数电课程设计-数字式秒表.doc

数字秒表1.课程设计任务书设计名称：数字式秒表 设计指导老师：*设计任务和要求: 1.设计任务(1) 进行设计方案的比较，并选定设计方案；(2) 完成单元电路的设计和主要元器件说明；(3) 安装各单元电路，要求布线整齐、美观；(4) 写出课程设计报告文档。2.设计要求(1) 设计并制作符合要求的电子秒表；(2) 秒表由6 位七段led显著器显示，其中两位显示“min”,四位显示 “s”，其中显示分辩率为0.01 s；(3)计时最大值为99 min59.99s；(4)计时误差不得超过0.01s；(5)具有清零、启动计时、暂停计时及继续计时等控制功能；(6) 控制操作按键不得超过2个。3.提高部分3.1 安装自己设计的电路 （1）检查元器件（2）对电路进行组装：按照自己设计的电路，在面包板上插接元器件或在通用板上焊接。焊接完毕后，应对照电路图仔细检查，看是否有错接、漏接、虚焊的现象。 3.2. 通电调式（1）通电测试：对安装完成的电路板的参数及工作状态进行测量，以便提供调整电路的依据。（2）通电调试：经过反复的调整和测量，使电路的性能达到要求。 3.3 书写调试报告课程设计说明书书写格式参照“课程设计说明书书写格式”文件。4.参考资料1、数字电子技术导论西安交通大学 . 何金茂主编2、数字电子技术基础高等教育出版社. 康华光主编2.方案论证2.1.方案的选择通过对设计要求的分析，应用相关的数字电子电路方面的知识画出原理图，检查无误后，将原理图在ewb中仿真，验证通过无误后，可以考虑使用何种方案来实现设计电路。我们可以通过对照原理图在万能板上焊接来实现所设计的电路；也可以在protel中画出原理图并布好线通过做pcb板来实现所设计的电路；还可以通过在面包板上插线来实现设计的电路。由于我们考虑到设计电路图使用的原器件太多（19片芯片），且芯片的引脚太密，给焊接和布线带来了一定的难度，同时由于我们还开始电工实习，对焊接技术了解不多，并且我们模拟电子电路课程采用了万能板焊接的方案，对万能板有一定的了解，故不采用此方案。对于pcb板的方案，我们考虑到后续课程（如单片机）等课程设计均使用到pcb板，所以这次课程设计我们没有采用pcb板的焊接来实现设计电路。为扩大知识面，我们选择的设计方案为通过对面包板插线来实现设计电路。 2.2电路总体功能、结构的分析本电路的目标为设计一个数字式秒表。如图2.1所示，数字式秒表电路系统由主体电路和扩展电路两部分组成。其中主体电路完成计数功能，控制电路完成控制的扩展功能。通过所设计电路将实现具有清零、启动、暂停、继续等控制功能的计时数字式秒表。根据电路所需要达到的要求，可以将电路的总体结构框图描述(如图2.2):图2.2 多功能数字式秒表系统的组成框图设计时各部分所用的器件名称如下：时钟信号：由门电路组成的多谐振荡器。计数器：74ls290锁存器：ct74ls373译码器：ct74ls47显示器：bs2013. 门电路组成的多谐振荡器简介3.1. 集成逻辑门与rc组成多谐振荡器由门电路组成的多谐振荡器虽具有多种电路的形式，但它们无一例外地具有如下的共同的特点。首先，电路中含有开关器件，如门电路、电压比较器、bjt等。这些器件主要用作产生高、低电平；其次，具有反馈网络，将输出电压恰当地反馈给开关器件，使之改变输出状态；另外，还要有延迟环节，利用rc电路的充、放电特性可实现延时，以获得所需要的振荡频率。在许多实用电路中，反馈网络兼有延时的作用。图3.1.1是一种最简型多谐振荡器。图3.1.1由cmos门电路组成的多谐振荡器3.2振荡周期的计算 在振荡过程中，电路状态的转换主要取决于电容的充、放电时间，而转换时刻则取决于的数值。根据以上分析所得电路在状态转换时的几个特征值，可以计算出周期t的值 上式仅适用于、分别为cmos门中nmos、pmos管的导通电阻，c远远大于电路分布电容的情况。当电源电压波动时会使振荡频率不稳定，在时，影响尤为重要。加补偿电阻的cmos多谐振荡器如图3.2.1所示。可减少电源电压变化对振荡频率的影响。当时，取（一般取）。图3.2.1加补偿电阻的cmos多谐振荡器3.3参数的确定 由于电路的周期为0.001s，t=0.001s 即1.4rc=0.001 取 4、芯片简介4.1 74ls29074ls290是一种较为典型的异步十进制计数器。它由1个一位二进制和1个异步五进制计数器组成。如果计数脉冲由clka端输入，输出由qa端引出，即得二进制计数器；如果计数脉冲clkb端输入，输出由qaqd端引出即得五进制计数器；如果将qa与clkb相连，计数脉冲由clka输入，输出由qaqb引出，即得8421码十进制计数器。因此，又称此电路为二五十进制计数器。 74ls290的引脚图、功能表如下图所示。4.1.1 74ls290的引脚图表4.1.1 74ls290的功能表输入输出cpr0（1）r0（2）s9（1）s9（2）qaqbqcqdx110x000011x00000xx111001x0x0计数0x0x0xx0x00x（1）1个下降沿触发的t触发器，形成模2计数器；（2）3个下降沿触发的t触发器，组成的异步模5加法计数器；（3）异步清0只要s9（1）s9（2）=0，r0（1）=r0（2）=1，就可使qaqbqcqd=0000，即异步清0。（4）异步置9只要s9（1）=s9（2），就可实现全且确切，即异步置9。（5）实现模10计数器在s9（1）s9（2）=0，r0（1）r0（2）=0同时满足的情况下，可在cp下降沿作用下实现加法计数。若在cp0端输入脉冲，则q0端是模2计数，若在cp1端输入脉冲，则由q3、q2、q1构成的计数器实现异步模5计数。在s9（1）s9（2）=0，r0（1）r0（2）=0同时满足的情况下，把q0连至cp1，于是，模2计数器的q0由1变0时，可使q3、q2、q1构成模5计数器进行计数，总模数为52=10。（6）实现模6计数器将74290的qa、qb直接和复位端r0（1）、r0（2）相连，计数器的初态为0，当计数脉冲m=6，输出qaqbqcqd=0110时，计数器立即返回0状态，从而实现m=6的计数功能。4.2 ct74ls47锁存器的原理图如下图 图4.2.1锁存器的原理图c是锁存器信号的输入端，d是数据输入端q和qo是数据互补输出端。当c=0时，g2被封锁，输出0，g3被封锁输出1。g5输出q=d，qo=do（d和do是数据互补）。当c由0变1时，分两种情况讨论：一是当c由0变1时，qo=1，q=0，g2被封锁，由于g3两个输入都为1，其输出为0。g4门也被封锁。g2门的输出qo=1。原来的状态不改变。其二是当c由0变1时，qo=0，q=1。g2门的两输入均为1，则输出qo=0，使q=1。d无论是0还是1也不改变原来的状态。综合上述分析，可看出：c=0时，q=d，电路不锁存数据，相当于缓冲器。当c=1时，d不影响电路状态。c由0变1时将数据d锁定并保持。直到c由1变回0。图4.2.2 ct74ls373的引脚图ct74ls373是一种典型的8位锁存器，oc是三态输出控制，低电平有效。即此端加低电平时输入数据能达到输出端，加高电平时8个输出均呈高阻态，c是锁存器的锁存控制输入端。c下降沿锁存数据并低电平保持，高电不锁存，输入数据直达输出端。每个锁存器只有一个同相输出没有互补输出。符号中输出输入端引线上所标带的数字是该端在芯片上的引脚号。表4.2.1 ct74373功能表：输入输出occdqlhhhlhllllxqohxxz表中第1、2行表示在oc为低电平、c为高电平时，q随d变化，第三行表示oc和c都为低电平q保持原状态qo不变。第四行表示oc为高电平时输出q为高组态z。4.3 74ls47图4.3.1 74ls47引脚1脚：二进制置位输入；2脚：使能端；3脚：五进制置位输入；4脚：输出5脚：输出；6脚：使能端；7脚：接地端8脚：输出端；9脚：输出端；10脚：二进制时钟信号；11脚：五进制时钟信号；12脚：二进制复位输入；13脚：五进制复位输入；14脚：接电源表4.3.1 74ls47功能表4.4 显示译码器 现在的许多电器设备上都有显示十进制字符的字符显示器，以直观的显示出电器设备的运行数据。目前广泛使用的字符显示器是七段字符显示器，或称七段数码管。常见的七段数码管有液晶显示数码管和半导体数码管两种。 液晶显示数码管是利用液晶材料的透明度或者显示的颜色受外加电场控制的特点制成的，简称lcd。 半导体数码管是由七段发光二极管（light emitting diode）组成，简称led。图4.4.1是led的引脚及其等效电路。图4.4.1 （a）led的引脚及其等效电路。led产品的种类繁多，有图4.4.1(b)、（c）所示的共阴极电路，还有共阳极电路，常用的数码显示器有bs201，bs202等。要驱动led正常的显示十进制数的十个字符，led前面必须接一个显示译码器。 显示译码器可实现的逻辑功能是：将输入的8421bcd码转化成驱动led发光的高、低电平信号，驱动led显示出不同的十进制数字符，下面来讨论显示译码器的组成。 因显示译码器可以驱动led显示出09这十个数字字符，十个数字字符对应十种高低电平的组合状态，要描述这十种高、低电平的组合状态必须用4位二进制数，根据led发光的特点可得描述显示译码器逻辑功能的真值表如表4.4.1所示。 表4.4.1 显示译码器逻辑功能真值表4.5 四2输入与非门74ls00图4.5.1 74ls00引脚图上图中1、2、3组成一个与非门，其中1、2是输入，3为输出。4、5、6组成一个与非门，其中4、5是输入，6为输出。8、9、10组成一个与非门，其中9、10是输入，8为输出。11、12、13组成一个与非门，其中12、13是输入，11为输出。4.6 六反相器74ls044.6.1 74ls04引脚图 74ls04内部含有6个反相器，引脚图中a为输入，y为输出。其功能表如下：表4.6.1 74ls04的功能表输入输出ay10015.设计原理5.1数字式秒表实现简单的计时与显示按下启动键a开始计时，再按下，清零。按下锁存键space，锁存数据，并继续计数。 具有“分”（0099）“秒”（0059）“微秒”（0099）数字显示，分辨率为0.01秒。5.2系统框图如下 图5.2.1 100进制计数器由表4.4.1可知当开关a接地时即s9（1）s9（2）=0，r0（1）r0（2）=0同时满足所有计数器处于计数状态，开始计数。每个74290的时钟输入端clkb端与qa端相连组成十进制计数器，clka时钟信号接前一个74290的qd输出端组成异步十进制计数器。两个十进制的计数器相连接组成100进制计数器。同理可得出0.99秒的计数器。qaqd的输出分别接到锁存器74373的输入端。当开关space接低电平时，锁存器锁存数据，同时锁存器将数据输出到7447译码器的输入端。在秒表电路中，译码器的输入信号就是锁存器的输出信号（即计数器的输出信号），译码器的输出端接主数码管，计数器输出的四位bcd码给译码器后，变成某个十进制数对应的控制电平，主驱动数码管发光，。 7447的输出为一组七位二进制代码，输出高电平有效，正好与共阴极七段数码显示管bs201联结，这就是组成了计数译码显示电路由表4.3.1可看出，7447的输出为一组七位二进制代码，输出高电平有效，正好与共阴极七段数码显示管bs201联结，这就是组成了计数译码显示电路。显示译码器将输入的4位二进制数码qa、qb、qc、qd转换成不同高、低电平的组合状态输出，驱动七段数码管bs201显示09这十个数字中的任一个。如图5.2.2所示。由表4.4.1可知当开关a接vcc时强制清0，所有计数器全部清0。重新开始计数图5.2.2七段数字显示器发光段组图5.2.3 60进制计数器如上图所示，当开关a接地时即s9（1）s9（2）=0，r0（1）r0（2）=0同时满足所有计数器处于计数状态，开始计数。如图5.2.3所示开始计数时，低位74290的r0（1）、r0通过与非门输出为1，计数器的初态为0，当计数脉冲m=6，输出qaqbqcqd=0110时，高位74290的qc、qb通过与非门输出为0。“0”和“1”再通过与非门输出为1。由表4.4.1可知当“0”和“1”通过与非门输出为1时，所有计数器全部清0。重新开始计数。当开关a接vcc时强制清0，所有计数器全部清0。重新开始计数。锁存、译码和显示过程与上述100进制的计数器一样。在此不再獒述6.安装工艺6.1 安装工具 剥线钳 1个, 尖嘴钳 1个, 螺丝刀 2个, 电工刀 1个, 数字万用表 1个， 镊子 1个。6.2. 安装具体步骤 首先要弄清面包板的结构原理，分清各插空是否是等位点； 其次合理安排集成块和元器件的位置，尽可能的保持在同一条直线上。 注意导线的剖削，剖削导线绝缘层，要求剖削后的芯线长度必须适应连接需要，不应过长或过短，且不应损伤芯线。为了美观剖削导线时不用火烧，用剥线钳或电工刀剖削。具体操作方法如下：按连接所需要长度，用钳头刀口轻切绝缘层，用左手捏紧导线，右手适当用力，即可使端部的绝缘层脱离芯线，用电工刀时，刀口对导线成45度角切入塑料绝缘层。 导线的布置，布线要注意整齐不交叉，集成块相邻管脚之间尽量不布线，相对的引脚之间布线不超过四根。要求导线竖要直、横要平，尽量减少飞线的存在。这样便于调整与测试工作的顺利进行。布线具体方法步骤如下：为了最大可能避免错误的出现，应按元件的排列顺序依次布线，同一元件按管脚顺序依次布线。6.3. 安装注意事项(1) 安装应接触良好,保证被安装元件间能稳定可靠地通过一定的电流。(2) 应避免元器件损坏的发生。插拔元器件时候要垂直插拔以免造成不必要的机械损坏。(3) 安装时必须采用绝缘良好的绝缘导线,连线的时候要取好元件与元件的距离。连接的时候线与线之间的交叉尽量的少。7.调试与测试7.1调试前的检测电子安装完毕，通常不宜急于通电，先要认真检查一下。检查内容包括：（1）连线是否正确检测的方法通常有两种方法：a. 根据电路图连线，按元件的排列顺序依次检查这种方法的特点是，按一定顺序一一检查安装好的线路，同一元件按管脚顺序依次检察。由此，可比效容易查出错线和少线。b.按照实际线路来对照原理图电路进行查线这是一种以元件为中心进行查线的方法。把每个元件引脚的连线一次查清，检查每个去处在电路图上是否存在，这种方法不但可以查出错线和少线，还容易查出多线。为了防止出错，对于已查过的线通常应在电路图上做出标记，最好用指针式万用表“欧姆1”档，或用数字万用表的“二极管”档的蜂鸣器来测量元器件引脚，这样可以同时发现接触不良的地方。（2）元器件的安装情况检查元器件引脚之间有无短路；连接处有无接触不良；二极管的极性和集成元件的引脚是否连接有误。（3）电源供电，信号源连接是否正确。（4）电源端对地是否有短路的现象。注：在通电前，断开一根电源线，用万用表检查电源端对地是否存在短路。若电路经过上述检查，并确认无误后，就可以转入调试。7.2通电观察把经过准确测量的电源接入电路。观察有无异常现象，包括有无冒烟，是否有异味， 手摸器件是否发烫，电源是否有短路现象等。如果出现异常，应立即断电源，待排除故障后才能再通电。然后测量各路总电源电压和各器件的引脚的电源电压，以保证元器件正常工作。7.3调试中注意事项调试结果是否正确，很大程度受测量正确与否和测量精度的影响。为了保证调试的效果，必须减小测量误差，提高测量精度。为此，需注意以下几点：(1) 调试前先熟悉各种仪器的使用方法,并仔细加以检查,以避免由于使用仪器不当,或仪器的性能达不到要求,而遭成测量结果不准,以至做出错误的判断。(2) 测量仪器的地线应于被测量仪器的地线连在一起,并形成系统的参考地电位,这样才能保证测量结果的准确性。(3) 要正确选择测量点和测量方法。(4) 调试过程中自始至终要有严谨的科学作风,决不可急于求成。在调试过程中,不但要认真观察测量,还要记录并善于进行分析、判断。切不可一遇问题,就没有目的的乱调、乱测和乱改接线,甚至把电路拆掉重新安装。这样,不但不能解决问题,相反还会发生更大的故障,甚至损坏元器件及测量仪器。7.4 故障的排除 新电路板出现故障是常见的,每个学生都必须认真对待。查找故障时,首先要有耐心,还要细心,切忌马马虎虎,同时还要开动脑筋, 认真进行分析、判断。当电路工作时,首先应关掉电源,再检查电路是否有接错、掉线、断线,有没有接触不良、元器件损坏、元件插错、元器件引脚接错等。查找时可借助万用表进行。对于一个完整的系统电路,迅速而准确的排除故障,需要一定的实际工作经验,对于初学者来说,首先应认真分析电路图,并善于将全电路分解成几个功能块,明确各部分信号传递关系及工作原理。然后根据故障现象及有关测试数据,分析和初步确定故障可能出现的部位,再按上述步骤仔细检查这一部分电路,就可能比较快地找到故障点及故障原因。8. 元器件清单(1) ct74ls290异步十进制计数器（7片）；(2) ct74ls00六反相器（1片）；(3) ct74ls3738位锁存器（3片）；(4) ct74ls47bcd七段译码器/驱动器（6片）；(5) ct74ls04四2输入的正与非门（1片）；(6) bs201-共阳数码显示管（6片）；(7) 电阻2个,电阻7001个, 电阻71个；(8) 开关2个，电源vcc +5v一个；(9) 导线若干。9.心得体会通过几个星期的努力，最终把这次课程设计的任务完成了。这是我们进行的第二个课程设计，让我懂得了很多以前不知道的知识，如面包板的内部结构、相关芯片的引脚特点等等。在设计中，遇到了很多问题，甚至有一些是以前没有见到的。经过同学的帮助和老师的指导，最终克服了那些难题，锻炼了我们的实践动手能力，使我们真正做到了理论与实践的有效结合。制作电路时，深深体会到连接电路时一定要细仔细，一定要确保每条线路接触性良好。为保证接出的电路不出现错误，在接线时不能只看着电路原理图去接，应该先把电路图中的每个元件的原理和用途搞