數(shù)字電子電課程設(shè)計(jì)(光控計(jì)數(shù)器)

1、數(shù)字電子課程設(shè)計(jì)報(bào)告姓名：嚴(yán)俊宇專業(yè)：自動(dòng)化學(xué)號(hào)：1020620265 機(jī)械與電子工程學(xué)院 光控計(jì)數(shù)器一、設(shè)計(jì)目的： 1. 進(jìn)一步掌握數(shù)字電子技術(shù)的理論知識(shí)，培養(yǎng)工程設(shè)計(jì)能力和綜合分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。 2、掌握常用電子電路的一般設(shè)計(jì)方法，提高電子電路的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)?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(huì)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(jì)要求：1基本要求（1）要求用數(shù)碼管顯示計(jì)數(shù)結(jié)果。（2）可以用GAL設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)器，也可以使用集成芯片。（3）設(shè)有手動(dòng)復(fù)位（清零）。2擴(kuò)展部分設(shè)計(jì)兩路光控電路，其輸出能令計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)加、減計(jì)數(shù)。三、實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備：給定

2、主要器件：試驗(yàn)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(gè)系統(tǒng)組成：整個(gè)系統(tǒng)由五個(gè)部分組成：光控電路、觸發(fā)脈沖、加減計(jì)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(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)由555定時(shí)器組成的施密特觸發(fā)器整形和555定時(shí)器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器觸發(fā)脈沖，輸出計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)。再通過(guò)計(jì)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)數(shù)的功能。五、電路

3、設(shè)計(jì)：元器件介紹： 施密特觸發(fā)器 經(jīng)光電部分出來(lái)的波形是不規(guī)則的，需要經(jīng)過(guò)施密特觸發(fā)器進(jìn)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(shí)器 555定時(shí)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(hào)的產(chǎn)生、變換、控制和檢測(cè)。在此課題中主要是用555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器，產(chǎn)生雙D觸發(fā)器所需要的時(shí)鐘脈沖。其引腳圖及實(shí)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(shí)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(hào)應(yīng)超前CP脈沖上升邊沿2Tpd1時(shí)間建立，并要求在CP脈沖觸發(fā)邊沿到來(lái)后繼續(xù)維持1Tpd1時(shí)間（此處的Tpd1是TTL門(mén)的平均傳輸延遲時(shí)間）。其中一個(gè)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(mén)本課題中選用了兩個(gè)74LS00芯片和一個(gè)74LS20芯片，與雙D觸發(fā)器一起構(gòu)成時(shí)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(gè)四腳合一與非門(mén)。74LS00內(nèi)部原理及管腳圖如圖4.4。圖4.4加/減計(jì)數(shù)器因?yàn)楸菊n題中需要對(duì)人數(shù)統(tǒng)計(jì)進(jìn)行加和減的運(yùn)算，所以在這里選用74LS

5、192可逆計(jì)數(shù)器。其引腳圖及實(shí)物如圖4.5。圖4.5 譯碼器譯碼器用以連接計(jì)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(jì)提供的為L(zhǎng)ED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(jì)光電轉(zhuǎn)換電路光電轉(zhuǎn)換電路用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需的電信號(hào)。由于需要進(jìn)行數(shù)目的加和減的運(yùn)算，此部分需要兩個(gè)相同的光控電路。每個(gè)電路的組成為：一個(gè)發(fā)射管，一個(gè)接收管以及一個(gè)三極管，同時(shí)還有一個(gè)20歐姆和一個(gè)20K歐姆的電阻。接通電源后，接收管接收到發(fā)射管射來(lái)的紅外光線。當(dāng)有人通過(guò)兩個(gè)二極

6、管間時(shí)，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(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路對(duì)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(duì)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(shí)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(jì)數(shù)器的CP脈沖.振蕩器的頻率計(jì)算公式為:f=1.43/(R1+2*R2)*C),通過(guò)計(jì)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(duì)光電轉(zhuǎn)換電路輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行整形，較為簡(jiǎn)單

7、，在此就不贅述。 時(shí)序控制電路時(shí)序控制電路在本課題中主要用于判斷計(jì)數(shù)的增加或是減少，在此選用了一個(gè)D觸發(fā)器、兩個(gè)74LS00芯片、一個(gè)74LS20芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)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(jì)數(shù)器為增加狀態(tài)時(shí)， 根據(jù)實(shí)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(shí)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(jì)數(shù)器為減少狀態(tài)時(shí)， 如上圖時(shí)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(shí)序邏輯圖，如圖4.10：接555脈沖

9、圖4.10接高電平計(jì)數(shù)和譯碼和顯示部分 計(jì)數(shù)和譯碼由兩個(gè)個(gè)計(jì)數(shù)器、兩個(gè)譯碼器和兩個(gè)數(shù)碼管來(lái)完成，用于接收計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化成單獨(dú)的信號(hào)輸出并顯示。在本課題中選用了74LS192加減計(jì)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(shí)一個(gè)接脈沖另一個(gè)接高電平！電路總圖：六、安裝與調(diào)試：按照電路圖在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真以后，開(kāi)始在電路板上連接線路并且焊接。為了更有效的檢測(cè)電路連接的正確性，這里采取了邊連接邊測(cè)試的方法?？偣矞y(cè)試了三個(gè)部分：u 計(jì)數(shù)顯示部分：首先測(cè)試了計(jì)數(shù)顯示部分。連接電源，信號(hào)發(fā)生器調(diào)至輸出適當(dāng)頻率的脈沖信號(hào)，分別接加減輸入端

10、，調(diào)試時(shí)注意另一端接高電平，數(shù)碼管穩(wěn)定而有序地進(jìn)行數(shù)的加減。u 時(shí)鐘脈沖部分：然后進(jìn)行測(cè)試的是時(shí)鐘脈沖部分。連接好線路后，連接電源，將555定時(shí)器的脈沖輸出接口接入示波器，示波器得到如下波形：u 時(shí)序控制電路，本人認(rèn)為時(shí)序控制電路是最難連接的部分，用了很長(zhǎng)時(shí)間在連接時(shí)序控制電路，總共連接了三遍，第一遍就是沒(méi)有任何反應(yīng)，此時(shí)可能是因?yàn)槲冶救酥安⒉徽J(rèn)為很難的緣故，連的時(shí)候有點(diǎn)粗心，所以直接進(jìn)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(guò)細(xì)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(jìn)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(kāi)關(guān)代替。連接好的電路如下圖所示：七、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果分析：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：經(jīng)反復(fù)對(duì)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(cè)無(wú)任何顯示，對(duì)74LS47的3端接地，發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管也無(wú)任何顯示。由于使用的是對(duì)數(shù)碼管為7447（共陽(yáng)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(jìn)行光照和遮光處理時(shí)，發(fā)光二極管反應(yīng)不明顯。調(diào)節(jié)R1，最終達(dá)到反應(yīng)靈敏狀態(tài)。3、連好電路后，連接電源處理時(shí)。發(fā)現(xiàn)每當(dāng)負(fù)極接地時(shí)，試驗(yàn)箱的所有發(fā)光的二極管的亮度減半，光控計(jì)數(shù)電路不工作。經(jīng)指導(dǎo)發(fā)現(xiàn)面包上的正負(fù)極相連，將電源和地都確認(rèn)可靠接電源和地后，解決該問(wèn)題。4、檢測(cè)施密特和單穩(wěn)態(tài)

12、構(gòu)成的模塊，每當(dāng)對(duì)光敏電阻遮光和光照處理，單穩(wěn)態(tài)3端輸出延遲時(shí)間過(guò)短，還沒(méi)來(lái)得及給第二個(gè)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(shí)間有R2和C3電容控制，將C3由68uF換成100uF時(shí)，延時(shí)顯著。5、整個(gè)模塊進(jìn)行調(diào)試，對(duì)第一模塊RG遮光，馬上對(duì)第二個(gè)RG遮光處理，數(shù)碼顯示管進(jìn)行2次加法運(yùn)算。但對(duì)第二塊RG遮光，馬上對(duì)第一塊RG遮光，則按預(yù)期的進(jìn)行1次減法運(yùn)算。八、心得體會(huì)： 通過(guò)本次數(shù)電課程設(shè)計(jì)，印象最深的是要設(shè)計(jì)一個(gè)成功的電路，必須要有一個(gè)好的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)思路是最重要的，只要設(shè)計(jì)思路是成功的，那設(shè)計(jì)已經(jīng)成功了一半。其次還要有耐心，要有堅(jiān)持的毅力。在整個(gè)電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中，花費(fèi)時(shí)間最多的是時(shí)序控制電路的連接及電路的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)上，時(shí)序控制電路所用到的六個(gè)與非門(mén)，僅僅在兩片芯片上，連接時(shí)要特別注意分清各個(gè)管腳。經(jīng)過(guò)查找資料并仔細(xì)比較分析其原理以及可行的原因，使整個(gè)電路可穩(wěn)定工作。實(shí)習(xí)過(guò)程中，我深刻的體會(huì)到在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要反復(fù)實(shí)踐，其過(guò)程很可