电子秒表实训报告.doc

电子秒表1 电路的结构设计1.1 引言 随着电子技术的发展，电子技术在各个领域的运用也越来越广泛。人们对它的认识也逐步加深。在秒表的设计上功能不断完善，在时间的设计上不断的精确，人们也利用了电子技术以及相关的知识解决了一些实际问题。秒表的设计是由555芯片提供的，秒表时间由相关的电阻与电容的大小决定。 电子秒表广泛应用于对运动物体的速度、加速度的测量实验，还可用来验证牛顿第二定律、机械能守恒等物理实验，同时也适用于对时间测量精度要求较高的场合，如测定短时间间隔的仪表。秒表有机械秒表和电子秒表两类。机械秒表与机械手表相仿，但具有制动装置，可精确至百分之一秒；电子秒表用微型电池作能源，电子元件测量显示，可精确至千分之一秒，广泛应用于科学研究、体育运动及国防等方面。在当今非常注重工作效率的社会环境中，定时器能给我们的工作、生活以及娱乐带来很大的方便。充分利用定时器，能有效的加强我们的工作效率。 目前数字电子技术已经广泛地应用于计算机、自动控制、电子测量仪表、电视、雷达、通信等各个领域。例如在现代测量技术中，数字测量仪表不仅比模拟测量仪表精度高、功能强，而且容易实现测量的自动化和智能化。随着集成技术的发展，尤其是中、大规模和超大规模集成电路的发展，数字电子技术的应用范围将会更广泛地渗透到国民经济的各个部门，并将产生越来越深刻的影响。随着现代社会的电子科技的迅速发展，要求我们要理论联系实际，数字电路课题设计的进行使我们有了这个非常好的机会，通过这种综合性训练，我们的动手能力、实际操作能力、综合知识应用能力得到了更好的提升。 本次实训是基于数字电路和模拟电路的电子秒表的设计思路及实现方法。本实训中，充分利用数字电路的计数、译码、显示的优良特性，使整个电路设计达到了比较满意的效果。本电路设计主要有时基产生电路、电源电路、分频电路、计数与译码电路（包括显示电路）、开关按钮电路组成。这次实训不但对以前的知识进行巩固，而且学会了更多的新知识，提高思维、强化动手能力，能够更好地适应和走上工作岗位，为以后的就业打下一定的基础。1.2 实训目的 1、掌握基本RS触发器、单稳态触发器、时钟发生器、计数器、译码显示等单元电路的综合应用。 2、熟悉电子秒表的安装与调试。1.3 电子秒表结构设计 充分运用芯片CD4026的逻辑功能，用四片CD4026芯片实现秒表示00：0099：99秒。利用集成与非门构成的基本RS触发器（低电平直接触发）实现电路的直接置位、复位功能。利用555定时器构成的多谐振荡器为电路提供脉冲源以驱动电路工作。用四个LED数码管显示“秒表”，显示时间为00：00-99：99秒。先按一下按钮开关2，此时电子秒表不工作，再按一下按钮开关1，则计数器清零后便开始计时，观察数码显示管计数情况是否正常，如不需要计时或暂停计时，按一下按钮开关K2，计时立即停止，但数码管仍保留所计时之值。利用电子钟或手表的秒计时对电子秒表进行校准。2 电路的组成及工作原理电子秒表的原理图如图2.1所示。按功能分为四个单元电路，时钟发生器、计数与译码显示电路、基本RS触发器和单稳态触发器。图2.1 电子秒表原理图 2.1 时钟发生器图2.1.1为用555定时器构成的多谐振荡器。为计数器提供计数脉冲。多谐振荡器的振荡频率公式为 多谐振荡器的振荡频率设计为100Hz，R为51K，RW大约为41 K，C为0.1F。调节电位器RW，使多谐振荡器产生频率为100Hz的方波信号。555定时器的引脚图如图2.1.2所示。 图2.1.1 时钟发生器 图2.1.2 555定时器的引脚图2.2 计数与译码显示电路图2.2.1为用十进制计数、显示译码器CD4026构成的计数与译码显示电路。图2.2.1 计数与译码显示电路由4片计数器CD4026组成四位十进制器，输入计数脉冲为100Hz，由计数器CD4026(1)进行秒表的百分位的计时，由计数器CD4026(2)进行秒表的十分位的计时，由计数器CD4026(3)进行秒表的个位的计时，由计数器CD4026(4) 进行秒表的十位的计时，实现0.0199.99秒的计时。各级计数器之间的进位方式为前级进位输出信号CO为后级计数脉冲信号。CD4026同时具有显示译码功能，可将计数器的十进制计数转换为驱动数码管显示的七位显示码，省去了专门的显示译码器。CD4026的输出abcdefg直接与LED数码管连接。CD4026的CR为异步清零端，CR=1时立即使计数器清零。 LED显示器是由发光二极管作为为显示字段的数码显示器件，图2.2.3为一位LED显示器的引脚图，其中七只发光二极管(ag七段)构成字型“8”，另外还有一只发光二极管dp作为小数点。当显示器的某一段发光二极管通电时，该段发光，例如，使b、c、f、g这4段发光二极管通电，则显示字符“4”。 LED显示器有共阴极和共阳极两种结构。在共阴极结构中，各段发光二极管的阴极连在一起，将此公共点接地，某一段发光二极管的阴极为高电平时，该段发光。共阴极字段码：LED显示09某个字符时，则要求在adp送固定的字段码，如要使LED显示“0”,则要求a、b、c、d、f各引脚为高电平，g和dp为低电平，字段码为“3fh” 。dp g f e d c b a0 0 1 1 1 1 1 1 3fh共阴极字符09七段码如下：字符： 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9字段码：3fh 06h 5bh 4fh 66h 6dh 7dh 07h 7fh 6fh 十进制计数、显示译码器CD4026的引脚图如图2.2.2所示。LED数码管的引脚图如图2.2.3所示。 图2.2.2 CD4026的引脚图 图2.2.3 数码管引脚图2.3 基本RS触发器图2.3.1为用与非门CD4011构成的基本RS触发器。图2.3.1 基本RS触发器基本RS触发器在电子秒表中的功能是启动秒表和停表，按键K1为启动秒表，按键K2为停表。其工作原理为：基本RS触发器的输出Q为与非门4的输入控制信号。当按下按键K2，基本RS触发器Q=0， 使与非门4的输入控制信号为0，封锁与非门4，计数脉冲不能输入，秒表停表。当按下按键K1，基本RS触发器Q=1， 使与非门4的输入控制信号为1，使计数脉冲可以输入，开始计数。 2.4 单稳态触发器图2.4.1为用施密特触发器74HC14或CD40106构成的单稳态触发器。图2.4.1 单稳态触发器单稳态触发器在电子秒表中的功能是为计数器提供清零信号。其工作原理为：单稳态触发器的输入信号取自基本RS触发器的端，输出端接计数器的清零端。当单稳态触发器输入为1时，输出为0，不起清零作用；当单稳态触发器输入为负脉冲时，触发单稳态触发器，单稳态触发器输出端产生一个窄正脉冲，使各计数器清零。当按下按键K1，基本RS触发器端由1变为0，产生负脉冲，启动单稳态触发器，使计数器清零（即秒表回表）。同时与非门4打开，使计数脉冲可以输入，开始计数。与非门CD4011的引脚图如图2.4.2所示。施密特触发器74HC14或CD40106的引脚图如图2.4.3所示。 图2.4.2 CD4011引脚图 图2.4.3 74HC14、CD40106引脚图3 元器件清单表表格3.1为元器件清单表。表格 3.1 元器件表元件规格数量元件规格数量电路板1电阻51K1LED数码管4电容510pF1计数译码器CD40264电容0.01F1与非门CD40111电容0.1F1施密特触发器CD401061电位开关4.7K2555定时器1电源开关1F1电位器100K1芯片插座40引脚2电阻1K29芯片插座16引脚4电阻3K2芯片插座14引脚2电阻10K1芯片插座8引脚14 安装与调试4.1 电路的安装 由于实验电路中使用器件较多，实验前必须合理安排各器件在实验装置上的位置，使电路逻辑清楚，接线较短。（附连线布局图及电路实物图）相邻导线间距必须能满足电子安全要求，而且为了便于操作，间距也应尽量宽些。最小间距至少要能适合承受的电压,在布线密度较低时，信号线的间距可适当地加大，对高、低电平悬殊的信号线应尽可能地短且加大间距。当与焊盘连接的走线较细时，要将焊盘与走线之间的连接设计成水滴状，这样的好处是焊盘不容易翘皮，而且走线与焊盘不易断开。 布局时要符合的原则： 1、首先要考虑电路板尺寸大小，本设计的电路板形状为矩形。2、放置器件时要考虑以后的焊接，不要太密集。 3、以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局，易受干扰的元器件不能相互挨得太近，输入和输出元件尽量远离。4、元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在电路板上，尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接，稳定芯片性能的电容尽量靠近芯片。一般电路应尽可能使元器件平行排列。 5、按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号可能保持尽一致的方向。 6、尽可能地减小环路面积。4.2 电路的调试 本次电路设计中，调试是一个重大的过程，调试的好坏就直接关系了作品的成功与否。在设计电子秒表的过程中，我不断地调试，不断地改进，从一个发现问题到解决问题的过程。 实验时，应按照实验任务的次序，将各单元电路逐个进行接线和调试，即分别测试基本RS触发器、单稳态触发器、时钟发生器及计数器的逻辑功能，待各单元电路工作正常后，再将有关电路逐级连接起来进行测试，直到测试电子秒表整个电路的功能。 这样的测试方法有利于检查和排除故障，保证实验顺利进行。4.2.1 基本RS触发器的调试按下按键K2，检查基本RS触发器输出是否是Q=0，松开按键K2，基本RS触发器输出是否保持不变。按下按键K1，检查基本RS触发器输出是否是Q=1。4.2.2 单稳态触发器的调试在单稳态触发器输入端接1kHz方波信号，用示波器观察单稳态触发器输出端是否是连续窄负脉冲的矩形波信号。4.2.3 时钟发生器的调试用示波器观察时钟发生器输出是否输出方波信号。然后调节RW，使方波信号频率为100Hz。4.2.4 计数器、译码显示单元的调试首先检查各计数器与对应的显示译码器和数码管的工作情况，在各计数器CP端加入单脉冲，检查计数与显示是否正常。然后将各计数器连接起来，检查计数与显示是否正常。4.2.5 整体调试将各单元电路连接起来。先按按钮K2，此时电子秒表不工作，再按一下K1，则计数器清零后变开始计时，观察数码管显示计数情况是否正常。如不需要计时或暂停时，按一下开关K2，立即会出现暂停状态。4.2.6 秒表的校准用计时准确的电子表校准秒表，不准确调节电位器RW。心得体会 现代社会的电子技术日新月异，这就要求我们要独立思考，理论联系实际，而此次专业基础实训课程为我们提供了这个机会。此次实训主要考查了对数电技术基础知识与焊接技术的综合运用，通过设计器件、连线布局和动手制作来考查我们的运用能力和动手能力，把在课堂上学到的理论知识运用到实际实践中来，巩固我们在课本上学到的理论知识，提高我们的逻辑思维能力和创新意识。在本次实训过程中，要求我独自查阅资料，设计电路布局，这样可以在实践中训练我的工程素质，培养我的动脑、动手能力，提高我的综合能力。在实训调试中，应先从电源开始调试。电源是整个设计首先要解决的问题，主要是看电源电路的输入输出是否正常。我在调试中检查出的三个错误都在未接好电源输入线上。焊接时，先用电烙铁使锡丝熔化，然后把元件引脚与电路板均匀加热，使焊锡固化在连接点上。连接可靠，防止虚焊、假在焊。最后在调试中发现电路本身没有通电清零功能。通过此次实训，学习了数字电路中的基本RS触发器、单稳态触发器、时钟发生器及计数、译码显示等单元电路的综合应用；学习了电子秒表的调试方法；了解了电子秒表的工作原理；进行了小型数字综合系统的初步训练；进一步掌握了调试电路、排除电路故障的正确方法，也对知识进行了整合运用，对以前所学知识进行了总结和综合运用，加深了自己的