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

1、<p>　　數(shù)字電子課程設(shè)計(jì)報(bào)告</p><p><b>　　姓名： </b></p><p><b>　　專業(yè)：自動(dòng)化</b></p><p><b>　　學(xué)號(hào)： </b></p><p><b>　　機(jī)械與電子工程學(xué)院</b></p&g

2、t;<p><b>　　光控計(jì)數(shù)器</b></p><p><b>　　一、設(shè)計(jì)目的： </b></p><p>　　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)能力和綜合分析問題、解決問題的能力。 </p><p>　　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?lt;/p>

3、<p>　　3、了解一些中規(guī)模集成電路的接線方法；</p><p>　　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)。</p><p><b>　　二、設(shè)計(jì)要求：</b></p><p><b>　　1．基本要求</b></p><p>　?。?）要求用數(shù)碼管顯

4、示計(jì)數(shù)結(jié)果。</p><p>　?。?）可以用GAL設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)器，也可以使用集成芯片。</p><p>　?。?）設(shè)有手動(dòng)復(fù)位（清零）。</p><p><b>　　2．?dāng)U展部分</b></p><p>　　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)。</p><p>　　三、實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備：

5、</p><p><b>　　給定主要器件：</b></p><p>　　試驗(yàn)箱（含面包板） 1塊</p><p>　　555 4片 </p><p>　　74LS74 1片 </p><p>　　74

6、LS191 2片 </p><p>　　74LS47 2片</p><p>　　74LS00 1片 </p><p>　　數(shù)碼顯示器 2只 </p><p>　　0.01uf電容 4片</

7、p><p>　　100uf電容 2只 </p><p>　　10k電阻 4支</p><p>　　1k電阻 2支</p><p>　　四、系統(tǒng)的組成及工作原理：</p><p><b>　　1、整個(gè)系統(tǒng)組成：</b></p><

8、;p>　　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：</p><p><b>　　2、工作原理：</b></p><p>　　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)。再通過計(jì)數(shù)器和譯碼器，在數(shù)碼顯示管上顯示數(shù)目的

9、增加或減少，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)數(shù)的功能。</p><p><b>　　五、電路設(shè)計(jì)：</b></p><p><b>　　元器件介紹：</b></p><p><b>　　施密特觸發(fā)器</b></p><p>　　經(jīng)光電部分出來的波形是不規(guī)則的，需要經(jīng)過施密特觸發(fā)器進(jìn)行整形。在此選用的

10、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。</p><p><b>　　555定時(shí)器</b></p><p>　　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)

11、器所需要的時(shí)鐘脈沖。其引腳圖及實(shí)物圖如圖4.2。 </p><p><b>　　雙D觸發(fā)器</b></p><p>　　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

12、脈沖觸發(fā)邊沿到來后繼續(xù)維持1Tpd1時(shí)間（此處的Tpd1是TTL門的平均傳輸延遲時(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。</p><p><b>　　與非門</b></p><p>　　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

13、合一與非門。74LS00內(nèi)部原理及管腳圖如圖4.4。</p><p><b>　　加/減計(jì)數(shù)器</b></p><p>　　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74LS192可逆計(jì)數(shù)器。其引腳圖及實(shí)物如圖4.5。</p><p><b>　　譯碼器</b></p><p>　　

14、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。 </p><p><b>　　數(shù)碼管　　</b></p><p>　　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。</p><p><b>　

15、　單元電路設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　光電轉(zhuǎn)換電路</b></p><p>　　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)射管射來的紅外光線。當(dāng)有人通

16、過兩個(gè)二極管間時(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：</p><p><b>　　時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路</b></p><p>　　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

17、蕩器的頻率計(jì)算公式為:f=1.43/((R1+2*R2)*C),通過計(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：</p><p><b>　　整形電路</b></p><p>　　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，在此就不贅述。</p

18、><p><b>　　時(shí)序控制電路</b></p><p>　　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。</p><p>　　設(shè)置計(jì)數(shù)器為增加狀態(tài)時(shí)， </p><p

19、>　　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：</p><p>　　如上圖時(shí)序邏輯分析圖所示，可得真值表和卡諾圖如下：</p><p>　　A B Q1n Q1n+1 Z</p><p>　　0 0 0 0 0</p><p>　　0 0 1 0

20、0</p><p>　　0 1 0 0 0</p><p>　　0 1 1 0 1</p><p>　　1 0 0 1 0</p><p>　　1 0 1 1 0</p><p>　　1

21、1 0 0 0</p><p>　　1 1 1 1 0</p><p>　　因此，得Q1n+1=AB′+AQ1n</p><p>　　=（（AB′）′（AQ1n）′）′</p><p><b>　　Y=A′BQ1n</b></p><p>

22、;　?。?）設(shè)置計(jì)數(shù)器為減少狀態(tài)時(shí)，</p><p>　　如上圖時(shí)序邏輯分析圖所示，可得真值表和卡諾圖如下：</p><p>　　A B Q1n Q1n+1 Z</p><p>　　0 0 0 0 0</p><p>　　0 0 1 0 0</p>

23、<p>　　0 1 0 1 0</p><p>　　0 1 1 1 1</p><p>　　1 0 0 0 0</p><p>　　1 0 1 0 0</p><p>　　1 1 0

24、 0 0</p><p>　　1 1 1 1 0</p><p>　　因此，得Q2n+1=A′B+AQ2n</p><p>　　=（（A′B）′（AQ1n）′）′</p><p>　　Y=AB′Q2n 因此可得此部分時(shí)序邏輯圖，如圖4.10：</p><p>

25、　　計(jì)數(shù)和譯碼和顯示部分</p><p>　　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：</p><p><b>　　電路總圖：</b></p><p><b>

26、;　　六、安裝與調(diào)試：</b></p><p>　　按照電路圖在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真以后，開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：</p><p>　　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，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

27、加減。</p><p>　　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：</p><p>　　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

28、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。</p><p>　　光電轉(zhuǎn)換部分：在這里并未連接出光電轉(zhuǎn)換，而是用單刀雙擲開關(guān)代替。</p><p>　　連接好的電路如下圖所示：</p><p>　　七、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果分析：</p><p><b&g

29、t;　　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：</b></p><p>　　經(jīng)反復(fù)對(duì)光敏電阻匹配，R1與R3均設(shè)為68KΩ。</p><p><b>　　結(jié)果分析：</b></p><p>　　1、數(shù)碼管檢測(cè)無任何顯示，對(duì)74LS47的3端接地，發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管也無任何顯示。由于使用的是對(duì)數(shù)碼管為7447（共陽極），應(yīng)在3腳和8腳加電源（中間接限流電阻）。</

30、p><p>　　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)。</p><p>　　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，解決該問題。</p><p>　　4、檢測(cè)施密特和單

31、穩(wěn)態(tài)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)間過短，還沒來得及給第二個(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。</p><p>　　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。</p><p>　　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R

32、G遮光，則按預(yù)期的進(jìn)行1次減法運(yùn)算。</p><p><b>　　八、心得體會(huì)：</b></p><p>　　通過本次數(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

33、電路所用到的六個(gè)與非門，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)過程中，我深刻的體會(huì)到在設(shè)計(jì)過程中，需要反復(fù)實(shí)踐，其過程很可能相當(dāng)煩瑣，有時(shí)花很長(zhǎng)時(shí)間設(shè)計(jì)出來的電路還是需要重做，那時(shí)心中未免有點(diǎn)灰心，有時(shí)還特別想放棄，此時(shí)更加需要靜下心，查找原因。此外，團(tuán)隊(duì)精神和老師的指導(dǎo)對(duì)我本次課題的完成也是相當(dāng)重要?？傮w來說，這次實(shí)習(xí)受益匪淺。在摸索該如何設(shè)計(jì)電路使之