数电课程设计

数字电路课程设计报告。

篮球竞赛30秒计时器。

系别：电器及其自动化工程系

班级：姓名：

学号：课程设计日期：2024年12月。

电子技术课程设计。

题目：具有数字显示的篮球竞赛30s计时器。

设计要求。1. 具有显示30秒计时功能；

2. 设置外部操作开关，控制计时器的直接清零、启动和暂停/连续功能；

3. 计时器为30秒递减计时器，其计时间隔为1秒；

4. 计时器递减计时到零时，数码显示器不能灭灯，同时发出光电报警信号。

一电路设计原理与设计电路。

1.1 设计原理。

我们可以用555时基电路构成的多谐振荡器来产生频率为10hz的脉冲，即输出周期为0.1秒的方波脉冲，将该方波脉冲信号送到计数器74ls192的cp减计数脉冲端，再通过译码器74ls48把输入的8421bcd码经过内部作和电路“翻译”成七段（a，b，c，d，e，f，g）输出，显示十进制数，然后在适当的位置设置开关或控制电路即可实现计数器的直接清零，启动和暂停/连续、译码显示电路的显示与灭灯及光电报警等功能。

1.2 设计方案。

经过初步的设计，可以确定该系统应包括秒脉冲发生器、计数器、译码显示电路、辅助时序控制电路(简称控制电路)和报警电路等5个部分构成。其中，计数器和控制电路是系统的主要部分。计数器完成30s计时功能，而控制电路具有直接控制计数器的启动计数、暂停、连续计数、译码显示电路的显示和灭灯功能以及工作时间的调节。

为了满足系统的设计要求，在设计控制电路时，应正确处理各个信号之间的时序关系。在操作直接清零开关时，要求计数器清零，数码显示器显示零。当启动开关闭合时，控制电路应封锁时钟信号cp，同时计数器完成置数功能，译码显示电路显示30s字样；当启动开关断开时，计数器开始计数；当按下十位调节开关时，计数器加1；当按下个位调节开关时，计数器同样加1；当暂停、连续开关拨在暂停位置上时，计数器停止计数，处于保持状态；当暂停、连续开关拨在连续时，计数器继续递减计数。

系统设计框图如图1.1所示。

图1.1 系统设计框图。

在此，提出两种方案，主要是针对脉冲发生电路。方案一是采用555构成的多谐振荡电路（即脉冲产生电路），其电路原理图如图１.２另一种方案是用555构成的多谐振荡器直接产生频率为10hz的秒脉冲，原理图如图１.

5。相比较之下方案一的秒脉冲会稳定些，但因为电路加入了74ls161用于异步清零法分频而使电路变得复杂许多，而本次课设都是采用软件**的方式来验证最后结果的，因此不会存在因为元器件的误差而使结果受到影响的情况，因此没有必要用复杂的电路来替代简单电路就可以完成的功能的电路。所以本次课设采用第二种方案来产生10hz的秒脉冲。

图１.2 方案一的秒脉冲发生电路。

.3 各分电路功能分析。

1.3.1 脉冲发生电路。

555定时器。

555定时器主要是通过外接电阻r和电容器c构成充、放电电路，并由两个比较器来检测电容器上的电压，以确定输出电平的高低和放电开关管的通断。这就很方便地构成从微秒到数十分钟的延时电路、以及多谐振荡器、单稳态触发器、施密特触发器等脉冲波形产生和整形电路。图2.

2是ne555的内部功能原理框图和内部管脚图。

图1.3 555管脚图。

用555定时器构成多谐振荡器。

用555定时器构成多谐振荡器电路如图2.3(a)所示。电路没有稳态，只有两个暂稳态，也不需要外加触发信号，利用电源vcc通过r1和r2向电容器c充电，使uc逐渐升高，升到2vcc/3时，uo跳变到低电平，放电端d导通，这时，电容器c通过电阻r2和d端放电，使uc下降，降到vcc/3时，uo跳变到高电平，d端截止，电源vcc又通过r1和r2向电容器c充电。

如此循环，振荡不停，电容器c在vcc/3和2vcc/3之间充电和放电，输出连续的矩形脉冲，其波形如图2.3(b)所示。

图1.4 555构成的振荡电路及即波形。

输出信号uo的脉宽tw1、tw2、周期t的计算公式如下：

tw1＝0.7(r1＋r2)c

tw2＝0.7r2c

t＝tw1＋tw2＝0.7(r1＋2r2)c

根据要求，该系统中要使555构成的多谐振荡电路产生10hz的脉冲，因此我们可以令r1= 51k，r2= 49k，c= 970nf，得到周期t=0.70.101s，即按照图2.

4连接的电路就可以产生10hz的方波脉冲。

图1.5 555定时器构成的多系振荡电路。

1.3.2 计数器电路。

计数器是一个用以实现计数功能的时序逻辑部件，它不仅可以用来对脉冲进行计数，还常用做数字系统的定时、分频和执行数字运算以及其他特定的逻辑功能。本次课程设计中选用74ls192来实现要求的减法计数功能。图2.

5是74ls192的管脚图。

图1.6 74ls192管脚图。

74ls192具有下述功能：

1 异步清零：mr=1，q3q2q1q0=0000 。（此功能可实现计数器的清零）

异步置数：mr=0， =0，q3q2q1q0=d3d2d1d0 。

保持： mr=0， =1，cpu=cpd=1,q3q2q1q0保持原态。

加计数：cr=0, =1，cpu=cp，cpd=1，q3q2q1q0按加法规律计数。

减计数：cr=0, =1，cpu=1，cpd= cp，q3q2q1q0按减法规律计数。

按照课程设计任务书要求，需要计时30s，并且显示到0.1s，因此该设计中需要用到一个三进制的减法计数器和两个十进制的减法计数器。我们可以用三片74ls192来实现这三个计数器。

计数模块中的三片计数器的加计数器脉冲输入端都要接高电平，且要将低位片的借位信号加到高位片的减计数脉冲输入端。高位片计数器的借位信号控制报警信号，在进行减计数时，借位信号一直为高。30秒倒计时计数电路可以按照图2.

6连接。

图1.7 30秒倒计时器的计数电路。

2.3.3 译码显示电路。

本次设计中我们用发光二极管（led）组成字型来来显示数字。这种数码管的每个线段都是一个发光二极管，因此也称led数码管或led七段显示器。因为计算机输出的是bcd码，要想在数码管上显示十进制数，就必须先把bcd码转换成 7 段字型数码管所要求的**。

我们把能够将计算机输出的bcd码换成 7 段字型**，并使数码管显示出十进制数的电路称为“七段字型译码器”因此在本次的设计中我们采用了常用的74ls48。图2.7是74ls48的外部管脚图。

图1.8 74ls48管脚图。

七段显示译码器输出高电平有效，用以驱动共阴极显示器。该集成显示译码器设有多个辅助控制端，以增强器件的功能。它有3个辅助控制端lt、rbi、bi/rbo,现简要说明如下：

灭灯输入bi/rbo

bi/rbo是特殊控制端，有时作为输入，有时作为输出。当bi/rbo作输入使用且bi＝0时，无论其它输入端是什么电平，所有各段输入a～g均为0，所以字形熄灭。

试灯输入lt

当lt＝0时，bi/rbo是输出端，且rbo＝1，此时无论其它输入端是什么状态，所有各段输出a～g均为1,显示字形8。该输入端常用于检查7488本身及显示器的好坏。

动态灭零输入rbi

当lt＝1，rbi＝0且输入**dcba＝0000时，各段输出a～g均为低电平，与bcd码相应的字形0熄灭，故称“灭零”。利用lt=1与rbi=0可以实现某一位的“消隐”。此时bi/rbo是输出端，且rbo=0。

动态灭零输出rbo

bi/rbo作为输出使用时，受控于lt和rbi。当lt＝1且rbi＝0，输入**dcba=0000时，rbo=0；若lt=0或者lt＝1且rbi＝1，则rbo=1。该端主要用于显示多位数字时，多个译码器之间的连接。

对输入**0000，译码条件是：lt和rbi同时等于1，而对其它输入**则仅要求lt＝1，这时候，译码器各段a～g输出的电平是由输入bcd码决定的，并且满足显示字形的要求。74ls48的功能表如下：

74ls48功能表。

表1.1 74ls48的功能表。

本次设计的译码显示电路可以按照图1.9连接电路。

图1.9 译码显示电路。

2.3.4 控制电路。

报警电路。任务要求在计时器倒计时到7秒时发出低声警报，在倒计时到0秒时发出高声警报，因次我们可以将192的输出端按照下图连接，当192的高位到低位输出0000 1110 xxxx 时（即倒计时到7秒时）可发出报警。当计时到0秒时最高位192的借位bo会由高电平跳变为低电平，蜂鸣器导通，这样就产生了报警信号。

因此，按照图1.10也可以使蜂鸣器发声报警。

图1.10 报警电路。

暂停、置位、清零、十位调整、个位调整控制电路。

暂停/连续可以通过在将借位信号和暂停/连续控制信号和时序脉冲信号加到一起相与之后作用到1/10位计数器减计数脉冲输入端，即实现计数器递减计数到零时，显示器不灭灯。连接电路如图2.10的“暂停”，当开关打到低电平时计时器暂停，当开关打到高电平时计时器正常计时。

启动置位可通过192的异步置数：mr=0 =0时，q3q2q1q0=d3d2d1d0 来使计时器置位启动。lcad（即）端的置位功能连接如图图1.11。

清零可以通过192的异步清零：mr=1时，q3q2q1q0=0000 来使计时器清零。clr（即mr）端的清零功能的电路连接如图图1.11。

十位调整通过给十位192的加法计数的up端产生脉冲来实现十位的加调整。

个位调整通过给个位192的加法计数的up端产生脉冲来实现个位的加调整。

十位调整、个位调整控制电路图如图图1.11

图1.11 控制电路。

2.4 **原理图。

具有数字显示的篮球竞赛30s计时器的设计主要分为五个模块：时钟模块（即秒脉冲发生模块）、计数模块、译码显示模块、辅助时序控制模块（简称控制电路）和报警电路，总体**电路如下图（图2.11的输出端连接到图2.

12 的输入）。打开**软件multisim 10.0.

1按要求在multisim 10.0.1里连接好如图所示的电路后就可以按下f5就可以进行电路**了，由于**界面的限制，此次课程设计的**分为了两部分完成。

脉冲发生电路（图1.12）和倒计时的总体电路（图2.12）。

在脉冲发生电路**中我们可以用示波器来观察产生的脉冲是否为10hz。而在整体电路的**部分用一个10hz的脉冲源替代了脉冲发生电路，最后的**结果是：计时器可以从30倒计时到0停止，并且在倒计时到7时发出低声报警，在倒计时到0时发出高声报警。

同时也可以通过图中的开关按钮来完成时间的调整、置位、清零和暂停。

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