数电课程设计论文

课 程 设 计 说 明 书 课程名称：数字电子技术、模拟电子技术 设计题目： 计数报警器 院 系： 电子信息与电气工程学院 学生姓名： 史川川 学 号： 201002020037 专业班级： 电子信息工程2010级1班 指导教师： 张修太 2012年5月25日课 程 设 计 任 务 书设计题目计数报警器学生姓名史川川所在院系电子信息与电 气工程学院专业、年级、班电子信息工程2010级1班设计要求： 1.设计制作一个计数报警电路； 2.计数最大值为99，用七段数码管显示； 3.计数溢出时发出声光报警信号，报警时间长度为10秒，报警光信号用红色LED表示； 4.计数脉冲用按钮产生。学生应完成的工作： 设计计数报警器的工作原理，并利用Multisim软件进行电路仿真。利用Altium Designer软件绘制电路原理图，并设计制作电路的PCB板。根据设计原理对电路进行安装、调试，完成课程设计工作，并提交课程设计报告。参考文献阅读： 1童诗白.模拟电子技术基础（第四版）M.北京：高等教育出版社，2006. 2数字设计原理与实践（原书第3版)John F.Wakerly(译者:林生 金京林 王腾) 机械工业出版社,2010. 3邱关源 罗先觉.电路（第五版）M.北京：高等教育出版社，2006. 4阎 石.数字电子技术基础（第五版）M.北京：高等教育出版社，2006. 5谷树忠 刘文洲 姜航.Altium Designer教程 北京：电子工业出版社，2010.工作计划：5月14号16号完成电路设计与仿真；5月17号进行设计原理图；5月18号21号制作PCB板； 5月22号25号电路板安装与调试，提交课程设计报告。任务下达日期：2012 年 5 月 14 日任务完成日期：2012 年 5 月 25 日指导教师（签名）： 学生（签名）： 计数报警器摘 要：利用数字电子技术基础知识设计一个计数报警器，该计数报警器的设计采用的元件主要有译码器74LS47、十进制计数器74LS192、555定时器。用74LS192实现电路的计数功能，在数码管显示方面则有74LS192 及74LS47来实现数码管的计数显示。其中，74LS192的预置数从低到高依次接0000（对应的十进制数为0），其UP端接高电平实现加计数。计数达到最大值时使用分频器发出声音同时红色LED灯发出光报警信号，报警时间长度用555计时器来实现为10秒，要注意的是74LS247N和数码管是共阳极的。关键词：555定时器；计数器；触发器；译码器；数码管目 录1.设计背景 11.1了解数字电路系统的定义及组成11.2掌握时钟电路的作用及基本构成12.设计方案22.1任务分析22.2方案论证23.方案实施 43.1原理图设计43.2电路仿真43.3 PCB制作 53.4 安装与调试 54.结果与结论65.收获与致谢66.参考文献77.附件 87.1电路原理图87.2 PCB布线图97.3元器件清单9101. 设计背景1.1了解数字电路系统的定义及组成用数字信号完成对数字量进行算术运算和逻辑运算的电路称为数字电路，或数字系统。由于它具有逻辑运算和逻辑处理功能，所以又称数字逻辑电路。现代的数字电路由半导体工艺制成的若干数字集成器件构造而成。逻辑门是数字逻辑电路的基本单元。数字电路可以分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类。数字电路系统一般包括输入电路、控制电路、输出电路、时钟电路和电源等。数字电路的发展与模拟电路一样经历了由电子管、半导体分立器件到集成电路等几个时代，但其发展比模拟电路发展的更快。从60年代开始，数字集成器件以双极型工艺制成了小规模逻辑器件，随后发展到中规模逻辑器件。70年代末，微处理器的出现，使数字集成电路的性能产生质的飞跃。逻辑门是数字电路中一种重要的逻辑单元电路。TTL逻辑门电路问世较早，其工艺经过不断改进，至今仍为主要的基本逻辑器件之一。随着CMOS工艺的发展,TTL的主导地位受到了动摇，有被CMOS器件所取代的趋势。 近年来,可编程逻辑器件PLD特别是现场可编程门阵列FPGA的飞速进步，使数字电子技术开创了新局面，不仅规模大，而且将硬件与软件相结合，使器件的功能更加完善，使用更灵活。 1.2掌握时钟电路的作用及基本构成时钟电路可以简单定义如下：1.就是产生像时钟一样准确的振荡电路。2.任何工作都按时间顺序，用于产生这个时间的电路就是时钟电路。 时钟电路属于一种控制电路，整个系统都在它的控制下按一定的规律工作。时钟电路包括主时钟振荡电路及经分频后形成各种时钟脉冲的电路。设计时钟电路，应根据系统的要求首先确定主时钟的频率，并注意与其他控制信号结合产生系统所需的各种时钟脉冲。通过数字电子技术课程设计，同学们在设计电路时首先在Multisim软件进行电路仿真555时钟电路，并用示波器连接，改变各个器件的量值，使计数达到最大值时发出声光报警信号，报警时间长度为10秒，系统地、全面地掌握数字电路系统的基本设计方法，设计步骤，熟悉和掌电路参数的计算，电路元器件的选择与应用，学习数字电路原理图设计、PCB板设计和实物电路系统的制作、安装、调试、测试、故障查找和排除的方法和技巧，并在此基础上，逐步调试改进、完善电路的性能。学会积极地按照设计任务的要求，查阅并理解相关技术文献，能进行方案的论证比较，方案的具体实施。2. 设计方案2.1任务分析1、课题分析与研究熟知设计要求，明确设计系统的全部功能，要求及计数指标，熟知各元器件之间的关系，确定各器件之间的量值，2、总体方案确定根据系统的逻辑关系将系统分解，分析各部分之间的关系，分析各部分的逻辑的关系。3、单元电路绘制与仿真选择合适的数字器件，用Multism仿真，并应用Altium Designer绘制各单元的逻辑电路图。4、分析电路充分熟知电路，对控制信号要从逻辑、正反极性、时序三个方面进行深入考虑，确保各部分能正常工作，反复不断的仿真与测试，最终能得到课题所要的结果。2.2方案论证（1）555定时器的连接555定时器是一种功能强大的模拟数字混合集成电路，如图1所示，有二个比较器A1和A2，有一个RS触发器，R和S高电平有效。三极管VT1对清零起跟随作用，起缓冲作用。三极管VT2是放电管，将对外电路的元件提供放电通路。比较器的输入端有一个由三个5kW电阻组成的分压器，由此可以获得和两个分压值，一般称为阈值。555定时器的1脚是接地端GND，2脚是低触发端TRIG，3脚是输出端OUT，4脚是清除端RST，5脚是电压控制端CVOLT，6脚是高触发端THR，7脚是放电端DISC，8脚是电源端VCC。555定时器的输出端电流可以达到200mA，因此可以直接驱动与这个电流数值相当的负载，如扬声器、发光二极管等。 图1 555定时器（2）发光二极管的连接LED产品的种类繁多，有共阴极电路，还有共阳极电路。本次设计采用共阳极电路。如图2所示: 图2 发光二极管（3）74LS192和74LS47 74LS192异步十进制计数器:这个计数器是十进制的，在设计时电路比较简单，我们在学习进制设计时已经使用过，基本了解它的各项功能。对于六进制的设计不是很大的问题，同时由于RST清零，LD的保持功能可以很方便的实现清零开始,暂停继续这两个功能。因此我选用这种方案。74LS47是一种BCD码输入的四线-七段译码器。1、 灯测试输入端/LT当/LT=0时，发光数码管各发光段全亮，显示8字，用以检查数码管各发光段是否良好。当/LT=1时，译码器按输入BCD码正常译码显示。2、 灭灯输入端/BI当/BI=0时，其输出端均为高电平，显示器各段都不亮。当/BI=1时，显示器各段才根据输入译码输出。3、 灭零输入端/RBI 当/RBI=0时，若输入DCBA=0000，则输出不显示0，若输入为其他代码，则照常显示。此输入端可以用来熄灭译码器输出中多余的0，如果输出02。10时，只需在对应位使/RBI=0。4、 灭零输出端/RBO 该端同/BI端共用一个引脚，它既是灭灯输入端用来接收信号，又是灭零输出端输出信号，为相邻位提供灭零输入信号。3. 方案实施3.1原理图设计 选择74LS192两片、74LS47两片、数码管两枚、电阻若干、电容若干、开关两个。1、根据74LS192的功能表的功能，将两片74LS192连成十进制计数器，是输出的数字为从1到99，需要有清零功能。2、根据课题需要调整电路相应电阻与电容的测量值，用相应电阻和电容以及555组成单谐振荡器，和74LS192相连。3、根据74LS47的功能，分别将两片74LS47连接到两片74LS192的相应端。4、将共阳极数码管两枚分别接于两片74LS47相连，中间加100欧电阻。3.2电路仿真用Multism软件根据原先绘制的电路图绘制各单元的相应逻辑电路图后，进行仿真，仿真的时候可能遇到不符合课题的要求以及不能出现正确的结果，然后重新修改并设计电路，必要的时候在老师的帮助下发现自己设计电路的错误，并按照老师给予的意见和建议进行修改，最后设计出能正常实现所要求的功能的电路图，用Multism进行仿真，得出所要的结果。 如图3所示。 图3 Multism仿真图3.3 PCB制作 建立PCB文件，课题所用元件选择正确封装，利用网络表导入元件，然后进行布线，并进行一些必要的参数设置，进行布线时一些线要尽可能少的交叉，课题采用的是手动布线的方法。3.4 安装与调试首先建立PCB文件，对元件选择正确封装，利用网络表导入元件，然后进行布线，先要进行一系列的参数设置，并要移动元件的位置尽量得到最佳布局，我们采用的是手动布线的方法。然后，在老师的帮助下制出电路板，我明白了电路板制作的过程，并没有想像中的困难。最后进行焊接、安装，由于设备问题，电路板印制的不是十分理想，需先对其短线进行焊接，然后进行安装。在安装过程中也出现了一些易犯的错误，如芯片装反，引脚没焊接好等错误，都是以后应该注意的。在调试过程中，也发现一些设计错误，这也是应该注意的。4. 结果与结论这次课题中设计部分还行，但是由于一些PCB板设计的问题导致结果并不是十分的理想，导致外接导线多，外接一些导线后，功能基本可以实现。由于设计的原因，结果并不十分理想。其元件布局不是十分合理，导致外接导线多，功能基本可以实现。我们初步掌握了电子元件的焊接方法技巧之后，便可以开始尝试焊接一些电路板元件了。其中电子元件的布局是很重要的。因为它关联到电路连接的方便简洁。这一课程设计使我们将课堂上的理论知识有了进一步的了解，并增强了对数字电子技术这门课程的兴趣。了解了更多电子元件的工作原理，如：74LS192、74LS47等。同时也发现自己对数电知识和电子设计软件掌握得不够。其次在此次设计过程中由于我们频繁的使用一些电子设计软件如：Multisim、 Altium Designer等，因此使我进一步熟悉了软件的使用，同时在电脑的电子设计和绘图操作上有了进一步提高。我认识到：数电设计每一步都要细心认真，因为任何一步出错的话，都会导致后面的环节发生错误。这一课程设计，使我向更高的精神和知识层次迈向一大步。在以后的学习生活中，我会努力学习，培养自己独立思考的能力，积极参加多种设计活动，培养自己的综合能力，从而使得自己成为一个有综合能力的人才而更加适应社会。课程设计已渐入尾声，通过这一次，我们又收获到了很多珍贵的知识，而这与老师的辛勤是离不开的。在此，我谨代表全体同学对老师说一声谢谢！ 5. 收获与致谢在进行设计之前，我参考了许多相关的资料，从网络上下载了原理图。在设计中又参考了以前讲过的计数报警器的原理图，有了基本的思路。但着手设计时，又出现了许多未预料到的问题，例如元件的选择：在选择编码器时，是采用普通编码器还是优先编码器。普通编码器中，任何时刻只允许输入一个编码信号，否则输出将发生混乱。所以我选择了优先编码器。但是74LS系列中众多不同管脚的类型，选择哪个作编码器。经过查找，选择了74LS192。因为想用数字的形式显示计数的数字，所以选择了数码显示管。通过此次课程设计，我学会了运用Multism制作仿真图，运用Altium Designer软件制图、布线，了解了制作电路板的全过程及原理。通过这两周的实习以及学习，让我懂得动手实践的重要性，了解了同组同学之间合作的重要性，确实增加了我的学习积极性。特别感谢张修太、张玮玮、李风雷三位老师耐心辅导以及在设计中给出的宝贵建议和意见，在此，我表示衷心的感谢！6. 参考文献1童诗白.模拟电子技术基础（第四版）M.北京：高等教育出版社，2006. 2数字设计原理与实践（原书第3版)John F.Wakerly(译者:林生 金京林 王腾)机械工业出版社,2010.3邱关源 罗先觉.电路（第五版）M.北京：高等教育出版社，2006. 4阎 石.数字电子技术基础（第五版）M.北京：高等教育出版社，2006.5古树忠 刘文洲 姜航.Altium Designer教程 北京：电子工业出版社，2010.7. 附件7.1 电路原理图电路原理图如图4所示。图4 电路原理图7.2 PCB布线图 PCB布线图如图5所示。图5 PCB布线图7.3 元器件清单元器件清单如表一所示。表一 元器件清单器件功能个数74LS192十进制计数器2片74LS47译码器2片电阻100欧，1k欧，100k欧各1个电容100nF，10uF各1个发光二极管红1个扬声器报警1个导线连接各器件若干555定时器定时1片指导教师评语：课程设计报告成绩： ，占总成绩比例： 40 课程设计其它环节成绩：环节名称：原理图设计与仿真，成绩： ，占总成绩比例： 20 环节名称：PCB设计 ，成绩： ，占总成绩比例： 20 环节名称：电路安装调试 ，成绩： ，占总成绩比例： 20 总 成 绩： 指导教师签字：年 月 日本次课程设计负责人意见：负责人签字：年 月 日