数字秒表课程设计.doc

湖南工业大学电气与信息工程学院电信*班 电子技术课程设计报告学 院（部）： 电气与信息工程学院 专 业： 电子信息工程 学 生 姓 名： * 指 导 老 师： 班 级： 学号 2013年12月前 言 数字式秒表是一种常用的计时工具，以其价格低廉、走时准确、使用方便、功能多而广泛用于体育比赛中，下文介绍了如何利用中小规模集成电路和半导体器件进行数字式秒表的设计。本设计中数字秒表的最大计时是99小时59分9/10秒，也就是说分辨率是0.1秒，最后计数结果用数码管显示，需要实现清零、启动计时、暂停计时、继续计时等功能。当计时停止的时候，由开关给出一个清零信号，使得所有显示管全部清零 在本次实验中由六片74LS160构成两个100进制计数器和一个60进制计数器来实现秒表的计数功能。由于需要比较稳定的信号，我们用555定时器与电阻和电容组成的多谐振荡器或石英晶体多谐振荡器产生100HZ的信号，用六个数码管显示计时，最后在电路中加入了两个控制开关一个控制电路的启动和暂停；另一个控制电路的清零。 目 录题目 摘要 关键词 设计要求3第一章 系统概述.4第二章 单元电路与分析.52.1 秒信号发生器.5 2.1.1 选择信号发生器方案.5 2.1.2石英晶体多谐振荡器.7 2.1.3方案对比与选择.9 2.1.4 555构成的多谐振荡器仿真图.92.2消抖电路及其原理.102.3分、秒、毫秒计数器电路设计.102.3.1选择计数器的方案 .102.3.2 74LS160计数器功能的介绍.112.3.3计数器最终连线图.122.4译码器.132.4.1译码器的基本原理.132.4.2 74LS48显示译码器管脚图.132.4.374LS48功能介绍.132.5数码管.152.5.1七段数码管工作原理.152.5.2七段数码管内部结构介绍.162.5.3显示器匹配电路图.17第三章 系统综述.183.1总电路图.18第四章 结束语.194.1课程总结194.2故障分析19参考文献.20元件明细表.20鸣谢.21收获和体.21评语.23数字式秒表摘要： 数字式秒表是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，无机械装置，具有较长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。 数字式秒表从原理上讲是一种典型的数字电路，其中包括了组合逻辑电路和时序电路。本次实验所做数字式秒表由信号发生系统和计时系统构成。由于需要比较稳定的信号，所以信号发生系统555定时器与电阻和电容组成的多谐振荡器构成，信号频率为100HZ。计时系统由计数器、译码器、显示器组成。计数器由74 160构成，由十进制计数器组成了一百进制和六十进制计数器，采用异步进位方式。译码器由7447构成，为4-7译码。显示器由数码管构成。具体过程为：由晶体震荡器产生100HZ脉冲信号，传入计数系统，先进入计数器，然后传入译码器，将4位信号转化为数码管可显示的7位信号，结果以“99时“分”、“秒”、”依次在数码管显示出来。该秒表最大计时值为99时59分59秒9/10，“分”和“99时”为一百进制计数器组成，“秒”为六十进制计数器组成。关键词: 计时 精度 计数器 显示器 设计要求：1 秒表最大计时值为99时59分59秒9/10；2 7位数码管显示，分辨率为0.1秒；3 具有清零、启动计时、暂停及继续计数等控制功能；4 控制操作键不超过二个。第一章 系统概述 所为数字式秒表，所以必须有一个数字显示。按设计要求，须用七段数码管来做显示器。题目要求最大记数值为99，59，59，那则需要六个数码管。要求计数分辨率为0.1秒，那么我们需要相应频率的信号发生器。 选择信号发生器时，有两种方案：一种是用晶体震荡器，另一种方案是采用集成电路555定时器与电阻和电容组成的多谐振荡器。其核心部分使用六个74160计数器采用串联方式构成，这种连接方式简单，使用元器件数量少。由于555定时器的比较器灵敏度较高，输出驱动电流大，功能灵活，再加上电路结构简单，计算比较方便，所以CP脉冲是由555多谐振荡器产生的。 数字式秒表实际上是一个频率（100HZ）进行计数的计数电路。由于数字式秒表计数的需要，故需要在电路上加一个控制电路，该控制电路清零、启动计时、暂停及继续计数等控制功能，同时100HZ的时间信号必须做到准确稳定。通常使用石英晶体振荡器电路构成数字钟。数字电子钟的总体图如图所示。由图可见，数字电子钟由以下几部分组成：555振荡器和分频器组成的秒脉冲发生器；防抖开关；秒表控制开关；一百进制秒、分计数器、六十进制秒计数器；以及秒、分的译码显示部分等串电阻串电阻串电阻 多谐振荡器图1-1 原理流程图第二章 单元电路设计与分析 2.1秒信号发生器2.1.1选择信号发生器方案方案一：用晶体震荡器，由石英晶体构成的矩形波信号发生器石英晶体多谐振荡器图2-1-1石英晶体的电抗频率特性和符号 图2-1-2 石英晶体多谢振荡器如图2-1-1所示，给出了石英晶体的符号和电抗的频率特性，把石英晶体与对称式多谐振荡器中的耦合电容串联起来，就组成了如图2-1-2所示的石英晶体多谐振荡器。由此可见，石英晶体多谐振荡器的振荡频率取决于石英晶体的固有谐振频率f0 ，而与外接电阻，电容无关，如石英晶体固有频率是5MHZ，那么输出的频率也是5MHZ。其实石英晶体的谐振频率由石英晶体的结晶方向和外形尺寸所决定，具有极高的频率稳定性。它的频率稳定度（fo / fo）可达10-1010-11，足以满足大多数数字系统对频率稳定度的要求。在图2-1-2电路中，若取TTL电路7404用作G1和G2两个反相器，Rf=1k， C=0.05F，则其工作效率可达几十兆赫。l 74LS90计数器74LS90为中规模TTL集成计数器，可实现二分频、五分频和十分频等功能，它由一个二进制计数器、一个五进制计数器和一个十进制计数器构成。其引脚排列图1.2(a)和功能表1.2(b)如下所示:R01 R02 R91 R92 Q D QC QB QA 1 1 0 X 1 1 X 0 X X 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 X 0 X 0 0 X 0 X 0 X X 0 X 0 0 X计数图2-1-3 74LS90D的引脚排列图74LS90功能： 通过不同的连接方式，74LS90可以实现四种不同的逻辑功能；而且还可借助R01(2管脚)、R02（6管脚）对计数器清零，借助R91（6管脚）、R92（7管脚）将计数器置9。其具体功详述如下：（1） 计数脉冲从INA输入，QA作为输出端，为二进制计数器（或二分频器）。 （2） 计数脉冲从INB输入，QD作为输出端，为异步五进制加法计数器（或五分频器）。 （3） 若将INB和QA相连，计数脉冲由INA输入，QD作为输出端，则构成十进制加法计数器（或十分频器）。 （4） 清零、置9功能。 a) 异步清零 当R01、R02均为“1”；R91、R92中有“0”时，实现异步清零功能，即QDQCQBQA=0000。 b) 置9功能 当R91、R92均为“1”；R01、R01中有“0”时，实现置9功能，即QDQCQBQA =1001。本设计采用的是74LS90的五分频和十进制计数功能。其中，74LS90(1)74LS90(4)是对5MHz的脉冲信号进行十分频，得到500HZ的频率，再经过74LS90(5)实现五分频，实现输入为100HZ(0.01s)。2.1.2石英晶体多谐振荡器 图2-1-4石英晶体多谐振荡器工作原理： 当信号源工作时，由石英晶体(固有频率为5MHZ)多谐振荡器输出5MHZ的频率。首先，经过四个分频器74LS90四次十分频之后，得到500HZ的频率，最后，再经过74LS90一次五分频，就得到了最终的100HZ的信号源。方案二：用集成电路555定时器与电阻和电容组成的多谐振荡器555定时器的功能555定时器组成及工作原理如下： 图2-1-5 555定时器电路结构图如图2-1-5是555定时器电路结构的简化原理图和引脚标识。由电路原理图可见，该集成电路由下述几部分组成：串联电阻分压电路、电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电三极管T以及缓冲器G组成。（注释：编号555的内涵是因该集成电路的基准电压是由三个5k电阻分压组成）定时器的功能主要取决于比较器，比较器C1和C2的输出控制着RS触发器和放电三极管T的状态，RD为复位端。当RD=0时，输出U0=0,T管饱和导通。此时其他输入端状态对电路清零0状态无影响。正常工作时，应将RD接高电平。 当控制电压输入端5脚悬空时，比较器C1、C2的基准电压分别是2Ucc/3和Ucc/3。如果5脚Uic外接固定电压，则比较器C1、C2的基准电压为Uic和Uic/2。 由图1中可知，若5脚悬空，当Ui62Ucc/3,Ui2Ucc/3时，比较器C1、C2分别输出高电平和低电平，即R=1, S=0, 使基本RS触发器置1，放电三极管截止，输出Uo=1。 当Ui6Ucc/3时，比较器C1和C2输出均为高电平， 即R=1, S=1.。RS触发器维持原状态， 使Uo输出保持不变。 当Ui62Ucc/3，Ui2Ucc/3时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出高电平，即R=0，S=1，基本RS触发器置0，放电三极管T导通，输出Uo=0。当Ui62Ucc/3，Ui22Ucc/3Ucc/30导通1Ucc/3不变不变12Ucc/3m时,称为部分译码。2.4.2 74LS48显示译码器管脚图74LS48是BCD-7段译码器/驱动器，输出高电平有效，专用于驱动LED七段共阴极显示数码管。其管脚功能如图2-4-1所示。 图2-4-1 74LS48管脚图2.4.3 74LS48功能介绍74LS48除了有实现7段显示译码器基本功能的输入（DCBA）和输出（YaYg）端外，74LS48还引入了灯测试输入端（LT）和动态灭零输入端（RBI），以及既有输入功能又有输出功能的消隐输入/动态灭零输出（BI/RBO）端。 其功能表如下表2-4-1表2-4-174ls48引脚功能表七段译码驱动器功能表十进数或功能输入BI/RBO输出备注/TD LTRBID C B A abcdefg0HH0 0 0 0H111111011Hx0 0 0 1H01100002Hx0 0 1 0H11011013Hx0 0 1 1H11110014Hx0 1 0 0H01100115Hx0 1 0 1H10110116Hx0 1 1 0H00111117Hx0 1 1 1H11100008Hx1 0 0 0H11111119Hx1 0 0 1H111001110Hx1 0 1 0H000110111Hx1 0 1 1H001100112Hx1 1 0 0H010001113Hx1 1 0 1H100101114Hx1 1 1 0H000111115Hx1 1 1 1H0000000BIxxx x x xL00000002RBIHL0 0 0 0L00000003LTLxx x x xH11111114由74LS48真值表可获知74LS48所具有的逻辑功能：（1）7段译码功能（LT=1，RBI=1）在灯测试输入端（LT）和动态灭零输入端（RBI）都接无效电平时，输入DCBA经74LS48译码，输出高电平有效的7段字符显示器的驱动信号，显示相应字符。除DCBA = 0000外，RBI也可以接低电平，见表2-4-1中116行。（2）消隐功能（BI=0）此时BI/RBO端作为输入端，该端输入低电平信号时，表2-4-1倒数第3行，无论LT 和RBI输入什么电平信号，不管输入DCBA为什么状态，输出全为“0”，7段显示器熄灭。该功能主要用于多显示器的动态显示。（3）灯测试功能（LT = 0）此时BI/RBO端作为输出端， 端输入低电平信号时，表2-4-1最后一行，以及DCBA输入无关，输出全为“1”，显示器7个字段都点亮。该功能用于7段显示器测试，判别是否有损坏的字段。（4）动态灭零功能（LT=1，RBI=1）此时BI/RBO端也作为输出端，LT 端输入高电平信号，RBI 端输入低电平信号，若此时DCBA = 0000，表2-4-1倒数第2行，输出全为“0”，显示器熄灭，不显示这个零。DCBA0，则对显示无影响。该功能主要用于多个7段显示器同时显示时熄灭高位的零2.5 数码管2.5.1 七段数码管工作原理在这个部分我们用七段数码管（LED）来显示结果， 七段数码管有七个发光段，即a.b.c.d.e.f.g，根据设计要求的需要，我们使用了四个无小数点显示和两个有小数点显示的数码管。它们分别如图2-5-1和2-5-2。 图2-5-1 图2-5-2数码显示与发光段之间的对应关系如下表2-5-1所示。表2-5-1BCD码显示数码发光管BCD码显示数码发光管0000Abcdef0101acdfg0001bc0110cdefg0010Abdeg0111Abc0011Abcdg1000Abcdefg0100bcfg1001Abcfg2.5.2 七段数码管内部结构介绍七段数码管内部由发光二极管构成。在发光二极管两端加上适当的电压时，就会发光。发光二极管有两种接法：即共阴极接法和共阳极接法，如下图2-5-3,2-5-4所示。 图2-5-3 图2-5-42.5.3 显示器匹配电路图本设计采用共阴数码管与74LS48匹配。其连接图如图2-5-5所示图2-5-5本课设显示部分电路图如下图2-5-6：显示部分电路图如下图2-5-6第三章 系统综述、总体电路图3.1 总电路图图3-1总电路图 J1控制数字秒表的启动和停止，J2控制数字秒表的清零复位。开始时把J1J2合上，由555多谐振荡器产生脉冲信号，运行本电路，数字秒表正在计数。J1打开，脉冲不能给上面的计数电路，整个电路暂停计数，闭合J1，电路重新获得脉冲信号，开始计数，当J1开关闭合，把开关J2开关打开，那将给计数电路中的74LS160的清零信号，开始计数，当J1开关闭合，J2开关打开，那将给计数器清零，于是我们就用两个开关实现了整个电路的清零、启动、计时、暂停及继续计数等控制功能；闭合J1.J2，电路处于计数状态，当给计数电路9（1001）个脉冲的时候，继续再给一个脉冲，就会产生进位，这样我们用输出BCD码的最高位来触发下一个计数器，这样给电路第十个脉冲以后，电路计数结果就会成“10”，继续给脉冲，到第99个时候，继续给一个脉冲，我们同样用第二个芯片的最高位来触发下一个芯片，也就是用最高位的下降沿来当做下一个芯片的脉冲。同理，当秒计数需向分计数进位的时候，我们都用最高位的变化来当做下一个芯片的CP信号，这样我们就完成了我们需要的计数。第四章 结束语4.1 课程总结通过一周半的设计，总算是有了一个结果。方案和结果都让我们比较满意，完成了所有的设计要求：1.秒表最大计时值为99时59分59秒9/10；2. 6位数码管显示，分辨率为0.1秒；3.具有清零、启动计时、暂停及继续计数等控制功能；4. 控制操作键不超过二个。在这次课题设计中，我们的整体思路主要是参考了老师的意见，然后进行不断的研究与探索而成的。实现了电路的最简洁，使电路图简单易懂。防抖开关的使用，使我们的电路更加的稳定，这是我们这次设计中一个比较大的亮点。但是，在这次设计过程中，我们也遇到不少的麻烦，经过多次反复的检查和排除，最终实现了部分功能。4.2 故障分析故障1：脉冲发生器（555定时器构成的多谐振荡器）没法实现0.01s的脉冲信号。原因：参数不对。排除方法：利用f=1.43/R1+2R2)C适当的选取定值电阻、电容的大小和可变电阻的最大阻值，其中，外加可调电阻，对其进行左右微调，以提高精度，最大限度的保证输出波形不失真。故障2：数码管不显示原因：l LED数码管接入错误，阴阳极接反，未接入保护电阻。l 起初我们选用译码器7447，但由于软件protuse中此元件不可用，无法正常工作。排除方法：调整数码管的阴阳极接线（按共阴极接线方法接线），接入电阻，将原件7447更换为74LS47。故障3：数码管显示后，分进位显示错误，无法正常进位原因：对原件74LS160的工作原理理解有误，其应在下降沿，进位排除方法：在分秒计数间，即60十进制和100进制之间，加一非门，保证其在下降沿故障4：数码管数字跳动频率不均匀。原因：使能输入信号和清零信号的脉冲方波输入波形出现抖动，排除方法：在机械开关之后，加一个防抖动开关参考文献 1林涛主编，数字电子技术基础，北京：清华大学出版社，20062林涛主编，模拟电子技术基础，重庆：重庆大学出版社，2003 3吴慎山主编，电子线路设计与实践， 北京：电子工业出版社，20054刘福太主编，绿版电子电路498例， 北京：科学出版社，20075姜齐荣，赵东元，陈建业编著，有源电力滤波器结构原理控制 北京：科学出版社，2005元器件明细表表4-1元器件明细表序 号名 称 型号参数数量备注1U1O74LS00D12U2,U1,U8,U7,U5,U674LS160D63J2,J1DIPSW124U27,U26,U25,U24,U21,U2074LS,74LS48065U18,U9SEVEN_SEG_DECIMAL_COM_K_GREEN26U22,U3SEVEN_SEG_DECIMAL_COM_K_ORANGE27U11,U12SEVEN_SEG_DECIMAL_COM_K_BLUE28U1374STD,7404N19J4TD_SW1,0.5sec1sec610U15,U1474STD,7401N211R6,R11RESISTOR 10K212R1,R2RESISTOR 4.7K213R3POTENTIOMETER 1K 1鸣谢本次课程设计历时一周半，在设计过程当中遇到了各类各样从未遇到的困难和挫折，但在其中得到了指导老师楚岩悉心指导，为我指点迷津，拓宽研究思路，精心点拨，循循善诱，热忱鼓励。老师们的淳淳关心我们铭记在心，在此，感谢楚岩老师、邓老师等对我们的帮助，请老师们接受我们发自肺腑的谢意以及一个深深的鞠躬。 其次还要非常感谢同组的同学一直以来对我的帮助，回顾两周经历的兼程，他们让我学会了独立思考，学会了团队协作，学会了举一反三，这两周以来的相濡以沫，我受益匪浅，再次表示感谢。RPACK_VARIABLE_2*7 我还感谢电子与控制工程学院的诸位老师为我们提供了良好的设计条件，让我顺利完成此次课程设计。最后，我们衷心的感谢湖南工业大学对我们的教育和支持。 收获与体会一周半的课程设计已经结束，留给我们组印象最深的是：要设计一个成功的电路，必须要有扎实的知识基础