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十进制数码显示器设计


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1 位十进制数码显示器设计
罗玉均(BY09080114)

指导老师:杨敏 一、概述
在数字系统的某些终端,往住需要直观的观察十进制数据,能将机器中运行的二-十进制 BCD 码直 接译成十进制数, 并显示出来的译码器叫显示译码器。 它往往与显示器配合使用, 或者直接驱动显示器。 为了能以十进制数码直观地显示数字系统的运行数据,目前广泛使用了七段字符显示器,或称为七段数 码管。这种字符显示器由七段可发光的线段拼合而成。常见的七段字符显示器有半导体数码管和液晶显 示器两种。其外形与等效电路如图 1。 在十进制数码显示器主要是通过数字电路对七段字形数码显示器的控制与驱动,以实现显示器从 0 到 9 十位数的循环与进位。由于十进制数码显示器具有电 路结构简单、体积小、耗电省、安装与调试方便、价格便宜、 a 1 10 1,10 性能稳定和易于实现自动化等优点。所以它广泛应用于个人 家庭以及车站、码头、剧院、办公室等公共场所以和机械工 2 f b 9 g 2,9 业、电子电器、仪表通讯、交通运输、航空航天以及家电和 3 8 3,8 轻工业等行业中,给人们的生活、学习、工作、娱乐、出行 带来极大的方便。
4 e 5 c 7 6 D.P

d

4,7 5,6

本文主要介绍了, 利用 NE555, 74LS162, 74LS48(外 型图如图 2 所示)以及共阴极数码管设计一个 1 位由 1 到 9 自动循环的数码显示器,数码显示器的设计用到,数制、基 本逻辑运算、组合逻辑电路、触发器、时序逻辑电路、脉冲 的产生等模拟与数字电路知识。

图1

74LS162

74LS48

2

NE555

图2 二、电路设计
2.1 电路原理
本设计的原理图,如图 3 所示.其中 NE555 定时器产生振荡频率信号,然后在经过 74LS162 进行计 数与编码,在传送到 74LS48 进行译码后,最后将译过来的 BCD 码传送到数码管而进行数码管的显示控 制(原理的组成框图如图 4)

2.2 工作原理
DCSV 电源加在上图 Ucc(+)、Gnd(-)正负极上。 NE55 定时器脚 3 输出方波,方波的周期与频率由 R1、R2、C1 值决定,74LS162 十进制同步计 数器脚 2 接收 NE555 定时器 2 脚发出的方波信号,脚 11~14 是其输出端,输出计数值给 74LS48 七段译 码器的脚 7、1、6、2,经译码器译码后,其脚 9~15 输出高电平给 S101AS 数码管的 7、6、4、2、1、9、 10 脚,驱动 S101AS 七段数码管,完成数码器由 0 至 9 的自循环。

图3

3

计数器
555 振荡器

译码器

数码显示管

图4
2.3 参数的选择计算
振荡周期频率的计算: T=tWH+tWL=(R1+R2)Cln2=0.69(R1+2R2)C T=0.69?1?(510+510)=1055.7 振荡频率的计算: f=1/T=1/0.69(R1+2R2)C f =1/1055.7≈0.95 因此,要根据自已的需要调节数码管的跳动周期与频率,只需更换电阻 R1 与 R2 以及电容 C 就行了,然 后用上面的计算公式可以很准确的计算出更换后的周期频率时间。

2.4 PCB 电路制作:
早期制作 PCB 板,采用的方法很多,有描漆法、粘贴法、刀刻法等等。现在用的比较多的是热转印 法,这种方法比前几种方法要好,但较细的线条不好制作,容易断线,而且热转印时的温度掌握不好会 影响转印效果。它容易掌握,操作过程也不复杂,可制作单双面板,可满足常用的电路。关键是它可制 作细至 0.2mm 的线条,而且线条边缘整齐无毛刺,整洁美观。 需要准备的工具和材料: (1).电脑 1 台(装 Protel99se 软件) (2).激光打印机 1 台 (3).紫外线曝光箱 1 台 (4).显影盆、腐蚀盆各一个(也可共用一个) (5).细芯黑色记号笔一只(用于修负片) (6).显影剂、脱膜剂、三氯化铁若干 (7).小电钻一只,0.8~3mm 钻头若干 (8).绘图用硫酸纸若干张(A4 幅面) a.负片的制作 使用负性感光板,在制作 PCB 板之前需要有一张 PCB 的负片,就像照片的底片一样,感受到光的地 方留下,感受不到光的地方会被除去。 用 Protel99se 软件将原理图制作成 PCB 图。 利用软件的覆铜功能对 PCB 板进行大面积全部覆铜, 覆铜完毕后,将需要保留下来的线条,打开其属性,在层定义栏里改变其层定义,只要将线条和覆铜的 层定义分开就行。比如覆铜在底层,那么就把线条定义为顶层。层定义完成后按确定退出属性栏。然后 进行打印设臵,在打印层设臵中只设臵覆铜所在层,在色彩设臵中设臵成单色或黑白。 欲打印的负片

4

先将一张 A4 的普通纸放入打印机试打一张,观察是否满意,如果可以,再将硫酸纸放入打印机打印。 打印出来后,将硫酸纸上的图形对着亮光观察,在黑色区域如有漏光处可用黑色记号笔进行修补。修补 完成后,一张用于感光的负片就制作完成了。 b.用硫酸纸打印好的负片进行曝光、显影、腐蚀、脱膜、 (a).曝光 将紫外线曝光箱的上盖板打开,把感光的负片图像部分放于曝光箱的玻璃正中间,不要放偏,否 则曝光量可能不一致,导致显影失败。在放臵负片时注意正反面,不要放反了,否则腐蚀出来不能用。 然后将感光覆铜板感光面朝下覆盖于感光负片,对齐后放下曝光箱盖板,扣紧盖板,曝光箱加电,调整 曝光定时器。一般硫酸纸曝光时间为 5~7 分钟。曝光时间一定要合适,短了需附着的漆膜容易脱落, 长了需脱落的漆膜反而不容易脱落。不同的曝光箱可能光照强度不一样,可根据实际情况试验决定。曝 光时间到后曝光箱会鸣笛报告,自动关闭紫外线灯。这时将曝光箱上盖板打开,将感光覆铜板取出。 (b).显影 将显影盆用清水洗净,将显影液倒入显影盆(显影液用大苏打,1:100 配制) 。这时一定要注意显 影液的温度,一般要在 20° 以上,手指放入显影液不感到凉为宜。将曝光过的覆铜板放入显影液,稍 C 等一会就会看到深蓝色的漆膜发生变化,隐约出现 PCB 图案,这时可用柔软的物体沾着显影液擦拭覆铜 板感光膜面,这样可以加快需要脱落的感光膜脱落,使显影加速完成。等到 PCB 图案完全呈现后,显影 就可结束了,这时可将板子用清水漂洗一遍,等待腐蚀。 (c).腐蚀 将用三氯化铁配制好的腐蚀液倒入腐蚀盆中,腐蚀液的温度也不可太低,太低影响腐蚀进度。另外 腐蚀液的浓度要大一些,这样可加快腐蚀速度。如果是陈腐蚀液(用过多次的) ,可用铁钉或铁丝对腐 蚀液进行臵换后再使用,这样可加快腐蚀速度。在腐蚀过程中可使腐蚀液相对板子运动,如用手晃动腐 蚀盆或用竹镊子捏着棉球在覆铜板上轻轻擦拭,这样做可加快腐蚀速度。一般一块板子在腐蚀液正常的 情况下 10 分钟就可腐蚀完毕。腐蚀完后用清水洗掉板子上的腐蚀液进行脱膜。 (d).脱膜 将脱膜液倒入塑料盆中(三种步骤:显影、腐蚀、脱膜可用一个盆,每次用完后将盆用清水洗净就 行) ,脱膜液用烧碱按 1:100 配制。将腐蚀好的板子漆膜面朝上放入盆中的脱膜液中,让脱膜液完全淹 没板子不要管它,等 5 分钟后就会看到漆膜部分从覆铜板上脱离,等漆膜完全脱离后,将板子拿出用清 水洗净擦干,对部分铜箔面如有氧化层可用绘图橡皮擦拭去除,这时一块 PCB 板就初步做好了。 为节约成本,显影、腐蚀、脱膜三种溶液可反复使用,每种溶液用过后可装于一只瓶中,下次可继续使 用,对于三氯化铁溶液如显绿色,说明溶液里铜元素过多,可用铁将铜臵换出来,方法是用铁钉或铁丝 放于三氯化铁溶液中,当铁质物体上沾满铜时,将其取出,用软布将铜擦去,再放入溶液中,如此反复, 直至达到要求为止。 c.裁边、钻孔 对刚做好的 PCB 板进得机械加工。先对板子多余的部分用钢锯裁掉,对板子边缘用砂纸或锉刀进行 修整使之整齐光滑,对四角也可进行倒脚处理,使板子的几何尺寸符合要求。以上进行完后就可以钻孔 了,按照元器件引线的粗细钻出相应的孔洞。在钻孔过程中如果使用钻床,应将钻床钻速调高,高钻速 下钻出的孔平整光滑,质量高。如用普通手枪钻或其他钻孔工具,要注意钻头要锋利,否则钻出的孔边 缘太毛,铜箔面钻口有凸起,影响焊盘的牢固。孔钻完后,一块 PCB 板就做好,剩下的工作就是焊接了。 d.最后把各元器件全部焊接到电路板上。

三、安装调试
在制作之前,首先根据设计方案用面包板进行连线,目的是为了检验设计的线路是否正确,避免 用感光板做成实物后要不断修改电路。 面包板连线完成后,确认连线以及各元器件的正负极没有错误后(应当特别注意集块的地线与电 源线、还有就是要用万用表确认面包板上的电源最上与最下两排的插脚是否是导通的,不然就得人为的 用导线接通) ,就开始调试了。调试的步骤如下:

5

先将直流电源调到 5V,然后关闭电源,确认正负极接到面包板上电路的正负极引出端上,打开 电源,此时七段共阴极数码管应从 0-9 循环,间隔时间由电阻 R1、R2、电容 C1 的大小来决定。从开启 电源后,发现数码管没有任何的显示,仔细检查了电源电压,重新调生了各元件引脚的接线以后,在用 5V 的电源接到数码管的每一个脚位上,发现全部都可以发光,证明七段数码管是好的。开启开关,接 通电源,这次数码管有显示了,不过并没有发生自动的跳动,而是显示为“8” ,也就是全部的二极管都 亮了。 就这问题询问了老师, 老师让先检查接线有无错误, 接线是否牢固可靠, 然后用示波器检查 NE555 定时器引脚 3 是否有方波输出。再一次仔细检查了导线连接有无错误及导线连接是否牢固可靠,最后用 示波器检查 NE555 定时器,发现引脚 3 有正常的方波输出。将结果报告老师,老师过来帮助复查后确认 NE555 振荡器有正常的方波输出,则说明 NE555 定时器是正常的工作状态,问题是在下一极电路中,再 一次认真的检查电路,发现 74LS48 的第 8 引脚有弯折的情况,把它拆下来仔细的观察,引脚差不多已 经要快完全断掉了。然后就更换了一个新的 74LS48 芯片,在开通电源,数码管依久显示“8” ,说明问 题还是没有解决,在一次用示波器检查 NE555 的输出,依然是有正常的方波输出的。所有的元器件都确 认没有问题了,只剩下 74LS162 了,更换了一块的新的 74LS162 芯片,数码管还是只显示“8” ,说明这 不是芯片的问题,那么就只有电路了,再仔细的检查了一遍电路后,确认接线是全部正确的,那么数码 管不能正常的显示,可能是面包板上有某些脚位不是接通的或是线路接触不良。把面包板上的脚位用导 线全部在联接了起来, 把芯片的引脚上有氧化的地方也用小刀轻轻的刮得光亮了, 然后在一次打开电源, 七段共阳极数码管总算按照设计的要求从 0-9 自动的循环起来了(如图 5) 。

图5 四、小结
通过本次对一位数码显示器的课程设计,使我对模拟电子技术与数字电子技术的认识有了新的认 识,动手能力和判断能力也得到了进一步的提高,理论知识得到了很好的巩固。 在这次设计中,先是确定电路方案,再选定元件,最后制作方面包括电路板。虽然因为 有一个元件(74LS48 计数器)有故障,但通过自己的不断测试与调整,问题最终得得到了解决。通分 析与解决这些问题使我对电子电路有了更加直观的认识,并学会了分析电路问题,查找并改正电路中错 误的经验。

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五、参考文献:
(1)吴友宇.模拟电子技术基础.清华大学出版社.2009.5 (2)阎 石.数字电子技术基础(第五版).高等教育出版社.2006.9 (3)陈有卿. 实用 555 时基电路 300 例. 北京中国电力出版社. 2005.


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