篮球比赛24秒倒计时器数字逻辑电路设计课程设计报告

数字逻辑电路设计 数字逻辑电路设计课程设计报告系 （部）： 三系 专 业： 通信工程 班 级： 通信 班 姓 名： 学 号： 成 绩： 指导老师： 开课时间： 学年 二 学期一、设计题目篮球比赛24秒倒计时器二、主要内容1、 分析设计题目的具体要求2、 完成课题所要求的各个子功能的实现3、 用multisim软件完成题目的整体设计三、具体要求（1） 具有显示 24s 倒计时功能：用两个共阴数码管显示，其计时间隔为1s。（2） 分别设置启动键和暂停/继续键，控制两个计时器的直接启动计数，暂停/继续计数功能。（3） 设置复位键：按复位键可随时返回初始状态，即进攻方计时器返回到24s。（4） 计时器递减计数到“00”时，计时器跳回“24”停止工作，并给出声音和发光提示，即蜂鸣器发出声响和发光二极管发光。四、进度安排第一天：介绍所用仿真软件；布置任务，明确课程设计的完整功能和要求。第二天：消化课题，掌握设计要求，明确设计系统的全部功能，图书馆查阅资料。第三天：确定总体设计方案，画出系统的原理框图。第四天：绘制单元电路并对单元电路进行仿真。第五天：分析电路，对原设计电路不断修改，获得最佳设计方案。第六天：完成整体设计并仿真验证。 第七天：对课程设计进行现场运行检查并提问，给出实践操作成绩。第八天：完成实践报告的撰写五、成绩评定课程设计成绩按优、良、中、及格、不及格评定，最终考核成绩由四部分组成：1、 理论设计方案，演示所设计成果，总成绩40；2、 设计报告，占总成绩30；3、 回答教师所提出的问题，占总成绩20；4、 考勤情况，占总成绩10；无故旷课一次，平时成绩减半；无故旷课两次平时成绩为0分，无故旷课三次总成绩为0分。迟到20分钟按旷课处理。目录前言51、总体设计思路、基本原理和框图61.1设计思路61.2 设计原理和功能71.2.1 基本功能71.3总体设计框图82、单元电路设计92.1 各芯片的用法和功能92.1.1 74LS0092.1.2 555定时器92.1.3 74LS90102.1.4 74LS192112.2单元模块122.2.1 秒脉冲发生模块122.2.2 倒计时模块132.2.3 控制电路模块142.2.4 报警提示模块153、电路仿真调试（总电路图）163.1 总电路图163.2 仿真调试173.2.1 启动功能173.2.2 复位功能183.2.3 暂停功能183.2.4 自动停止、复位功能194、故障分析与电路改进214.1 故障分析和解决214.2 电路改进215、总结236、心得体会247、元件清单258、参考文献26前言电子课程设计是电子技术学习中非常重要的一个环节，是将理论知识和实践能力相统一的一个环节，是真正锻炼学生能力的一个环节。 在许多领域中计时器均得到普遍应用，诸如在体育比赛，定时报警器、游戏中的倒时器，交通信号灯、红绿灯、行人灯、交通纤毫控制机，还可以用来做为各种药丸、药片，胶囊在指定时间提醒用药等等，由此可见计时器在现代社会的应用是相当普遍的。 在篮球比赛中，规定了球员的持球时间不能超过24秒，否则就违例了。本课程设计“智能篮球比赛倒计时器的设计”，可用于篮球比赛中，用于对球员持球时间24秒限制。一旦球员的持球时间超过了24秒，它自动报警从而判定此球员的违例。 本设计主要能完成一下功能：显示24秒倒计时功能；系统设置外部操作开关，控制计时器的直接复位、启动和暂停/继续功能；在直接复位时，数码管显示为“24”；计时器为24秒递减计时其计时间隔为1秒；计时器递减计时到“00”时，数码显示器不灭灯，并且直接回到“24”，同时报警电路发出光电报警信号等。 整个电路的设计借助于Multisim仿真软件以及数字电路相关理论知识，并在Multisim下设计和进行仿真，得到了预期的结果。1、总体设计思路、基本原理和框图1.1设计思路 本课程设计是脉冲数字电路的简单应用，设计了篮球比赛24秒倒计时器。此计时器功能齐全，具有直接复位、启动、暂停|继续以及光电报警功能，同时使用了两个共阴极数码管来显示时间。此计时器有了启动、暂停和继续功能，可以方便地在中途实现暂停计时功能。当计时器递减到零时，会发出光电报警信号。此计时器的设计采用模块化结构，主要由以下5个部分组：秒信号产生模块、计时模块、控制模块、译码显示模块以及报警电路模块。在设计此倒计时器时，采用模块化的设计思想，使设计起来更加简单、方便、快捷。 篮球比赛24秒倒计时系统的主要功能包括：进攻方24秒倒计时和计时结束警报提示。秒信号产生电路由555定时器构成的多谐振荡器和74LS90构成的分频器构成，为计数电路提供计数秒脉冲。攻方24秒倒计时，当比赛准备开始时，屏幕上显示24秒字样，当比赛开始后，倒计时从24逐秒倒数到00。这一计时模块主要是利用双向计数器74LS192来实现；控制电路主要利用SR锁存器的锁存功能和计时电路的反馈信息来控制电路的计时模块，以实现倒计时器的多项功能。当计数器计时到零时，警报电路给出发光提示和提示音。这部分电路主要通过一些门电路来实现。1.2 设计原理和功能篮球比赛24秒倒计时器的总体电路包括秒脉冲发生电路、计数电路、显示电路、报警电路和控制电路等五个模块组成。其中计数器和控制电路是系统的主要模块。计数器完成24秒计时功能，而控制电路完成计数器的直接复位、启动计数、暂停/继续计数、显示电路的显示与灭灯、定时时间到报警等功能。秒脉冲发生器产生的信号是电路的时钟脉冲和定时标准，本电路采用555定时器组成的多谐振荡器产生秒脉冲信号。 显示电路采用共阴极数码管对计数器的输出信号直接进行译码显示。报警电路在实验中可用发光二极管和蜂鸣器代替。 主体电路： 24秒倒计时部分由74LS192计数器组成的计数电路完成。计数芯片清零端接低电平，并使计数器工作在减计数状态。系统启动后，计数器的置数端无效，24秒倒计时器开始进行倒计时，逐秒倒计到零。利用计数器减计数到“00”状态后将自动跳变到“99”状态继续进行倒计时这一特点，将短暂出现的“99”状态信息通过与非门反馈到控制电路，使控制电路控制计数器的置数端持续有效，电路回到“24”状态并停止计时。另外，在控制电路中还设置了控制开关来实现电路的启动、直接复位以及暂停/继续等功能。1.2.1 基本功能本电路基本功能主要包括启动、直接复位、暂停/继续等功能，这些功能的实现由控制电路的控制作用来完成。启动功能：控制电路部分主要由与非门组成的SR锁存器和一些门电路、控制开关组成。在保证74LS192双向计数器工作在减计数状态的前提下，将其置数端接在控制电路SR锁存器的输出端。在按下启动键J1之前，锁存器输出为低电平，置数端有效，计数器处于置数状态。当按下J1后，锁存器输出翻转为高电平，置数端无效，计数器进入计数状态。直接复位功能：单刀双掷开关J3为复位键，当其接在锁存器输出端时，计数器按照其他控制信号正常工作，当按下J3将其接地时，计数器置数端被置零处于有效状态，计数器直接复位为“24”当再次按下开关时，计数器再次工作进入计数状态。暂停/继续功能：开关J2为暂停/继续键，当其断开时多谐振荡器产生的秒脉冲信号被截断，因而计数器暂停计数并保持；当开关J2闭合时，秒脉冲信号接通继续为计数器提供脉冲信号，计数器继续进行计数。1.3总体设计框图控制电路十位数字计数器各位数字计数器秒信号信号产生电路报警电路图1.1 总设计框图2、单元电路设计2.1 各芯片的用法和功能2.1.1 74LS0074LS00为二输入与非门，本电路利用其构成了SR锁存器和其他一些基本功能。与非门逻辑功能为两输入端有“0”为“1”，全“1”为“0”。两输入与非门74LS00引脚图如图2.1所示。图2.1 74LS00引脚图2.1.2 555定时器555定时器是一种集模拟、数字于一体的中规模集成电路，其应用极为广泛。它不仅用于信号的产生和变换，还常用于控制与检测电路中。555定时器的内部电路由分压器、电压比较器C1和C2、简单SR锁存器、放电三极管T以及缓冲器G组成，其内部结构图如图2.2所示。图2.2 555定时器内部结构图本电路采用555定时器构成的多谐振荡器产生脉冲信号。用555定时器构成的多谐振荡器如图2.3(a)所示。接通电源后，电容C被充电，当vc上升到2Vcc/3时，是vo为低电平，同时放电三极管T导通，此时电容C通过R2和T放电，vc下降。当vc下降到Vcc/3时，vo翻转为高电平。电容器C放电所需时间为tPL=R2C20.7R2C当放电结束时，T截止，Vcc将通过R1、R2向电容器C充电，vc由Vcc/3上升到2Vcc/3所需时间为 tPH=(R1+R2)C20.7(R1+R2)C当vc上升到2Vcc/3时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到了一个周期性的举行波。电路的工作波形如图2.3（b），器振荡频率为 f=1/( tPL+ tPH)1.43/(R1+2R2)C（a）电路图 （b）工作波形图2.3 由555定时器组成的多谐振荡器2.1.3 74LS90本电路秒脉冲发生信号由多谐振荡器和74LS90构成的分频器组成。首先由多谐振荡器产生频率为1000Hz的周期矩形波信号，然后经过分频器分频最终得到频率为1Hz的脉冲信号。74LS90计数器是一种中规模二五进制计数器，将三片74LS90级联便可构成分频比为1000的分频器。其功能表如图2.4所示。图2.4 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5421BCD码计数器。C 表中H为高电平、L为低电平、为不定状态。74LS90逻辑电路图如图2.5所示，它由四个主从JK触发器和一些附加门电路组成。在74LS90计数器电路中，设有专用置“0”端R1、R2和置位（置“9”端）S1、S2。图2.5 74LS90引脚图2.1.4 74LS19274LS192是十进制计数器，具有“异步清零”和“异步置数”功能，且有进位和借位输出端。当需要进行多级扩展连接时，只要将前级的端接到下一级的CP+端，端接到下一级的CP-端即可。74192功能表和引脚图如图2.6、2.7所示：操作1清零00置数110加计数110减计数1110保持 图2.6 74LS192功能表 图2.7 74LS192引脚图 图中：LOAD为置数端，接低电平是预置数置入，正常计数时接高电平；CLR为清零端，接高电平时计数器清零；UP为加计数端，DOWN为减计数端，实现加计数时DOWN接高电平，UP接脉冲信号，实现减计数时UP接高电平，DOWN接脉冲信号；CO为进位输出端，BO为借位输出端；A、B、C、D为计数输入端；QA、QB、QC、QD为数据输出端。2.2单元模块2.2.1 秒脉冲发生模块秒脉冲的产生由555定时器所组成的多谐振荡电路和74LS90构成的分频器完成。电路图如图2.7所示，首先由多谐振荡器产生频率为1000Hz的周期矩形波信号，然后经过分频器分频最终得到频率为1Hz的脉冲信号。当开关闭合时，分频器输出的频率为1Hz的脉冲信号输入到74LS192中；当开关断开时，没有脉冲输入74LS192中，故74LS192处在保持状态，即实现暂停功能。图2.8 秒脉冲发生电路图2.2.2 倒计时模块24秒倒计时电路。这部分电路的主体部分在时钟脉冲的输入情况下工作，下面进行具体分析。计数器的倒计时功能。用两片74LS192分别做个位（低位）和十位（高位）的倒计时计数器，由于本系统只需要从开始时的“24”倒计到“00”然后停止，所以，这里的高位不需要做成六十进制的计数器。因为预置的数不是“00”，所以我选用置数端LOAD来进行预置数。低位的借位输出信号用作高位的时钟脉冲。两片计数器具体接法。Vcc、UP接+5V电源，GND接地；时钟脉冲输出后接到低位的DOWN，然后从低位BO接到高位的DOWN；低位输入端C、高位输入端B接电源，其他引脚和CLR都接地。LOAD接到开关J3的非活动端。电路图如图2.8所示。图2.9 秒脉冲产生电路2.2.3 控制电路模块倒数计数器到零时，需要将电路转换到“24”并且停住。现在选取计数器到零的状态24秒计到“00”，从两片74LS192芯片的输出引脚QD引出线接到二脚与非门，当计数器从“00”状态转换到“99”时，用与非门把该状态转换成低电平（其余时间为高电平）控制。使电路转换到“24”。由于数字99是在很短的时间才能看到，用肉眼是看不到的，于是能实现从“00” 到“24”的转换。再通过与非门所组成的触发器的输出端输出低电平，使74LS192处于保持状态。这样就实现了转换并停止的电路。电路图如图2.9所示。图2.10 控制电路电路图2.2.4 报警提示模块 当电路由“00” 到“24”时，构成SR锁存器的下面一个与非门输出低电平，而鸣蜂器的和LED1的正极已经接了高电平，故这时由于两端存在电压差，所以鸣蜂器和LED1均能正常工作。从而发出报警信号。如图2.10所示。图2.11 报警电路图3、电路仿真调试（总电路图）3.1 总电路图由多谐振荡器和分频器共同产生的秒脉冲输入到计数器低位片的DOWN端，作为减计数脉冲。当按下启动开关J1使其活动端接地时，计数器开始计数。当计数器计数计到0时，低位片的(13)脚输出借位脉冲使高位计数器开始计数。当计数器计数到“00”时应使计数器复位并置数“24”。本电路利用从“00”到“99”时，通过与非门，使电路置数到“24”并且保持该状态。由于“99”是一个过渡时期，不会显示出来，所以本电路采用“99”作为计数器复位脉冲。当计数器由“00”跳变到“99”时，利用个位和十位的“9”即“1001”通过与非门U8去触发SR触发器使电路翻转，使11脚变为低电平，计数器置数，并保持为“24”，同时LED发光二极管亮，蜂鸣器发出报警声，即声光报警。若需要暂停时，断开暂停/继续开关J2，这时CP信号被截止，计数器停止计数并保持不变。当闭合J2后，计数器继续计数。J3为直接复位开关，当将其活动端接地时，无论计数器处于什么状态，计数器将立即复位到“24”。图3.1 总电路原理图3.2 仿真调试3.2.1 启动功能 当按下启动开关J1使其活动端接地时，计数器开始计数。图3.2 刚刚启动时图图3.3 运行中图 3.2.2 复位功能J3为直接复位开关，当将其活动端接地时，无论计数器处于什么状态，计数器将立即复位到“24”。图3.4 直接复位图3.2.3 暂停功能 J2为暂停/继续开关，断开暂停/继续开关J2，这时CP信号被截止，计数器停止计数并保持不变。当闭合J2后，计数器继续计数。图3.5 暂停状态图3.2.4 自动停止、复位功能 当计数器计数到“00”时，计数器自动复位并置数“24”。 同时LED发光二极管亮，蜂鸣器发出报警声，即声光报警。图3.6 自动停止、复位图4、故障分析与电路改进4.1 故障分析和解决电路在整体设计好之后，仿真时出现各种故障是在所难免的。比如，由于粗心造成的连线错误，电源、电容或电阻等元器件参数选择不当等都会对仿真结果造成影响，甚至使电路不能运行。这就需要我们在完成整体设计之后不断的仔细检查与认真思考，改正电路存在的各种错误和不完美的地方，使电路应有的各项功能都能很好的实现，并且整齐美观。在分析电路故障的过程中，一定要有足够的耐心和细心。首先要利用学习的理论知识对各种芯片、器件的工作原理、工作条件等有一个明确的认识，再根据电路存在的问题找出原因与解决办法。遇到实在无法解决的问题要努力查阅资料或向老师请教。4.2 电路改进经过一系列的调试、改正后，本电路已经能够正确的实现各项功能并稳定工作，但仍存在许多不足与缺点。其中主要问题是利用555定时器构成的多谐振荡器所产生的脉冲信号稳定性不是特别好，而且由于让其产生正常波形的电容、各电阻的比例不好掌握，所以很难通过理论计算使其产生理想频率的脉冲信号。而且多谢振荡器也不容易直接产生频率为1Hz的脉冲信号。经过反复的思考和老师的指导，我利用Mltisim软件自动编译电路功能产生了一个输出信号频率为1kHz的多谐振荡器，然后利用74LS90构成一个分频器对多谐振荡器产生的信号进行分频最终得到1Hz的脉冲信号。另外，仿真时还出现了理论倒计时时间和仿真时间不一致的情况，这一问题主要是由于仿真步长的设置不合理和脉冲信号产生电路不太稳定造成的，经过一些设置和改进，最终电路倒计时时间基本上接近1秒钟。从实际应用角度来看，本电路还是有值得改进的地方。比如当数码管显示到“00”时便发出警报信号，应该是更合理的。但是本电路只有在从“00”转到“24”是才能报警。实际的电路改进可以先在两个74LS192的输出端接上两个四输入与非门，并接到触发器的输入端，这样能实现当数码管显示到“00”时，实现报警功能。但是，这样的代价就是使电路更加的复杂。5、总结在此次课程设计中，我们将本学期学习的数字电路的基本理论知识与其实际应用联系起来。拿到课程设计的题目后，首先根据学到的理论和老师讲授的方法，和同组同学一起分析研究此次电路设计的任务和要求，初步确定了整个电路的大体框架和各个功能的实现方法。然后按照分析的结果进行整体的电路设计。电路初步完成后，部分地方的思考不够缜密导致电路还不够完善，在运行过程中出现了一些问题。后来经过仔细检测和校正，电路进一步完善并能够正常工作。在其中遇到一些凭一己之力难以解决的问题时，我们都认真分析讨论，通过大家的力量解决问题。对于一些实在难以解决的问题，我们也认真向老师询问请教，和老师一起探讨解决。通过此次电路设计，我加深了对课本知识的认识和理解，对课本中学习过的一些芯片的用法和原理、电路原理以及电路设计方法也有了更深一步的认识。6、心得体会本次为期一周半的数字课程设计已经结束了，在这并不算长的时间里我却获益良多。第一，我对本学期所学的理论知识有了更加深刻的理解。首先是对本次课程设计用到的74LS192、74LS90、555定时器、SR锁存器等芯片的原理、功能、用途等有了更加深刻的认识。以前在课堂上一些一知半解的东西，经过这次的实际应用也顿时觉得豁然开朗。同时通过本次课程设计，我对Mltisim仿真软件也有了初步的了解，相信在未来的学习工作中这一定会对我有所帮助。第二，提高了我理论联系实际的能力。在本科生的学习中，大部分是对理论知识的学习，很少有真正实际应用与实践的机会。每个学期末的课程设计无疑是十分难得的，我们应好好利用并倍加珍惜。在上理论课时，对各种芯片的原理、功能等都只是有一种肤浅的认识，并没有特别深刻的了解。即使是实验课也只是一种验证性实验，但这次的课程设计却让我对学习的理论知识有了更加深刻的认识，并将其运用到实际的电路设计中，在学会运用的过程中再一次对理论进行了升华。为以后的工作打下了良好的基础。第三，使我认识到了团结协作的重要性。完成本次课程设计也不是一件轻松的事情，设计的过程中也总会出现这样那样的问题。有些问题凭自己绞尽脑汁的空想是很难解决的，这个时候我们就需要其他同学或老师的帮助。在遇到疑难时，有时看着很困难的问题，在通过与同学们的讨论分析之后就迎刃而解了。由此可见，同学间的互帮互助是非常重要的。同时，在有些问题实在无法解决之时，老师的指点总是关键性的。课程设计的开设不仅巩固了我们对理论知识的掌握，激发了我们对学习的兴趣，同时也锻炼了我们实际动手与应用的能力，使我们对专业领域的知识有了初步的了解，并且提高了我们应用理论知识解决生活中实际存在的问题的能力，这对我们今后走向社会做了良好的开端与铺垫。7、元件清单NE5551个固定电阻2个74LS903个电容0.01uF2个74LS1922个开关3个74LS003个蜂鸣器1个固定电阻29K1个发光二极管1个固定电阻58K1个LED数码显示管2个8、参考文献1数字逻辑电路实验及课程设计指导书 自编2 康华光，电子技术基础 数字部分 （第五版）.北京：高等教育出版社，2006.13 吴慎山，数字电子技术实验与实践. 北京：电子工业出版社，2011.44 马楚仪，数字电子技术实验. 广州：华南理工大学出版社，2005.93 王连英，基于Multisim10的电子仿真实验与设计. 北京邮电大学出版社，2010.226篮球比赛24秒倒计时器