两位半数字显示电子计数器

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1、哈尔滨华德学院课程设计用纸- 1 -第章 绪论随着数字电子技术的迅速发展，各大专学生不仅需要掌握基 本理论知识，而且还需要掌握基本实验技能和具有一定的科研能 力。通过理论与实践的结合，不仅可以加深学生的理论基础，而 且还培养了学生的动手能力及独立思考、分析解决问题的能力， 为适应时代的需要打下良好的基础。 本实验指导书参照教育大纲的要求编写的，实验内容包括： 门电路功能测试；简易抢答器电路；加法器功能测试；编码器与 译码器； 触发器； 计数器和计数、 译码显示电路 （键盘显示电路） 。 本指导书的实验具有一点的通用性、趣味性和实用性，实验项目 中提供了参考电路及简要说明。在编写过程中，编者力求

2、贯彻课程改革的新理念，但限于编者水平有限，加之时间仓促，本指导书难免存在不妥之处，恳请大家批评指正，以便不断完善。谢谢1.1设计要求两位半数字显示电子计时器是一个数字电路应用的题目，涉及的基本知识包括数字电路利用 555 产生信号、数码管驱动、译码器的使用和设计等知识。 要求学生能根据课题， 通过查阅资料、调查研究等， 选择适合的电路原理图， 选择与购买适当的元器件，完成课题的方案设计，最终做出达到技术指标，符合效果要求的作品。并且要求布线尽可能少，合理进行步线。电源线用红线，地线用黑线。布线规律有制,尽量减少交叉。工艺简洁整齐，讲究整体布局。1.1.1设计题目和设计指标设计题目：两位半数字显

3、示电子计时器设计指标：1.三位数码管显示；哈尔滨华德学院课程设计用纸- 2 -2.最大计数为 999；3.到 999 后自动清零重新计数；4.具有单键开始、暂停、复位功能。1.1.2设计功能设计一个电路是电子计时器，并能够显示出所需要的时间，实现显示数字从 0 到 999，达到 999 后数字显象管自动清零后继续显示数字，依次循环，并且具有单键开始、暂停显示功能，通过电路的知识加深对数字与模拟电路相关内容的理解和掌握。哈尔滨华德学院课程设计用纸- 3 -第章电路的方框图2.1 两位半数字显示电子计时器方框图显示电路显示电路显示电路译码器译码器计数器计数器计数器译码器脉冲电路音控提示图 21 电

4、路的方框图2.2 方框图工作流程两位半数字显示电子计时器工作流程如图 21， 由脉冲电路发出矩形波，矩形波输入译码电路，由译码电路进行译码后传入驱动电路，再由驱动电路控制显示电路显示出相应数字。当脉冲电路输出的矩形波数量达到定值时，音控提示发出响声，实现完整的工作过程。哈尔滨华德学院课程设计用纸- 4 -第章第章单元电路设计和器件的选择3.1 多谐振荡电路的设计由 555 定时器构成多谐振荡器电路是一种矩形波产生电路， 这种电路不需要外加触发信号便能连续地、周期性地自行产生矩 形脉冲。 该脉冲是由基波和多次谐波构成,因此称为多谐振荡器电 路3.1.1 工作原理555 电路的内部电路方框图如图

5、3-1 所示。它含有两个电压 比较器，一个基本 RS 触发器，一个放电开关管 T，比较器的参 考电压由三只 5K 的电阻构成的分压器提供。它们分别使高电平 比较器C1的同相输入端和低电平比较器C2的反相输入端的参考 电平为 23Vcc 和 13Vcc.C1 与 C2 的输出端控制 RS 触发器状 态和放电管开关状态。当输入信号自 6 脚，即高电平触发输入并 超过参考电平 23Vcc 时，触发器复位；当输入信号自 2 脚输入 并低于 13Vcc 时，触发器置位。3.1.2 内部电路框图及引脚功能555 定时器的内部电路框图及逻辑符号和管脚排列分别如图图 3-1555 定时器内部结构R5KR5KR

6、5KC 1C 2G1G2G3R dVi1 (TH)Vi2(TR )VC CTVcoR 1V oV oDisQQSR.哈尔滨华德学院课程设计用纸- 5 -引脚功能：Vi1（TH） ：高电平触发端，简称高触发端，又称阈值端，标志为 TH。Vi2（TR） ：低电平触发端，简称低触发端，标志为TR。VCO：控制电压端。VO：输出端。Dis：放电端。Rd：复位端。555 定时器内含一个由三个阻值相同的电阻 R 组成的分压网络，产生31VCC和32VCC两个基准电压；两个电压比较器 C1、C2；一TH6TR2D is7VCC 8Rd 4Q3GND 1V c o55 5 512345678G N DTRV

7、oR dV c oTHD isV C C5 5 5.(a) 555的 逻 辑 符 号(b) 555的 引 脚 排 列 图 3-2555 定时器逻辑符号和引脚哈尔滨华德学院课程设计用纸- 6 -个由与非门 G1、G2组成的基本 RS 触发器（低电平触发） ；放电三极管 T 和输出反相缓冲器 G3。Rd是复位端，低电平有效。复位后, 基本 RS 触发器的Q端为 1（高电平） ，经反相缓冲器后，输出为 0（低电平）3.1.2555 定时器构成多谐振荡器电路图 3-3555 定时器构成多谐振荡器电路图 3-4555 定时器构成多谐振荡器电路的工作波形555 定时器构成的多谐振荡器如图 3-3 所示，R

8、1，R2和 C 是外接定时元件，电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要哈尔滨华德学院课程设计用纸- 7 -外加触发信号，电路中将高电平触发端（6 脚） 和低电平触发端（2 脚）并接后接到 R2 和 C 的连接处，将放电端（7 脚）接到 R1，R2的连接处。由于接通电源瞬间，电容 C 来不及充电，电容器两端电压 Uc为低电平，小于（1/3）Vcc，故高电平触发端与低电平触发端均为低电平，输出 Uo 为高电平，放电管 VT 截止。这时，电源经 R1，R2 对电容 C 充电， 使 电压 uc 按指数规律上升， 当 Uc 上升到 （2/3）Vcc 时，输出 Uo 为低电平，放电管 VT 导通，把

9、 Uc 从（1/3）Vcc上升到（2/3）Vcc 这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间 TPH 的长短与电容的充电时间有关 。推导过程如下：电容充电时，时间常数：t=（R1+R2）C；起始值：Uc（0）=（1/3）Vcc；终了值：Uc（）= Vcc；转换值：Uc（tw1）=（2/3）Vcc;带入 RC 过渡过程计算公式进行计算：tw1=0.7（R12R2）C;通过改变 R、C 的大小，可使延时时间在几个微秒和几十分钟之间变化。当这种多谐振荡电路作为计时器时，可直接驱动小型继电器，并可采用复位端接地的方法来终止暂态，重新计时。3.23.2 驱动电路的设计哈尔滨华德学院课程设计用纸- 8

10、 -驱动电路选用译码器 CD45113.2.1 工作原理CD4511 是一片 CMOS BCD锁存 7 段译码驱动器,具有 BCD转换、 消隐和锁存控制、 七段译码及驱动功能, 通常以反相器作输出级，可直接驱动共阴极 LED （数码管）显示器。3.2.2 引脚图及功能图 35 CD4511 引脚图BI：4 脚是消隐输入控制端，当 BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。LT：3 脚是测试输入端，当 BI=1，LT=0 时，译码输出全为 1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。LE：锁定控制端，当 LE=

11、0 时，允许译码输出。 LE=1 时译码器是锁 A1、A2、A3、A4、为 8421BCD 码输入端。a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平 1 有效。CD4511 的内部有上拉电阻， 在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作。3.2.3CD4511 功能表哈尔滨华德学院课程设计用纸- 9 -表 36CD4511 功能表3.33.3 译码电路的设计译码电路选用十进制计数器 74LS90。3.3.1 工作原理74LS90 是二，五，十进制异步计数器。异步计数器如果设定初态，在每个脉冲的作用下是按顺序变化的（态序） 。二进制计数器的每一状态相当一最小项，当最后一个脉冲到来后，电路

12、返回原状态。3.3.2 内部电路框图及引脚功能74LS90 内部电路框图如图 3-7。哈尔滨华德学院课程设计用纸- 10 -图 3-774LS90 内部电路框74LS90 功能：直接置 0（R0（1）R0（2）=1） ；直接置 9（R9（1）R9（2）=1） ；二进制计数（CP1 输入 Q0 输出） ；五进制计数（CP2 输入 Q3Q2Q1 输出）74LS90 引脚图和功能表如下：图 3-8 74LS90 引脚图哈尔滨华德学院课程设计用纸- 11 -表 3-9 74LS90 功能表A 将输出 QA与输入 B 相接，构成 8421BCD 码计数器；B 将输出 QD与输入 A 相接，构成 5421

13、BCD 码计数器；C 表中 H 为高电平、L 为低电平、为不定状态。3.43.4 音控提示电路的设计为满足使得数码管显示数字“199”时，蜂鸣器发出响声，选用三与门 74LS11 芯片。芯片引脚图、真值表如下图所示：复位输入输出 R1R2S1S2QDQCQBQAHHLXLLLLHHXLLLLLXXHHHLLHXLXL计数LXLX计数LXXL计数XLLX计数哈尔滨华德学院课程设计用纸- 12 -图 310 74LS11 引脚图表 31174LS11 真值表输入输出ABCYHHHHLLLLLL逻辑式：Y=ABC 或 Y=CBA哈尔滨华德学院课程设计用纸- 13 -第 4 章 整机电路的工作原理设计

14、电路中的计数显示电路由 3 位 BCD 计数器 74LS90、BCD锁存/七段译码器 CD4511 及三位共阴极 LED 数码显示管组成。其中 74LS90 是二-五-十进制异步计数器。 异步计数器如果设定初态，在每个脉冲的作用下是按顺序变化的（态序）。两位以上的数需要 74LS90 芯片级连， 即低位芯片计数满后， 低位的最高位作为进位， 送到高一位芯片的 CP 端。 该电路利用了芯片的级联特性实现 199 计数的。而 CD4511 具有译码功能，用两级或非门担任，通常以反相器作输出级，用以驱动 LED。译码器在电路中起到使数码管熄灭和显示作用. 该电路显示部分由三个共阴数码管分别代表百位、

15、十位、个位，计数值达到 199；如果把 7 段数码管的每一段都等效成发光二极管的正负两个极，那共阴就是把abcdefg 这 7 个发光二极管的负极连接在一起并接地；它们的 7个正极接到 7 段译码驱动电路 CD4511 的相对应的驱动端上 （也是abcdefg） 。此时若显示数字 1，那么译码驱动电路输出端 bc 为高电平，其它端扫描输出端为低电平，以此类推。脉冲发生电路利用 555 定时器构成一个多谐振荡器，可通过改变滑动变阻器的阻值改变脉冲发生频率，以控制计数时间的快慢。电路中的声音提示部分由 74LS11 芯片和蜂鸣器组成。其中74LS11 内部为三个三输入与门。根据计数器输出特点，当计

16、数达到 199 时，计数器输出端为 0001 1001 1001，即可利用三个与门组成驱动电路使蜂鸣器产生声音提示。当接通电源时,NE555 多谐振荡器为电路提供 CP 脉冲送入计哈尔滨华德学院课程设计用纸- 14 -数器 74LS90。根据 74LS90 特点将三个芯片级联以组成计数功能最大为 199 且自动清零的计数器。 计数输出到由三个 CD4511 芯片组成的译码电路，电路译码输出七位二进制信号驱动数码管显示数值。（电路见附录 1）哈尔滨华德学院课程设计用纸- 15 -第章 电路的组装调试5.15.1合理布局电路在安装前要将各个模块进行合理布局，一般按照电路的顺序一级一级地布局，在此过程中我们按照下列原则：1. 了解电子元件各管脚功能。2将所用到的芯片均匀的排列在电路板上。3.合理进行步线，布线尽可能少。4. 电源线用红线，地线用黑线。5. 布线规律有制,尽量减少交叉。6美观大方。注意事项：1 电路板各个所用电源，地都连起来。2 焊前一定要测试每个电子元件有无损坏。3 防止接线短路。4注