数字逻辑课程设计报告皮带转速测量电路

沈 阳 工 程 学 院课 程 设 计设计题目： 皮带转速测量电路 系 别 信息系 班级 计本091 学生姓名 学号 45 指导教师 职称 讲师/副教授 起止日期：2011年 6月 20日起至 2011年 6 月 24日止沈阳工程学院课程设计任务书课程设计题目： 皮带转速测量电路 系 别 信息系 班级 计本 091 学生姓名 学号 45 指导教师 职称 讲师/副教授 课程设计进行地点： 实训F403 任 务 下 达 时 间： 2011年 6 月 15 日起止日期：2011年 6月 20 日起至 2011年 6 月 24日止 教研室主任 曲延华 2011 年 6 月 10 日批准III皮带转速测量电路1 设计主要内容及要求1.1 设计目的: （1）掌握皮带转动系统数字频率计的构成、原理与设计方法； （2）熟悉集成电路的使用方法。1.2 基本要求(1) 要求被测信号为方波，峰值为5V（和TTL兼容），被测信号频率范围为0Hz到999Hz； (2) 设计石英晶体振荡器及分频系统；(3) 可控制的计数、锁存、译码显示系统。1.3 发挥部分(1) 调测试范围； (2) 其他。2 设计过程及论文的基本要求：2.1 设计过程的基本要求(1) 基本部分必须完成，发挥部分可以在已给的或自己寻找的资料范围内任选12个方向：(2) 符合设计要求的报告一份，其中包括逻辑电路图、实际接线图各一份；(3) 设计过程的资料、草稿要求保留并随设计报告一起上交；报告的电子档需全班统一存盘上交。2.2 课程设计论文的基本要求(1) 参照毕业设计论文规范打印，文字中的小图需打印。项目齐全、不许涂改，不少于3000字。图纸为A3，附录中的大图必须打印，所有插图不允许复印。(2) 装订顺序：封面、任务书、成绩评审意见表、中文摘要、关键词、目录、正文（设计题目、设计任务、设计思路、设计框图、各部分电路及参数计算（重要）、工作过程分析、元器件清单、主要器件介绍）、总结及致谢、参考文献、附录（逻辑电路图与实际接线图）。3 时间进度安排顺序阶段日期计 划 完 成 内 容备注12011/06/20讲解主要设计内容，学生根据任务书做出原始框图打分22011/06/21检查框图及初步原理图完成情况，讲解及纠正错误打分32011/06/22检查逻辑图并指出错误及纠正；讲解接线图绘制及报告书写打分42011/06/23继续修正逻辑图，指导接线图绘制方法，布置答辩打分52011/06/24答辩、写报告打分 沈 阳 工 程 学 院 数字逻辑 课程设计成绩评定表系（部）： 信息系 班级：计本 091 学生姓名： 指 导 教 师 评 审 意 见评价内容具 体 要 求权重评 分加权分调研论证能独立查阅文献,收集资料；能制定课程设计方案和日程安排。0.15432工作能力态度工作态度认真，遵守纪律，出勤情况是否良好，能够独立完成设计工作， 0.25432工作量按期圆满完成规定的设计任务，工作量饱满，难度适宜。0.25432说明书的质量说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。0.55432指导教师评审成绩（加权分合计乘以12） 分加权分合计指 导 教 师 签 名： 年 月 日评 阅 教 师 评 审 意 见评价内容具 体 要 求权重评 分加权分查阅文献查阅文献有一定广泛性；有综合归纳资料的能力0.25432工作量工作量饱满，难度适中。0.55432说明书的质量说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。0.35432评阅教师评审成绩（加权分合计乘以8）分加权分合计评 阅 教 师 签 名： 年 月 日课 程 设 计 总 评 成 绩分中 文 摘 要本次课程设计的题目是皮带转速测量电路，主要工作部分是一个对被测信号进行计数的一个计数电路。信号发生电路是由一对红外接收管和发射管组成的红外光电传感器，接收管和发射管分别固定在转轮的两侧，转轮中间通孔，以便接收管能接收到发射管发射的信号，转轮每转一周在接收管中都能产生一个脉冲，脉冲通过三极管进行信号放大，放大后的信号经过由555组成的施密特触发器进行波形的整形和抗干扰，最后经过由JK触发器组成的二分频进行对信号分频，使输出信号的频率是原来的二分之一，周期变为原来的二倍。振荡信号是由石英晶体振荡器、RC和与非门组成，产生一个标准脉冲，频率为25.6KHZ，进入由555组成的施密特触发器对振荡信号进行整形，使输出波形为标准方波，因为此频率较高，所以要对信号进行分频，因此采用一片74HC393集成块；石英晶体振荡器产生稳定的高频脉冲信号作为基准，然后经过分频器输出标准的二分频脉冲。振荡器产生的振荡频率为25.6KHZ，分频器分频后的信号频率为12.8KHZ，时间基准脉冲的个数是被测脉冲个数的16倍产生的个数为16个，从而能算出转轮的速度为50 /s, 个位计数器满十个CP脉冲后向十位计数器进一位，十位计数器满十个CP脉冲后向百位计数器进一位，计数寄存电路采用3片74HC160计数器和3片74HC194寄存器，个位计数器的进位端用一个非门接入到十位的信号端，同样十位到百位也是一样，满十进一，最大计为999 ，清零端和置数端接入高电平，使能控制端接入标准信号，当标准信号为高电平时，计数器开始计数，然后存入寄存器，当标准信号为低电平时计数器保持，输入寄存器的信号中断，寄存器的输入端接计数器的输出端，输出端接译码器的输入端，SL，SR悬空，将被测信号通过一个三态门接入控制信号端S0 S1，被测信号接入CLK端，给寄存器一个脉冲，清零端CLR接高电平。译码显示电路采用采用3片74HC4511译码器对寄存器中的数据进行译码，把二进制转换成十进制，译码就是把给定的代码进行翻译，变成相应的状态，用于驱动LED七段数码管，只要在它的输入端输入8421码，七段数码管就能显示十进制数字。选用的译码器为74HC4511，输出高电平有效，接共阴极七段显示器。锁存使能输入端EL接入低电平，灯测试输入端LT和灭灯输入BI接入高电平。关键词 分频电路，计数器，译码显示器，单但稳态触发器目 录课程设计（论文）任务书.I课程设计（论文）成绩评定表.III中文摘要.IV1 设计任务描述- 1 -1.1设计题目：皮带转速测量电路- 1 -1.2 设计要求- 1 -1.2.1 设计目的- 1 -1.2.2 基本要求- 1 -1.2.3 发挥部分- 1 -2 设计思路- 2 -3 设计方框图- 3 -4 各部分电路设计及参数计算- 4 -4.1分频选频电路设计及其参数计算- 4 -4.1.1 分频选频电路设计- 4 -4.2计数译码显示电路设计及其参数计算- 5 -4.2.1计数译码显示电路设计- 5 -4.2.2译码和显示电路- 7 -4.3整流二分频电路设计- 8 -4.4 控制电路设计- 8 -5 工作过程分析- 11 -6 元器件清单- 12 -7 主要元器件介绍- 13 -7.1计数器 4060BD- 13 -7.1.1引脚图- 13 -7.1.2功能表- 13 -7.1.3 功能介绍- 13 -7.2数据选择器74HCL151D- 14 -7.2.1 引脚图- 14 -7.2.2 功能表- 14 -7.2.3 功能介绍- 14 -7.3 计数器74HC161D- 15 -7.3.1引脚图- 15 -7.3.2 功能表- 15 -7.3.3 功能介绍- 15 -7.4 译码器4511BT- 16 -7.4.1 引脚图- 16 -7.4.2 功能表- 16 -7.4.3 功能介绍- 17 -7.5 LED显示器- 18 -7.5.1 介绍- 18 -7.6 JK触发器- 19 -7.6.1 引脚图- 19 -7.6.2 真值表- 19 -7.6.3 功能介绍- 19 -小 结- 20 -致 谢- 21 -参考文献- 22 -附 录 A1 逻辑电路图- 23 -皮带转速测量电路1 设计任务描述1.1设计题目：皮带转速测量电路1.2 设计要求1.2.1 设计目的(1)掌握转速测试系统的构成、原理与设计方法；(2)熟悉集成电路的使用方法1.2.2 基本要求(1)要求被测信号为方波，峰值为3V到5V（和TTL兼容），被测信号频率范围为0Hz到999Hz；(2)设计石英晶体振荡器及分频系统； (3)可控制的计数、锁存、译码显示系统。1.2.3 发挥部分(1)拓展测量范围。2 设计思路本次设计的皮带转速测量电路，实现对皮带转速测量显示的装置,并具有手动校准功能和间断测量功能.本系统的设计电路由分频选频模块、计数模块、转速译码显示电路模块、校准模块等几部分组成。振荡器产生稳定的高频脉冲信号作为皮带转速的时间基准。振荡器产生的振荡频率为1.5MHz，用1片4060BD进行分频后可得到21、22、23、24、25、26、27、28标准的脉冲供选择。74HC161计数器记下由手动开关给的脉冲个数，然后经地址端传给74HC151数据选择器，74HC151根据得到的二进制码选择八个不同频率中的一个输出。然后同由红外传感器产生，经施密特整流，二分频后的脉冲共同经过与非门来74HC290控制74HC194计数器和寄存器的运行和停止。最后经4511BT译码器译码后显示在LED显示器上。3 设计方框图 红外光电传感器整形二分频石英晶体振荡器整形构成不同微分信号电路单稳态触发器单稳态触发器寄存器译码器LED显示计数器与门与非门计数器4 各部分电路设计及参数计算 4.1分频选频电路设计及其参数计算 4.1.1 分频选频电路设计开关、石英震荡器、分频器、记数器、数据选择器连接图石英振荡器与分频器连接图 该部分电路由HC-491.5MHz石英振荡器和4060BD10V分频器足够成。振荡器发出1.5MHz频率脉冲，经分频器可形成10种不同频率脉冲，可根据测量精度的要求进行选择。开关、计数器、分频器和数据选择器连接图 该部分电路由开关、74HC161计数器、4060BD分频器、74HC151数据选择器组成。当开关闭合一次，便由一个脉冲输入计数器，计数器记下脉冲个数后将数据传给数据选择器，数据选择器根据得到的数据来选择道分频器中选择不同频率的脉冲，最终实现不同频率的选择。4.2计数译码显示电路设计及其参数计算4.2.1计数译码显示电路设计 该计数部分由两个十进制计数器组成，制0制9端分别接地，有输入脉冲的上升沿和下降沿控制计数器的运行和停止4.2.2译码和显示电路 译码就是把给定的代码进行翻译，变成相应的状态，用于驱动LED七段数码管，只要在它的输入端输入8421码，七段数码管就能显示十进制数字。选用的译码器为4511BT，输出高电平有效，接共阴七段显示器。 显示转速电路 寄存器 4.3整流二分频电路设计 由于传感器产生的信号脉冲波形是不规则的，这样不仅测量起来相当麻烦而且测量结果达不到需要的精度。所以，为了改善以上不足，引进了整流二分频电路。整流二分频电路如图所示，他的功能由施密特和JK触发器构成的二分频电路共同实现。4.4 控制电路设计 该部分由一个十六进制循环计数器和一个与门构成。CLX为脉冲输入端，脉冲由适应振荡器提供，四个数据端接地制零，地址端输出接到与门上，与门另一端输入是整流分频后的信号。只有当计数器的输出为1111且分频后的信号为高电平时，与门开启才能输出高电平。用此电路来达到实现间断测量皮带转速效果。该部分主要由两个JK触发器组成，他们分别是上升沿有效和下降沿有效。他们共同构成一个时间门。当二分频后脉冲信号的上升沿到达时，上升沿有效触发器导通，信号经触发器到计数器，计数器开始计数；当二分频脉冲信号的下降沿到达时，下降沿有效触发器导通，计数器停止计数。因为计数器和寄存器一个上升沿有效一个下降沿有效。所以采用两个门电路使他们能同时运行、停止。 5 工作过程分析本次设计的皮带转速测量电路，实现对皮带转速测量显示的装置,并具有手动校准功能和间断测量功能.本系统的设计电路由分频选频模块、计数模块、转速译码显示电路模块、校准模块等几部分组成。振荡器产生稳定的高频脉冲信号作为皮带转速的时间基准。振荡器产生的振荡频率为1.5MHz，用1片4060BD进行分频后可得到21、22、23、24、25、26、27、28标准的脉冲供选择。74HC161计数器记下由手动开关给的脉冲个数，然后经地址端传给74HC151数据选择器，74HC151根据得到的二进制码选择八个不同频率中的一个输出。然后同由红外传感器产生，经施密特整流，二分频后的脉冲共同经过与非门来74HC290控制74HC194计数器和寄存器的运行和停止。最后经4511BT译码器译码后显示在LED显示器上。 6 元器件清单序号元件名称规格及用途数量1 计数器74HC161D2片2 计数器74LS290 2片3 分频器4060BD1片4 译码器4511BT2片5 显示器BS2012片6 寄存器74HC194N2片7 单稳态触发器74HC113N1片8 单稳态触发器74HC109N1片9 施密特触发器74LS14D2片10 触发器4027BD1片11 数据选择器74HC1511片12 石英振荡器HC-491个13 电阻10 k1个14 三极管BCW321个15 单向导通二极管1N1202C1个16 开关1JA1个17 电阻1001个18 发光二极管X2 1个 7 主要元器件介绍7.1计数器 4060BD7.1.1引脚图7.1.2功能表时钟复位R输出状态L不变L进入下一个状态XH 全部输出为L7.1.3 功能介绍4060BD由一个振荡器和14位逐位二进制计数器组成。振荡器机构可 设计 RC或晶体振荡电路。主控器复位输入供复位计数器至全零状态和使振荡器不能 。在MR线上高电平完成复位功能。全部计数器级是主控-受控触发器。在二进制次序中计数器状态前一步。全部输入和 输出是缓冲。在输入脉冲线上施密特器作用允许上升和下降时间不受限制。7.2数据选择器74HCL151D7.2.1 引脚图7.2.2 功能表7.2.3 功能介绍74HC151对选择8各数据源输入中一个供完全二进制译码。选通输入（G）必须是在低电平逻辑使能输入。选通端在高电平逻辑使能W输出高和Y输出低。工作温度4085C。7.3 计数器74HC161D7.3.1引脚图 7.3.2 功能表7.3.3 功能介绍74HC161是一种典型的高性能，低功耗的CMOS4位同步二进制加计数器，它可在1.23.6V电源电压范围内工作，其所有逻辑输入端都可耐受高达5.5V的电压，因此在电源电压为3.3V时刻直接与5V供电的TTL逻辑电路接口。它的工作速度很高，从输入时钟脉冲CP上升沿到Qn输出的典型延迟时间仅为3.9ns，最高时钟工作频率可达200HZ。 时钟脉冲CP 是计数脉冲输入端，也是芯片内4个触发器的公共时钟输入端。 异步清0 CR 当它为低电平时，无论其它输入端是什么状态（包括时钟信号CP），都使芯片内所有触发器状态置0，称为异步清0。CR有优先级最高的控制权。下述各输入信号都是在CR=1时才起作用。 并行置数使能PE 置数控制端。只需在CP上升沿之前保持低电平，数据输出端D3D0的数据同时置入计数器，所以称为同步并行预置。PE置数操作具有次最高优先级，仅低于CR，计数和保持操作时都要求PE=1。 数据输入端Dn（D3D0） 在CP上升沿到来之前至少以前Tsu将预置数据摆在D3D0输入端，且PE=0，则CP上升沿到来后，D3D0便置入触发器。 使能计数CEP 只要在CP上升沿到来之前至少一个建立时间Tus期间内保持高电平，且CET=1，CP上升沿就能使计数器进行一次计数操作。CEP主要控制本芯片的计数操作。 计数使能CET 该信号和CEP做与运算后实现对本芯片的计数控制，当CET*CEP=0，即两个计数使能端中有0时，不管有无CP脉冲作用，计数器都将停止计数，保持原状态；当CR=PE=CEP=CET=1时处于计数状态。 计数输入端Qn（Q3Q0） 计数器中的4个触发器的Q端状态输出。 7.4 译码器4511BT7.4.1 引脚图7.4.2 功能表7.4.3 功能介绍BCD4511当输入8421BCD码时，输出高电平有效，用以驱动共阴极显示器。当输入为10101111六个状态时，输出全为低电平，显示器无显示。该集成显示译码器设有三个辅助控制端LE，BL，LT，以增强器件的功能。（1）灯测试输出LT当LT=0时，无论其它端是什么状态，所有各段输出ag均为1，显示字形8。（2）灭灯输出BL当BL=0时，并且LT=1时，无论其它段输入什么电平，所有各段输出ag均为0，所以字形熄灭。（3）锁存使能输入LE当BL=LT=1时，当LE=0锁存器不工作，译码器的输出所输入码的变化而变化；当LE由0跳到1时，锁存器被锁，输出只取决于锁存器的内容，不在随输入的变化而变化。7.5 LED显示器7.5.1 介绍在数字系统中，常需要把数据或字符直观地显示出来。因此，数字显示电路是数字系统中不可缺少的部分。数字显示电路通常由图7-45所示的电路组成。显示器件是由显示译码器驱动，数字显示器件种类很多，按发光材料不同可分为萤光管显示器、半导体发光二极管显示器（LED）与液晶显示器（LCD）等。按显示方式的不同可分为字形重叠式、分段式、点阵式等。目前，显示译码器随显示器件的类型而变。最常用的显示译码器是直接驱动半导体数码管的七段显示译码器。本次设计采用的就是直接驱动半导体数码管的七段显示译码器半导体数码管是由特殊的半导体材料磷砷化镓、磷化镓、砷化镓等制成发光二极管（LED）。七段显示器由7个条形二极管组成8字形（见下图），每一段含有一个发光二极管。有规律地控制a、b、c段亮显示“7”。半导体数码管有共阴极（见图a）和共阳极（见图b）两种接法。共阴极时，输入高电平二极管亮；共阳极时，输入低电平二极管亮。7.6 JK触发器7.6.1 引脚图7.6.2 真值表7.6.3 功能介绍在所有类型的触发器中，JK触发器具有最强的逻辑功能，它能执行置1、置0、保持和翻转四种操作，并可用简单的附加电路转换为其他功能的触发器，因此在数字电路中有较广泛的应用。小 结课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.经过这次一个较完整的设计和制作过程，重新让自己认识到了这门学科的在应用方面的广阔前景，并且通过知识与应用于实践的结合更加丰富了自己的知识。扩展了知识面，不但掌握了本专业的相关知识，而且对其他专业的知识也有所了解，因而自身的综合素质有了全面的提高 。对于认识到自己在知识方面存在的不足，明确今后的学习方向是非常有益的，为将来的的就业提前打了下坚实的基础。回顾起此次课程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从理论到实践，在整整一个星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。还有就是增强了自身的思考能力，把以前书本上讲的或是没有讲的，通过一次课程设计具体的实施，使自己真正得到了锻炼这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多编程问题，最后在黄硕老师指导下，终于迎刃而解。同时，在黄硕老师的身上我学得到很多实用的知识，比如各种软件的使用方法和对待新事物，疑难问题的态度以及很多书本上学不到的东西。真的谢谢您！ 最后只想说，课程设计这段时间是忙碌而充实的，这段时间是我进一步了解到了大学生活美好。 致 谢感谢我的指导老师黄硕老师在此次课程设计中给予我热情而耐心的指导。黄硕老师不仅在我的原理图、接线图初稿设计时纠正了我许多错误，还指导了我应该去查找哪些方面的资料去完善这次设计，弥补出现的设计漏洞。使我的设计有一个明确的主导思想，能够顺利而有条不紊地进行。其次我要感谢我的小组成员。在我设计出现障碍不能继续进行的时候，通过和他们一起讨论研究，最终攻克了许多难题，并且因为交流思想心得，也学到了许多新知识。最后感谢学校给我们提供这种独立自主研究性学习的机会，充分开发了我们的创新能力。课程设计真得很累，遇到很多的困难，可是最后还是圆满的完成了。感谢学校给我们提供这种独立自主研究性学习的机会，充分开发了我们的创新能力。还有就是在设计电路的时候,不能妄想一次就将整个设计设计好,要反复修改,不断改进.这么一个小小的皮带转速电路就这么难设计，看来，我与那些发明家之间差的很远呢，但是我却从中颇有长进，而且获得了以后继续钻研的信心。老师说在设计过程中遇到问题是很正常的但我们应该将每次遇到的问题都记录下来,并分析清楚,以免下次再碰到同样的问题，只有这样才能设计出一个完美的方案。 我认为设计中同学之间合作与精神支持也是很重要的，说实话要一个人在短短的一周时间内完成这个任务真的非常困难，还好有这么多同学一起努力，共同探讨解决这些问题。不仅在课设的过程中学到了很多知识，还增进了同学们之间的感情。最后真心感谢我的指导老师黄老师，还有帮助过我的同学们，特别是我们小组的同学。参考文献1 何希才.常用集成电路简明速查手册.国防工业出版社，20062 王彩君，杨睿，周开邻.数字电路实验.国防工业出版社，20053 陈梓城.实用电子电路设计与调试.中国电力出版社,19944 魏海明，杨兴瑶.实用电子电路500例.化学工业出版社，19965 张宪，何宇斌.电子电路制作与指导.化学工业出版社，20006 康华光，电子技术基础（数字部分.高等教育出版社7 曾建唐，电工电子基础实践教程.机械工业出版社8常用电子元器件简明手册.机械工业出版社 20019 邓庆元，数字电路与逻辑设计.电子工业出版社书 附 录 A1 逻辑电路图设计题目皮带转动控制系统班级计本091班姓名钟传苗学号45- 23 -