數(shù)字電子課程設(shè)計(jì)--秒表

1、<p><b>　　課 程 設(shè) 計(jì)</b></p><p>　　設(shè)計(jì)題目： 秒表 </p><p><b>　　秒表</b></p><p>　　1 設(shè)計(jì)主要內(nèi)容及要求</p><p>　　1.1設(shè)計(jì)目的：

2、（1）掌握秒表的構(gòu)成、原理與設(shè)計(jì)方法；</p><p>　　（2）熟悉集成電路的使用方法。</p><p>　　1.2基本要求：（1）能進(jìn)行分、秒、0.1秒、0.01秒計(jì)時，有獨(dú)立的時間顯示電路；</p><p>　　（2）顯示完畢后清零并發(fā)出響聲。</p><p>　　1.3發(fā)揮部分：（1）預(yù)置定時報警（例如1分鐘跑等項(xiàng)目）</p&g

3、t;<p><b>　?。?）其他。</b></p><p>　　2 設(shè)計(jì)過程及論文的基本要求</p><p>　　2.1 設(shè)計(jì)過程的基本要求</p><p>　　（1）基本部分必須完成，發(fā)揮部分可任選1個方向：</p><p>　　（2）符合設(shè)計(jì)要求的報告一份，其中包括邏輯電路圖、印刷電路板圖各一份；&l

4、t;/p><p>　　（3）設(shè)計(jì)過程的資料、草稿要求保留并隨設(shè)計(jì)報告一起上交；報告的電子檔需在規(guī)定時間內(nèi)在單獨(dú)在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺上交。</p><p>　　2.2 課程設(shè)計(jì)論文的基本要求</p><p>　?。?）參照畢業(yè)設(shè)計(jì)論文規(guī)范打印，文字中的小圖需打印。項(xiàng)目齊全、不許涂改。</p><p>　?。?）裝訂順序：封面、任務(wù)書、成績評審意見表、中文

5、摘要、關(guān)鍵詞、目錄、正文（設(shè)計(jì)題目、設(shè)計(jì)任務(wù)、設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)框圖、各部分電路及參數(shù)計(jì)算（重要）、工作過程分析、元器件清單、主要器件介紹）、小結(jié)、參考文獻(xiàn)、附錄（邏輯電路圖與印刷電路板圖）。</p><p><b>　　3 時間進(jìn)度安排</b></p><p>　　2013-06-23</p><p><b>　　摘 要</b&g

6、t;</p><p>　　電子式秒表是一種用數(shù)字電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)時、分、秒計(jì)時的裝置，無機(jī)械裝置，具有較長的使用壽命，因此得到了廣泛的使用。</p><p>　　電子式秒表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(shí)驗(yàn)所做電子式秒表由信號發(fā)生系統(tǒng)和計(jì)時系統(tǒng)構(gòu)成。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(gòu)成，信號頻率為100HZ

7、。計(jì)時系統(tǒng)由計(jì)數(shù)器、譯碼器、顯示器組成。計(jì)數(shù)器由74 LS160構(gòu)成，由十進(jìn)制計(jì)數(shù)器組成了一百進(jìn)制和六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，采用異步進(jìn)位方式。譯碼器由74LS48構(gòu)成，顯示器由數(shù)碼管構(gòu)成。具體過程為：由晶體震蕩器產(chǎn)生100HZ脈沖信號先進(jìn)入計(jì)數(shù)器，然后傳入譯碼器，將4位信號轉(zhuǎn)化為數(shù)碼管可顯示的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(jì)時值為59分59.99秒， “10毫秒”為一百進(jìn)制計(jì)數(shù)器組成，“分”和“秒”

8、為六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器組成。</p><p>　　關(guān)鍵詞 多諧振蕩器，計(jì)時，計(jì)數(shù)器，譯碼器，顯示器</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1.設(shè)計(jì)題目2</b></p><p><b>　　1.1設(shè)計(jì)任務(wù)2</b></p><

9、p><b>　　1.2設(shè)計(jì)要求2</b></p><p><b>　　2.設(shè)計(jì)框圖2</b></p><p><b>　　3.設(shè)計(jì)思路3</b></p><p><b>　　4.原理設(shè)計(jì)圖4</b></p><p>　　4.1秒信號產(chǎn)生電路

10、4</p><p>　　4.1.1工作原理4</p><p>　　4.1.2工作波形6</p><p>　　4.1.3參數(shù)計(jì)算6</p><p>　　4.2分、秒、毫秒計(jì)數(shù)器電路7</p><p>　　4.2.1計(jì)數(shù)器電路7</p><p>　　4.2.2 100進(jìn)制計(jì)數(shù)器8<

11、;/p><p>　　4.2.3 60進(jìn)制計(jì)數(shù)器8</p><p>　　4.2.4計(jì)數(shù)器最終連線圖9</p><p>　　4.3顯示譯碼電路9</p><p>　　4.3.1譯碼器電路9</p><p>　　4.3.2顯示器匹配電路圖10</p><p>　　4.3.3譯碼器與數(shù)碼管匹配電

12、路的仿真圖12</p><p>　　4.4報警電路13</p><p>　　4.4.1清零報警電路13</p><p>　　4.5全圖展示13</p><p>　　5..工作過程分析15</p><p><b>　　6.總結(jié)16</b></p><p><

13、b>　　7.致謝17</b></p><p>　　8. 參考文獻(xiàn)18</p><p><b>　　附錄A19</b></p><p><b>　　附錄B20</b></p><p><b>　　1.設(shè)計(jì)題目</b></p><p&g

14、t;<b>　　1.1設(shè)計(jì)任務(wù)</b></p><p>　　電子式秒表，必須要有數(shù)字顯示。按設(shè)計(jì)要求，用七段數(shù)碼管來做顯示器較合理。題目要求最大記數(shù)值為59，59，99，那則需要六個數(shù)碼管。</p><p>　　選擇信號發(fā)生器時，采用集成電路555定時器與電阻和電容組成的多諧振蕩器。其核心部分使用六個74LS160計(jì)數(shù)器采用串聯(lián)方式構(gòu)成，這種連接方式簡單，使用元器件數(shù)

15、量少。由于555定時器的比較器靈敏度較高，輸出驅(qū)動電流大，功能靈活，再加上電路結(jié)構(gòu)簡單，計(jì)算比較方便，所以CP脈沖是由555多諧振蕩器產(chǎn)生的。</p><p>　　電子式秒表實(shí)際上是一個頻率（100HZ）進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)電路。由于電子式秒表計(jì)數(shù)的需要，故需要在電路上加一個控制電路，該控制電路清零、啟動計(jì)時、暫停及繼續(xù)計(jì)數(shù)等控制功能，同時需要一個分頻電路把100kHZ分成100HZ的時間信號達(dá)到到準(zhǔn)確穩(wěn)定。通常使用石

16、英晶體振蕩器電路構(gòu)成電子鐘。電子鐘的總體圖如圖所示。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(guān)；一百進(jìn)制秒、六十進(jìn)制分計(jì)數(shù)器和六十進(jìn)制秒計(jì)數(shù)器；以及秒、分的譯碼顯示部分等。</p><p><b>　　1.2設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　1.1設(shè)計(jì)目的：（1）掌握秒表的構(gòu)成、原理與設(shè)計(jì)方法；</p>

17、<p>　?。?）熟悉集成電路的使用方法。</p><p>　　1.2基本要求：（1）能進(jìn)行分、秒、0.1秒、0.01秒計(jì)時，有獨(dú)立的時間顯示電路；</p><p>　?。?）顯示完畢后清零并發(fā)出響聲。</p><p>　　1.3發(fā)揮部分：（1）預(yù)置定時報警（例如1分鐘跑等項(xiàng)目）</p><p><b>　?。?）其他。

18、</b></p><p><b>　　2.設(shè)計(jì)框圖</b></p><p><b>　　3.設(shè)計(jì)思路</b></p><p>　　電子式秒表，就需要顯示數(shù)字。根據(jù)設(shè)計(jì)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)碼管作為秒位（有小數(shù)點(diǎn)）和五個7段數(shù)碼管作為分秒位。要求計(jì)數(shù)分

19、辨率為0.0 1秒，那么我們需要相應(yīng)頻率的信號發(fā)生器。</p><p>　　選擇信號發(fā)生器時，采用集成電路555定時器與電阻和電容組成的多諧振蕩器。</p><p>　　秒表核心部分——計(jì)數(shù)器，此次選擇74LS160計(jì)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。實(shí)現(xiàn)一百進(jìn)制秒、六十進(jìn)制分計(jì)數(shù)器和六十進(jìn)制秒計(jì)數(shù)器。</p><p>　　計(jì)數(shù)脈沖是

20、由555定時器構(gòu)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>　　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(jì)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(shè)計(jì)中選擇前一種方

21、法。</p><p>　　在報警裝置上選用555多諧振蕩器給蜂鳴器信號，使其發(fā)聲。</p><p><b>　　4.原理設(shè)計(jì)圖</b></p><p>　　4.1秒信號產(chǎn)生電路</p><p><b>　　4.1.1工作原理</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)信號產(chǎn)生源為55

22、5定時器構(gòu)成多諧振蕩器電路</p><p>　　多諧振蕩器的工作原理</p><p>　　多諧振蕩器是能產(chǎn)生矩形波的一種自激振蕩器電路，由于矩形波中除基波外還含有豐富的高次諧波，故稱為多諧振蕩器。</p><p>　　多諧振蕩器沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)，在自身因素的作用下，電路就在兩個暫穩(wěn)態(tài)之 間來回轉(zhuǎn)換，故又稱它為無穩(wěn)態(tài)電路。</p><p&g

23、t;　　由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器如圖1所示，R1，R2和C是外接定時元件，電路中將高電平觸發(fā)端（6腳） 和低電平觸發(fā)端（2腳）并接后接到R2和C的連接處，將放電端（7腳）接到R1，R2的連接處。</p><p>　　由于接通電源瞬間，電容C來不及充電，電容器兩端電壓uc為低電平，小于（1/3）Vcc，故高電平觸發(fā)端與低電平觸發(fā)端均為低電平，輸出uo為高電平，放電管VT截止。這時，電源經(jīng)R1，R2對電容C充電

24、，使電壓uc按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)uc上升到（2/3）Vcc時，輸出uo為低電平，放電管VT導(dǎo)通，把uc從（1/3）Vcc 上升到（2/3）Vcc這段時間內(nèi)電路的狀態(tài)稱為第一暫穩(wěn)態(tài)，其維持時間TPH的長短與電容的充電時間有關(guān) 。充電時間常數(shù)T充=（R1＋R2）C。</p><p>　　由于放電管VT導(dǎo)通，電容C通過電阻R2和放電管放電，電路進(jìn)人第二暫穩(wěn)態(tài).其維持時間TPL的長短與電 容的放電時間有關(guān)，放電時間常數(shù)T放

25、＝R2C0隨著C的放電，uc下降，當(dāng)uc下降到（1/3）Vcc時，輸出uo。 為高電平，放電管VT截止，Vcc再次對電容c充電，電路又翻轉(zhuǎn)到第一暫穩(wěn)態(tài)。不難理解，接通電源后，電 路就在兩個暫穩(wěn)態(tài)之間來回翻轉(zhuǎn)，則輸出可得矩形波。電路一旦起振后，uc電壓總是在（1/3～2/3）Vcc 之間變化。</p><p><b>　　4.1.2工作波形</b></p><p>&

26、lt;b>　　4.1.3參數(shù)計(jì)算</b></p><p>　　由555定時器和外接元件R1、R2、C1、C2、構(gòu)成多諧振蕩器，2腳和6腳相連。電路沒有穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個暫穩(wěn)態(tài)，電路亦不需要外接觸發(fā)信號，利用電源通過R1、R2向C1充電，以及C1通過R2向放電端DIS放電，使電路產(chǎn)生振蕩。</p><p>　　輸出信號的時間參數(shù)是：T=(R1+2R2)Cln</p>

27、;<p>　　R1=5.1k T=0.01s即f=100Hz可求得R2=70K</p><p>　　實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作中是調(diào)節(jié)滑動變阻器從而得到想要的輸出信號。</p><p>　　圖4.多諧振蕩器輸出頻率</p><p>　　4.2分、秒、毫秒計(jì)數(shù)器電路</p><p>　　4.2.1計(jì)數(shù)器電路</p><p&g

28、t;　　74LS160的管腳圖及功能表如下:</p><p>　　74LS160為異步清零計(jì)數(shù)器，即端輸入低電平，不受CP控制，輸出端立即全部為“0”，功能表第一行。74LS160具有同步預(yù)置功能，在端無效時，端輸入低電平，在時鐘共同作用下，CP上跳后計(jì)數(shù)器狀態(tài)等于預(yù)置輸入DCBA，即所謂“同步”預(yù)置功能（第二行）。和都無效，ET或EP任意一個為低電平，計(jì)數(shù)器處于保持功能，即輸出狀態(tài)不變。只有四個控制輸入都為高電

29、平，計(jì)數(shù)器（161）實(shí)現(xiàn)模10加法計(jì)數(shù)，Q3 Q2 Q1 Q0=1001時，RCO=1。</p><p>　　這里我們選擇用計(jì)數(shù)器74LS160芯片，通過乘數(shù)法或反饋置數(shù)法構(gòu)成100進(jìn)制和60進(jìn)制計(jì)數(shù)器。</p><p>　　4.2.2 100進(jìn)制計(jì)數(shù)器</p><p>　　乘數(shù)法：將兩片74LS160計(jì)數(shù)器直接級聯(lián)則可得到100進(jìn)制計(jì)數(shù)器。其電路連接如圖。<

30、;/p><p>　　圖5.100進(jìn)制計(jì)數(shù)器</p><p>　　4.2.3 60進(jìn)制計(jì)數(shù)器</p><p>　　乘數(shù)法：將一片74LS160設(shè)置成六進(jìn)制計(jì)數(shù)器，再將其與一片74LS160級聯(lián)，即可得到一個60進(jìn)制計(jì)數(shù)器。其電路連接如圖。</p><p>　　4.2.4計(jì)數(shù)器最終連線圖</p><p>　　一百進(jìn)制和六十進(jìn)

31、制計(jì)數(shù)器之間、六十進(jìn)制和一百進(jìn)制之間的接法如下圖所示。</p><p><b>　　4.3顯示譯碼電路</b></p><p>　　4.3.1譯碼器電路</p><p>　　在這里我們采用74LS48D和RPACK來構(gòu)成譯碼部分，其仿真電路圖如圖所示。</p><p><b>　　圖8.譯碼器電路</b&

32、gt;</p><p><b>　　圖9.譯碼器部分</b></p><p>　　4.3.2顯示器匹配電路圖</p><p>　　7段數(shù)碼管又分共陰和共陰兩種顯示方式。如果把7段數(shù)碼管的每一段都等效成發(fā)光二極管的正負(fù)兩個極，那共陰就是把a(bǔ)bcdefg這7個發(fā)光二極管的負(fù)極連接在一起并接地；它們的7個正極接到7段譯碼驅(qū)動電路74LS48的相對應(yīng)的

33、驅(qū)動端上（也是abcdefg）。此時若顯示數(shù)字1，那么譯碼驅(qū)動電路輸出段bc為高電平，其他段掃描輸出端為低電平，以此類推。如果7段數(shù)碼管是共陰顯示電路，那就需要選用74LS47譯碼驅(qū)動集成電路。共陰就是把a(bǔ)bcdefg的7個發(fā)光二極管的正極連接在一起并接到5V電源上，其余的7個負(fù)極接到74LS47相應(yīng)的abcdefg輸出端上。</p><p>　　無論共陰共陰7段顯示電路，都需要加限流電阻，否則通電后就把7段譯碼

34、管燒壞了。限流電阻的選取是：5V電源電壓減去發(fā)光二極管的工作電壓除上10ma到15ma得數(shù)即為限流電阻的值。發(fā)光二極管的工作電壓一般在1.8V--2.2V，為計(jì)算方便，通常選2V即可。發(fā)光二極管的工作電流選取在10-20ma，電流選小了，7段數(shù)碼管不太亮，選大了工作時間長了發(fā)光管易燒壞。對于大功率7段數(shù)碼管可根據(jù)實(shí)際情況來選取限流電阻及電阻的瓦數(shù)。</p><p>　　下圖是八段數(shù)碼管（LED）的示意圖，圖中引腳

35、6為VCC的為共陰數(shù)碼管，引腳6為GND的為共陰數(shù)碼管。</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用共陰數(shù)碼管與74LS48匹配。其連接圖如圖所示。</p><p><b>　　圖9.譯碼顯示電路</b></p><p>　　4.3.3譯碼器與數(shù)碼管匹配電路的仿真圖</p><p><b>　　4.4報警電路</b&

36、gt;</p><p>　　4.4.1清零報警電路</p><p>　　當(dāng)次電路接受到高電平信號，蜂鳴器會工作，發(fā)出聲響給以提醒。</p><p>　　圖10.譯碼顯示部分</p><p><b>　　4.5全圖展示</b></p><p><b>　　5..工作過程分析</b&g

37、t;</p><p>　　對電路進(jìn)行仿真運(yùn)行后，計(jì)數(shù)器開始接受由555多諧振蕩器產(chǎn)生的脈沖信號，秒表開始計(jì)數(shù)。</p><p>　　計(jì)數(shù)中按下S2,各清零端接地計(jì)數(shù)器清零，蜂鳴器電路分別接通接受到信號，發(fā)出聲音。</p><p>　　再按下S2，秒表開始重新計(jì)時。</p><p><b>　　6.總結(jié)</b></p

38、><p>　　一周的數(shù)電課程設(shè)計(jì)在緊張而又忙碌中結(jié)束了，雖然付出了很多時間，但是在這次課設(shè)中，真的收獲了很多。</p><p>　　可剛開始接到這個設(shè)計(jì)題目時，我的大腦一片空白，根本不知如何下手。老師也看出了我們的苦惱，就講了一些設(shè)計(jì)步驟以及一些設(shè)計(jì)過程中的需要注意的問題。在老師的指導(dǎo)下，我開始在網(wǎng)上和圖書館查閱相關(guān)資料。好在辛苦沒有白費(fèi)，在老師和同學(xué)的幫助下，終于設(shè)計(jì)出了一個原理圖。不過，在

39、設(shè)計(jì)由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器時，發(fā)現(xiàn)自己的專業(yè)知識還是有一定的欠缺，接好了電路卻無法正常運(yùn)行，通過老師的幫助和同學(xué)之間的交流，發(fā)現(xiàn)自己設(shè)計(jì)的電路有很多錯誤，例如把本應(yīng)該接高電平的端口接了低電平，線路接錯端口等等，在把錯誤一點(diǎn)一點(diǎn)的改正了過來使其運(yùn)行成功之后，看著自己設(shè)計(jì)的電路成功運(yùn)行還是有一點(diǎn)小小的成就感的。</p><p>　　通過本次電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)，我對Multisim10電路設(shè)計(jì)與仿真的應(yīng)用有了一定

40、的了解，對數(shù)字電子技術(shù)有了進(jìn)一步的認(rèn)識，初次接觸軟件，發(fā)現(xiàn)還是有一定困難的，知道了設(shè)計(jì)一個簡單的電路并讓其正確運(yùn)行不是一件簡單的事情。</p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)讓我認(rèn)識到了實(shí)際操作與理論知識有很大的聯(lián)系，同時也認(rèn)識到了自己動手能力的欠缺，通過老師的幫助和同學(xué)之間的交流使我更加深刻的認(rèn)識到了團(tuán)隊(duì)合作的重要性， 在困難面前只要齊心協(xié)力就沒有攻克不了的難題。通過本次課程設(shè)計(jì)不僅鞏固了課本知識，增加了學(xué)習(xí)興趣，又

41、考驗(yàn)了我們借助互聯(lián)網(wǎng)查閱資料和組織材料的綜合能力。</p><p><b>　　7.致謝</b></p><p>　　在本次課程設(shè)計(jì)過程中，我要特別感謝**老師，面對我設(shè)計(jì)電路中存在的錯誤，她能幫我仔細(xì)的找出并給予了耐心的指導(dǎo)，從而讓我的課程設(shè)計(jì)得以順利完成，同時，也感謝在調(diào)試過程中幫助我的同學(xué)。*老師和各位同學(xué)的幫助，不僅幫助我順利的完成了本次課程設(shè)計(jì)，也極大增加了

42、我對數(shù)字電子技術(shù)這門課程的興趣，特此致謝。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]《電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)》湖南大學(xué)出版。</p><p>　　[2]《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》華中科技大學(xué)出版。</p><p>　　[3]《實(shí)用電子電路手冊（數(shù)字電路分冊）》編寫組編。實(shí)用電子電路手冊（數(shù)字電路分

43、冊）。北京；人民教育出版社，1992。</p><p>　　[4]《1992年全國高等學(xué)校電子技術(shù)課程教學(xué)研究會課程設(shè)計(jì)選題集》，1992.大連；</p><p>　　[5]秦宏，電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].西安：電子科技大學(xué)出版社</p><p>　　[6]孫梅生，李美鶯，徐振英. 電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社</p><p>