毕业论文范文——数字式秒表

目录第一章系统概述-11.1系统设计思路与总体方案-11.2总体工作过程-21.3各功能块的划分和组成-21.4芯片简介-2第二章单元电路的设计和总体分析-92.1毫秒信号的发生电路-92.2分、秒、毫秒计数电路-102.3组合设计-12第三章总体电路的设计与安装-153.1 PCB电路板的制作-153.1安装调试的步骤-163.2遇到的主要的问题及注意事项-17第四章总结-18附录1元器件明细表-19附录2总原理接线图-19参考文献-20第一章 系统概述1.1系统设计思路与总体方案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，且芯片的引脚太密，给焊接和布线带来了一定的难度，同时由于我们还没开始电工实习，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）等课程设计均要使用到PCB板，所以这次课程设计我们采用PCB板的焊接来实现设计电路。（1）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，一个最简单的数字秒表由毫秒信号发生电路，分、秒、毫秒计数电路，译码显示电路组成。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1.1):图1.1 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NE555P组成的多谐振荡器。计数器：74LS290锁存器：CT74LS373译码器：CT74LS48显示器：BS2021.2总体工作过程一、时间的计数和显示的实现首先由毫秒信号产生电路生产毫秒信号，将此信号接到毫秒计数器的信号输入端。接着，在这个毫秒信号的驱动下，毫秒计数器向秒计数器进位，秒计数器向分计数器进位，最后通过译码器将计数器中的状态以时间的形式显示出来，这样就实现了时间的计数和显示功能。1.3各功能块的划分和组成一、毫秒信号产生电路NE555定时器是一种电路结构简单、使用方便灵活、用途广泛的多功能电路。利用闭合回路的反馈作用可以产生自激振荡。TTL电路延迟时间短，难以控制频率。电路接入RC回路有助于获得较低的振荡频率，由于门电路的作用时间极短，TTL电路自有几十纳秒，所以想获得稍低一些的振荡频率式很困难的，而且频率不易调节。在电路中接入RC电路可以有助于获得较低的振荡频率，而且通过改变R，C的数值可以很容易实现对频率的调节。二、分、秒、毫秒计数电路及译码、显示电路这部分电路包括6个BCD七段码计数器，其中两组接成100进制，剩下一组接成60进制，及相应的译码显示器。之所以要用BCD七段码计数器，是因为分、秒、毫秒都是要用两位十进制数表示的，因而分、秒、毫秒的个位和十位所对应的计数器状态输出都应该是BCD码。又因为秒的显示方式是60进制的，故3个计数器分别要接成100、60、100进制的。1.4芯片简介（一） 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：图1.2 74LS290的引脚图输入输出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。表1.1 74LS290的功能表（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。 （二）CT74LS373锁存器的原理图如下图 图1.3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1.4 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。表1.2 CT74LS373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。(三)74LS48图1.5 74LS48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1.3 74LS48功能表:（四） 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。 半导体数码管是由七段发光二极管（Light Emitting Diode）组成，简称LED。图1.6是LED的引脚及其等效电路。图1.6（a）LED的引脚及其等效电路。LED产品的种类繁多，有图1.6(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。图1.7七段数字显示器发光段组要驱动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1.4所示。 表1.4显示译码器逻辑功能真值表:第二章 单元电路的设计和总体分析2.1 毫秒信号的发生电路由第一章知道，毫秒信号发生电路由NE555组成的多谐振荡器。需要的芯片有NE555P，还有电阻、电容。下面来讨论这些器件是怎样产生秒信号的。下图为其电路图： 图2.1用555定时器设计的多谐振荡器 振荡电路是数字秒表的核心部分，电容充放电的速度决定了电路的振荡频率R1 .R2 .C决定了多谐振荡器的周期，即决定了形成的方波的频率利用闭合回路中的负反馈作用可以产生自激振荡，利用闭合回路中的延迟负反馈作用也能产生自激振荡，只要负反馈作用足够强。为了得到频率更加准确的频率信号，加入了电容和电阻，其中电容为0.01微法，电阻为480K欧姆。(一)振荡周期的计算1. 确定R1、R2、C的值；占空比： 1. 按所设计的电路连线，测试2. 根据公式： HZ (二)参数的确定 由于电路的周期为0.01s，T=0.01s即频率f=100HZ由上述公式可得结果： 由式得： 由式得：则R1=R2=480K2.2分、秒、毫秒计数电路显然，这部分电路可分成三小块组成，分别为毫秒部分、秒部分和分部分，在将这三部分进行一定的连接就可得到完整的分、秒、毫秒计数电路。一、毫秒部分该部分的实质是一个100进制的计数器，它的CP脉冲是前面生成的毫秒信号，它的清零信号可以作为向秒进位的进位信号。它需要的元件有74LS290。由上面1.4节可知74LS290是由一个二进制和一个五进制计数器两个独立部分组成的，两部分级联便成了进制计数，用两个74290即组合成下面的100进制图： 图2.2用74290组成的100进制计数器二、秒部分为了实现60进制，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。另R0（1）与R0（2）时接一个二极管便于60进制清零。下面是电路连接图： 图2.3用74290组成的秒60进制计数器 三、分部分这部分电路与毫秒部分电路很相似，只是它的输入的CP是秒部分电路产生的进位信号，它的清零信号作为向时进位时的进位信号。需要元件和电路图也一样，如下： 图2.4用74290组成的分100进制计数器2.3组合设计（一）数字式秒表实现简单的计时与显示按下启动键B开始计时，再按下，清零。按下锁存键A，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。（二）系统框架图 图2.5100进制计数器组合电路由表1.1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7448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，。 7448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BS202联结，这就是组成了计数译码显示电路可看出，7448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BS202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BS202显示09这十个数字中的任一个。如图2.6由表1.4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2.6 60进制计数器组合电路如上图所示，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。锁存、译码和显示过程与上述100进制的计数器一样。第三章 总体电路的设计与安装3.1 PCB电路板的制作（一）PCB制作的操作说明图3.1 PCB生成流程图开始引入网络表生成网络表PCB系统设置修改封装与布局设置PCB规则存盘打印结束自动布线设计与绘制原理图手工调整布线 （二）据设计要求设计电路原理图,并完成原理图的绘制。对于简单的原理图也可以进行直接的PCB板绘制。a. 据原理图生成网络表，这部分PROTEL99是自动进行的，只需要用户单击“create Netlist”即可；b. 网络表有也是原理图与印制电路板的接口；c. 规划电路板的结构，即确定电路板的框架，设置系统参数；d. 引入第二步生成的网络表和零件封装，让原理图与印制电路板连接起来；e. 引入网络表后系统将根据规则对零件自动布局进行飞线；f. 修改封装与布局，这是自动布线的前提；g. Protel 99 SE自动布线比较完善，它采用最先进的无网络技术，基于形状的对角线自动布线技术；h. 自动布线后，如果有不满的地方，我们可以进行手工调整；i. 存盘并打印； (三)电路板图设计的基本原则要求().印刷电路板的设计，从确定板的尺寸大小开始，印刷电路板的尺寸因受机箱外壳大小限制，以能恰好安放入外壳内为宜，其次，应考虑印刷电路板与外接元器件（主要是电位器、插口或另外印刷电路板）的连接方式。印刷电路板与外接元件一般是通过塑料导线或金属隔离线进行连接。但有时也设计成插座形式。即：在设备内安装一个插入式印刷电路板要留出充当插口的接触位置。对于安装在印刷电路板上的较大的元件，要加金属附件固定，以提高耐振、耐冲击性能。 ().布线图设计的基本方法首先需要对所选用元件器及各种插座的规格、尺寸、面积等有完全的了解；对各部件的位置安排作合理的、仔细的考虑，主要是从电磁场兼容性、抗干扰的角度，走线短，交叉少，电源，地的路径及去耦等方面考虑。各部件位置定出后，就是各部件的连线，按照电路图连接有关引脚，完成的方法有多种，印刷线路图的设计有计算机辅助设计与手工设计方法两种。最原始的是手工排列布图。这比较费事，往往要反复几次，才能最后完成，这在没有其它绘图设备时也可以，这种手工排列布图方法对刚学习印刷板图设计者来说也是很有帮助的。计算机辅助制图，现在有多种绘图软件，功能各异，但总的说来，绘制、修改比较方便，并且可以存盘贮存和打印。接着，确定印刷电路板所需的尺寸，并按原理图，将各个元器件位置初步确定下来，然后经过不断调整使布局更加合理，印刷电路板中各元件之间的接线安排方式如下： a.印刷电路中不允许有交叉电路，对于可能交叉的线条，可以用“钻”、“绕”两种办法解决。即，让某引线从别的电阻、电容、三极管脚下的空隙处“钻”过去，或从可能交叉的某条引线的一端“绕”过去，在特殊情况下如何电路很复杂，为简化设计也允许用导线跨接，解决交叉电路问题。 b.电阻、二极管、管状电容器等元件有“立式”，“卧式”两种安装方式。立式指的是元件体垂直于电路板安装、焊接，其优点是节省空间，卧式指的是元件体平行并紧贴于电路板安装，焊接，其优点是元件安装的机械强度较好。这两种不同的安装元件，印刷电路板上的元件孔距是不一样的。 c.同一级电路的接地点应尽量靠近，并且本级电路的电源滤波电容也应接在该级接地点上。特别是本级晶体管基极、发射极的接地点不能离得太远，否则因两个接地点间的铜箔太长会引起干扰与自激，采用这样“一点接地法”的电路，工作较稳定，不易自激。 d.总地线必须严格按高频中频低频一级级地按弱电到强电的顺序排列原则，切不可随便乱接，级与级间宁肯可接线长点，也要遵守这一规定。特别是变频头、再生头、调频头的接地线安排要求更为严格，如有不当就会产生自激以致无法工作。调频头等高频电路常采用大面积包围式地线，以保证有良好的屏蔽效果。 e.强电流引线（公共地线，功放电源引线等）应尽可能宽些，以降低布线电阻及其电压降，可减小寄生耦合而产生的自激。(四) 印刷板图设计中应注意的几点().布线方向：从焊接面看，元件的排列方位尽可能保持与原理图相一致，布线方向最好与电路图走线方向相一致，因生产过程中通常需要在焊接面进行各种参数的检测，故这样做便于生产中的检查，调试及检修（注：指在满足电路性能及整机安装与面板布局要求的前提下）。().各元件排列，分布要合理和均匀，力求整齐，美观，结构严谨的工艺要求。().电阻，二极管的放置方式：分为平放与竖放两种：a.平放：当电路元件数量不多，而且电路板尺寸较大的情况下，一般是采用平放较好； b.竖放：当电路元件数较多，而且电路板尺寸不大的情况下，一般是采用竖放；(4). 进出接线端布置a.相关联的两引线端的距离不要太大，一般为23/10英寸左右较合 适。 b.进出线端尽可能集中在1至2个侧面，不要太过离散。(5).设计布线图时要注意管脚排列顺序，元件脚间距要合理。其总电路图如下： 图3. 2数字式秒表的总原理电路图生成的PCB印制电路图： 图3. 3PCB印制板电路图3.2安装调试的步骤（一）安装与检测电路元件安装完毕，通常不宜急于通电，先要认真检查一下。检查内容包括：首先布置芯片在PCB板上的位置并对各个芯片进行功能检测以确定是好的。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。由于总电路的各个组成电路之间是相互独立的。接着是焊接线并调试，因为各个电路的独立性，可以对各个单位电路进行单独的安装和调试，可以降低调试的难度。具体做法是：接秒电路部分的60进制、接毫秒分电路部分为100进制同时接上相应的译码和显示电路，并进行测试，测试方法为给各部分电路一个手动的CP，通过观察显示管的视数来确定电路是否正确，若不正确，就对电路进行检查接线，直到正确为止。当所有的焊接线都完成后，实验所有的功能，看是否符合要求。方法是：将时间调到0看数码管是否显示，是否可以清零，继续等。最后还要为焊接线进行完善，尽量减少虚接的线。达到工艺上的要求。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。（二）通电与调试把经过测量的电源接入制作的电路。观察其有无异常现象（有无冒烟、异味），手摸器件是否发烫，电源有无短路现象等。若出现异常，应马上断电，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，以保证元器件能正常运作。3.3遇到的主要的问题及注意事项（一）主要问题在接好某部分电路后，不能显示正确的结果。产生的原因有电路的接线存在问题，芯片存在问题，解决的步骤是：对着电路图检查接线，确认无误后，再进行测试，若还不正确就是芯片的问题，因此只要换上完好的芯片即可。通过这个步骤条理清晰，可以很容易的改正电路。限于电路比较复杂，不可避免的存在一些跨线，开机时数码管显示的是乱码。（二）注意事项安装应接触良好,焊接应不能有虚焊，线路之间不能交叉，并能保证被安装元件间能稳定地通过一定的电流；应尽量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；安装时必须先清理干净PCB板,焊接线的时候要取好元件焊点与焊点的距离。焊接的时候点与点之间的重合应尽量地避免。第四章 总结本次课程设计基本达到了预期的目的，做的成品基本在功能上达到了设计的要求，而且在工艺上也尽可能的做到美观，经济。当然，还是有些地方可以改进的。可以用74LS160来替代74290，这样通过对74LS160的DDDD端口，不仅可以避免开机时显示乱码的情况，而且可以设置开机时的显示时间。就可以达到更高的工艺要求。还有可用CD4511替代CT74LS373和74LS48，因CD4511是将锁存、译码、驱动三种功能集于一身的“三合一”电路。锁存器的作用是避免在计数过程中出现跳数现象，便于观察和记录。同时制作中遇到了一些问题，虽然尽大家的能力解决了一些，但还是存在一些缺陷，望老师及读者谅解。通过这次课程设