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数电课程设计
按键状态显示及100进制计数功能电路设计
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目录
1.设计内容及要求.....................................................1
1.1设计的基础要求................................................1
1.2设计的具体要求................................................1
2.电路功能分析及设计................................................1
2.1功能分析..............................................1
2.1.10——99计数功能分析..............................1
2.1.20---9按键显示功能分析.............................1
2.2电路的原理框图:
...............................................2
3.元器件和芯片选择及芯片原理说明................................2
3.1CD40147编码器..................................................2
3.2十进制计数器74LS160..............................................3
3.3显示译码器74LS48................................................3
3.4七段数码管................................................4
3.5NE555定时器............................................4
3.6反相器74LS04............................................4
3.7四输入与门74LS21.....................................5
3.8自动锁开关.....................................5
4.设计具体方案及原理说明................................................5
4.1电路图...........................................6
4.2电路原理论述...............................................7
**部分仿真电路图...............................................8
5.电路焊接与调试........................................9
5.1芯片位置设置及电路布线.....................................................9
5.2电路焊接与调试.........................................10
6.设计总结..........................................................11
7.设计体会........................................................12
附录元件表及相关计算.......................................................
13
按键状态显示及100进制计数功能电路设计
1.设计内容及要求
1.1设计基础要求
用数电基本知识构成0——9按键状态显示及100进制计数功能电路设计,
不得使用单片机等高级芯片实现功能。
1.2设计的具体要求
一、0~9十个数符标识十个按键,每个按键控制一个数字码;
当有按键按下时,显示其对应数字,直到新的按键作用;
二、设计一个计数器,从00---99连续变化,置数和按键共用一个数码管。
2.电路功能分析及设计
2.1功能分析(电路具体功能及方案论证在后面电路图后的原理分析处有详细说明)
2.1.10——99计数功能分析
0——99计数功能就是100进制计数器,用两块十进制计数器芯片74160扩展就能实现100进制计数功能。
数字电子技术书上有现成的电路图接到数码管上即可。
七段数码管要显示0—9十个数要用显示译码器进行译码,译码器选择7448。
2.1.20---9按键显示功能分析
按键为0—9十个,要用4位二进制数表示,所以想到用10线4线编码器,网上查询得CD40147为十线四线编码器输出为四位二进制数,与此相关的芯片有74147,74147为九端口输入,考虑到设计要求为十个按键,用74147要利用清零端,主观想把清零格外设计一个功能,所以决定用CD40147编码,按键计划用触点开关,电路要求按键按下显示对应的数字直到下一个按键信号到来才能变化,所以这里要用到锁存芯片,由于计数器74160也可以寄存,正好可以与第一个功能进行合并,所以决定用74160进行信号的保存,输出信号要用七段数码管显示,七段数码管和显示译码器和第一个功能合用。
2.2电路原理图
2.1电路原理分析框图
3元器件和芯片选择及芯片原理说明
3.110线4线编码器选择CD40147
由于网上资料凌乱不一,请教老师后用给输入用电压表测输出的方式检查出CD40147为输入低有效输出为反码,引脚图及真值表:
3.1CD40147管脚图及真值表
CD40147与74147不同的是当无输入的时候,输出为0000而74147为1111,这里需要稍加注意,在设计保存功能的时候两块芯片接法将不同,这里提到74147较多主要是因为仿真的时候由于软件里没有40147所以用74147代替的所以对74147的功能了解的比较多,顺便分析下,其实做的时候用哪个都能实现相应的功能。
3.274LS160十进制编码器
74ls160是十进制计数器,同时也具有存储功能,所以在设计一百进制计数器和按键显示电路存储的时候用的公共74160只要控制几个功能端的高低电平就能实现不同的功能,同时在设计保存功能的时候74160的功能扩展是一个难题也是一个很好的创新,这里第一次做的时候没考虑到,直到焊出来才发现电路没有实现预期的保持功能之后资讯老师得到老师的提醒才设计出保持功能,这里值得一提,这个后面将会具体分析,下面是74160的功能表及引脚图:
3.274160管脚图及真值表
3.374LS48显示译码器
该芯片用来将160输出的四位二进制编码进行译码然后输出到七段数码管上驱动数码管,显示对应的数字,实际接线过程中每段数码管都要接有限流电阻,理论上100-300欧比较合适,实际选用了14个200欧电阻。
3.37448管脚图
3.4七段数码管
购买的时候七段数码管其实都是八段的,有一段是小数点本功能可以将该位空出,
并且译码器选用的是7448,所以相应的选用了共阴的七段数码管,
下面是七段数码管引脚图
3.4七段数码管管脚图
3.5NE555振荡器
该芯片用来产生时钟信号,设计的时候用了2个47K的电阻,一个2K的电位器和0.1UF、10uf的电容构成了一个周期为一秒的时钟。
下面是NE555原理图及引脚图:
3.5555振荡器管脚图及原理图
3.674LS04六输入反相器
该反相器用来将40147输出的反码转换成原码输入74160中,设计中用到其中四组反相器,其管脚图如下:
3.67404管脚图
3.7四输入与门74LS21
四输入与门74LS21在本电路中用来将编码器过来的四路信号求与逻辑然后输出到160的几个控制端以实现保持功能,该功能后来对整体分析的时候详细介绍。
下面是7421逻辑管脚图:
3.774LS21管脚图
3.8自动锁开关
该开关用于电源控制及功能扩展,下面是引脚功能图:
3.8自动锁开关原理图
4.设计具体方案及原理说明
4.1电路图
4.2电路原理论述
先来分析计数功能的工作原理,当S1单置开关接通时,160上电,红色电源指示灯亮起,清零开关接高电势,取消清零,时钟开关S4接通,给555时钟电路供电,产生1HZ的时钟输入74160的CLK时钟输入端,开关S5(起到融合两个功能并不产生影响的功能)接高电势给EP、和右侧160的LD端高电势,而左侧LD端由于TTL管悬空也是高电位(这里介绍按键功能时会继续分析),此时两个160的接法呈现100进制计数器的功能,按此接法接通后左边的160是个位编码芯片,产生0-9连续变化的四位二进制编码,当个位从8变到9的时候产生进位输出,当下一个时钟到来,个位从9到0的时候,进位输出高电平送到十位160的ENP,ENT端使十位产生一个计数信号,十位升高一,从而实现100进制计数器的功能,计数过程中可以通过清零开关清零,也可以通过时钟开关进行暂停功能,这也是设置时钟开关的目的。
两个160产生的四位二进制代码传给7448显示译码器进行译码驱动七段数码管产生对应的数字,串联200欧电阻起到限流作用以免数码管烧毁。
其中加了一个时钟开关可以实现计数中暂停的功能。
接下来分析按键显示功能工作原理,将开关S5接低电平,EP转换为低电平
然后接通S2给按键部分供电,编码器采用CD40147,是10线4线编码器,输入低有效,输出反码,所以触点开关未按下时候应该保证输入全是高电平,因此将输出接上拉电阻接VCC,这样就实现了如何使输入未有动作的时候保持高电平当有触点开关按下的时候转换为低电平,由于CD40147输出为反码要输入到74160中必须接反相器。
按键用触点开关做的,所以按下的时候显示的数当开关抬起来的时候即使160有保持功能但是由于此时已经重新置数,所以无法保存,在此基础上电路中加入了一个7421四输入与门(最开始设计未包括该原件),将四输入端接到7404反相器四输出端,40147输入端无按键按下的时候输出为0000,经反相器后为1111,当有按键按下的时候必定有0输入,求与后输出为0,此时控制置数端LD起作用进行置数输入,将按键编码传到74160并经过显示电路显示对应的数字,按键抬起时147输出1111,求与运算输出1,预置数端失去作用,ET为1,EP开始就置为0,74160处于保持状态,这样就实现了按键显示并保存
的功能。
值得说明的是当按键部分给电后,无按键动作时,7421会输出1给160的LD端使计数功能正常工作,所以当显示计数功能的时候按键这部分给不给电不会对电路有影响。
有一点要说明的该电路图是手绘的,不是仿真电路图,由于仿真电路太大了之后连线看起来特别乱还很容易出问题,所以设计中采用的是部分仿真的方法,
我不知道别人用不用这种方法,但是我用了觉得挺方便的,以下是我的几个部分仿真电路图:
4.1160实现100进制计数功能部分仿真图
4.2按键显示及保存部分电路仿真图(74147代CD40147)
c
4.37448驱动数码管电路部分仿真图
5.电路焊接与调试
5.1芯片位置设置及电路布线
芯片位置安排及电路布线对于后续正确的焊接起到决定性作用,芯片位置和功能紧密相连,实际电路中使数码管排在右上角,下面紧接着限流电阻然后是两个160,左上侧剩余地方是160开关以及时钟开关,左中侧是555构成的时钟,时钟输入进行了公共输出端布线,160紧接着的是清零开关和按键功能切换开关,最下面是十个按键并排安放,上面试CD40147及供电开关,CD40147右侧是7404反相器,7404上边是7421四输入与门,然后有10个40K上拉电阻,紧密合适的布局给整体带来较精致的外观,并且给后来的焊接工作带来方便,背面焊线有公共高电位、公共低电位,下面是焊接实物图:
5.2电路焊接与调试
焊接过程中首先焊接的是100进制计数器的功能,当焊接完了之后发现计数混乱
出现跳变的情况,比如1-3-4-5-7-9这样,进位也有问题,用手接触时钟输出端发现跳转变正常,猜想不是理论问题,检查焊点也无虚焊,随后去实验室测时钟输出,结果发现实验室的示波器测不了1HZ的信号,之后找老师也未发现问题,各管脚电压输出正常,无奈下换了555芯片发现输出正常,从而知道当初的555芯片有问题,然后就是准备焊第二个功能,由于选择的编码器CD40147网上资料混乱,仿真软件没有该芯片,后来经老师提示用电压表测管脚输出知道了CD40147为输入低有效输出为反码,在面包板上模拟的时候发现直接将CD40147接到触点开关然后接地不能实现预期功能,查询资料咨询老师后将按键后接上拉电阻接高电平后实现了编码功能,焊接完了发现按键按下可以正常显示按键对应的数字,但是抬起按键没有保持功能,分析后发现抬起按键其实是进行了重新编码置数,反复思考之后对原有电路部分进行了重新布线留出了一个地方焊接7421四出入与门,用与门实现了保持功能,具体实现方法前面原理里面已经详细介绍,焊接过程中觉得电源应该有类似指示灯的装置指示,所以临时添加了指示灯电路,由于最初焊计数功能时将160的LD以及输入3、4、5、6管脚还有ET、EN管脚都直接焊到了高低电平上,后来进行两个功能的融合的时候会发现置数后技术功能会继续工作,所以利用了160的EP管脚改造了电路,然后将147反相输出接到160输入,这里都是焊完了之后改动的,费了不少时间。
经过总结后感觉这样做既有优点也有缺点,缺点是可能后来需要较多改动,需要将原有的焊点重新熔掉再进行其他电路改造,优点是一个大电路将各部分分成小的局部可能下手更容易些。
6.设计总结
该设计课题是同时实现100进制计数功能与0-9十个按键置数显示功能,其中100进制计数器是靠两个160组合电路实现的,显示电路时7448显示译码器与七段数码管组合电路实现的,时钟用NE555构成的多协振荡器,频率为1HZ,而按键显示功能我用的CD40147编码器实现0-9十个数字向四位二进制数的转化
然后经过非门转换电平输入160进行存储的,然后经过显示电路显示,这里指的一提的是两个功能的融合以及按键保持功能的实现,按键保持功能最初原以为只要通过160就可以保存,不需要进行什么设置,使LD有效就能实现,可是焊完了才意识到会出现按键抬起重新置数的现象,这里最初是欠考虑的,而且之后设计该功能时候也是比较困难的,经过较长时间思考才想出用7421四输入与门控制LD端和ET端这个比较简单的方法实现保持功能的,而将两个功能切换我利用的是控制EP端电势来实现的,虽然很简单但是这个方法我觉得还是稍微有点创意的。
因为这些管脚的应用是完全之前没有接触过的。
至于大体的原理其实是没有什么难度的,就是基础的东西,倒是觉得细节才能体现能力,本次设计作品特点上除了布线规则,排版紧密合理秩序井然外还加了电源指示二极管和按键功能供电二极管并且用了两钟颜色,除此之外按键以及每个开关都标有对应的功能显得很人性化。
此次课程设计的题目主要考察了设计者运用中规模组合逻辑电路实现指定电路功能的能力。
设计题目难度不大,可以让设计者有较大的发挥空间,充分展现数字电路设计灵活的特点。
完成此次设计,可以让设计者对于信号的控制,处理有了一定程度的新的认识,为后续的电路设计积累不少经验。
此次设计提出的方案优点在于充分利用了160计数器的输入使能端,很好地将设计电路要求的关键功能给实现,电路整体思路较为简单,电路所用芯片均为很常用的芯片,易理解。
缺点在于所用的芯片过多,实物连接过程较为复杂,看似简单的电路功能却使用了很多的芯片,所以电路有待简化。
我觉得以后电路的实现可以借助单片机等功能更加强大的芯片,至少可以作为一个拓展能力来展开,毕竟单片机是现在主流的数字电路元件之一,学习它也是大有好处。
7.设计体会
通过本次课程设计我深刻了解到亲自实践的重要性,从电路设计方面说,该电路设计中充分利用了芯片各种扩展功能,这是书上学不到的,并且对芯片的功能有了很深的理解,比如在对按键保持功能的设计上就充分利用的74147无动作时输出为0000而有动作时输出必有1的特点设计出了经过7421四输入与门之后接LD与ET端从而控制置数保持的功能,利用EP的电平不同使两个功能之间能够相互切换,设计之初不知道7448驱动的是共阴数码管,不知道要加限流电阻,这些也都是现查现学现用的。
还有就是我选用的CD40147编码器比较偏,大家用的都是74147编码器,但是觉得该编码器功能不如CD40147,所以选择了该芯片,设计时发现只有让编码器输入接上拉电阻才能实现相应的功能,还有经过查询和咨询发现实际和理论是有差距的,即使是74LS147输入也要接上拉电阻,而理论上说TTL管悬空是高电平应该不用接的。
而从焊接工艺方面也积累了很多经验,首先焊接之前必须有个合理的结构布置,布线要合理,还有焊接的技巧等,由于之前的电子设计比赛中已经积累了不少经验,所以本次电路焊接还算顺利,并且有了比较清晰的思路,由此可见亲自实践的重要性,相信本次设计对后来的学习以及实践也都会有很大的作用。
而最重要的是设计过程中要培养出一种根据现象分析问题,找出问题解决问题的能力,比如我先前说的进位不稳有窜位的现象,而用手接触时钟输出端发现电路显示正常,从而推断是NE555构成的时钟电路问题,换芯片后问题得到解决。
按键显示的时候发现不能保存分析后发现按键抬起之后其实是重新置数了,
从而利用160保持功能设计了按键保持的效果,还有就是当不给按键部分供电的时候LD悬空但是计数功能也能正常工作,分析后知道原因是74LS160是TTL管构成的,TTL悬空后是高电平,所以可以使计数功能正常运行。
设计过程中实时与老师沟通也是很重要的,可以从老师那里学到很多不知道的检测电路的方法和解决各种问题的方法,比如我就是从老师那里知道了用电压表测输入输出看CD40147是输入高有效还是低有效,输出是反码还是源码的,还有可以把芯片拆下来测管脚电压确定是不是焊接问题,还有检测短路的方法等。
体会总结:
只有敢于尝试新事物,遇到问题多思考,勤于动手实践,多做沟通交流才能收获更多的经验,为以后的学习工作打下基础。
对本次课程设计的看法:
本次课程设计难度适宜,总体思路简明清晰不会在设计初期让同学们感到有难度,但是后来细节方面其实涉及很多需要很注意的地方,也不是很轻易就能解决了的,对同学的思维及动手能力有一个很好的锻炼,总体说来本实验很适合大二学生做,难度掌握的很适合。
稍有一点建议就是以后出的题目可以再新颖点,时间安排上可以稍稍再早点(比如早一周)以免和四六级考试相冲突。
附:
元器件清单:
相关计算:
1、200欧限流电阻:
七段数码管驱动电流10ma,电源5V,5V/10ma=500欧,减去数码管每段电阻200欧左右,限流电阻在300左右,实际查询100—300欧均可,最后选择了200欧的限流电阻。
2.、555时钟电路相关计算:
Q=(R1+R2)/(R1+2R2)=2/3得到R1=R2。
又T=(R1+2R2)CLN2=1
若取C=10uf.则代入上式得到3R1Cln2=1
R1=1/(3Cln2)=48千欧
因R1=R2所以选R1、R2为两只47K电阻和一个2K电位器串联
注:
本时钟设计来源于数字电子技术书上497页的占空比为2/3,频率为1HZ的多谐振蛋器电路设计,由于本次试验需要1HZ时钟,所以选择了该电路,实际上我们没有必要考虑占空比的问题。
3,、上拉电阻的选取没有特别的要求,稍微大点的就行,由于47K上面的设计用到了,剩的比较多所以选择了47K电阻做上拉电阻。
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