篮球比赛24秒倒计时器的设计与仿真分析

篮球比赛24秒倒计时器的设计与仿真分析1．电路设计分析计时器在许多领域均有普遍的应用，篮球比赛中除了有总时间倒计时外，为了加快比赛节奏，新的规则还要求进攻方在24秒内有一次投篮动作，否则视为违例。本设计题目的“篮球比赛24秒倒计时器”从数字电路角度讨论，实际上就是一个二十四进制递减的计数器。⑴电路设计技术指标①能完成24秒倒计时功能。②完成计数器的复位、启动计数、暂停／继续计数、声光报警等功能。⑵方案论证经过对电路功能的分析，整个24秒倒计时电路可由秒脉冲信号发生器、计数器、译码器、显示电路、报警电路和辅助控制电路组成，如图4-38所示。(3)方案实现①秒脉冲发生器。秒脉冲产生电路由555定时器和外接元件R1、R2、C构成多谐振荡器。经过计算得到输出脉冲的频率为1fHz，即1秒(1s)。本例中的秒脉冲发生器采用应用电路二中的秒脉冲发生器电路即可，如图4-24所示。因为技术指标是一样的，不用再重新设计。②计数器。计数器由两片74LSl92同步十进制可逆计数器构成。74LSl92功能简介如下：具有清除和置数等功能，其引脚排列及逻辑符号如图4-39所示。其中PL为置数端，CPU为加计数端，CPD为减计数端，UTC为非同步进位输出端，DTC为非同步借位输出端，P0、P1、P2、P3为计数器输入端，MR为清除端，Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端。仿真软件Multisim10中74LSl92的图形符号如图4-40所示。其中A、B、C、D为置数输入端，～LOAD为置数控制端，CLR为清零端，UP为加计数端，DOWN为减计数端，QA、QB、QC、QD为数据输出端，～CO为非同步进位输出端，～BO为非同步借位输出端。本例为利用减计数端输入秒脉冲信号，进行减法计数，也就是倒计时。这时计数器按842l码递减进行减计数。利用借位输出端～BO与下一级74LSl92的DOWN端连接，实现计数器之间的级联。利用置数控制端～LOAD实现异步置数。当CLR=0，且～LOAD为低电平时，不管UP和DOWN时钟输入端的状态如何，将使计数器的输出等于并行输入数据，即QDQCQBQA=DCBA。24循环的设置为，十位片的DCBA=0010，个位片的DCBA=0100。③译码及显示电路。有些电路由译码驱动器74LS48和7段共阴数码管组成。74S48译码驱动器具有以下特点：内部上拉输出驱动，有效高电平输出，内部有升压电阻而无需外接电阻。本例为由74LSl92直接输出给4线输入的7段数码管进行显示，这样构成的电路更加简单。④控制电路。控制电路用来完成计数器的复位、启动计数、暂停／继续计数、声光报警等功能。与非门U8A、U9A组成RS触发器，实现计数器的复位、计数和保持“24”，以及声、光报警的功能。开关功能说明如下。开关A：启动开关。A处于高电平时，当计数器递减计数到零时，控制电路发出声、光报警信号，计数器保持“24”状态不变，处于等待状态；当A处于低电平时，计数器开始计数。开关B：暂停开关。当“暂停／连续”开关处于“暂停”(开关B接低电平)时，计数器暂停计数，显示器保持不变；当此开关处于“连续”(开关B接高电平)时，计数器继续累计计数。开关C：手动复位开关。当开关C接低电平，不管计数器工作于什么状态，计数器立即复位到预置数值，即“24”；当开关C接高电平时，计数器从24开始计数。⑤报警电路。当RS触发器输出为低电平时，发光二极管LED1发光，同时该处也可并联蜂鸣器发出报警声。2仿真电路组成篮球比赛24秒倒计时器仿真电路如图4-41所示。由于仿真软件对于悬空的引脚或断开的开关不能认为是高电平，所以在仿真电路中凡是需要开关的地方都选用的是单刀双掷开关，用来接高、低电平；还有一种解决问题的办法，就是在单向开关上接上拉电阻。实际电路中芯片引脚的悬空是高电平，所以实际电路中这些开关可以选用单向开关。3仿真分析由555定时器输出秒脉冲经过与门U7A输入到计数器U2的DOWN端，作为减法计数脉冲。当计数器计数计到“0”时，U2的13脚(～BO)输出借位脉冲使十位计数器U1开始计数。当计数器计数到“00”时应使计数器复位并置数“24”。由于“00”是一个过渡时期，不会显示出来，所以本电路采用“99”作为计数器复位脉冲。当计数器由“00”跳变到“99”时，利用个位和十位的“9”即“1001”通过与非门U6A去触发RS触发器使电路翻转，给74LSl92的1l脚(~LOAD)输入低电平使计数器置数，并保持为“24”，同时发光二极管LEDl亮，若并接有蜂鸣器则发出报警声，即声光报警。扳动开关A到低电平时，RS触发器翻转，给74LSl92的11脚输入高电平，计数器开始计数。扳动开关C到低电平时计数器立即复位，扳动开关C到高电平时计数器又开始计数。若需要暂停时，扳动开关B到低电平，振荡器继续振荡，但输出的脉冲经与门运算后为低电平0，74LSl92脉冲输入端，没有脉冲信号，从而使计数器保持不变；扳动开关B到高电平后，计数器继续计数。4．仿真分析总结①能实现24秒倒计时计数的方法有很多种，能实现该功能的计数器芯片也有很多种，本例仅仅是通过该例子介绍电路设计及仿真的过程，所以不能认为本电路就是最合适的电路。②电路中实现启动、暂停、复位功能的方法也有很多。比如暂停控制，也可以将开关接在振荡器电路中，通过控制振荡器的工作与否来控制整个电路的暂停。综上所述，不同的人会有不同的设计思路，实现同一功能的电路绝不是唯一的。③本例在仿真调试中，由于仿真软件提供的振荡器秒脉冲信号太慢，实际上是用信号发生器产生的100Hz信号进行调试的，调试电路如图4—42所示。