转速测量显示逻辑电路设计.doc

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1、题目_转速测量显示逻辑电路设计_班级_ _学号_姓名_指导_时间_电工电子技术课程设计任务书姓名_ 班级 _ 指导老师 设计课题：转速测量显示逻辑电路设计设计任务与要求转速的测量，在工业控制领域和人们日常生活中经常遇到，要准确地测量转轴每分钟的转速，可采用图示的数字控制系统。在转轴上固定一个地方涂上一圈黑带，留出一块白色标记。当白色标记出现时，光电管就能感受到输入的光信号，并产生脉冲电信号。用计数器累计所产生的脉冲数，并使计数器每分钟做一次清零，就可以记下每分钟的转速。在每次周期性的清零前一时刻，将计数器记下的数值传送到寄存器存储，寄存器中存储的数在以后的一分钟内始终保持不变，并进行显示，这就

2、是欲测的转速。设计任务和要求1 转速显示范围为09999转/分。2 单位时间选为一分钟。转速显示是前一分钟转速的测量结果，或者数字连续显示计数过程，并将每分钟最后时刻的数字保持显示一个给定时间，然后再重复前述过程。设计步骤1、 阅相关资料2、 进行总体方案设计与论证，画框图；3、 进行单元电路的设计；4、 元器件选择与参数计算；5、 用四号图纸绘制原理图；6、 撰写设计说明书，字数不得少于2500字；7、 参考文献。参考器材：光电传感器装置、74LS290、74LS123、74LS175、74LS248及门电路、阻容元件参考文献数字集成电子技术教程 李世雄，丁康源主编电子技术基础（数字部分）

3、康华光等编数字电子技术基础 阎石等数字电子技术基础简明教程，清华大学电子学教研组编目录1、 总体方案与原理说明. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12、 信号拾取与整形（整形电路）. . . . . . . . . . . . . . . . . . .a3、 计数电路（计数器） . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .b4、 锁存电路（锁存器） . . . . . . . . . . .

4、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .c5、 译码显示电路（译码器、显示电路）. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .d6、 总体电路原理相关说明. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .e7、 总体电路原理图. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .f8、

5、元件清单；. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .g9、 参考文献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .h10、 设计心得体会. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i1、 总体方案与原理说明1.1 设计思路根据任务和要求，我选择的是直射型测

6、量方式。在转轴上套装一圆盘，圆盘有空孔，反射器和感应器在上下两边，在遮光处感应器接受不到信号，读数为零，待转到空孔处时，感应器接收到光信号，再转化成电信号，储存起来，计数为1.。装置有整形电路，计数器，锁存器，译码器，显示电路，时钟电路，单稳态电路。1.2 原理框图译码器锁存器计数器整形电路单稳态时钟电路显示电路2.信号拾取与整形（整形电路）信号拾取基本原理图如下：电路核心由一个光电开关管组成，平时电机转轮静止，发光二极管所发出的光被轮子挡住，所以接收管处于截止状态，1端为高电平。当电机转动一圈，会使接收管导通一次，1端输出一个低电平，1端波形为：在实际电机工作状态中，会受到各方面的干扰，波形

7、会存在许多杂波成分，需要对波形进行处理，处理成符合记计数器所需要的矩型波。波形处理电路有一个施密特触发器组成，如上图。当输入电压逐步升高时，致使VI施密特上VT+，内部触发器发生翻转。当VI逐步下降时，致使VIVT-。所以只要VIVT+电路就稳定在高电平，这样就有效的防止了杂波的干扰，并使输出得到矩形脉冲，符合了下级计数的需求。典型的施密特其工作波形如下：本施密特触发器选用40106，管脚如下，可以看出内部含有六路同样的施密特触发器，我们只使用其中一组，3. 计数电路（计数器）本电路采用四个同步计数器接成串行工作方式，查数字电路产品资料后，准备采用CD4518，管脚如下图，该IC是一种同步加数

8、器，在一个封装中含有两个可互换二/十进制计数器，其功能引脚分别是和。该计数器是单路系列脉冲输入（1或2脚；9或10脚），4路BCD码输出（36脚；1114脚）。其工作波形如下：CD4518管脚输入输出波形从4518应用手册给出的真值表看出，CD4518有两个时钟输入端CP和EN（ENABLE A或B），若用时钟上升沿触发，信号从CP端输入，此时EN端接高电平“1”，若用时钟下降沿触发，信号从EN端输入，此时CP端应接低电平“0”，不仅如此，清零端（RESET）也应该保持低电平“0”，只有满足了这些条件，电路才会处于计数状态。CD4518真值表我们还从真值表里可以得出，利用EN端下降沿触发的特点

9、组成N位十进制计数器。从波形分析，当输入端的计数脉冲到第10个时，电路自动复位0000状态，因为4518没有进位功能的引脚，所以应该充分利用第6或14脚输出脉冲的下降沿，利用该脉冲和EN端相连，就可以实现电路进位的功能，根据分析结果，电路设计如下：计数脉冲 另外从4518波形参数表可查其RESET端所需的清零电平宽度在VDD=5V时应该大于250ns，既清零信号宽度应至少大于250ns才能有效的将计数器清零，从测量的准确度要求来看，250ns周期的频率f=1/=1/250=4M，远远大于我们所测量的频率最高值10KH，所以我们至少可以将其运用与小于M级别频率的测量。现在可以得出结果清零信号宽度

10、应大于250ns，以此做为时钟设计电路的参考数据。4.锁存电路（锁存器）锁存集成有电平和边沿触发之分，设计时要充分考虑进去，内部构造大都采用D触发器形式，使用电平或者脉冲方式来触发。而从前面的分析看，本次设计的锁存电路必须采用边沿触发方式的集成电路来实现，因为假如采用电平方式的话，那么在秒脉冲的正半周（既高电平）会使锁存器一直处于导通状态，不能正常显示测量值。因此采用边沿触发就可以在极短的时间内将所需要的数据进行传送，而在其它时间内处于封闭状态。查阅数据集成资料并，发现8D锁存器74LS324正适合要求，这款集成多在计算机电路中运用，而且容易购买，此集成为20脚封装，内部有8个D锁存器，采用两

11、个这样的集成便可以实现4位10进制的的数据传输，它以上升沿作为CP端（即CLK）的有效触发，将8个D输入同时打到输出Q端，在输出端加有三态驱动，其内部其管脚排列如下右图，内部构造（单个D触发器）如下右图 从此集成参数和真值表（如下），在其（1）脚使能端加上低电平才能有效得使输出端得到所需的数据，其他状态不传送数据，也可从上图分析此（1）脚是控制三态门的，相当于电路的通断开关，只有接低电平，电路才能正常工作。左图可知在满足了OE端低电平的条件下，只有在CP端的上沿到来时间才能使Q端有效翻转，达到我们预期设计所需要的边沿触发的要求。但从时钟的角度出发，对374的边沿特性仍然有要求，因为电路要求对锁

12、存器进行锁存以后才能将计数器清零，否则在锁存未稳定前就将计数器清零势必造成显示的错误。我们从374应用手册中给出的数据中可知，在cp端的上升沿到来时，从Q端输出延时有1528ns，数据和波形分别如下：时隙极限(ns)测试环境minmaxTplhTphl15192828CL=45pfRL=667因此从CP端的上沿到达时既超过1 .3V电压时，可以使Q端翻转，而且能够在至少在28ns以内完成触发器翻转的任务，只要在此时间内计数器不清零就可以使电路正常工作，时钟设计时就可以此为依据。5.1译码显示电路（译码器、显示电路）市场上比较多见数码显示器件是LED数码管，它有亮度高、售价低等特点，非常适合本电

13、路制作。电源负端数码管的外形尺寸和内部构造如图所示，a b c d e f g dp主要参数如下：1.6V4.2V；功耗400mW，工作电流10mA；分共阳共阴两种极性，本电路选用共阴。其引脚按顶视图的（1）脚开始，顺时针读数，（3）脚和（8）脚为公共脚，其中（5）脚为小数点，本电路不做连接。引脚分别如下：G F A B E D C dp10 9 8 7 6 1 2 3 4 5数码管与配套的驱动集成器件一起工作，通常称为段译码器。查阅译码集成，发现有很多都能与管很好的协调工作，最后确定为CD4543，它是一种中功率器件，在额定5V电压下输出4.5V的最大电压，输出电流达1mA左右，本电路总共需

14、要4块CD4543。管脚排列如下：集成从（2）（5）脚依次输入二进制BCD码的高位到低位，（9）脚15脚输出点燃数码管所需要的二进制电压，(1)端为琐存控制，（7）端位消隐端，（6）端为L6CD用。同时，从原先的设计思路出发，（1）脚锁存端不使用，再结合其真值表，（1）脚需接高电平，而（6）、（7）均需接底电平，满足此要求才能正常工作。译玛器和数码管工作的方式一般有动态扫描和静态驱动两种，前着电路工作原理较为复杂，数码管处于连续依次被点燃状态，利用人眼视觉惰性产生数字显示静态的效果，通常只用两块集成就可以完成译码和显示的工作。而静态工作状态中，数码管持续点燃，在特定时间的更新显示，所以显示无视

15、觉闪烁，而且电路调试简单，本电路考虑到前级74LS324已经锁定数据，因此配合静态工作能很好完成显示的工作，所以本电路选用静态连接。根据管脚分布和译码参数及管脚分布，电路设计如下：5.2 时钟电路及波形设计根据以上各电路功能模块的需求，时钟电路总共需要产生两路输出信号，一路是频率为1秒的标准矩形脉冲，利用其上沿对锁存器进行锁存，另一路是计数器的清零脉冲，要求脉冲宽度250ns才可以有效得将计数器清零，频率仍然是1秒。而且在锁存以后才可以对计数器进行清零，考虑到锁存在25ns之内完成工作，所以只要电路调试得当，无须再加延时电路，而且从上面设计的方框图可知，矩形脉冲经过一个单稳态电路以后才产生清零

16、脉冲，单稳态集成也存在不可人为的延时存在，所以电路可以正常工作。各部分设计如下：1） 时钟产生电路时钟产生方式很多，可以由各种门电路，环谐振电路，也可以由触发器、555集成构成左图便是CD4060的应用接线图，（11）和（10）脚内部电路和外围组成典型的石英晶体门振荡电路，产生32.678KHZ的频率信号进入14级计数器后，在3脚输出2HZ的频率方波。C1和C2做频率微调，输出频率主要取决于石英晶体。，谐振可以是电容，晶体。为了电路调试方便，综合条件，采用CMOS集成加晶振，晶振采用平常较为多见的时钟晶振，谐振频率为32.786k。查阅数据集成资料，发现CD4046符合各方面的要求，它内部含有

17、14级的二进制串行计数器，可以进行214分频，32.768k谐振频率经过内部14级计数器 214=16372分频后可以得到2HZ的精确频率。现在所需要的1秒的时钟，因此2HZ的脉冲需在经过一个二分频电路就可以输出准确1秒脉冲。对于2HZ的方波仍然无法让电路正常工作，需要进行2分频才能产生1秒的时钟，因此本电路设计一个JK触发器进行2分频，分频后的方波可以直接用来控制锁存电路的工作。本电路采用CD4027作为2分频的器件，其管脚分布为：从左图可知，内部含有两套相同的JK触发器，（1和（2）为输出端，（3）脚为前级时钟输入，（4）和（7）脚分别是更新和复位脚，本电路要将其接低电平，（5）和（6）脚

18、为JK端，需接高电平。从（1）脚输出的信号既是所需要的1HZ方波。2） 单稳态设计从4027第（3）脚输出的方波仍然无法进行正常清零的工作，此脚需要接一单稳态处理后才能进行清零。从前面的设计需求出发，单稳态电路输出的波形宽度至少要达到250ns才能正常清零。查询有关集成库发现CD4528是一种双可重触发单稳态器件，它的管脚及真值表分别如下：CD4528里同样有两组单稳态电路，（1）和（2）是微分定时输入，（3）脚是使能端，（4）和（5）组成与门电路，（5）脚与（4）脚反相，因为此电路只需要一只脚输入端，我们使用（4）脚同相端输入，将（5）脚接高电平即可。（6）和（7）是输出端。根据真值表，需要

19、将第（3）脚即clear脚接高电平，电路接线如下：左图R3和C3组成微分定时，单稳态输出波形宽度为=0.2*R3*C3*(VDD-VSS)，本电路由10K和0.01UF组成，输出TW宽度为25us（标准值）,远远满足计数器所需要的250ns的时间宽度。2HZ信号从（4）脚输入，250ns方波从第6脚输出至计数器清零端。根据以上分析画出时钟电路总接线图，如下所示：CIN11COUT9COUT10RST12Q47Q55Q64Q76Q814Q913Q1015Q121Q132Q14314位进制时钟产生4060R33.3MR42.2KY32.768KC147PFC2CAPVARVCCJ6Q1CLK3K5

20、Q2S7R4JK触发器A4027VCCCLKRC2C1A4B5CLR3Q6Q7单稳态A4528r510Kc30.01uf时钟周期0.5秒周期1秒脉冲周期为秒，宽度为25us 6.总体电路原理相关说明（1）利用光电开关管做电机转速的信号拾取元件，在电机的转轴上安装一圆盘，在圆盘上挖一小洞，小洞上下分别对应着光发射和光接受开关，圆盘转动一圈既光电管导通一次，利用此信号做为脉冲计数所需。（2）计数脉冲通过计数电路进行有效的计数，按照设计要求每一秒种都必须对计数器清零一次，因为电路实行秒更新，所以计数器到译码电路之间有锁存电路，在计数器进行计数的过程中对上一次的数据进行锁存显示，这样做不仅解决了数码显

21、示的逻辑混乱，而且避免了数码显示的闪烁问题。（3）对于脉冲记数，有测周和测频的方式。测周电路的测量精度主要受电路系统的脉冲产生电路的影响，对于低频率信号，其精度较高。测频电路其对于正负一的信号差比较敏感，对于低频率信号的测量误差较大，但是本电路仍然采用测频方式，原因是本电路对于马达电机转速精度要求较低，本电路还有升级为频率计使用，而测频方式对高频的精度还是很高的。（4）显示电路采用静态显示方法，由于静态显示易于制作和调试，原理也较简单，所需元易于购买。（5）电路时钟是整个电路的关键，他是整个电路有效工作的核心，负责电路的锁存和清零。其基本思路是：产生频率一秒是时钟，当秒时钟到来时，既上升沿到来

22、时，对锁存电路进行锁存，锁存以后才能对计数器进行清零，锁存和清零间隔要充分小，否则就影响电路的计数准确度。鉴于此，对锁存集成必须采用边沿触发形式的集成，并且计数器应该与锁存同步工作，既都在秒时钟的上升沿触发工作。另外大多的译码器都带有锁存功能，但是他的锁存方式基本上都是电平触发，若设计成电平触发的话，势必会增加电路的复杂度，还不如直接采用边沿琐存的单集成，所以不使用译码器中的锁存电路。时钟实现方法很多，本电路采用晶振电路，已求得高精度的时钟需求。 7. 总体电路原理图8.元件清单器件名称：用处及规格数量IC CD 40106整形1IC CD4518计数2IC 74LS374锁存2IC CD45

23、43译码4IC CD4060时钟产生1IC CD40272分频1IC CD4528单稳态1光电开关管1晶振32.768k1 LED数码显示4除此外电容电组若干，供电电源等未列入清单。 9.参考文献 网站：中国电子资源网，search digtal 脉冲与数字电路 王锍银 高等教育出版社电子测量 蒋换文 中国计量出版社电子报合订本 1998年上、下。 数字集成电子技术教程 李世雄，丁康源主编电子技术基础（数字部分） 康华光等编数字电子技术基础 阎石等数字电子技术基础简明教程，清华大学电子学教研组编 10. 设计心得体会 从总体上来看，电路设计制作还是比较成功的，获得了很多的经验，综合如下：10.1设计思路是实施操作的扎实基石一个良好的设计思路，是电路的生命。宁愿在思路设计上多花上50%的时间，因为前期看似慢，实际上恰恰给后期的制作带来很大的方便，效果往往是更节省了许多时间。10.2电子制作慢工出细活在制作过程中，马虎不得，粗心不得，特别是电子类的设计制作更应该如此。一步一步来，逐个逐个调试，不可囫囵吞枣，不可贪图方便。10.3活学活用这次设计让我真正体会到了书本知识永远是基础，而基础正是你向高层次迈进的扎实阶梯，没有这个基础，就无法实现技术上的腾飞。在实践当中，灵活运用书本上所讲的知识，万变不离其中，只有扎实掌握了核心的方法，才有可能做到活用巧用。