3 为自动复位开关)电阻18 个（与数码管串电阻 100 欧姆 14个，与二极管串接电阻 1000 欧姆 2 个，多谐振荡电路电阻 5100 欧姆 2 个）发光二极管 2 个（1.66V 5mA）
