基于數(shù)字電路的電子秒表課程設計

1、<p><b>　　電子秒表</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　電子秒表是一種用數(shù)字電路技術實現(xiàn)時、分、秒計時的裝置，無機械裝置，具有較長的使用壽命，因此得到了廣泛的使用。它從原理上講是一種典型的數(shù)字電路，其中包括了組合邏輯電路和時序電路。本次實驗所做電子式秒表由信號發(fā)生系統(tǒng)和計時系統(tǒng)構成,并具有清

2、零,暫停功能。由于需要比較穩(wěn)定的信號，所以信號發(fā)生系統(tǒng)555定時器與電阻和電容組成的多諧振蕩器構成，信號頻率為100HZ。計時系統(tǒng)由計數(shù)器、譯碼器、顯示器組成。計數(shù)器由74 LS160構成，由十進制計數(shù)器組成了一百進制和六十進制計數(shù)器，采用異步進位方式。譯碼器由74LS48構成，顯示器由數(shù)碼管構成。清零,暫停功能由RS觸發(fā)器構成防抖動開關。具體過程為：由晶體震蕩器產(chǎn)生100HZ脈沖信號先進入計數(shù)器，然后傳入譯碼器，將4位信號轉(zhuǎn)化為數(shù)碼管

3、可顯示的7位信號，結(jié)果以“分”、“秒”、“10毫秒”依次在數(shù)碼管顯示出來。該秒表最大計時值為59分59.99秒， “10毫秒”為一百進制計數(shù)器組成，“分”和“秒”為六十進制計數(shù)器組成。</p><p>　　關鍵詞：計時 精度 計數(shù)器 顯示器 </p><p><b>　　Abstract </b></p><p>　　Electronic s

4、topwatch is the realization of a digital circuit technology,.It can realize the hour, minute, second timer.It does not have mechanical means and has a longer life, so it has been widely used. The principle is a typical d

5、igital circuit, which includes a combination logic circuit and a timing circuit. The experiments can be done by electronic stopwatch constituted by the signal system and timing system, and has cleared pause function. Due

6、 to the need of a more stable signal, the signal</p><p>　　Keyword:Timing accuracy counter display目 錄</p><p>　　一 設計任務與要求1</p><p>　　二 方案設計與論證1</p><p>　　三 單元電路設計與參數(shù)計算

7、6</p><p>　?。?）信號發(fā)生器單元電路6 </p><p>　　（2）計數(shù)器單元……………………………………………………..9</p><p>　?。?）顯示及譯碼單元電路…………………………………………12</p><p>　　（4）控制單元電路……………………………………………

8、……14</p><p>　　四 總原理圖及元件清單15</p><p>　　五 結(jié)論與心得 ............................................................................17</p><p>　　六 參考文獻....................................

9、........................................................18</p><p><b>　　一、設計任務與要求</b></p><p>　　用74系列數(shù)字器件設計一個電子秒表,要求:</p><p>　　以0.01秒為最小單位進行顯示。</p><p>　　秒表可顯示

10、0.01秒到60分鐘的量程。</p><p>　　該秒表具有清零、開始計時、停止計時功能，并能防抖動。</p><p><b>　　二、方案設計與論證</b></p><p>　　電子秒表實際上是一個頻率（100HZ）進行計數(shù)的計數(shù)電路。由于秒表計數(shù)的需要，故要在電路上加一個控制電路，該控制電路清零、啟動計時、暫停及繼續(xù)計數(shù)等控制功能，同時需要

11、一個分頻電路把100kHZ分成100HZ的時間信號達到準確穩(wěn)定。通常使用石英晶體振蕩器電路構成數(shù)字鐘。數(shù)字電子鐘的總體圖如下圖1所示。由圖可見，數(shù)字電子鐘由以下幾部分組成：555振蕩器和分頻器組成的秒脈沖發(fā)生器；秒表控制開關；一百進制秒、六十進制分計數(shù)器和六十進制秒計數(shù)器；以及秒、分的譯碼顯示部分等</p><p>　　圖1 總體設計方案框圖</p><p>　　圖1中，各單元電路的工作原

12、理圖下：</p><p>　　(1) 信號發(fā)生器:選擇信號發(fā)生器時，有兩種方案：一種是用晶體振蕩器，另一種方案是采用集成電路555定時器與電阻和電容組成的多諧振蕩器。石英晶振蕩器精度很高，一般都需要多級分頻。本次設計選用555定時器。</p><p>　　(2)顯示電路:電子秒表，需要顯示數(shù)字,根據(jù)設計要求，要用數(shù)碼管來做顯示器。題目要求最大記數(shù)值為59分59.99秒，則需要一個8段數(shù)碼管

13、作為秒位（有小數(shù)點）和五個7段數(shù)碼管作為分秒位。要求計數(shù)分辨率為0.0 1秒，那么我們需要相應頻率的信號發(fā)生器。</p><p>　　(3)計數(shù)器:秒表核心部分——計數(shù)器，此次選擇74LS160計數(shù)器。它具有同步置數(shù)和異步清零功能。主要是利用它可以十分頻的功能。計數(shù)脈沖是由555定時器構成的多諧振蕩器，產(chǎn)生100赫茲脈沖。如果精度要求高，也可采用石英振蕩器。</p><p>　　(4)譯碼

14、器:在選擇譯碼器的時候，有多種選擇，如74LS47，74LS48等4-7線譯碼器。如果選擇7447，則用來驅(qū)動共陰極數(shù)碼管；如果選擇7448，則用來驅(qū)動共陰極數(shù)碼管。在選擇數(shù)碼顯示管時，可以利用六個數(shù)碼管；也可以借鑒簡易數(shù)字頻率計中的四位數(shù)碼管來顯示后四位，再用兩個數(shù)碼管顯示分鐘的兩位。本次設計中選擇前一種方法。</p><p>　　(5)控制電路: 用集成與非門構成基本RS觸發(fā)器，屬低電平直接觸發(fā)的觸發(fā)器，有直

15、接置位、復位、暫停的功能，并能防抖動。</p><p>　　單元電路設計與參數(shù)計算</p><p>　　本次課設中，我主要承擔了信號發(fā)生器、計數(shù)器等單元電路的設計及仿真，以及PCB板的設計等任務，先將其內(nèi)容詳細介紹如下：</p><p>　　1.信號發(fā)生器單元電路</p><p>　　1.1用555定時器構成方波發(fā)生器</p>

16、<p>　?。?）555定時器引腳排列及功能表</p><p>　　圖2 555定時器引腳排列</p><p>　　1腳：外接電源負端VSS或接地，一般情況下接地。</p><p>　　8腳：外接電源VCC，雙極型時基電路VCC的范圍是4.5 ~ 16V，CMOS型時基電路VCC的范圍為3 ~ 18V。一般用5V。</p><p>

17、;<b>　　3腳：輸出端Vo</b></p><p><b>　　2腳：低觸發(fā)端</b></p><p><b>　　6腳：TH高觸發(fā)端</b></p><p>　　4腳：是直接清零端。當端接低電平，則時基電路不工作，此時不論、TH處于何電平，時基電路輸出為“0”，該端不用時應接高電平。</p

18、><p>　　5腳：VC為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內(nèi)部兩個比較器的基準電壓，當該端不用時，應將該端串入一只0.01μF電容接地，以防引入干擾。</p><p>　　7腳：放電端。該端與放電管集電極相連，用做定時器時電容的放電。</p><p>　?。?）用555定時器構成方波發(fā)生器電路如下圖所示。其中</p><p>　　T1=(R1

19、+R2)C1ln2 為充電時間</p><p>　　T2=R1C1ln2 為放電時間</p><p>　　T=T1+T2=(R2+2R1)C1ln2 為脈沖周期</p><p>　　F=1/T 為振蕩頻率</p><p>　　經(jīng)過計算并實際調(diào)整，方案為R2=10K，R1=100

20、K， c1=100納法。在實踐中，如果用示波器觀察到頻率不正確，可調(diào)整R2來改變頻率，減小誤差。</p><p>　　圖3 555定時器構成方波發(fā)生器muitisim仿真電路</p><p>　　調(diào)節(jié)R2使得多諧振蕩器的輸出為100Hz時鐘脈沖，并接集成芯片74LS00(SA)的2號管腳,而SA的1號管腳則接暫停/繼續(xù)按鈕, 暫停/繼續(xù)按鈕通過高低電平的轉(zhuǎn)換以及74LS00的與邏輯運算實

21、現(xiàn)對時鐘脈沖CP的封鎖與開通控制,而其他電路不受其影響。74LS00的3號管腳輸出接至U1（最低位十進制計數(shù)器74LS160）的時鐘輸入端作為時鐘分頻計數(shù)的基本時鐘。</p><p>　　在muitisim中仿真結(jié)果為：</p><p>　　圖4 仿真結(jié)果波形圖</p><p>　　2．時鐘分頻計數(shù)單元電路</p><p>　?。?）時鐘脈沖

22、分頻計數(shù)總體部分：首先由十進制模塊通過串行計數(shù)組成100分頻電路，因為74LS160是同步十進制計數(shù)器，在Q3~Q0輸出端為1001（即9）時，其進位端TC同時由0變?yōu)?，設計過程中采用的是置數(shù)清零法，而集成芯片74LS160為同步置數(shù)，此處如果TC直接接入下一級的時鐘輸入端，則會發(fā)生本位數(shù)字為9，而它的高位數(shù)字已經(jīng)進位的現(xiàn)象。要消除這種現(xiàn)象則可以在TC端與下一級的時鐘端之間接入一個非門，使得TC輸出反相，在本位輸出進位脈沖時，其高位時

23、鐘接收到的為時鐘的無效邊沿（下降沿），而在本位自然清零時，高位才會接收到一有效時鐘邊沿（上升沿），從而達到正確進位的目的。</p><p>　　而六十進制與下級模塊的級連，由于六進制模塊在實現(xiàn)過程中已經(jīng)接入了一個74LS00的與非門，故其輸出不必再接非門，而是從該輸出端接至高位時鐘脈沖端。</p><p>　　集成芯片74LS160，其管腳排列如圖所示。</p><p&

24、gt;　　圖5 74LS160管腳排列</p><p>　　表2引腳功能如下表所示：</p><p>　?。?）由集成芯片74LS160構成十分頻器</p><p>　　74LS160本身即為同步十進制計數(shù)器，用以構成十分頻器直接使用其進位輸出端即可，需要注意的是，在級聯(lián)過程中，因為74LS160計數(shù)過程為上升沿有效，而進位輸出時CO端是由0變1，為上升沿，要使計

25、數(shù)狀態(tài)不缺失，需在CO與下一級的連接中串入一個非門。如下圖所示：</p><p>　　圖6 十分頻器電路圖</p><p>　?。?） 使用芯片74LS160構成6進制計數(shù)器</p><p>　　由74LS160組成的六分頻電路如下圖所示電路，給CLK以點動單脈沖或頻率較低的連續(xù)脈沖，Q端接發(fā)光二極管，觀察發(fā)光二極管的狀態(tài)。同時進位輸出端接發(fā)光二極管，觀察并記錄

26、現(xiàn)象，看是否為六進制輸出。判斷其正確性與可靠性，經(jīng)驗證該電路動作可靠，輸出正確。</p><p>　　圖7 6進制計數(shù)器電路圖</p><p>　?。?）由十分頻電路及六分頻電路組成一百分頻及六十分頻電路</p><p>　　①一百分頻電路如下圖所示：</p><p>　　兩級十分頻電路串聯(lián)，中間通過74LS04的一個非門把進位輸出端的時鐘

27、信號送入高位的時鐘輸入端CLK,實現(xiàn)準確的串行進位控制,清零控制端并接，接到復位/開始控制按鈕，實現(xiàn)控制。</p><p>　　圖8 一百分頻電路圖</p><p>　?、诹诸l電路如下圖所示：</p><p>　　一級十分頻電路與一級六分頻電路串聯(lián)，形成串行進位計數(shù)，其內(nèi)部級聯(lián)與一百進制相同,時鐘脈沖均為低位的進位端通過一非門接至高位的CLK端。清零控制端并接

28、，接到復位/開始控制按鈕，實現(xiàn)控制。</p><p>　　圖9 六十分頻電路圖</p><p>　?、劭傮w計數(shù)電路圖為：</p><p>　　74LS160各引腳功能如下</p><p>　　圖11 74LS160引腳功能表</p><p>　　由上圖我們可以得到最終的總體計數(shù)器各引腳輸出波形圖為：</p>

29、<p>　　圖12 74LS160引腳輸出波形圖</p><p>　　一百進制和六十進制計數(shù)器之間、六十進制和一百進制之間的接法如下圖13所示。</p><p>　　圖13 總體計數(shù)電路圖</p><p><b>　　最終仿真結(jié)果為：</b></p><p><b>　　以及:</b&g

30、t;</p><p>　　下面對其他單元電路介紹如下：</p><p>　　3．顯示及譯碼單元電路</p><p>　　譯碼驅(qū)動電路（74LS47、74LS48）及七段顯示數(shù)碼管</p><p>　?。?）七段顯示數(shù)碼管 實際工作中常采用發(fā)光二極管型七段顯示數(shù)碼管來直觀地顯示數(shù)字。它的數(shù)字形式如下圖所示：</p><p&

31、gt;　　圖14 七段顯示數(shù)碼管</p><p>　　數(shù)碼管的每一段是一個發(fā)光二極管，按發(fā)光二極管的連接方式可分為共陰極和共陰極兩種。 </p><p>　　共陰極二極管的公共端接正電源（高電平），a、b、c、d、e、f、g中接低電平則發(fā)光，因此成為低電平有效。共陰極的公共端接地（低電平），a、b、c、d、e、f、g接高電平則發(fā)光，即高電平有效。</p><p>

32、　?。?）七段譯碼驅(qū)動電路 在七段譯碼驅(qū)動電路中，對應于不同類型數(shù)碼管有不同的驅(qū)動芯片，驅(qū)動共陰極數(shù)碼管用共陰極驅(qū)動器（如74LS47），驅(qū)動共陰極數(shù)碼管用共陰極驅(qū)動器（如74LS48）。</p><p>　　驅(qū)動電路如下圖所示(其中74LS48的3\4\5管腳均接高電平): </p><p>　　圖15 七段譯碼驅(qū)動電路</p><p>　　在這里我們采用74L

33、S48D和RPACK來構成譯碼部分，譯碼器與數(shù)碼管匹配電路的仿真圖如下</p><p><b>　　圖16 譯碼電路圖</b></p><p><b>　　控制電路</b></p><p><b>　　基本RS觸發(fā)器</b></p><p>　　用集成與非門構成基本RS觸發(fā)器，

34、屬低電平直接觸發(fā)的觸發(fā)器，有直接置位、復位的功能。它的一路輸出作為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入，另一路輸出作為與非門的輸入控制信號。</p><p>　　按動按鈕開關J1（接地），則門1輸出 =1；門2輸出Q=0，J1復位后Q、 狀態(tài)保持不變。再按動按鈕開關J2，則Q由0變?yōu)?，門5開啟，為計數(shù)器啟動作好準備。由1變?yōu)?，送出負脈沖，啟動單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作?；綬S觸發(fā)器在電子秒表中的職能是啟動和停止秒表的工作.</p

35、><p>　　圖12 RS觸發(fā)器電路</p><p><b>　　（3）單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器</b></p><p>　　圖13 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路</p><p>　　用集成與非門構成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入觸發(fā)負脈沖信號Vi由基本RS觸發(fā)器 端提供，輸出負脈沖Vo通過非門加到計數(shù)器的清除端R。靜態(tài)時，門4應處于

36、截止狀態(tài)，故電阻R必須小于們的關門電阻Roff。定時元件RC取值不同，輸出脈沖寬度也不同。當觸發(fā)脈沖寬度小于輸出脈沖寬度時，可以省去輸入微分電路的Rp和Cp。</p><p>　　單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在電子秒表中的職能是為計數(shù)器提供清零信號。</p><p>　　總原理圖及元器件清單</p><p>　?。?） 總體原理圖如圖14，其中由于譯碼電路仿真結(jié)果不理想，故實際仿真

37、電路沒有采用。</p><p>　　圖14 總體原理圖</p><p>　　（2） 總體原理說明：</p><p>　　在仿真軟件上接通電源</p><p>　　1.合上復位電路的開關，是電路在工作之前先清零。電子秒表處于復位狀態(tài)。</p><p>　　2.當?shù)谝淮伟磩娱_關K，產(chǎn)生第一個單脈沖作為基本RS觸發(fā)器的時鐘

38、，使三狀態(tài)控制電路的輸出端Q1產(chǎn)生高電平，經(jīng)與非門后，使0.01秒脈沖進入計數(shù)器計數(shù)，并譯碼、顯示出來。</p><p>　　3.當?shù)诙伟磩娱_關K，產(chǎn)生第二個單脈沖使三狀態(tài)控制電路輸出端Q1輸出低電平Q2輸出高電平，關閉與非門，使計數(shù)停止。</p><p>　　4.當需要復位清零時，按動復位電路的開關K。電路即處于復位狀態(tài)。</p><p>　　5.再按動控制電路

39、開關K時，電子秒表又進入計數(shù)狀態(tài)。</p><p><b>　　（3）元器件清單</b></p><p><b>　?。?）PCB圖</b></p><p><b>　　五、結(jié)論與心得</b></p><p>　　課程設計已經(jīng)結(jié)束，方案和結(jié)果都讓我們比較滿意，完成了所有的設計要

40、求。在這次課題設計中，我進行不斷的研究與探索而成的。實現(xiàn)了電路的最簡潔，使電路圖簡單易懂。但是，在這次設計過程中也遇到不少的麻煩，例如在仿真組裝調(diào)試過程中曾出現(xiàn)以下故障：脈沖發(fā)生器（555定時器構成的多諧振蕩器）沒法實現(xiàn)0.01s的脈沖信號。最后查得原因為參數(shù)不對，排除方法是利用f=1.44/R1+2R2)C適當?shù)倪x取定值電阻、電容的大小并用頻率計檢測。經(jīng)過多次反復的檢查和排除，最終一一解決，實現(xiàn)了部分功能。</p>&l

41、t;p>　　本次課設留給我們組印象最深的是：要設計一個成功的電路，必須要有扎實的知識基礎，要熟練地掌握課本上的知識，這樣才能對試驗中出現(xiàn)的問題進行分析解決，同時還需要有耐心和毅力。課設過程中，我們深刻的體會到在設計過程中，要考慮到各個元器件的功能和特性，要翻閱大量資料，參考別人的經(jīng)驗。只有這樣才能把自己的電路設計的完美。通過這次對電子秒表的設計與制作，讓我們了解了設計電路的程序，也讓我們了解了關于數(shù)字秒表的原理與設計理念。在此次的

42、數(shù)字秒表設計過程中，更進一步地熟悉了芯片的結(jié)構及掌握了各芯片的工作原理和其具體的使用方法。</p><p>　　總體來說，通過這次課程設計學習，我們對許多電路都有了大概的了解，也熟練了常用繪圖軟件的使用，加深了我們對專業(yè)的了解，培養(yǎng)了我們學習的興趣；我們還認識到，雖然“萬事開頭難”，但只要我們沉著冷靜，團結(jié)一致，耐心、細心地找到突破口，最終問題是一定能解決的；同時我們還認識到，一個人的力量永遠都是有限的，一個人的

43、知識也總是有局限性的，但通過這次課程設計的團隊合作，我們深深地體會到了團隊的力量，也讓我們體會到了團隊合作的快樂！</p><p><b>　　六、參考文獻</b></p><p>　　[1]蕭寶瑾《電路CAD講義》 太原理工大學</p><p>　　[2]閻石《數(shù)字電子技術基礎第五版》：高等教育出版社，1998</p><