数电课程设计-30秒倒计时器.doc

河南理工大学计算机学院

30秒倒计时计数器设计
——数字电子计数基础课程设计

学院：计算机学院
专业班级：通信工程10-2班
时间：2013年1月7日

目 录

设计要求………………………………………………………………………………………3
正文
一、倒计时器组成及原理 ………………………………………………………………3
1.1倒计时计数器组成 ……………………………………………………………3
1.2工作原理 ………………………………………………………………………3
二、拟定设计方案 ………………………………………………………………………4
2.1用Multisim进行仿真设计 ……………………………………………………4
2.2设计实现数码管显示 …………………………………………………………4
2.3设计555定时振荡实现秒振荡发生功能 ……………………………………4
2.4设计实现减法计数功能 ………………………………………………………5
2.5设计实现二位数减法计数功能 ………………………………………………5
2.6设计实现反馈电路实现30秒计数功能 ………………………………………5
2.7设计实现控制电路实现启动、清零/复位和暂停/继续计数控制电路 ………5
2.7.1清零/复位电路………………………………………………………………5
2.7.2暂停/继续计数电路…………………………………………………………6
2.7.3启动电路 ……………………………………………………………………7
2.8设计实现闪烁报警电路 ………………………………………………………8
三、功能说明总结 ……………………………………………………………………9
四、课程设计小结 ……………………………………………………………………9

参考文献 …………………………………………………………………………………10
附录：
一、电路原理图 ………………………………………………………………………11
二、元器件明细表 ……………………………………………………………………11

设计要求：
设计30秒倒计时计数器。
30秒倒计时器的设计功能要求包括：
1、 具有30秒倒计时功能；
2、 设置外部操作开关，控制计时器的直接清零/复位、开始和暂停/连续计数功能；
3、 计时器计时间隔为1秒；
4、 计时器递减计时到零时，数码显示器不灭灯，保持并闪烁光电报警。
5、 计时器暂停计数时，数码管闪烁提醒；

正文：
一、 倒计时器组成及原理
1.1倒计时计数器组成
倒计时计数器选用TTL集成电路，主要由秒定时振荡发生器、减法计数器、译码器、七段数码显示器、控制电路、闪烁报警电路等组成，在电路工作过程中，电路能够通过控制器实现开始计数、清零/复位、暂停/继续计数等功能，在倒计时结束保持00状态并不断闪烁提示报警，原理图如下：

七段数码管显示
数码管译码器
减法计数器
秒定时振荡
发生器

控制电路
闪烁报警电路

倒计时计数器原理组成框图
图1

1.2工作原理
当电路工作时，由555定时器组成多谐振荡器，选取适当的电容使振荡周期为1s；用两片减法计数器芯片级联组成二位数计数器，用七段数码管显示计数；控制电路通过控制减法计数器的控制端实现对电路保留、启动、清零/复位和暂停/继续计数功能的控制；利用JK触发器的翻转状态特性和译码器BI/RBO端的控制实现闪烁报警功能。

二、 拟定设计方案
2.1用Multisim进行仿真设计
Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。Multisim中提供了丰富的硬件数据可供选择，它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。通过Multisim可以及时仿真实现电路设计功能并及时发现存在的问题进行改正，可以确保设计的电路能够正常实现应有的功能。

2.2设计实现数码管显示
选取共阴极七段红色数码管作为显示器，译码器选择74LS48N，将译码器的LT、RBI端直接接高电平，BI/RBO也接高电平，将七段数码管的七个引脚分别接100Ω电阻后于译码器输出端相连，在译码器输入端输入电平实现了数码管显示功能。

2.3设计555定时振荡实现秒振荡发生功能
如图2，用555定时器、电容电阻组成多谐振荡发生器，C1选择1uF，图中C1为100nF为仿真实验用数据，C2选择10nF，电阻均为5.1kΩ，由周期计算公式：
T≈0.7（R1+2R2）C1 ≈ 1s

图2
2.4设计实现减法计数功能
选用74LS191N加减计数器作为减法计数器芯片，U/D加减控制端接高电平将74LS191N设置为减法计数状态，将74LS191N输出端与74LS48N译码器的输入端相接，脉冲接555定时振荡电路产生的谐振脉冲，实现减法计数功能。

2.5设计实现二位数减法计数功能
级联两片均设置为减法计数器的74LS191N，将低位减计数器的进位端RCO接高位减计数器的EN使能端（图中为CTEN端），将数码管、电阻及译码器74LS48N按2.2中说明连接，实现二位数减计数功能。

2.6设计实现反馈电路实现30秒计数功能
如图3，采用74LS191N异步置数，高位反馈输出OA、OB通过两个2输入与非门两次与非反馈给D触发器RESET端，为实现控制功能准备，最终反馈给预制LD端（电路图中为LOAD端）；低位反馈输出OB、OD同高位方法实现。高位预置数端DCBA预置0100，低位预置数端DCBA预置1001，实现30秒计数。
图3

2.7设计实现控制电路实现启动、清零/复位和暂停/继续计数控制电路
2.7.1清零/复位电路
高、低位74LS191N的反馈信号分别通过两个2输入与非门两次与非输入D触发器的RESET端，同时D端与清零/复位控制电路相连，D触发器输出Q再反馈会LOAD端（即LD端），两个D触发器的D端均与开关J4所在清零/复位控制电路电阻、二极管右端，开关左端相接（如图3），高位74LS191N的高电平预置数与低位74LS191N的高电平预置数端与D输入接线位置相同，使得开关闭合前高低位74LS191N的高电平预置数及D为高电平，闭合后高低位74LS191N的高电平预置数及D为低电平，从而控制LD预置端实现清零和复位功能。
如图4，J4控制电路为清零/复位控制电路，J4为控制开关，闭合清零，开启复位。
图4

2.7.2暂停/继续计数电路
单刀单掷开关J1所在电路为暂停/继续计数功能电路。如上图4，开关J1闭合前，J1所在电路反馈低电平，当J1闭合后，J1所在电路反馈高电平，反馈信号经如下图5两个或非门两次或非输入D触发器输入D端（如下图5），D触发器输出Q接低位74LS191N的CTEN端（及EN使能端），上面的JK触发器的输出端与第一个或非门的另一输入端相连。电路工作时，当J1断开，正常工作，当J1闭合时，使能端CTEN变为高电平，低位74LS191N输出保持，使电路进入暂停状态，断开J1则继续计数。
图5

2.7.3启动电路
如上图5，J3所在为启动控制电路，当J1处于断开状态，RESET端为低电平，当闭合J1后，RESET端为高电平，JK触发器输出置0，正常工作状态下第一级或非门另一输入为0，经两级或非后输入D触发器，且输入为低电平，即输出端Q输出低电平至CTEN（EN使能端）使电路启动。

74LS191N功能表如图：
预置
使能
加/减控制
时钟
预置数据输入
输出
工作模式
LD
EN
D/U
CP
D3 D2 D1 D0
Q3 Q2 Q1 Q0
0
x
x
x
d3 d2 d1 d0
d3 d2 d1 d0
异步置数
1
1
x
x
x x x x
保持
数据保持
1
0
0

x x x x
加法计数
加法计数
1
0
1

x x x x
加法计数
减法计数
图6
2.8设计实现闪烁报警电路
根据译码器控制端BI/RBO功能
功能
（输入）
输入
输入/输出
输出

LT
RBI
A3
A2
A1
A0
BI/RBO
a b c d e f g
灭灯
x
x
x
x
x
x
0
0 0 0 0 0 0 0
图7
如图7，当BI/RBO为0时，不论LT，RBI及A3A2A1A0为何值，输出为0且数码管为灭灯状态。当BI/RBO为1时，正常输出输入数据。
对于JK触发器，J端接高电平，K端与低位74LS191N的使能端EN（电路图中CTEN端）相接，则K端在计数使能时为低电平，暂停或计数到00时为高电平，由JK触发器功能表如下：
J
K
输出
1
0
置1
1
1
翻转

图8
如图9，将74LS48N译码器的BI/RBO与该JK触发器的输出端相连，由图8可知当J=1，K=0时，BI/RBO置1，数码管正常工作；当J=1，K=1时，BI/RBO翻转，使数码管时亮时灭闪烁。
图9
经过以上功能分析、设计和仿真，30s计数器的各项功能得到实现，在清零/复位与暂停/继续控制电路中，当J1闭合，暂停计数时，发光二极管点亮，J1断开，继续计数时，发光二极管灭；当J4闭合，数码管清零，发光二极管点亮，当J4断开后，发光二极管灭。

三、 功能说明总结
实现从29到00的30秒倒计时计数功能，时间间隔为1s，具有启动，清零/复位与暂停/继续计数功能；同时当清零与暂停时，清零/复位或暂停/继续计数功能电路中的发光二极管点亮，作为功能标识；暂停时，数码管显示闪烁提醒，倒计时到00时计数保持00，并且闪烁报警，提示计数结束。
J1为单刀单掷开关，是暂停/继续计数功能控制开关，闭合J1,开关，计数暂停，断开J1开关，计数继续；J3为自动复位开关，时计数启动开关，当清零/复位开关断开复位后，按下J3启动计数；J4为单刀单掷开关，是清零/复位功能控制开关，闭合J3开关，数码管清零保持，再断开J3开关，复位29，等待启动开关J3启动。

四、 课程设计小结
课程设计过程中对学到的各种芯片的功能，作用有了更加深入的学习，尤其是通过Multisim的设计与仿真，Multisim之前没有接触过，这几天学习了其基本功能和仿真实验。在设计30秒倒计时计数器时，用到了74LS191N加/减计数器，共阴极数码管，74LS48N译码器，555定时器组成多谐振荡器电路，JK触发器和D触发器等元器件，对这些元器件的特性，功能有了进一步深入的了解。通过555定时器构成多谐振荡电路的仿真对其电路结构有了更深刻的印象，掌握了通过改变RC的值对振荡周期进行调整。
当然在设计各各功能的过程中也遇到了许多问题，如最初使用74LS191N加/减计数器的时候对其反馈和异步置数功能不是很清楚，在查阅书本和实践多次的基础上终于解决异步置数问题，又如在设计反馈控制电路的过程中，时选用JK触发器还是D触发器，最初的设想是用的JK触发器，但是实验多次后才觉得如果用D触发器会更好，最终用D触发器实现清零/复位控制电路和计数器反馈电路；另一个问题是倒计时计数到00时的保持与闪烁问题，当计数到00时，74LS191N的MAX/MIN端输出将从低电平变为高电平，试了不少方法，有些无法保持00状态，有些在00状态无法闪烁，最终通过反馈两个74LS191N的MAX/MIN端与非两次后的输控制D触发器U21的SET端控制低位74LS191N的使能端CTEN端（即EN端）实现保持00计数状态，并利用JK触发器的翻转和置1功能特性控制74LS48译码器的BI/RBO端输入实现闪烁功能。每遇到一个问题都时进一步学习和加深对电路，原理，元器件学习的过程，每解决一个问题，没实现一个功能，都会十分的兴奋，总之，课程设计是一个提高能力，实践所学知识的过程，当然，还有许多的元器件，电路原理等有待于进一步的学习，对Multisim的学习也是一个开始，希望今后也能进一步学习到更多这一功能强大仿真软件的功能。

参考文献：艾永乐 付子义 《数字电子计数基础》 2008 [北京] 中国电力出版社；
邱关源 罗先觉 《电路》第五版 2011 [北京] 高等教育出版社；
《Multisim原件介绍》 百度文库；

附录：
一、电路原理图

二、 元器件明细表
555定时器
1个
七段共阴极红色数码管
2个
74LS48N译码器
2个
74LS191N加/减计数器
2个
74LS00（四-2输入与非门）
2个（一共需要7个2输入与非门）
74LS02（四-2输入或非门）
1个（共需要2个或非门）
D触发器
3个
JK触发器
2个
电容
2个（C1 1uF，C2 10nF)

开关
3个 (J1、J4为单刀单掷开关，J3为自动复位开关)

电阻
18个（与数码管串电阻100欧姆14个，与二极管串接电阻1000欧姆2个，多谐振荡电路电阻5100欧姆2个）
发光二极管
2个（1.66V 5mA）

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