数字电子电课程设计(光控计数器)

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1、数字电子课程设计报告姓名：严俊宇专业：自动化学号：1020620265 机械与电子工程学院 光控计数器一、设计目的： 1. 进一步掌握数字电子技术的理论知识，培养工程设计能力和综合分析问题、解决问题的能力。 2、掌握常用电子电路的一般设计方法，提高电子电路的设计和实验能力；3、了解一些中规模集成电路的接线方法；4、熟悉并学会选用电子元器件，为以后从事生产和科研工作打下一定的基础。二、设计要求：1基本要求（1）要求用数码管显示计数结果。（2）可以用GAL设计计数器，也可以使用集成芯片。（3）设有手动复位（清零）。2扩展部分设计两路光控电路，其输出能令计数器实现加、减计数。三、实验仪器和设备：给定

2、主要器件：试验箱（含面包板） 1块555 4片 74LS74 1片 74LS191 2片 74LS47 2片74LS00 1片 数码显示器 2只 0.01uf电容 4片100uf电容 2只 10k电阻 4支1k电阻 2支四、系统的组成及工作原理：1、整个系统组成：整个系统由五个部分组成：光控电路、触发脉冲、加减计数、显示译码和数码显示，其工作原理框图如下： 2、工作原理：首先由光控电路将接收的光信号转换为电信号，经由555定时器组成的施密特触发器整形和555定时器组成的单稳态触发器触发脉冲，输出计数脉冲信号。再通过计数器和译码器，在数码显示管上显示数目的增加或减少，实现自动计数的功能。五、电路

3、设计：元器件介绍： 施密特触发器 经光电部分出来的波形是不规则的，需要经过施密特触发器进行整形。在此选用的施密特触发器74LS04芯片，因此输出与输入反相。芯片结构及引脚图如图4.1。图4.1555定时器 555定时器是一种应用极为广泛的中规模集成电路。它使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器，广泛用于信号的产生、变换、控制和检测。在此课题中主要是用555定时器构成多谐振荡器，产生双D触发器所需要的时钟脉冲。其引脚图及实物图如图4.2。 图4.2 双D触发器本课题中选用的是74LS74双D触发器，用于和其它芯片一起构成时序逻辑电路。由于74LS74是上升边沿触

4、发的边沿D触发器，电路结构是维特阻塞型的，所以又称维特阻塞触发器。它要求控制端D的信号应超前CP脉冲上升边沿2Tpd1时间建立，并要求在CP脉冲触发边沿到来后继续维持1Tpd1时间（此处的Tpd1是TTL门的平均传输延迟时间）。其中一个D触发器引脚及74LS74管脚图结构如图4.3。 图4.3 与非门本课题中选用了两个74LS00芯片和一个74LS20芯片，与双D触发器一起构成时序控制电路。其中74LS00芯片结构及引脚图如图四。74LS20芯片中为两个四脚合一与非门。74LS00内部原理及管脚图如图4.4。图4.4加/减计数器因为本课题中需要对人数统计进行加和减的运算，所以在这里选用74LS

5、192可逆计数器。其引脚图及实物如图4.5。图4.5 译码器译码器用以连接计数器和显示部分。本课题选用了74ls48芯片作为译码器。其引脚图如4.6所示。 图4.6数码管数码管通常有发光二极管（LED）数码管和液晶（LCD）数码管，本设计提供的为LED数码管（共阴极）。其引脚图如图4.7。 图4.7 单元电路设计光电转换电路光电转换电路用于将光信号转换为系统所需的电信号。由于需要进行数目的加和减的运算，此部分需要两个相同的光控电路。每个电路的组成为：一个发射管，一个接收管以及一个三极管，同时还有一个20欧姆和一个20K欧姆的电阻。接通电源后，接收管接收到发射管射来的红外光线。当有人通过两个二极

6、管间时，三极管电流增大，内阻减小，集电极输出低电平，送至施密特触发器。电路图如图4.8： 图4.8时钟脉冲产生电路对于双D触发器所需要的1000Hz的脉冲，由于在本课题中电路对脉冲的精确度要求不是很高而晶体振荡需要分频，所以采用了555定时器构成的多谐振荡器，使其产生需要的方波作为触发器和计数器的CP脉冲.振荡器的频率计算公式为:f=1.43/(R1+2*R2)*C),通过计算选定参数确定了R1取430欧姆,R2取500欧姆,电容取1uF.这样得到了比较稳定的脉冲。其电路图如图4.9所示：图4.9整形电路 此整形电路由74LS04施密特触发器完成，对光电转换电路输出的脉冲信号进行整形，较为简单

7、，在此就不赘述。 时序控制电路时序控制电路在本课题中主要用于判断计数的增加或是减少，在此选用了一个D触发器、两个74LS00芯片、一个74LS20芯片来实现。设计思路如下：设初始状态为0，由光控电路部分产生的两列脉冲分别为外A，内B。（1） 设置计数器为增加状态时， 根据实际情况分析出A，B的状态变化及Q的变化为：110，00，11 ，01，10 如上图时序逻辑分析图所示，可得真值表和卡诺图如下： 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）设置计数器为减少状态时， 如上图时序逻辑分析图所示，可得真值表和卡诺图如下：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）接加法接减法 Y=ABQ2n 因此可得此部分时序逻辑图，如图4.10：接555脉冲

9、图4.10接高电平计数和译码和显示部分 计数和译码由两个个计数器、两个译码器和两个数码管来完成，用于接收计数脉冲信号并将其转化成单独的信号输出并显示。在本课题中选用了74LS192加减计数器、CD4511译码器和共阴极LED数码显示管，其电路图如图4.11：图4.11此为加减输入部分，调试时一个接脉冲另一个接高电平！电路总图：六、安装与调试：按照电路图在计算机上进行仿真以后，开始在电路板上连接线路并且焊接。为了更有效的检测电路连接的正确性，这里采取了边连接边测试的方法。总共测试了三个部分：u 计数显示部分：首先测试了计数显示部分。连接电源，信号发生器调至输出适当频率的脉冲信号，分别接加减输入端

10、，调试时注意另一端接高电平，数码管稳定而有序地进行数的加减。u 时钟脉冲部分：然后进行测试的是时钟脉冲部分。连接好线路后，连接电源，将555定时器的脉冲输出接口接入示波器，示波器得到如下波形：u 时序控制电路，本人认为时序控制电路是最难连接的部分，用了很长时间在连接时序控制电路，总共连接了三遍，第一遍就是没有任何反应，此时可能是因为我本人之前并不认为很难的缘故，连的时候有点粗心，所以直接进行第二遍的连接，这次连的很认真，第二遍加减出现了但一直是加二减二，经过细心检查未果，然后又找了新的面包板，在新的面包板上连接，最后才按照规律进行着加减。u 光电转换部分：在这里并未连接出光电转换，而是用单刀双

11、掷开关代替。连接好的电路如下图所示：七、实验数据和结果分析：实验数据：经反复对光敏电阻匹配，R1与R3均设为68K。结果分析：1、数码管检测无任何显示，对74LS47的3端接地，发现数码管也无任何显示。由于使用的是对数码管为7447（共阳极），应在3脚和8脚加电源（中间接限流电阻）。2、单稳态触发器3端输出，光敏电阻进行光照和遮光处理时，发光二极管反应不明显。调节R1，最终达到反应灵敏状态。3、连好电路后，连接电源处理时。发现每当负极接地时，试验箱的所有发光的二极管的亮度减半，光控计数电路不工作。经指导发现面包上的正负极相连，将电源和地都确认可靠接电源和地后，解决该问题。4、检测施密特和单稳态

12、构成的模块，每当对光敏电阻遮光和光照处理，单稳态3端输出延迟时间过短，还没来得及给第二个施密特和单稳态模块处理，上面的高电平已经转变。分析：延迟时间有R2和C3电容控制，将C3由68uF换成100uF时，延时显著。5、整个模块进行调试，对第一模块RG遮光，马上对第二个RG遮光处理，数码显示管进行2次加法运算。但对第二块RG遮光，马上对第一块RG遮光，则按预期的进行1次减法运算。八、心得体会： 通过本次数电课程设计，印象最深的是要设计一个成功的电路，必须要有一个好的设计。设计思路是最重要的，只要设计思路是成功的，那设计已经成功了一半。其次还要有耐心，要有坚持的毅力。在整个电路的设计过程中，花费时

13、间最多的是时序控制电路的连接及电路的细节设计上，时序控制电路所用到的六个与非门，仅仅在两片芯片上，连接时要特别注意分清各个管脚。经过查找资料并仔细比较分析其原理以及可行的原因，使整个电路可稳定工作。实习过程中，我深刻的体会到在设计过程中，需要反复实践，其过程很可能相当烦琐，有时花很长时间设计出来的电路还是需要重做，那时心中未免有点灰心，有时还特别想放弃，此时更加需要静下心，查找原因。此外，团队精神和老师的指导对我本次课题的完成也是相当重要。总体来说，这次实习受益匪浅。在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，特别有趣，培养了设计思维，增加了实际操作能力。在体会到了设计电路的艰辛的同时，更体会到成功的喜悦和快乐。- 9 -模拟电子实验报告附录11