基础强化训练十进制加减可逆计数器的设计.docx
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基础强化训练十进制加减可逆计数器的设计
课程设计任务书
学生姓名:
专业班级:
指导教师:
工作单位:
题目:
十进制加/减可逆计数器设计
初始条件:
电脑一台、Proteus软件、数模电相关基础
要求完成的主要任务:
(包括课程设计工作量及其技术要求,以及说明书撰写等具体要求)
1、技术要求:
设计M=125或给定值的十进制加/减可逆计数器,要求如下:
A、给定元件为74LS00,74LS76,74LS192,74LS48及数码管等;
B、进行电路仿真,并说明其工作原理;
2、主要任务:
(1)复习有关课程,如数字电路、模拟电路等;
(2)自学Proteus软件,能够熟练地进行仿真;
(3)根据设计指标设计电路的框图;
(4)根据要求设计出电路图;
(5)查阅资料,确定所需各元器件型号和参数;
(6)自拟调整测试方法,并调试电路使其达到仿真要求;
(7)撰写设计说明书,进行答辩。
3、撰写课程设计说明书:
装订顺序要求:
封面→任务书→目录→正文→参考文献。
正文:
1、技术指标;2、设计方案及其比较;3、实现方案;4、调试过程及结论;5、心得体会;6、参考文献
时间安排:
课程设计时间:
19周-20周
19周:
明确任务,查阅资料,初步设计电路原理图;
20周:
按照电路原理图布线,并调试通过。
按照要求撰写课程设计说明书。
指导教师签名:
年月日
系主任(或责任教师)签名:
年月日
摘要
计数器是数字电路中最为基本的一个单元电路。
本次基础强化的目标是要我们熟悉常用MSI集成计数器的功能和应用;掌握利用集成计数器构成任意进制计数器的一般设计方法;学会利用EDA软件(Proteus)对模M的可逆计数器电路进行仿真;掌握可逆计数器电路的安装及调试方法。
本次课设报告先是说明了十进制加/减计数器的技术指标,简要地陈述了设计方案和设计思路,然后就对其有关理论知识作了一些简要的介绍,然后在性能指标分析基础上进行单元电路设计,最后设计出整体电路图并且在软件Proteus中进行仿真,验证是否达到技术要求,最后总结课设体会。
关键词:
Proteus,手动控制,自动控制,计数器,仿真
1技术指标
设计一个十进制加/减可逆计数器。
要求:
(1)125=125。
(2)利用数码管显示计数器的值。
(3)用Proteus软件进行电路仿真,并说明其工作原理。
(4)给定元件为74LS00,74LS20,74LS76,74LS192,74LS48,74LS138及数码管等。
2设计方案及其比较
2.1设计方案
这里设计模为125的十进制加/减可逆计数功能的电路的方法主要有两种,分别是:
手动控制加/减法和自动控制加/减法。
手动控制模125的十进制加/减可逆计数器,即控制端E=0时,进行模125的加法计数;控制端E=1时,进行模125的减法计数。
自动控制模125的十进制加/减可逆计数器,即加法计数到最大值时,自动进行减法计数;减法计数到最小值时,自动进行加法计数。
2.2设计思路
2.2.1手控方式计数器设计思路
第一步:
将三片74LS192进行级联,用“反馈清零法”设计一个125进制加法计数器,反馈清零信号取自计数器的输出端Q0、Q1、Q2、Q3。
第二步:
将三片74LS192进行级联,用“反馈置数法”设计一个125进制减法计数器,反馈置数信号取自计数器最高位的借位端TCD。
第三步:
将上述加、减计数器电路结合起来,即初步构成一个加/减125进制可逆计数器。
余下的问题就是在加/减可逆计数条件下,如何切换计数器最低位的计数脉冲输入端CPD、CPU的信号。
经过分析,它们应实现如表2-1的功能。
表2-1手动信号控制脉冲输入端的方式
手动信号E
计数方式
CPU
CPD
1
加法
CP
1
0
减法
1
CP
这一功能通过一片数据选择器即可实现。
综上,可以得出手控可逆计数器电路的设计框图如图2-1所示。
图2-1手控计数器设计框图
2.2.2自控方式计数器设计思路
设计自控方式的一种加/减可逆计数顺序如图2-2所示。
图2-2自控计数器的计数顺序
从上述图中可以看出,当加计数到最大值124后自动进行减计数;当减计数到最小值0后自动进行加计数,如此不断循环。
自控方式模125的十进制加/减可逆计数器可以在手控方式的电路基础上进行设计。
但需解决的关键问题是:
电路如何自动产生加/减计数控制信号E?
其中的一种设计思路如图2-3所示。
图2-3自动控制信号产生电路的设计思路图
加/减计数控制信号自动产生电路的原理图如图2-4所示。
图2-4加/减计数控制信号自动产生电路原理图
对于电路的其它部分,也要相应作一些改动:
取消输出端反馈清零信号(因为加计数到124后,下一计数状态不是0)和借位端反馈置数信号(因为减计数到0后,下一计数状态不是124)。
2.3集成电路及元件选择
“加/减计数控制电路”采用一片数据分配器74LS138。
“加/减计数控制信号自动产生电路”采用集成D触发器74LS74和集成门电路74LS11、74LS32、74LS04等。
集成计数器采用74LS192。
“显示译码电路”采用74LS48或CD4511。
LED数码管采用共阴极数码管。
3实现方案
3.1手动控制计数器实现方案
3.1.1计数单元的设计
计数单元电路主要由三片十进制可逆计数器74LS192构成。
74LS192是同步十进制可逆计数器,它具有双时钟输入,并具有清除和置数等功能,其引脚排列图如图3-1所示。
图3-174LS192的引脚排列图
图中:
为置数端,
为加计数端,
为减计数端,
为非同步进位输出端,
为非同步借位输出端,P0、P1、P2、P3为计数器输入端,
为清除端,Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端。
其功能表如表3-1所示。
表3-174LS192的功能表
输入
输出
125R
P3
P2
P1
P0
Q3
Q2
Q1
Q0
1
×
×
×
×
×
×
×
0
0
0
0
0
0
×
×
d
c
b
a
d
c
b
a
0
1
↑
1
×
×
×
×
加计数
0
1
1
↑
×
×
×
×
减计数
由三片74LS192级联即可构成模为125的十进制加减可逆计数器的计数单元电路,如图3-2所示。
图3-2计数单元电路原理图
3.1.2译码显示单元电路设计
计数器实现了对时间的累计以8421BCD码形式输出,译码驱动电路将计数器输出的8421BCD码转换为数码管需要的逻辑状态,并且为七段数码管的正常工作提供足够的工作电流。
译码器是一个多输入、多输出的组合逻辑电路。
它的工作是把给定的代码进行“翻译”,变成相应的状态,使输出通道中相应的一路有信号输出。
译码器在数字系统中有广泛的用途,不仅用于代码的转换、终端的数字显示,还用于数字分配,存储器寻址和组合控制信号等。
译码器可以分为通用译码器和显示译码器两大类。
用于驱动LED七段数码显示常用的有74LS48。
3.1.2.1译码器74LS48
74LS48是BCD-7段译码器/驱动器,其输出是OC门输出且高电平有效,专用于驱动LED七段共阴极显示数码管。
其功能是把输入的8421BCD码ABCD译成七段输出a-g,再由七段数码管显示相应的数。
由74LS48和LED七段共阴极数码管组成一位数码显示电路。
若将个位、时位、百位计数器的输出分别接到相应七段译码器的输入端,便可进行不同数字显示。
在译码器输出与数码管之间串联的R为限流电阻。
当计数器在CP脉冲的作用下,就应将其状态显示成清晰的数字符号。
74LS48的管脚如图3-3所示。
在管脚图中,管脚LT、RBI、BI/RBO都是低电平是起作用,作用分别为:
LT为灯测检查,用LT可检查七段显示器个字段是否能正常被点燃。
BI是灭灯输入,可以使显示灯熄灭。
RBI是灭零输入,可以按照需要将显示的零予以熄灭。
BI/RBO是共用输出端,RBO称为灭零输出端,可以配合灭零输出端RBI,在多位十进制数表示时,把多余零位熄灭掉,以提高视图的清晰度。
图3-374LS48的管脚图
74LS48的功能:
74LS48的功能表如表3-2所示。
表3-274LS48BCD七段译码驱动器功能表
74LS48引脚功能-----七段译码驱动器功能表
十进
制数
输入
BT/RB0
输出
LT
RBI
A
B
C
D
a
b
c
d
e
f
g
0
H
/
0
0
0
0
H
1
1
1
1
1
1
1
1
H
/
0
0
0
1
H
0
1
1
0
0
0
0
2
H
/
0
0
1
0
H
1
1
0
1
1
0
1
3
H
/
0
0
1
1
H
1
1
1
1
0
0
1
4
H
/
0
1
0
0
H
0
1
1
0
0
1
1
5
H
/
0
1
0
1
H
1
0
1
1
0
1
1
6
H
/
0
1
1
0
H
0
0
1
1
1
1
1
7
H
/
0
1
1
1
H
1
1
1
0
0
0
0
8
H
/
1
0
0
0
H
1
1
1
1
1
1
1
9
H
/
1
0
0
1
H
1
1
1
0
0
1
1
(1)译码功能:
将LT,RBI和BI/RBO端接高电平,输入十进制数0~9的任意一组8421BCD码(原码),则输出端a~g也会得到一组相应的7位二进制代码(74LS48驱动共阴极,输出3FH、06H、5BH…;74LS47驱动共阳极,输出COH、F9H、A4H…)。
如果将这组代码输入到数码管,就可以显示出相应的十进制数。
(2)试灯功能:
给试灯输入加低电平,而BI/RBO端加高电平时,则输出端a~g均为高电平。
若将其输入数码管,则所有的显示段都发亮。
此功能可以用于检查数码管的好坏。
(3)灭灯功能:
将低电平加于灭灯输入时,不管其他输入为什么电平,所有输出端都为低电平。
将这样的输出信号加至数码管,数码管将不发亮。
(4)动态灭灯功能:
RBI端为灭零输入端,其作用是将数码管显示的数字0熄灭。
当RBI=0,且DCBA=0000时,若LT=1,a~g输出为低电平,数码管无显示。
利用该灭零端,可熄灭多位显示中不需要的零。
不需要灭零时,RBI=1。
3.1.2.2显示器LG5011AH
图3-4是共阴极式LED数码管的原理图,使用时公共阴极接地,使每个发光二极管都处于导通状态,而且这7个发光二极管a到g分别由相应的BCD七段译码器来驱动。
图3-4共阴极LED数码管的原理图
选用型号为LG5011AH的数码管,LG5011AH的管脚功能图如图3-5所示,
图3-5LG5011AH的管脚图
3.1.2.3译码显示电路
译码显示电路由共阴极译码器74LS48和七段数码管LED组成。
74LS48和共阴数码管的连接图如图3-6所示。
图3-6译码显示电路
3.1.3加/减计数控制电路的设计
加/减计数控制电路主要由74LS138构成。
74LS138芯片是常用的3-8线译码器,常用在单片机和数字电路的译码电路中,74LS138的引脚排列如图3-7所示,真值表如表3-3所示。
图3-774LS138的引脚排列图
表3-374LS138的真值表
由74LS138构成的加/减计数控制电路如图3-8所示。
图3-8加/减计数控制电路
3.1.4总原理图的设计
将计数电路、显示译码电路和加/减法控制电路连接起来就构成了完整的手动控制模为125的加/减可逆计数器,如图3-9所示。
图3-9手动控制加/减可逆计数器原理图
3.2自动控制计数器实现方案
自动控制加/减可逆计数器的实现是在手动控制计数器的基础上做一些改动。
其中译码显示电路、加/减法控制电路电路是一样的,只是将计数单元的反馈清零端和反馈置数端去掉,多加了一个加/减计数控制信号自动产生电路。
将这几个电路单元连接起来就构成了自动控制加/减可逆计数器,如图3-10所示。
图3-10自动控/制加减可逆计数器原理图
4Proteus仿真
4.1Proteus简介
Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。
它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能,还能仿真单片机及外围器件。
它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。
虽然目前国内推广刚起步,但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。
(1)功能特点:
Proteus软件具有其它EDA工具软件(例:
multisim)的功能。
这些功能是:
原理布图、PCB自动或人工布线、SPICE电路仿真。
同时Proteus还具有一些革命性的特点:
①互动的电路仿真:
用户甚至可以实时采用诸如LED/LCD、键盘、RS232终端等动态外设模型来对设计进行交互仿真。
②仿真处理器及其外围电路:
可以仿真51系列、AVR、PIC等常用主流单片机。
还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程,再配合显示及输出,能看到运行后输入输出的效果。
配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等,Proteus建立了完备的电子设计开发环境。
(2)功能模块:
①—个易用而又功能强大的ISIS原理布图工具;②PROSPICE混合模型SPICE仿真;③ ARES PCB设计。
(3)Proteus所提供的资源
①Proteus可提供的仿真元器件资源:
仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件,有30多个元件库。
②Proteus可提供的仿真仪表资源:
示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。
理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。
③除了现实存在的仪器外,Proteus还提供了一个图形显示功能,可以将线路上变化的信号,以图形的方式实时地显示出来,其作用与示波器相似,但功能更多。
这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标,例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。
这些都尽可能减少了仪器对测量结果的影响。
④Proteus可提供的调试手段:
Proteus提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。
这些测试信号包括模拟信号和数字信号。
4.2电路仿真
下面以自动控制加/减可逆计数器为例简要介绍一下仿真过程。
打开Proteus软件,选择“File”菜单下的“NewDesign”,得到如图4-1所示的对话框,在对话框中选择“PortraitA4”,此时,进入原理图编辑窗口。
图4-1新建设计对话框
4.2.1放置元件
(1)集成元件的放置
本课设要用的集成元件有74LS192,74LS74,74LS04,74LS138,74LS32,74LS48,74LS11,开关SW-SPDT,共阴数码管7SEG-COM-CAT-GRN。
单击图4-2中的“P”按钮
图4-2放置元件窗口
得到放置元件对话框,如图4-3所示,在“Keywords”中输入“74LS192”,查找到这个元件之后单击“OK”就可以在原理编辑窗口中放置元件了。
其他元件的放置步骤相同。
图4-3放置元件对话框
(2)电源和地的放置
左键选择模型选择工具栏中的
图标,得到图4-4所示窗口,左键单击POWER或GROUND,并在原理图编辑窗口中单击左键就可以放置电源和地了。
图4-4放置电源和地窗口
(3)脉冲发生器的放置
左键选择模型选择工具栏中的
图标,得到图4-5所示窗口,左键单击PULSE,并在原理图编辑窗口中单击左键就可以放置脉冲发生器了。
图4-5放置脉冲发生器窗口
所有元件放置完成后就可以得到元件的放置图如图4-6所示。
图4-6元件放置图
4.2.2参数设置
(1)电源参数的设置
单击鼠标右键,选中电源,然后再单击左键,得到参数设置对话框如图4-7所示。
在“String”栏中填上“+5V”,点击“OK”键就完成了电源参数的设置。
图4-7电源参数设置框图
(2)脉冲发生器参数的设置
按照设置电源参数的方法打开脉冲发生器参数设计对话框如图4-8所示,在“DgitalTypes”中选择“Clock”,“Frequency”中选择“1HZ”,参数设定完毕。
图4-8脉冲发生器参数设置框图
4.2.3布线与调整
元件都放置完成后,按照原理图开始布线,并且在布线的过程中进行元器件之间间隔的调整,以使连线最简洁、最清楚,使得整个电路图美观、清晰。
最后得到完整的原理图如图4-9所示。
图4-9完整电原理图
4.2.4仿真
点击右下角图标
中的
图标,开始仿真,仿真计数过程为:
先加法计数,从0计数到124,当加计数到最大值124后自动进行减计数,当减计数到最小值0后自动进行加计数,如不断循环。
仿真中的一个状态如图4-10所示。
图4-10计数器的仿真图
5课程设计心得体会
课程设计是培养学生综合运用所学知识,是发现、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。
这次的基础强化训练,加深了我对数字电子电路理论知识的理解,初步学会了PROTUES仿真软件的使用方法,具备了数字电子电路的基本设计能力和基本仿真能力。
回顾起此次基础强化训练,至今我仍感慨颇多。
的确,从选题到定稿,从理论到仿真,在整整一星期的日子里,可以说是苦多于甜,但是这样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,才能真正学到属于自己的知识,从而提高自主设计能力和独立思考能力。
在设计的过程中遇到的问题,可以说得是多如牛毛,因为理论基础不是很牢固,再加上对PROTUES这个软件比较陌生,所以难免会遇到过各种各样的问题。
同时在设计的过程中我也发现了自己的很多的不足之处,比如说发现自己对以前所学过的知识理解得不够深刻,掌握得不够牢固。
不过,这次实验的最大收获就是锻炼了我自主学习和思考的能力,因为在这次的设计中要求仿真,但是仿真软件PROTUES从来没有接触过,学会用这个软件本身是一个很艰难的过程,而且这是一个自学的过程,这必然给我的自主学习和思考的能力带来了一个很大的挑战。
课设的这段日子真的是给我留下了很深的印象。
我总结出,在每次课设中,遇到问题最好的办法就是请教别人,因为每个人掌握的情况都不一样,一个人不可能做到处处都懂,必须发挥群众的力量,复杂的事情才能够简单化。
这一点我深有体会,在很多时候,我遇到的困难或许别人之前就遇到过,向他们请教远比自己在那边摸索来得简单,来得快。
课设的这段时间我确实受益匪浅,不仅是因为它发生在特别的时间,更重要的是我的专业知识又有了很大的进步,因为进步总是让人快乐的。
参考文献
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