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標(biāo)題: 基于74LS160秒級(jí)定時(shí)器Multisim仿真設(shè)計(jì) [打印本頁(yè)]
作者: age1111    時(shí)間: 2019-10-24 20:53
標(biāo)題: 基于74LS160秒級(jí)定時(shí)器Multisim仿真設(shè)計(jì)
這是之前做的一次設(shè)計(jì)，所有資料都是自己找的，自己想辦法做出來的。

設(shè)計(jì)具有手控方式實(shí)現(xiàn)體育競(jìng)賽秒級(jí)定時(shí)的電路，利用LED數(shù)碼管顯示計(jì)數(shù)器的值。掌握用 “反饋置數(shù)法”構(gòu)成定時(shí)電路的設(shè)計(jì)方法；用Multisim軟件畫圖仿真；用Protel軟件繪制PCB板圖。具體要求如下：
（1）設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)時(shí)電路，定時(shí)時(shí)間為（20+學(xué)號(hào)末兩位）秒，并能實(shí)時(shí)顯示時(shí)間；
（2）設(shè)置操作開關(guān)控制計(jì)時(shí)器的清零、啟動(dòng)和暫停/連續(xù)計(jì)時(shí)；
（3）要求定時(shí)電路遞增計(jì)時(shí)，每隔一秒鐘，定時(shí)電路加1；
（4）當(dāng)計(jì)時(shí)電路遞增計(jì)時(shí)到預(yù)定數(shù)值時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)；
（5）外界供電為AC 220市電，設(shè)計(jì)能滿足定時(shí)電路供電要求的電源。

圖1 51秒定時(shí)器原理框圖
30 秒定時(shí)器主要由秒脈沖發(fā)生器、 控制電路、 計(jì)數(shù)器、譯碼顯示器電路和報(bào)警電路五部分組成。
電路原理分析：

圖2 電源電路仿真電路


圖3 電壓表示數(shù)



它由分壓器、比較器、基本 R--S 觸發(fā)器和放電三極管等部分組成。分壓器由三個(gè) 5 KΩ的等值電阻串聯(lián)而成。分壓器為比較器、提供參考電壓，比較器的參考電壓為，加在同相輸入端， 比較器 的參考電壓為，加在反相輸入端。 比較器由兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的集成運(yùn)放組成。 高電平觸發(fā)信號(hào)加在的反相輸入端，與同相輸入端的參考電壓比較后，其結(jié)果作為基本 R--S 觸發(fā)器端的輸入信號(hào)；低電平觸發(fā)信號(hào)加在的同相輸入端，與反相輸入端的參考電壓比較后，其結(jié)果作為基本 R—S 觸發(fā)器端的輸入信號(hào)。基本 R--S 觸發(fā)器的輸出狀態(tài)受比較器的輸出端控制。

圖4 555定時(shí)器


由 555 定時(shí)器組成的多諧振蕩器如圖所示，其中 R 1 、R 2 和電容 C 為外接元件。其工
作波如圖所示。設(shè)電容的初始電壓 ＝０， t＝０時(shí)接通電源，由于電容電壓不能突變，所以高、低觸發(fā)端 ＝＝０<，比較器輸出為高電平，輸出為低電平，即，（1 表示高電位， 0 表示低電位） ， R S 觸發(fā)器置１， 定時(shí)器輸出此時(shí)，定時(shí)器內(nèi)部放電三極管截止，電源V cc經(jīng)向電容Ｃ充電，逐漸升高。當(dāng)上升到時(shí)，輸出由０翻轉(zhuǎn)為１， 這時(shí)， R—S 觸發(fā)順保持狀態(tài)不變。 所以 0<t<期間，定時(shí)器輸出為高電平１。
時(shí)刻，上升到，比較器的輸出由１變?yōu)椋埃?這時(shí), R -S觸發(fā)器復(fù)０，定時(shí)器輸出。
期間，，放電三極管Ｔ導(dǎo)通， 電容Ｃ通過R 2放電。按指數(shù)規(guī)律下降，當(dāng)時(shí)比較器輸出由０變?yōu)椋保遥佑|發(fā)器的，Ｑ的狀態(tài)不變，的狀態(tài)仍為低電平。
時(shí)刻，下降到，比較器輸出由 1 變?yōu)?0，R---S 觸發(fā)器的，觸發(fā)器處于 1，定時(shí)器輸出。此時(shí)電源再次向電容 C 放電，重復(fù)上述過程。
通過上述分析可知，電容充電時(shí)，定時(shí)器輸出，電容放電時(shí)，，電容不斷地進(jìn)行充、放電，輸出端便獲得矩形波。多諧振蕩器無外部信號(hào)輸入，卻能輸出矩形波，其實(shí)質(zhì)是將直流形式的電能變?yōu)榫匦尾ㄐ问降碾娔?

由圖可知，振蕩周期。 為電容充電時(shí)間， 為電容放電時(shí)間。
充電時(shí)間
放電時(shí)間
矩形波的振蕩周期
矩形波頻率
計(jì)算：


圖5 1HZ多諧振蕩器仿真電路







74LS160 的清除端是異步的。當(dāng)清除端ＣＬＲ為低電平時(shí)，不管時(shí)鐘端ＣＬＫ狀態(tài)如何，即可完成清除功能。
74LS160 的預(yù)置是同步的。當(dāng)置入控制器ＬＯＡＤ為低電平時(shí)，在 ＣＬＫ上升沿作用下，輸出端 Q0－Q3 與數(shù)據(jù)輸入端 Ｄ0－D3 一致。對(duì)于74ＬＳ１６０，當(dāng) ＣＬＫ由低至高跳變或跳變前，如果計(jì)數(shù)控制端ENP、ENT為高電平，則ＬＯＡＤ應(yīng)避免由低至高電平的跳變，而 74LS160 無此種限制。
74LS160 的計(jì)數(shù)是同步的，靠ＣＬＫ同時(shí)加在四個(gè)觸發(fā)器上而實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)ENP、ENT均為高電平時(shí)，在ＣＬＫ上升沿作用下 Q0－Q3同時(shí)變化，從而消除了異步計(jì)數(shù)器中出現(xiàn)的計(jì)數(shù)尖峰。對(duì)于74LS160，只有當(dāng)ＣＬＫ為高電平時(shí)，ENP、ENT才允許由高至低電平的跳變， 而74LS160的 ENP、ENT跳變與ＣＬＫ無關(guān)。160 有超前進(jìn)位功能。當(dāng)計(jì)數(shù)溢出時(shí)，進(jìn)位輸出端（ＲＣＯ）輸出一個(gè)高電平脈沖，其寬度為 Q0的高電平部分。
在不外加門電路的情況下，可級(jí)聯(lián)成 N位同步計(jì)數(shù)器。對(duì)于74LS160，在ＣＬＫ出現(xiàn)前，即使 ENP、ENT、ＣＬＲ發(fā)生變化，電路的功能也不受影響。






圖6 74LS160封裝圖
圖7 74LS160邏輯圖




表１　74LS160的功能表


表２　引出端符號(hào)意義

進(jìn)位輸出端
計(jì)數(shù)控制端
計(jì)數(shù)控制端
輸入端
同步并行置入控制端（低電平有效）
輸出端
時(shí)鐘輸入端（上升沿有效）
異步清除輸入端（低電平有效）

如圖所示，51秒定時(shí)器計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)電路如下：
51進(jìn)制設(shè)計(jì)：U1為十位數(shù)部分，U2為個(gè)位數(shù)部分。當(dāng)ENP (U2)＝ENT (U2)=CLR（U1、U2）=1時(shí)，計(jì)數(shù)器開始加法計(jì)算，由00不斷加法計(jì)算到51秒。RCO（U2） 連接ENP、ENT（U1），當(dāng)U2的計(jì)數(shù)器一個(gè)循環(huán)后，U1的示數(shù)加1，由三腳與非門U7A連接U1的QA和QC，U2的QA，當(dāng)輸出計(jì)數(shù)器輸出了51時(shí)，U7A與非門輸出低電平，S1繼電器切換電路到地，計(jì)數(shù)器暫停在51，經(jīng)過U8A非門后，輸出高電平，蜂鳴器鳴叫。
開啟：開關(guān)S2控制計(jì)數(shù)器開啟。當(dāng)S2斷開時(shí)，ENP (U2)＝ENT (U2)=CLR（U1、U2）=1，計(jì)數(shù)器啟動(dòng)。當(dāng)S2連接時(shí)，CLR（U1、U2）=0，電路關(guān)閉。
置0：電路正常運(yùn)行時(shí)，當(dāng)S2、S3斷開，S4連接，計(jì)數(shù)器置0。
暫停/繼續(xù):電路正常運(yùn)行時(shí)，當(dāng)S2、S4斷開，S3連接,計(jì)數(shù)器保持狀態(tài)，當(dāng)S4連接時(shí)，計(jì)數(shù)器繼續(xù)運(yùn)行。

圖8　兩片74LS160 芯片設(shè)計(jì)51秒定時(shí)器的計(jì)數(shù)器部分

74LS48 是 BCD-7 段譯碼器/驅(qū)動(dòng)器，其輸出是OC門輸出且高電平有效， 專用于驅(qū)動(dòng) LED七段共陰極顯示數(shù)碼管。其功能是把輸入的 8421BCD 碼 ABCD 譯成七段輸出 a-g，再由七段數(shù)碼管顯示相應(yīng)的數(shù)。由 74LS48 和 LED 七段共陰極數(shù)碼管組成一位數(shù)碼顯示電路。若將個(gè)位、時(shí)位、百位計(jì)數(shù)器的輸出分別接到相應(yīng)七段譯碼器的輸入端，便可進(jìn)行不同數(shù)字顯示。在譯碼器輸出與數(shù)碼管之間串聯(lián)的 R 為限流電阻。當(dāng)計(jì)數(shù)器在 CP 脈沖的作用下，就應(yīng)將其狀態(tài)顯示成清晰的數(shù)字符號(hào)。74LS48 的管腳如圖所示。在管腳圖中，管腳 LT、RBI、BI/RBO 都是低電平是起作用，作用分別為：
LT 為燈測(cè)檢查，用 LT 可檢查七段顯示器個(gè)字段是否能正常被點(diǎn)燃。
BI 是滅燈輸入，可以使顯示燈熄滅。
RBI 是滅零輸入， 可以按照需要將顯示的零予以熄滅。 BI/RBO 是共用輸出端， RBO 稱為滅零輸出端，可以配合滅零輸出端 RBI，在多位十進(jìn)制數(shù)表示時(shí)，把多余零位熄滅掉，以提高視圖的清晰度。




圖9 74LS48管腳圖



表3 74LS78芯片功能表


（1）譯碼功能：將 LT，RBI 和 BI/RBO 端接高電平，輸入十進(jìn)制數(shù) 0~9的任意一組 8421BCD碼（原碼），則輸出端 a~g也會(huì)得到一組相應(yīng)的 7 位二進(jìn)制代碼（ 74LS48 驅(qū)動(dòng)共陰極，輸出3FH、06H、5BH, ； 74LS47驅(qū)動(dòng)共陽(yáng)極，輸出 COH、F9H、A4H, ）。如果將這組代碼輸入到數(shù)碼管，就可以顯示出相應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)。
（2）試燈功能：給試燈輸入加低電平，而 BI/RBO 端加高電平時(shí)，則輸出端 a~g均為高電平。若將其輸入數(shù)碼管，則所有的顯示段都發(fā)亮。此功能可以用于檢查數(shù)碼管的好壞。
（3）滅燈功能：將低電平加于滅燈輸入時(shí)，不管其他輸入為什么電平，所有輸出端都為低電平。將這樣的輸出信號(hào)加至數(shù)碼管，數(shù)碼管將不發(fā)亮。
（4）動(dòng)態(tài)滅燈功能：RBI 端為滅零輸入端，其作用是將數(shù)碼管顯示的數(shù)字 0熄滅。當(dāng)RBI=0，且 DCBA=0000 時(shí)，若 LT=1，a~g輸出為低電平，數(shù)碼管無顯示。利用該滅零端，可熄滅多位顯示中不需要的零。不需要滅零時(shí)， RBI=1。




圖10 顯示部分仿真電路圖
報(bào)警電路設(shè)計(jì)：由一個(gè)非門與蜂鳴器組成報(bào)警電路，當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到５１時(shí)，ＵＡ７輸出低電平，通過非門Ｕ８Ａ變成高電平，蜂鳴器工作，發(fā)出警報(bào)。


圖11 報(bào)警電路設(shè)計(jì)電路圖
總電路如下：上部分為直流穩(wěn)壓電源，通過調(diào)節(jié)電位器，將市電２２０Ｖ轉(zhuǎn)為直流電５Ｖ，再經(jīng)過下面電路完成５１秒定時(shí)器電路，完成整個(gè)電路設(shè)計(jì)。
在計(jì)數(shù)器達(dá)到51秒之時(shí)，蜂鳴器鳴叫，要關(guān)閉即切換S3，即清零計(jì)數(shù)器，再切換高電平即繼續(xù)啟動(dòng)。
啟動(dòng)：S2，S3連接，S2斷開，計(jì)數(shù)器啟動(dòng)。
停止：S2，S3， S2連接，計(jì)數(shù)器關(guān)閉。
              置0：S2、S3斷開，S4連接，計(jì)數(shù)器置0。
暫停：S2、S4斷開，S3連接，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)暫停。
繼續(xù)：S2斷開，S3、S4連接，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)繼續(xù)運(yùn)行。


圖12 51秒定時(shí)器設(shè)計(jì)總電路圖(開啟、置0、停止)


圖13 PCB原理圖


圖14 PCB圖


圖15 PCB 3D視圖


表3  元器件清單列表

序號(hào)
類別
數(shù)值
封裝
數(shù)量
1
0.25W直插電阻
4.7kΩ
直插
1
2
0.25W直插電阻
1kΩ
直插
2
3
0.25W直插電阻
20kΩ
直插
1
4
0.25W直插電阻
62kΩ
直插
1
5
可調(diào)電阻
5kΩ
直插
1
6
電解電容
10uF
直插
2
7
電解電容
680uF
直插
1
8
電解電容
100uF
直插
1
9
瓷介電容
0.1uF
直插
2
10
二極管
1N4007
直插
8
11
達(dá)林頓管
TIP122
直插
1
12
直插IC
LM358P
DIP-8
1
13
直插IC
NE555P
DIP-8
1
14
直插IC
74LS48
N016
2
15
直插IC
74LS160
N016
2
16
直插IC
74LS04
N014
1
17
直插IC
74LS10
N014
1
18
變壓器
220V to 9V

1
19
雙閘開關(guān)

直插
1
20
開關(guān)

直插
3
21
七段共陰極顯像管

直插
2
22
蜂鳴器

貼片
1



通過這次對(duì)兩位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器７４ＬＳ１６０的設(shè)計(jì)與制作，我懂得了如何將自己所學(xué)的東西運(yùn)用于實(shí)際電路中，掌握了功能電路的基本設(shè)計(jì)方法，學(xué)會(huì)了74LS１６０計(jì)數(shù)器的應(yīng)用，加深了對(duì)時(shí)序電路的理解，同時(shí)也掌握了仿真軟件的應(yīng)用，能夠?qū)υO(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真，從而驗(yàn)證電路的正確性。通過這次設(shè)計(jì)我還學(xué)會(huì)了通過圖書館書籍和互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行資料的收集，為以后的設(shè)計(jì)工作奠定基礎(chǔ)。在不斷地學(xué)習(xí)著數(shù)電知識(shí)，并且了解了很多芯片的使用，以及連接的方式，在PCB的設(shè)計(jì)和操作中不斷地學(xué)到很多東西，也理解了很多數(shù)字電子技術(shù)的理論，實(shí)踐了這些技術(shù)。


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