數(shù)電課設(shè)設(shè)計(jì)并仿真自動(dòng)打鈴系統(tǒng)

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1、課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 數(shù)子電子課程實(shí)驗(yàn)報(bào)告 設(shè)計(jì)并仿真自動(dòng)打鈴系統(tǒng) 目錄 　 一、設(shè)計(jì)任務(wù)和基本要求………………………………3 二、設(shè)計(jì)方案 …………………………………………3 三、單元設(shè)計(jì) …………………………………………7 四、組裝、調(diào)試、記錄 ………………………………12 五、總邏輯圖 …………………………………………12 六、元器件清單 ……………………………………14

2、 七、改進(jìn)設(shè)想 ………………………………………14 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)正文 一、課程設(shè)計(jì)任務(wù)和基本要求: 1.設(shè)計(jì)任務(wù) 采用中規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)一個(gè)可以自動(dòng)打鈴的系統(tǒng)。 2. 基本要求 （1）具有顯示小時(shí)和分鐘的時(shí)鐘功能。 （2）具有自動(dòng)打鈴功能（在8：30、9：15、9：25、10：10、10：30、11：15、11：25、12：10等8個(gè)時(shí)刻打鈴，鈴響30秒）。 （3）當(dāng)電路發(fā)生走時(shí)誤差時(shí)，要求電路具有校時(shí)功能。 （4）具有手動(dòng)設(shè)置定時(shí)的功能。 （5）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 二、設(shè)計(jì)方案： 1.方案一 原理框圖如2.1所示：

3、 此方案的設(shè)計(jì)思路是，用移位寄存器事先儲(chǔ)存八個(gè)時(shí)間點(diǎn)，每個(gè)時(shí)間點(diǎn)為十六位二進(jìn)制代碼，這八個(gè)時(shí)間點(diǎn)可依次滾動(dòng)循環(huán)輸出。然后將輸出的時(shí)間信號(hào)與時(shí)鐘的小時(shí)和分鐘信號(hào)用十六位比較器進(jìn)行比較。當(dāng)寄存器中輸出的時(shí)間與時(shí)鐘顯示的時(shí)間正好吻合時(shí)，比較器輸出相等的信號(hào)，啟動(dòng)蜂鳴器和指示燈。30秒后，由30秒的特征值和比較器相等的信號(hào)共同控制寄存器的使能端，使之滾動(dòng)，輸出下一個(gè)時(shí)間點(diǎn)。以此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)時(shí)打鈴的功能。（詳細(xì)原理見(jiàn)三、四、五、六部分） 此方案可任意預(yù)置八個(gè)時(shí)間點(diǎn)，使用范圍廣。但器件相對(duì)較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 2.方案二 原理框圖如2.2所示：

4、 此方案的設(shè)計(jì)思路是，通過(guò)判斷下一次打鈴距上一次打鈴的時(shí)間間隔來(lái)報(bào)時(shí)。這八個(gè)時(shí)間點(diǎn)的時(shí)間間隔依次是45、10、45、20、45、10、45分鐘。用45進(jìn)制、10進(jìn)制、20進(jìn)制計(jì)數(shù)器來(lái)控制響鈴的間隔時(shí)間。它們的輸出端接入四選一的數(shù)字選擇器，數(shù)字選擇器輸出選中的計(jì)數(shù)器的信號(hào)。當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)到45分或10分或20分鐘時(shí)開(kāi)啟響鈴系統(tǒng)來(lái)報(bào)時(shí)。數(shù)字選擇器的控制端用四個(gè)四位寄存器控制（如圖2.3），可事先預(yù)置不同的時(shí)間間隔出現(xiàn)的次序。然后依次滾動(dòng)輸出所需的控制信號(hào)。 首先將打鈴的初始時(shí)間信號(hào)預(yù)置到比較器中，在寄存器中存入如表2.4所示代碼。當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)與預(yù)置的初始信號(hào)相同時(shí)，

5、打鈴，同時(shí)開(kāi)啟45進(jìn)制計(jì)數(shù)器，計(jì)時(shí)。此時(shí)數(shù)字選擇器的控制端為00，輸出45進(jìn)制計(jì)數(shù)器輸出的信號(hào)。當(dāng)計(jì)時(shí)45分鐘后，打鈴，同時(shí)所有計(jì)數(shù)器重新計(jì)時(shí)。寄存器的使能端S0S1=01如圖2.5所示，寄存器左滾動(dòng)，輸出下一個(gè)代碼01.數(shù)字選擇器輸出10進(jìn)制計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的信號(hào)。這樣反復(fù)重復(fù)，當(dāng)寄存器輸出第七個(gè)信號(hào)也就是最后一個(gè)信號(hào)后滾動(dòng)到11，使能端S0S1=01，再次翻滾到00，重新循環(huán)。 此方案所需元器件比方案一少，但只能間隔固定的時(shí)間打鈴，且各部分間的級(jí)聯(lián)較復(fù)雜。 3.方案三： 原理框圖如圖2.6所示 此方案的設(shè)計(jì)思路是，用兩個(gè)十六

6、進(jìn)制比較器將打鈴的初始時(shí)間信號(hào)和終止時(shí)間信號(hào)分別與時(shí)鐘信號(hào)做比較。當(dāng)初始信號(hào)與時(shí)鐘信號(hào)相等時(shí)打鈴，同時(shí)開(kāi)啟1000進(jìn)制計(jì)數(shù)器，開(kāi)始計(jì)時(shí)，分別在計(jì)時(shí)45，55，100，120，165，175，220時(shí)用這些數(shù)字的特征值控制打鈴。當(dāng)最后一次打鈴時(shí)，終止時(shí)間比較器控制計(jì)數(shù)器停止計(jì)時(shí)。兩個(gè)比較器和計(jì)數(shù)器的連線圖如圖2.7所示 圖2.7方案三主要部件連線圖 圖2.8是初始時(shí)間為8：30，終止時(shí)間為12：10分的計(jì)時(shí)狀態(tài)。 （a） （b） （c） （d） 圖2.8 初始時(shí)間為8：30，終止時(shí)間為12.10的計(jì)時(shí)狀態(tài)圖 三、方案一單元設(shè)計(jì): 1.秒脈沖信號(hào)發(fā)生器

7、秒脈沖信號(hào)發(fā)生器由555定時(shí)器構(gòu)成，該信號(hào)源的參數(shù)計(jì)算： 所以參數(shù)設(shè)為Vs=5V，F(xiàn)=1Hz，R1=47k，R2=47k，C=10uf，Cf=10pf。 用示波器觀察發(fā)現(xiàn)，用555信號(hào)發(fā)生器輸出的信號(hào)不是標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)，所以用74132N的施密特觸發(fā)器對(duì)信號(hào)進(jìn)行整合后輸出。如圖3.1所示。 圖3.1秒脈沖信號(hào)發(fā)生器 2.時(shí)鐘 時(shí)鐘的秒、分用60進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)，小時(shí)用24進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)。然后將三個(gè)計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)，分別譯碼顯示，構(gòu)成一個(gè)秒分時(shí)的數(shù)字時(shí)鐘。計(jì)數(shù)器的CP由上述脈沖信號(hào)發(fā)生器提供，頻率為1秒。 1）60進(jìn)制計(jì)數(shù)器 六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器由兩片

8、74LS160十進(jìn)制計(jì)數(shù)器構(gòu)成，采用整體置數(shù)法實(shí)現(xiàn)。如圖3.2 所示。首先將兩片計(jì)數(shù)器以并行方式連成一個(gè)一百進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，即個(gè)位的進(jìn)位輸出與十位的ET、EP相連。當(dāng)十位片計(jì)數(shù)狀態(tài)為Q3Q2Q1Q0=0110、個(gè)位片計(jì)數(shù)狀態(tài)為Q3Q2Q1Q0=0000時(shí)，十位片Q2Q1經(jīng)與門產(chǎn)生反饋清零信號(hào)，將兩片74LS190同時(shí)置零，實(shí)現(xiàn)六十進(jìn)制計(jì)數(shù)。 圖3.2六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器 3）24進(jìn)制計(jì)數(shù)器 二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器由兩片74LS160十進(jìn)制計(jì)數(shù)器構(gòu)成，采用整體置數(shù)法實(shí)現(xiàn)。如圖3.3所示。首先將兩片計(jì)數(shù)器以并行方式連成一個(gè)一百進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，當(dāng)十位片計(jì)數(shù)狀態(tài)為Q3Q2Q1Q0=0010

9、、個(gè)位片計(jì)數(shù)狀態(tài)為Q3Q2Q1Q0=0100時(shí)，十位片Q1、個(gè)位片Q2經(jīng)G1門產(chǎn)生反饋清零信號(hào)，將兩片74LS190同時(shí)置零，實(shí)現(xiàn)二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)。 圖3.3二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器 3）譯碼顯示電路 所有計(jì)數(shù)器的譯碼顯示均采用BCD-7段譯碼器。如圖3.4所示，最右端為低位 圖3.4七段譯碼器 4）校時(shí) 當(dāng)時(shí)鐘出現(xiàn)差錯(cuò)時(shí)，需要校時(shí)，即對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行校正。校時(shí)系統(tǒng)采用單刀雙擲開(kāi) 圖3.5單刀雙擲開(kāi)關(guān) 關(guān)實(shí)現(xiàn)，如圖3.5所示。單刀接計(jì)數(shù)器的ET、EP端，雙刀的一端接1，另一端接下一位的進(jìn)位信號(hào)。當(dāng)撥到接1端時(shí)，計(jì)數(shù)器時(shí)鐘按照給定的CP獨(dú)立計(jì)時(shí)，實(shí)現(xiàn)校正。當(dāng)撥到進(jìn)位信號(hào)時(shí)，計(jì)數(shù)器只有在上

10、位計(jì)數(shù)器進(jìn)位時(shí)計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)功能。 3.八個(gè)時(shí)間的寄存 寄存器采用四位雙向移位的74LS194寄存器。在電路運(yùn)行之前，先將設(shè)置好的8個(gè)固定設(shè)定時(shí)間置入移位寄存器當(dāng)中如圖3.6所示，在電路開(kāi)始運(yùn)行后，將數(shù)字鐘的時(shí)、分與預(yù)置的打鈴時(shí)刻在比較器中進(jìn)行比較。若電子鐘的時(shí)、分與設(shè)定好的時(shí)間相等，則此時(shí)輸出一個(gè)高電位，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器和燈。之后，寄存器的數(shù)字自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到下一個(gè)時(shí)間，等待下一個(gè)打鈴時(shí)刻與數(shù)字鐘的吻合。 首先控制S0S1=11，寄存器置數(shù)，將事先設(shè)定好的數(shù)置入寄存器中，然后控制S0S1=00，寄存器處于保持狀態(tài)，等待滾動(dòng)信號(hào)的來(lái)臨。當(dāng)響鈴信號(hào)和30秒的特征值信號(hào)來(lái)臨時(shí)，S0S1=01，寄存器滾動(dòng)

11、到下一個(gè)時(shí)間點(diǎn)。 S0S1的控制如圖3.7所示。AB端為三十秒的特征值信號(hào)，此信號(hào)從C端輸出，與D端得響鈴信號(hào)相與。然后與S0S1的共同控制端E相或。即控制端為1時(shí)，S0S1=11，置數(shù)；控制端為0時(shí)，S0S1=00，保持，此時(shí)若響鈴三十秒，S0S1=01，滾動(dòng)。 圖3.6八個(gè)時(shí)間的寄存電路 圖3.7 S0S1使能端的級(jí)聯(lián)圖 四、組裝調(diào)試記錄： 在組裝和調(diào)試的過(guò)程中，出現(xiàn)了以下幾個(gè)主要問(wèn)題： 1. 蜂鳴器只響一秒 查找方法：分析級(jí)聯(lián)原理 原因：比較器的輸出端直接與移位寄存器的左移控制端S1連接。當(dāng)時(shí)鐘計(jì)時(shí)到打鈴時(shí)刻時(shí)，蜂鳴器響，同時(shí)，比較器的輸出端的高位信號(hào)使寄存

12、器左移，打鈴時(shí)刻跳轉(zhuǎn)到下一時(shí)刻，因此，比較器輸出低電位，則蜂鳴器只響一秒。 改進(jìn)：為使蜂鳴器的響聲持續(xù)30秒，利用秒計(jì)數(shù)器中十位的“3”的特征信號(hào)，使其與比較器的輸出經(jīng)過(guò)或門后將信號(hào)送給寄存器左移控制端，從而達(dá)到了蜂鳴器持續(xù)發(fā)聲30秒。 2. 電路開(kāi)始仿真時(shí)，第一個(gè)打鈴時(shí)刻并不是提前預(yù)置的第一個(gè)時(shí)刻 查找方法：分部控制、觀察。 原因：由于分別對(duì) S0S1控制，當(dāng)控制S0S1=11，實(shí)現(xiàn)置數(shù)后，需要把S0S1同時(shí)撥到0，否則就會(huì)出現(xiàn)S0S1=01或S0S1=10的時(shí)刻。這樣寄存器就會(huì)左滾動(dòng)或右滾動(dòng)一次。 改進(jìn)：將兩個(gè)控制端合并為一個(gè)控制端，減少操作的時(shí)間差。 3. 在連接兩個(gè)四位寄存

13、器中數(shù)碼管始終為0 查找方法：首先用數(shù)碼顯示管連到寄存器的四個(gè)輸出端，查看是否能置數(shù)，然后再控制觀察是否能滾動(dòng)。 原因：一些連線上的錯(cuò)誤。 4.在仿真的過(guò)程中還出現(xiàn)，某些器件不工作（用示波器挨個(gè)查找），軟件中毒（嘗試發(fā)現(xiàn)重新復(fù)制到一個(gè)新的multisim中），級(jí)聯(lián)不合理等問(wèn)題。 五、課程設(shè)計(jì)總邏輯原理圖: 六、元器件清單: 型號(hào) 功能 備注 74132 施密特觸發(fā)器 一片 CC14585BD 四位二進(jìn)制比較器 四片 74ALS32 二輸入或門 一片 74LS194 四位雙向寄存器 32片 74LS00 四個(gè)2輸入與非門 一片 74LS08 2輸入與門 兩片 74AS21 4輸入與門 兩片 74LS160 十進(jìn)制計(jì)數(shù)器 六片 555定時(shí)器 產(chǎn)生時(shí)間延遲和多種脈沖信號(hào) 一片 電阻、電容 47kΩ兩個(gè) 2kΩ滑動(dòng)變阻器一個(gè) 10pf電容一個(gè) 10μf電容一個(gè) LED顯示器 十塊 高低邏輯電平 130個(gè) 響鈴 一個(gè) 燈泡 一個(gè) 七、改進(jìn)設(shè)想： 共 14 頁(yè) 第 14 頁(yè)