數(shù)字電子電課程設(shè)計(光控計數(shù)器)

1、數(shù)字電子課程設(shè)計報告姓名：嚴(yán)俊宇專業(yè)：自動化學(xué)號：1020620265 機械與電子工程學(xué)院 光控計數(shù)器一、設(shè)計目的： 1. 進一步掌握數(shù)字電子技術(shù)的理論知識，培養(yǎng)工程設(shè)計能力和綜合分析問題、解決問題的能力。 2、掌握常用電子電路的一般設(shè)計方法，提高電子電路的設(shè)計和實驗?zāi)芰Γ?、了解一些中規(guī)模集成電路的接線方法；4、熟悉并學(xué)會選用電子元器件，為以后從事生產(chǎn)和科研工作打下一定的基礎(chǔ)。二、設(shè)計要求：1基本要求（1）要求用數(shù)碼管顯示計數(shù)結(jié)果。（2）可以用GAL設(shè)計計數(shù)器，也可以使用集成芯片。（3）設(shè)有手動復(fù)位（清零）。2擴展部分設(shè)計兩路光控電路，其輸出能令計數(shù)器實現(xiàn)加、減計數(shù)。三、實驗儀器和設(shè)備：給定

2、主要器件：試驗箱（含面包板） 1塊555 4片 74LS74 1片 74LS191 2片 74LS47 2片74LS00 1片 數(shù)碼顯示器 2只 0.01uf電容 4片100uf電容 2只 10k電阻 4支1k電阻 2支四、系統(tǒng)的組成及工作原理：1、整個系統(tǒng)組成：整個系統(tǒng)由五個部分組成：光控電路、觸發(fā)脈沖、加減計數(shù)、顯示譯碼和數(shù)碼顯示，其工作原理框圖如下： 2、工作原理：首先由光控電路將接收的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)由555定時器組成的施密特觸發(fā)器整形和555定時器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器觸發(fā)脈沖，輸出計數(shù)脈沖信號。再通過計數(shù)器和譯碼器，在數(shù)碼顯示管上顯示數(shù)目的增加或減少，實現(xiàn)自動計數(shù)的功能。五、電路

3、設(shè)計：元器件介紹： 施密特觸發(fā)器 經(jīng)光電部分出來的波形是不規(guī)則的，需要經(jīng)過施密特觸發(fā)器進行整形。在此選用的施密特觸發(fā)器74LS04芯片，因此輸出與輸入反相。芯片結(jié)構(gòu)及引腳圖如圖4.1。圖4.1555定時器 555定時器是一種應(yīng)用極為廣泛的中規(guī)模集成電路。它使用靈活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以構(gòu)成單穩(wěn)、多諧和施密特觸發(fā)器，廣泛用于信號的產(chǎn)生、變換、控制和檢測。在此課題中主要是用555定時器構(gòu)成多諧振蕩器，產(chǎn)生雙D觸發(fā)器所需要的時鐘脈沖。其引腳圖及實物圖如圖4.2。 圖4.2 雙D觸發(fā)器本課題中選用的是74LS74雙D觸發(fā)器，用于和其它芯片一起構(gòu)成時序邏輯電路。由于74LS74是上升邊沿觸

4、發(fā)的邊沿D觸發(fā)器，電路結(jié)構(gòu)是維特阻塞型的，所以又稱維特阻塞觸發(fā)器。它要求控制端D的信號應(yīng)超前CP脈沖上升邊沿2Tpd1時間建立，并要求在CP脈沖觸發(fā)邊沿到來后繼續(xù)維持1Tpd1時間（此處的Tpd1是TTL門的平均傳輸延遲時間）。其中一個D觸發(fā)器引腳及74LS74管腳圖結(jié)構(gòu)如圖4.3。 圖4.3 與非門本課題中選用了兩個74LS00芯片和一個74LS20芯片，與雙D觸發(fā)器一起構(gòu)成時序控制電路。其中74LS00芯片結(jié)構(gòu)及引腳圖如圖四。74LS20芯片中為兩個四腳合一與非門。74LS00內(nèi)部原理及管腳圖如圖4.4。圖4.4加/減計數(shù)器因為本課題中需要對人數(shù)統(tǒng)計進行加和減的運算，所以在這里選用74LS

5、192可逆計數(shù)器。其引腳圖及實物如圖4.5。圖4.5 譯碼器譯碼器用以連接計數(shù)器和顯示部分。本課題選用了74ls48芯片作為譯碼器。其引腳圖如4.6所示。 圖4.6數(shù)碼管數(shù)碼管通常有發(fā)光二極管（LED）數(shù)碼管和液晶（LCD）數(shù)碼管，本設(shè)計提供的為LED數(shù)碼管（共陰極）。其引腳圖如圖4.7。 圖4.7 單元電路設(shè)計光電轉(zhuǎn)換電路光電轉(zhuǎn)換電路用于將光信號轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需的電信號。由于需要進行數(shù)目的加和減的運算，此部分需要兩個相同的光控電路。每個電路的組成為：一個發(fā)射管，一個接收管以及一個三極管，同時還有一個20歐姆和一個20K歐姆的電阻。接通電源后，接收管接收到發(fā)射管射來的紅外光線。當(dāng)有人通過兩個二極

6、管間時，三極管電流增大，內(nèi)阻減小，集電極輸出低電平，送至施密特觸發(fā)器。電路圖如圖4.8： 圖4.8時鐘脈沖產(chǎn)生電路對于雙D觸發(fā)器所需要的1000Hz的脈沖，由于在本課題中電路對脈沖的精確度要求不是很高而晶體振蕩需要分頻，所以采用了555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器，使其產(chǎn)生需要的方波作為觸發(fā)器和計數(shù)器的CP脈沖.振蕩器的頻率計算公式為:f=1.43/(R1+2*R2)*C),通過計算選定參數(shù)確定了R1取430歐姆,R2取500歐姆,電容取1uF.這樣得到了比較穩(wěn)定的脈沖。其電路圖如圖4.9所示：圖4.9整形電路 此整形電路由74LS04施密特觸發(fā)器完成，對光電轉(zhuǎn)換電路輸出的脈沖信號進行整形，較為簡單

7、，在此就不贅述。 時序控制電路時序控制電路在本課題中主要用于判斷計數(shù)的增加或是減少，在此選用了一個D觸發(fā)器、兩個74LS00芯片、一個74LS20芯片來實現(xiàn)。設(shè)計思路如下：設(shè)初始狀態(tài)為0，由光控電路部分產(chǎn)生的兩列脈沖分別為外A，內(nèi)B。（1） 設(shè)置計數(shù)器為增加狀態(tài)時， 根據(jù)實際情況分析出A，B的狀態(tài)變化及Q的變化為：110，00，11 ，01，10 如上圖時序邏輯分析圖所示，可得真值表和卡諾圖如下： A B Q1n Q1n+1 Z 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 01 1 0 0 01 1 1 1 0BQ1n A

8、000111100000011110 因此，得Q1n+1=AB+AQ1n =（AB）（AQ1n） Y=ABQ1n110，01，00，11，10（2）設(shè)置計數(shù)器為減少狀態(tài)時， 如上圖時序邏輯分析圖所示，可得真值表和卡諾圖如下：A B Q1n Q1n+1 Z 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 01 1 0 0 01 1 1 1 0BQ1n A000111100001110010 因此，得Q2n+1=AB+AQ2n =（AB）（AQ1n）接加法接減法 Y=ABQ2n 因此可得此部分時序邏輯圖，如圖4.10：接555脈沖

9、圖4.10接高電平計數(shù)和譯碼和顯示部分 計數(shù)和譯碼由兩個個計數(shù)器、兩個譯碼器和兩個數(shù)碼管來完成，用于接收計數(shù)脈沖信號并將其轉(zhuǎn)化成單獨的信號輸出并顯示。在本課題中選用了74LS192加減計數(shù)器、CD4511譯碼器和共陰極LED數(shù)碼顯示管，其電路圖如圖4.11：圖4.11此為加減輸入部分，調(diào)試時一個接脈沖另一個接高電平！電路總圖：六、安裝與調(diào)試：按照電路圖在計算機上進行仿真以后，開始在電路板上連接線路并且焊接。為了更有效的檢測電路連接的正確性，這里采取了邊連接邊測試的方法?？偣矞y試了三個部分：u 計數(shù)顯示部分：首先測試了計數(shù)顯示部分。連接電源，信號發(fā)生器調(diào)至輸出適當(dāng)頻率的脈沖信號，分別接加減輸入端

10、，調(diào)試時注意另一端接高電平，數(shù)碼管穩(wěn)定而有序地進行數(shù)的加減。u 時鐘脈沖部分：然后進行測試的是時鐘脈沖部分。連接好線路后，連接電源，將555定時器的脈沖輸出接口接入示波器，示波器得到如下波形：u 時序控制電路，本人認(rèn)為時序控制電路是最難連接的部分，用了很長時間在連接時序控制電路，總共連接了三遍，第一遍就是沒有任何反應(yīng)，此時可能是因為我本人之前并不認(rèn)為很難的緣故，連的時候有點粗心，所以直接進行第二遍的連接，這次連的很認(rèn)真，第二遍加減出現(xiàn)了但一直是加二減二，經(jīng)過細心檢查未果，然后又找了新的面包板，在新的面包板上連接，最后才按照規(guī)律進行著加減。u 光電轉(zhuǎn)換部分：在這里并未連接出光電轉(zhuǎn)換，而是用單刀雙

11、擲開關(guān)代替。連接好的電路如下圖所示：七、實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果分析：實驗數(shù)據(jù)：經(jīng)反復(fù)對光敏電阻匹配，R1與R3均設(shè)為68K。結(jié)果分析：1、數(shù)碼管檢測無任何顯示，對74LS47的3端接地，發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管也無任何顯示。由于使用的是對數(shù)碼管為7447（共陽極），應(yīng)在3腳和8腳加電源（中間接限流電阻）。2、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器3端輸出，光敏電阻進行光照和遮光處理時，發(fā)光二極管反應(yīng)不明顯。調(diào)節(jié)R1，最終達到反應(yīng)靈敏狀態(tài)。3、連好電路后，連接電源處理時。發(fā)現(xiàn)每當(dāng)負極接地時，試驗箱的所有發(fā)光的二極管的亮度減半，光控計數(shù)電路不工作。經(jīng)指導(dǎo)發(fā)現(xiàn)面包上的正負極相連，將電源和地都確認(rèn)可靠接電源和地后，解決該問題。4、檢測施密特和單穩(wěn)態(tài)

12、構(gòu)成的模塊，每當(dāng)對光敏電阻遮光和光照處理，單穩(wěn)態(tài)3端輸出延遲時間過短，還沒來得及給第二個施密特和單穩(wěn)態(tài)模塊處理，上面的高電平已經(jīng)轉(zhuǎn)變。分析：延遲時間有R2和C3電容控制，將C3由68uF換成100uF時，延時顯著。5、整個模塊進行調(diào)試，對第一模塊RG遮光，馬上對第二個RG遮光處理，數(shù)碼顯示管進行2次加法運算。但對第二塊RG遮光，馬上對第一塊RG遮光，則按預(yù)期的進行1次減法運算。八、心得體會： 通過本次數(shù)電課程設(shè)計，印象最深的是要設(shè)計一個成功的電路，必須要有一個好的設(shè)計。設(shè)計思路是最重要的，只要設(shè)計思路是成功的，那設(shè)計已經(jīng)成功了一半。其次還要有耐心，要有堅持的毅力。在整個電路的設(shè)計過程中，花費時間最多的是時序控制電路的連接及電路的細節(jié)設(shè)計上，時序控制電路所用到的六個與非門，僅僅在兩片芯片上，連接時要特別注意分清各個管腳。經(jīng)過查找資料并仔細比較分析其原理以及可行的原因，使整個電路可穩(wěn)定工作。實習(xí)過程中，我深刻的體會到在設(shè)計過程中，需要反復(fù)實踐，其過程很可