篮球比赛24秒倒计时器数字逻辑电路设计课程设计报告.docx
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篮球比赛24秒倒计时器数字逻辑电路设计课程设计报告
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
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
数字逻辑电路设计
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:
2篮球比赛24秒倒计时器
数字逻辑电路设计
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。
3篮球比赛24秒倒计时器
数字逻辑电路设计
前言.....................................................................................................51、总体设计思路、基本原理和框图...................................................6
1.1设计思路..........................................................................................................6
1.2设计原理和功能...........................................................................................7
1.2.1基本功能............................................................................................7
1.3总体设计框图..................................................................................................82、单元电路设计.................................................................................9
2.1各芯片的用法和功能...................................................................................9
2.1.174LS00.................................................................................................9
2.1.2555定时器.........................................................................................9
2.1.374LS90...........................................................................................10
2.1.474LS192..............................................................................................11
2.2单元模块........................................................................................................12
2.2.1秒脉冲发生模块..............................................................................12
2.2.2倒计时模块......................................................................................13
2.2.3控制电路模块..................................................................................14
2.2.4报警提示模块..................................................................................153、电路仿真调试（总电路图）........................................................16
3.1总电路图.....................................................................................................16
3.2仿真调试.....................................................................................................17
3.2.1启动功能..........................................................................................17
3.2.2复位功能..........................................................................................18
3.2.3暂停功能..........................................................................................18
3.2.4自动停止、复位功能......................................................................194、故障分析与电路改进...................................................................21
4.1故障分析和解决...........................................................................................21
4.2电路改进.......................................................................................................215、总结..............................................................................................236、心得体会......................................................................................247、元件清单......................................................................................258、参考文献......................................................................................26
4篮球比赛24秒倒计时器
数字逻辑电路设计
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。
5篮球比赛24秒倒计时器
数字逻辑电路设计
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。
6篮球比赛24秒倒计时器
数字逻辑电路设计
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。
7篮球比赛24秒倒计时器
数字逻辑电路设计
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
各位数字十位数字
控制电路
计数器秒信号信号产生电计数器
路
报警电路
图1.1总设计框图
8篮球比赛24秒倒计时器
数字逻辑电路设计
2、单元电路设计
2.1各芯片的用法和功能
2.1.174LS00
74LS00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2.174LS00引脚图
2.1.2555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C和C、简单SR锁存器、放12
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2.2555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。
9篮球比赛24秒倒计时器
数字逻辑电路设计
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v上升到2Vcc/3时，是v为低电平，同时放电三极管T导通，此时电co
容C通过R和T放电，v下降。
当v下降到Vcc/3时，v翻转为高电平。
电容器2cco
C放电所需时间为
t=RC?
2?
0.7RCPL22
当放电结束时，T截止，Vcc将通过R、R向电容器C充电，v由Vcc/3上12c升到2Vcc/3所需时间为
t=（R+R）C?
2?
0.7（R+R）CPH1212
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/（t+t）?
1.43/（R+2R）CPLPH12
（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
2.1.374LS90
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。
10篮球比赛24秒倒计时器
数字逻辑电路设计
图2.474LS90功能表
A（将输出Q与输入B相接构成8421BCD码计数器。
A
（将输出Q与输入A相接构成5421BCD码计数器。
BD
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R、R和置位（置“9”12端）S、S。
12
图2.574LS90引脚图
2.1.474LS192
74LS192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:
+-
11篮球比赛24秒倒计时器
数字逻辑电路设计
UPDOWNCLR操作LD
×××1清零
××00置数
?
110加计数
1?
10减计数
1110保持
图2.674LS192功能表图2.774LS192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;Q、AQ、Q、Q为数据输出端。
BCD
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。
12篮球比赛24秒倒计时器
数字逻辑电路设计
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）
”倒计到“00”然后停止，的倒计时计数器，由于本系统只需要从开始时的“24
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。
13篮球比赛24秒倒计时器
数字逻辑电路设计
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Q引出线接到二脚D
00”状态转换到“99”时，用与非门把该状态转换成低电与非门，当计数器从“
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LD
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
14篮球比赛24秒倒计时器
数字逻辑电路设计
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
15篮球比赛24秒倒计时器
数字逻辑电路设计
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
16篮球比赛24秒倒计时器
数字逻辑电路设计
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
17篮球比赛24秒倒计时器
数字逻辑电路设计
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。
18篮球比赛24秒倒计时器
数字逻辑电路设计
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。
19篮球比赛24秒倒计
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