《能力拓展训练》课程设计说明书-简单数字秒表设计.doc

武汉理工大学能力拓展训练设计说明书目 录摘要11.设计要求22.方案比较与选择23. 设计方案33.1系统框图33.2控制电路33.3 0.01秒脉冲发生电路43.4复位电路63.5译码显示电路63.5.1计数器73.5.2 译码器83.5.3七段数码管（led）94. 电路工作原理10小结12参考文献13附录 元件清单14本科生课程设计成绩评定表15简单秒表设计摘要 如今，信息正是一个高度发展的产业，而数字技术是信息的基础，数字技术是目前发展最快的技术领域之一，数字技术在数字集成电路集成度越来越高的情况下，开发数字系统的使用方法和用来实现这些方法的工具已经发生了变化，但大规模集成电路中的基本模块结构仍然需要基本单元电源电路的有关概念，因此用基本逻辑电路来组成大规模或中规模地方法仍然需要我们掌握。二进制数及二进制代码是数字系统中信息的主要表示形式，与，或，非三种基本逻辑运算是逻辑代数的基础，相应的逻辑门成为数字电路中最基本的元件。数字电路的输入，输出信号为离散数字信号，电路中电子元器件工作在开关状态。除此之外，由与，或，非门构成的组合逻辑功能器件编码器，译码器，数字分配器，数字选择器，加法器，比较器以及触发器是常用的器件。与模拟技术相比，数字技术具有很多优点，这也是数字技术取代模拟技术被广泛使用的原因。1.设计要求试用定时器/计数器或者单片机设计一个简单的秒表，能显示计时状态和结果。要求： 1.秒表最大计时值为99分59.99秒； 2.6位数码管显示，分辨率为0.01秒； 3.具有清零，启动计时，暂停及继续计数等控制功能；2.方案比较与选择 数字式秒表，就需要显示数字。根据设计要求，要用数码管来做显示器。题目要求最大记数值为99分59.99秒，则需要一个8段数码管作为秒位（有小数点）和五个7段数码管作为分秒位。要求计数分辨率为0.0 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：一种是用晶体振荡器，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。石英晶振荡器精度很高，一般都需要多级分频。 秒表核心部分计数器，此次选择74ls160计数器。它具有同步置数和异步清零功能。主要是利用它可以十分频的功能。 计数脉冲是由555定时器构成的多谐振荡器，产生100赫兹脉冲。如果精度要求高，也可采用石英振荡器。 在选择译码器的时候，有多种选择，如74ls47，74ls48等4-7线译码器。如果选择7447，则用来驱动共阳极数码管；如果选择7448，则用来驱动共阴极数码管。在选择数码显示管时，可以利用六个数码管；也可以借鉴简易数字频率计中的四位数码管来显示后四位，再用两个数码管显示分钟的两位。本次设计中选择前一种方法。3. 设计方案3.1系统框图在设计一个数字系统时，首先应根据要求，设计出总框图，然后按框图设计具体电路，这样可避免在设计过程中产生错误。按照设计原理，数字式秒表的电路总框图如图1所示。它主要由控制电路，脉冲发生器，与非门，译码显示，复位电路等部分组成。控制电路与非门计数译码显示0.01秒脉冲发生器复位电路 图1 系统框图3.2控制电路 控制电路是由一个基本r-s触发器，机械开关，电阻以及5伏电源组成。主要实现秒表的停止和开始计数功能。开始，停止功能可以只用一个机械开关实现，之所以用此电路代替机械开关，是因为利用此电路的锁存功能，防止开关k在打开和闭合时一些假信号串入逻辑电路，影响秒表正确计数显示。电路组成如图2所示。 图2 控制电路3.3 0.01秒脉冲发生电路 图3 555组成的占空比可调的多谐振荡器555组成的多谐振荡器可以用作各种时钟脉冲发生器，图3为脉冲频率可调的矩形脉冲发生器，调节rp可得到任意频率的脉冲信号，由于电容c充放电回路的时间常数不等，所以输出波形为矩形脉冲，矩形脉冲的占空比随频率变化而变化。工作波形如图4所示。 图4 工作波形 图5 仿真0.01秒脉冲发生电路 该电路是由555定时器以及外围的电阻，电容组成的。 其中从555定时器构成的多谐振荡器out引脚出来的频率是100赫兹。 555定时器的参数：t=0.01s，f=100hz=1/0.695(r1+ 2r2)c 在图中r3+rp=r1，r5=r2经过计算并实际调整，方案为r3=130千欧，r5=5.1千欧，rp=10千欧，c=100微法。在实践中，如果用示波器观察到频率不正确，可调整rp来改变频率，减小误差。3.4复位电路 图6 复位电路该复位电路由机械开关，电阻，以及电源组成。输出线1接在74160的复位端。当需要复位时，合上开关，从输出线1即可输出复位信号（即清零信号），复位电路的基本功能是：提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防开关分-合过程中引起的抖动而影响复位。另外复位电路主要完成清零功能。3.5译码显示电路 译码电路如图7所示，图中从下往上依次是6个计数器74ls1600，4线-7线译码器/驱动器74ls47，共阳数码管。图7 显示电路3.5.1计数器 74ls160的管脚图及功能表如下所示rd ld et ep cp d3 d2 d1 d0 q3 q2 q1 q0 0 0 0 0 0 1 0 d c b a d c b a 1 1 0 保 持 1 1 0 保 持 1 1 1 1 计 数74ls160功能表1234 56789101112131474ls160rdcpd1gndepvccd01516d2d3ldetq3q2q1q0co： 图8 74ls160的管脚图及功能表 74ls160为异步清零计数器，即端输入低电平，不受cp控制，输出端立即全部为“0”，功能表第一行。74ls160具有同步预置功能，在端无效时，端输入低电平，在时钟共同作用下，cp上跳后计数器状态等于预置输入dcba，即所谓“同步”预置功能（第二行）。和都无效，et或ep任意一个为低电平，计数器处于保持功能，即输出状态不变。只有四个控制输入都为高电平，计数器（161）实现模10加法计数，q3 q2 q1 q0=1001时，rco=1。3.5.2 译码器 译码器电路是将数码转换为一定的控制信号。在此由7447集成元件构成，它能将一个二进制数码转换为输出端的电平信号以控制显示器。下图为7447的管脚图：图9 7447管脚图 lt,rbi接逻辑开关，d,c,b,a接8421码拨开开关，a，b，c，d，e，f，g七段分别接显示器对应的各段。地线，电源线接好后，若线路无误后，接通电源就开始实验论证：（1）lt=0,其余状态为任意态，这时let数码管全亮。（2）再用一根导先把0电平接到bi/rbo端，这时数码管全灭，不显示，这说明译码器显示是好的。（3）断开bi/rbo与0电平相连的导线，使bi/rbo悬空。且使lt=1，这时按动8421码拨码开关，输入d,c,b,a四位8421码二进制数，显示器就显示相应的十进制数。（4）在（3）步骤后，仍使lt=1,bi/rbo接led发光二极管，此时若rbi=1按动拨码开关，显示器正常显示工作。若rbi=0,按动拨码开关8421码输出为0000时，显示器全灭，这时bi/rbo端输出为低电平即led发光二极管全灭这就是“灭零”功能。3.5.3七段数码管（led）7段数码管又分共阴和共阳两种显示方式。如果把7段数码管的每一段都等效成发光二极管的正负两个极，那共阴就是把abcdefg这7个发光二极管的负极连接在一起并接地；它们的7个正极接到7段译码驱动电路74ls48的相对应的驱动端上。此时若显示数字1，那么译码驱动电路输出段bc为高电平，其他段扫描输出端为低电平，以此类推。如果7段数码管是共阳显示电路，那就需要选用74ls47译码驱动集成电路。共阳就是把abcdefg的7个发光二极管的正极连接在一起并接到5v电源上，其余的7个负极接到74ls47相应的abcdefg输出端上。无论共阴共阳7段显示电路，都需要加限流电阻，否则通电后就把7段译码管烧坏了。限流电阻的选取是：5v电源电压减去发光二极管的工作电压除上10ma到15ma得数即为限流电阻的值。发光二极管的工作电压一般在1.8v-2.2v，为计算方便，通常选2v即可。发光二极管的工作电流选取在10-20ma，电流选小了，7段数码管不太亮，选大了工作时间长了发光管易烧坏。对于大功率7段数码管可根据实际情况来选取限流电阻及电阻的瓦数。下图是八段数码管（led）的示意图，图中引脚6为vcc的为共阳数码管，引脚6为gnd的为共阴数码管。图10 数码管本设计采用阳数码管与74ls47匹配。4. 电路工作原理该设计电路的总电路图为：图11 总电路图 各部分工作原理如下： 控制电路：它是由两个74ls00集成与非门元件构成的基本r-s触发器，接在机械开关k的后面，防止开关k在打开和闭合时一些假信号窜入逻辑电路。用来控制秒表的开始，暂停。 复位电路：作为清零复位用。它是由电源，开关和一个电阻组成的电路。 0.1秒脉冲发生器电路：它由555集成定时器元件和外围的电阻和电容等元件构成的多谐振荡器。调节滑动电阻的数值，可以改变脉冲发生器的输出频率。 计数器电路：从进位制来分，有二进制计数器，十进制计数器等多种形式。在此采用的74ls160十位二进制计数器，即8421编码方式。 译码器电路：是将数码转换为一定的控制信号。在此由74ls47集成元件构成，它能将十个二进制数码转换为输出端上的电平信号以控制显示器。显示器电路：有辉光数码管和荧光数码管等多种显示电路。此次设计中采用的是共阳极七段led显示器。电路工作原理： 在仿真软件上接通电源 1.合上复位电路的开关，是电路在工作之前先清零。电子秒表处于复位状态。 2.当第一次按动开关k，产生第一个单脉冲作为基本rs触发器的时钟，使三状态控制电路的输出端q1产生高电平，经与非门后，使0.01秒脉冲进入计数器计数，并译码、显示出来。 3.当第二次按动开关k，产生第二个单脉冲使三状态控制电路输出端q1输出低电平q2输出高电平，关闭与非门，使计数停止。 4.当需要复位清零时，按动复位电路的开关k。电路即处于复位状态。 5.再按动控制电路开关k时，电子秒表又进入计数状态。小结能力拓展训练已经结束，虽然很辛苦，但给我带来了从未有过的体验与喜悦。在设计实践的过程中，我深深的体会到必须要有扎实的知识基础，要熟练地掌握课本上的知识，这样才能对试验中出现的问题进行分析解决。在设计电路中,完成电路图只是完成了设计的一小部分，更加困难的是对电路的验证和纠错，在这过程中我接触到了很多未接触过的检查方法和思想。在电路的仿真过程中出错的主要原因都主要是接线的错误所引起的。接线的时候一定要细心，不要接错，同时也要学会如何判别芯片的功能，要是芯片不具备要求的功能，或者，不匹配，即使接线再正确也出不来结果。对自己的设计要仔细考虑，是否可行，尤其是进位输出，着重看看进位的cp脉冲是否正确等。总体来说，通过这次暑期强化训练的学习，我越发感觉电子设计不是死板的东西，是有很大科学性与艺术性的。不同芯片的使用，不同的接线方法，不同的变量，不同的实现思路，经过组合后几乎可以称之为艺术。这次课程设计使我对各种电路都有了大概的了解，也学会了常用proteus软件的使用，在平时的理论学习中遇到的问题都一一解决，加深了我对专业的了解，培养了我对学习的兴趣，为以后的学习打下了好的开端，我受益匪浅。同时，让我明白：电子设计容不得纸上谈兵，只有自己动手实际操作才会有深刻理解，才会有收获，所谓“千里之行，始于足下”，这次课程设计最大的意义在于让我们迈出了通往工程师的第一步。再次感谢指导老师的指导和帮助过我的同学们。 参考文献1 伍时和 数字电子技术基础 清华大学出版社 20092 杨素行 模拟电子技术基础简明教程 高等教育出版社20063 邱关源 电路第四版m 高等教育出版社 19994 贾达 数字电子技术基础 北京化学工业出版社 20015 张先永 电子技术基础 长沙国防科技大学出版社 2002附录 元件清单1机械开关spdt2个实现始，暂停与清零2555定时器555 timer-rated1个实现多谐振荡3电阻130k5.1k114滑动变阻器10k15电容100微法0.01微法116十进制加法计数器74ls1606用于分频74-7线译码器74476译码8与非门74ls003实现与非功能9led数码管seven-seg-com-aseven-seg-decimal-com-a51显示本科生课程设计成绩评定表姓 名 蒋勇进性 别 男专业、班级 电气工程及其自动化0801班课程设计题目： 简单秒表设计课程设计答辩或质疑记录：1. 脉冲发生电路的频率如何确定？答：要求555定时器的参数：t=0.01s，f=100hz=1/0.695(r1+ 2r2)c 。则在图3中r3+rp=r1，r5=r2。经过计算并实际调整，方案为r3=130千欧，r5=5.1千欧，rp=10千欧，c=100微法。这样就可确定频率为100hz。2.简单介绍74ls160的功能？答：74ls160为异步清零计数器，即端输入低电平，不受cp控制，输出端立即全部为“0”，功能表第一行。74ls160具有同步预置功能，在端无效时，端输入低电平，在