1、 電子課程設(shè)計(jì) 簡易公用電話計(jì)時(shí)器 學(xué)院：電子信息工程學(xué)院 專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化 班級(jí)： 姓名： 學(xué)號(hào)： 指導(dǎo)老師：閆曉梅 2014年12月14日 簡易公用電話計(jì)時(shí)器一 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求簡易公用電話計(jì)時(shí)器是一種用數(shù)字顯示的計(jì)時(shí)裝置，具體要求如下： 1每一秒鐘計(jì)時(shí)一次。最大計(jì)時(shí)時(shí)間為59分59秒。 2具有手動(dòng)復(fù)位功能。 3每一分鐘報(bào)警一次 。 4通話時(shí)長超過三分鐘按通話一次計(jì)數(shù)。最大計(jì)數(shù)為99 5可對(duì)通話次數(shù)手動(dòng)清零。要求完成的任務(wù)如下： 1畫出整體電路圖，并進(jìn)行必要的分析說明。 2用設(shè)計(jì)軟件對(duì)可編程器件進(jìn)行設(shè)計(jì)輸入、設(shè)計(jì)仿真和器件編程，使器件具有所規(guī)定的邏輯功能。 3. 安裝調(diào)試所設(shè)計(jì)的電路

2、，使之達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求。 4.對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析記錄。二、總體框圖 1.該簡易公用電話計(jì)時(shí)器總體框圖如下： 圖1.簡易公用電話計(jì)時(shí)器總體框圖復(fù)位開關(guān)復(fù)位開關(guān)復(fù)位開關(guān)復(fù)位開關(guān)復(fù)位開關(guān)復(fù)位開關(guān)復(fù)位開關(guān)復(fù)位開關(guān)復(fù)位開關(guān)復(fù)位開關(guān)復(fù)位開關(guān)復(fù)位開關(guān)復(fù)位開關(guān)復(fù)位開關(guān)復(fù)位開關(guān)復(fù)位開關(guān)復(fù)位開關(guān)復(fù)位開關(guān)復(fù)位開關(guān)復(fù)位開關(guān)2.設(shè)計(jì)思路：實(shí)驗(yàn)的第一步是要提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，即提供一個(gè)周期為一秒的方波信號(hào)。由于最大計(jì)時(shí)為59分59秒，因此設(shè)計(jì)需要四位計(jì)數(shù)電路，分別為秒個(gè)位、秒十位、分個(gè)位、分十位。計(jì)數(shù)之后才能進(jìn)行進(jìn)行譯碼顯示。同時(shí)在一分鐘的時(shí)候給報(bào)警電路一個(gè)脈沖信號(hào)，用以達(dá)到報(bào)警的目的。另外需要設(shè)計(jì)電話的手動(dòng)開關(guān)，即模擬打

3、電話和掛電話的過程。同時(shí)其要求超過三分鐘按一次計(jì)數(shù)。及要求有計(jì)數(shù)功能。最大計(jì)數(shù)為99故需要添加一個(gè)二位計(jì)數(shù)電路。同時(shí)為其設(shè)計(jì)一個(gè)開關(guān)以達(dá)到手動(dòng)清零的目的。3.模塊功能：（1）秒脈沖發(fā)生器模塊本實(shí)驗(yàn)選用555計(jì)時(shí)器組成多諧振蕩器發(fā)出的脈沖，從而獲得1HZ的秒脈沖。電路圖如下圖所示： 圖2.秒脈沖發(fā)生器（2）譯碼顯示模塊 秒個(gè)位、秒分位、分個(gè)位、分十位分別位10、6、10、6進(jìn)制計(jì)數(shù)器。秒、分個(gè)位均為十進(jìn)制，即顯示09.秒、分十位為6進(jìn)制計(jì)數(shù)器，顯示05、 圖3.譯碼顯示模塊（3）手動(dòng)復(fù)位模塊該部分有一個(gè)開關(guān)和串聯(lián)電阻以及一個(gè)5V電壓源組成。用以達(dá)到模擬電話的通話及掛斷過程。（4）報(bào)警裝置模塊用一

4、個(gè)燈泡來實(shí)現(xiàn)該電路的報(bào)警功能。（5）通話計(jì)數(shù)模塊該部分用倆片74LS160芯片來實(shí)現(xiàn)起最大計(jì)數(shù)為99的功能要求。（6）計(jì)數(shù)器手動(dòng)清零模塊該部分用與手動(dòng)復(fù)位部分相同的元器件來實(shí)現(xiàn)其要求。三、選擇器件74LS160十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器6個(gè)555555計(jì)時(shí)器1個(gè)74LS03雙輸入與非門2個(gè)74LS04非門1個(gè)74LS12三輸入與非門1個(gè)74LS20四輸入與非門1個(gè)74LS08雙輸入與門1個(gè)74LS00雙輸入與非門1個(gè)電阻1K歐2個(gè)電阻1.4K歐2個(gè)電阻100歐1個(gè)開關(guān)單刀單擲開關(guān)2個(gè)DCD-HEX LED顯示屏6個(gè)VCC5V電壓源8個(gè)燈泡燈泡1個(gè)表一 選用元器件以下是幾個(gè)主要元器件的介紹和說明：（1）7

5、4LS160的應(yīng)用 它是同步十進(jìn)制加法記數(shù)器，當(dāng)LOAD端輸入底電平時(shí)處于預(yù)置數(shù)狀態(tài)，D0、D1、D2、D3的數(shù)據(jù)將會(huì)在CP上升沿到達(dá)時(shí)被置入Q0、Q1、Q2、Q3中，它的預(yù)置數(shù)是同步的。下圖是74LS160的邏輯圖，圖中LD為預(yù)置數(shù)控制端，A到D為數(shù)據(jù)輸入端，RCO為進(jìn)位輸出端，RLC為異步置零端，QA-QD位數(shù)據(jù)輸出端，ENP和ENT為工作狀態(tài)控制端。 圖4. 74LS160的邏輯符號(hào) 圖5 74LS160的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖 （5）為74LS160的內(nèi)部原理圖。當(dāng)RC=0時(shí)所有觸發(fā)器將同時(shí)被置零，而且置零操作不受其他輸入端狀態(tài)的影響。當(dāng)R.1、LD=0時(shí)，電路工作在預(yù)置數(shù)狀態(tài)。這時(shí)門G16-

6、G19的輸出始終是1，所以FF0-FF1輸入端J、K的狀態(tài)由D0-D3的狀態(tài)決定。當(dāng)RC=LD=1而EP=0、ET=1時(shí)，由于這時(shí)門G16-G19的輸出均為0，亦即FF0-FF3均處在J=K=0的狀態(tài)，所以CP信號(hào)到達(dá)時(shí)它們保持原來的狀態(tài)不變。同時(shí)C的狀態(tài)也得到保持。如果ET=0、則EP不論為何狀態(tài)，計(jì)數(shù)器的狀態(tài)也保持不變，但這時(shí)進(jìn)位輸出C等于0。當(dāng)RC=LD=EP=ET=1時(shí)，電路工作在計(jì)數(shù)狀態(tài)。從電路的0000狀態(tài)開始連續(xù)輸入16個(gè)計(jì)數(shù)脈沖時(shí)，電路將從1111的狀態(tài)返回0000的狀態(tài)，C端從高電平跳變至低電平。利用C端輸出的高電平或下降沿作為進(jìn)位輸出信號(hào)。CPEP ET工作狀態(tài)X0XX X

7、置零10X X預(yù)置數(shù)X110 1保持X11X 0保持（但 C0 ）111 1計(jì)數(shù) 表 2 四位同步二進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS160的功能表由其功能表可得，當(dāng)置數(shù)端為0時(shí)，輸出全為0。預(yù)置數(shù)端為0，當(dāng)脈沖到達(dá)時(shí)，計(jì)數(shù)器置數(shù)；當(dāng)置數(shù)和預(yù)置數(shù)端都為1，且EP=ET=1時(shí)，計(jì)數(shù)器進(jìn)行加法計(jì)數(shù)；當(dāng)EP=0，EP=1時(shí)，輸出不變，且RCO=0；當(dāng)ET=1時(shí)，各輸出及RCO都保持不變。 (2) 555定時(shí)器應(yīng)用國產(chǎn)雙極型定時(shí)器CB555電路結(jié)構(gòu)圖。它是由比較器C1和C2，基本RS觸發(fā)器和集電極開路的放電三極管TD三部分組成。 VH是比較器C1的輸入端，v12是比較器C2的輸入端。C1和C2的參考電壓VR1和VR2

8、由VCC經(jīng)三個(gè)五千歐電阻分壓給出。在控制電壓輸入端VCO懸空時(shí)，VR1=2/3VCC,VR2=1/3VCC。如果VCO外接固定電壓，則VR1=VCO,VR2=1/2VCO. RD是置零輸入端。只要在RD端加上低電平，輸出端v0便立即被置成低電平，不受其他輸入端狀態(tài)的影響。正常工作時(shí)必須使RD處于高電平。圖中的數(shù)碼18為器件引腳的編號(hào)。 圖6 555定時(shí)器邏輯符號(hào)555定時(shí)器是一種中規(guī)模集成電路，只要在外部配上適當(dāng)阻容元件，就可以方便地構(gòu)成脈沖產(chǎn)生和整形電路。<1>電路組成555集成定時(shí)器由五個(gè)部分組成。1、 基本RS觸發(fā)器：由兩個(gè)“與非”門組成2、 比較器：C1、C2是兩個(gè)電壓比較

9、器3、 分壓器：阻值均為5千歐的電阻串聯(lián)起來構(gòu)成分壓器，為比較器C1和C2提供參考電壓。4、 晶體管開卷和輸出緩沖器：晶體管VT構(gòu)成開關(guān)，其狀態(tài)受端控制。輸出緩沖器就是接在輸出端的反相器G3，其作用是提高定時(shí)器的帶負(fù)載能力和隔離負(fù)載對(duì)定時(shí)器的影響。圖7. 555定時(shí)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖<2> 基本功能當(dāng)時(shí)，輸出電壓為低電平，VT飽和導(dǎo)通。當(dāng)時(shí)，時(shí)，時(shí)，C1輸出低電平，C2輸出高電平，Q0，飽和導(dǎo)通。當(dāng)、時(shí)，C1、C2輸出均為高電平，基本RS觸發(fā)器保持原來狀態(tài)不變，因此、VT也保持原來狀態(tài)不變。當(dāng)、時(shí)，C1輸出高電平，C2輸出低電平，Q1，VT截止。邏輯函數(shù)式Y(jié)= A555定時(shí)器功能表輸 入

10、輸 出閾值輸入(vI1)觸發(fā)輸入(vI2)復(fù)位()輸出()放電管T××00導(dǎo)通 11截止10導(dǎo)通1不變不變表3 555定時(shí)器邏輯功能表(3) 三極管非門。在一些實(shí)用的反向器電路中，為了保證在輸入低電平時(shí)三極管可靠地截止，常將電路接成圖的形式。由于接入了電阻R2和負(fù)電源VEE,即使輸入的低電平信號(hào)稍大于零，也能使三極管的基極為負(fù)電位，從而使三極管能可靠地截止，輸出為高電平。當(dāng)輸入信號(hào)為高電平時(shí)，應(yīng)保證三極管工作在深度飽和狀態(tài)，以使輸出電平接近于零。為此，電路參數(shù)的配合必須合適，保證提供給三極的基極電流大于深度飽和的基極電流。 邏輯函數(shù)式Y(jié)= A校時(shí)電路所用的芯片是74LS04

11、，如下圖所示：圖8. 74LS04內(nèi)部電路圖功能表如下圖：同理可知其他各非門與04的原理基本相同。其之間最大的區(qū)別在于是幾輸入的。00與03均為雙輸入與非門。12為三輸入20為四輸入。在此就不做過細(xì)的介紹了。（4） LED顯示屏LED顯示屏是由發(fā)光二極管排列組成的一顯示器件。它采用低電壓掃描驅(qū)動(dòng)，具有：耗電少、使用壽命長、成本低、亮度高、故障少、視角大、可視距離遠(yuǎn)、規(guī)格品種全等特點(diǎn)。目前LED顯示屏作為新一代的信息傳播媒體，已經(jīng)成為城市信息現(xiàn)代化建設(shè)的標(biāo)志。管腳分別接輸出段的、圖9 七段顯示數(shù)碼管四、功能模塊1555多諧振蕩器組成脈沖發(fā)生器 多諧振蕩器不需要外加輸入信號(hào)，只要加上直流電源就能自

12、動(dòng)輸出相應(yīng)頻率和寬度的矩形脈沖。由于矩形脈沖含有豐富的高次諧波，所以稱為多諧振蕩器。多諧振蕩器電路能從一種狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到另一種狀態(tài)，變化極其迅速。多諧振蕩器的穩(wěn)定度及頻率的準(zhǔn)確度決定了數(shù)字鐘計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確程度，通常選用成品振構(gòu)成振蕩器電路。一般來說，振蕩器的頻率越高，計(jì)時(shí)精度越高。如果精度要求不高也可采用集成邏輯門與RC組成的時(shí)鐘源振蕩器或由集成定時(shí)器555與RC組成的多諧振蕩器。參考電路圖如圖所示： 圖10.秒脈沖發(fā)生器通過該電路我們可以得到脈沖為1Hz的秒脈沖。2.計(jì)數(shù)譯碼顯示 這一部分采用74LS160實(shí)現(xiàn)秒個(gè)位、秒十位、分個(gè)位、分十位的計(jì)數(shù)，其中秒十位和分十位是6進(jìn)制，秒個(gè)位和分個(gè)位是10進(jìn)制

13、。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)秒個(gè)位計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)到9的時(shí)候，就發(fā)出一個(gè)脈沖給秒十位計(jì)數(shù)器電路一個(gè)進(jìn)位信號(hào)，當(dāng)秒十位計(jì)數(shù)器到5，秒個(gè)位計(jì)數(shù)器到9的時(shí)候給分個(gè)位計(jì)數(shù)器電路一個(gè)進(jìn)位信號(hào)。如下圖可看出秒個(gè)、十位和分個(gè)、十位電路圖相同。所有計(jì)數(shù)器的顯示均采用DCD-HEX譯碼顯示器。如下圖 圖11，譯碼電路3.計(jì)數(shù)器功能。該部分要求就是的最大值為99.我們選用兩片74LS160，通過級(jí)聯(lián)的方式組成十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。同時(shí)其要求通話時(shí)長超過三種按一次計(jì)數(shù)。故其分別由分個(gè)位，分十位引出輸出0011，0000再分別通過一個(gè)二輸入與門和四輸入與非門之后，二者的輸出在經(jīng)過74LS00與非之后送入個(gè)位芯片的74LS160的CLK端，作為輸入

14、信號(hào)。如下圖：4.報(bào)警功能模塊該模塊由一個(gè)燈泡和一個(gè)74LS04非門組成。其輸入信號(hào)是74LS12的輸出端輸出的信號(hào)，以達(dá)到每一分鐘報(bào)警一次。如下圖：圖12，報(bào)警電路5.手動(dòng)復(fù)位和清零模塊該模塊分別有開關(guān)，5V電壓源，電阻組成。構(gòu)成簡單的開關(guān)。復(fù)位開關(guān)四個(gè)計(jì)時(shí)裝置的74LS160清零端相連，而清零裝置與計(jì)數(shù)裝置的兩片74LS160芯片的清零端相連。如下圖：圖13開關(guān)電路五、總體設(shè)計(jì)電路圖本電路的工作過程如下：由555定時(shí)器組成一個(gè)多諧振蕩器，產(chǎn)生周期為1Hz的脈沖，秒脈沖傳給秒個(gè)位計(jì)數(shù)器的CP脈沖輸入端，從而4位顯示計(jì)數(shù)開始工作。 4位顯示計(jì)數(shù)的秒個(gè)位、分個(gè)位都是十進(jìn)制計(jì)數(shù)器（顯示09），秒十

15、位、分十位都是6進(jìn)制計(jì)數(shù)器（顯示05），總共使用4片74LS160實(shí)現(xiàn)。 當(dāng)秒個(gè)位計(jì)數(shù)器顯示9，秒十位計(jì)數(shù)器顯示5的時(shí)候給分個(gè)位計(jì)數(shù)器一個(gè)脈沖信號(hào)使其進(jìn)位，同時(shí)給報(bào)警電路一個(gè)脈沖信號(hào)，使起報(bào)警1秒鐘。 同時(shí)當(dāng)通話時(shí)長超過3分鐘時(shí)，信號(hào)傳輸?shù)接蓛善?4LS160組成的計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)一次。最大計(jì)數(shù)為99. 當(dāng)按下清零開關(guān)時(shí)，所有顯示計(jì)數(shù)器得到一個(gè)低電平，計(jì)數(shù)器清零。 當(dāng)按下復(fù)位開關(guān)時(shí)的時(shí)候，給所有顯示計(jì)數(shù)器清零端一個(gè)有效低電頻，使其清零。仿真結(jié)果圖如下：圖14.總體電路經(jīng)仿真測試其結(jié)果均可以實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)成功。六、心得體會(huì)通過這次簡易公用電話計(jì)時(shí)器的設(shè)計(jì)與制作，讓我了解了設(shè)計(jì)電路的程序，也讓我了解了關(guān)于公用電話的原理與設(shè)計(jì)理念。在此次設(shè)計(jì)過程中,更進(jìn)一步地熟悉了芯片的結(jié)構(gòu)及掌握了各芯片的工作原理和其具體的使用方法.這次課程設(shè)計(jì)使我深刻認(rèn)識(shí)到自己在課本知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用之間存在的不足