电子技术综合课程设计-数字式秒表.doc

陕西理工学院电子技术综合课程设 计课 程： 电子技术综合课程设计 题 目： 数字式秒表 所属院(系) 专业班级 姓名 学号： 指导老师 完成地点 2014年 07 月 11 日数字式秒表一、 任务和要求：设计并制作一个数字式秒表，要求如下：1、用三位数码管及一个LED发光二极管显示秒表计时，格式如下： 开机时数码管显示000，LED灯灭；当计时超过59秒时，LED灯亮；计到1分59秒时，过一秒，LED灯灭，同时数码管重新计时显示。计时最小单位为0.1秒。2、具有如下功能键：开始/暂停键：按下时计时开始，同时显示；按第二下，显示固定，但计时仍继续；再按下时，显示从新时间开始；固定显示键：按下时，停止计时，恢复到初始状态。3、要求自制0.1秒信号源。4、设计并制作本电路所用直流电源。二、 提示和参考文献直流稳压电源见参考资料P23数字电子技术实验任务书实验六目录前 言11. 方案论证21.1 方案一21.2 方案二31.3 方案确定32.单元电路设计原理42.1 5V电压源电路42.2 信号发生器的设计62.2.1 555定时器简介72.2.2元器件选择及参数计算92.2.3电路原理图设计92.3计数电路102.4译码锁存电路112.5数码显示电路122.6控制电路133.单元电路分析153.1电路形式153.2原理分析153.3参数选择154实验仿真164.1仿真步骤与方法164.2出现故障及处理164.3记录数据165心得体会17附录1整体设计图18附录2管脚图及功能19附录3元器件清单20参考文献：20前 言数字技术在人们的生活中应用越来越广泛，同时也得到了大步的提升。虽然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。电子技术综合课程设计是集电分析、模拟电子技术、数字电子技术以及电路实验、模拟电子技术实验、数字电子技术实验课程之后的一门理论与实践相结合的综合设计性课程，目的在于提高和增强学生对电子技术知识的综合分析与应用能力。它包括选择课程、电子电路设计、仿真和编写总结报告等内容。这次课程设计是进一步的数电学习，是数电知识在实际生活当中的主要应用之一，我们本着学以致用的原则，对学过的知识进行进一步的深化理解，以达到最终掌握的目的。因此本课程设计通过对所学电路的比较分析，选择最优方案，通过这个应用实例，我们在掌握有关知识的过程当中，即可以提高学习兴趣，又可以对数字集成电路器件的使用形成一个完整的概念。本次课程设计是以电子技术理论为基础，结合数、模电知识，设计并制作一个数字式秒表，主要目的在于培养学生的实际操作和动手能力以及基本电子设备仪器的应用。通过这次课程设计可以充分的将理论与实践结合起来，改变以往的只知道理论而对实践疏忽的情况。本次课程设计应达到的基本要求：（1）综合运用电子技术课程中所学的理论知识完成一个实际电路的设计。（2）通过查阅手册和资料，培养分析和解决实际问题的能力。（3）掌握电子电路的调试并进行仿真。（4）培养严肃认真的工作作风和严谨的科学态度，培养团结合作的精神。秒表在很多领域充当一个重要的角色。在各种比赛中对秒表的精确度要求很高，尤其是一些科学实验。他们对时间精确度达到了几纳秒级别。因此，数字式秒表对于我们意义远大。本次课程设计,我们组共有四人，对于一个团体来说，合作是非常重要的，它关系到整个组的速度与效率。而在为期两周的课程设计中，我们都能积极参与，并且进行方案的讨论，这其中，收获了知识的同时也收获了一份友谊。一、 方案论证这次我们组设计的数字秒表实际上是一个计数及其一些简单的控制电路，对10Hz的频率信号进行计数、锁存、清零及其显示。对10Hz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。但是在要求不高的情况下也可使用555定时器构成的信号源。该数字计数系统的逻辑结构是由控制电路，复位电路，0.1秒脉冲发生器，译码显示电路构成的。其中控制电路是由基本R-S触发器以及电阻，开关组成的电路部分。复位电路是由直流电源，电阻以及开关组成的电路部分。多谐振荡器是由555定时器以及其外围电路组成的电路部分，它和分频器一起用来产生0.1秒的脉冲。 1.1 方案一数字式秒表，就需要显示数字。根据设计要求，要用数码管来做显示器。由基本数字逻辑单元进行设计它由振荡器产生一定频率的方波脉冲，之后由分频器对方波脉冲进行分频，以达到设计电路所需的频率脉冲，脉冲作为时钟信号驱动计数器进行计数，最后由译码器译码并在数码管上显示。框图如图1.1.1所示： 图1.1.1 方案一备注：（1）图中直流电源的变压器将220V交流电压变为9V。（2）时钟脉冲电路由输出脉冲占空比为2/3的NE555定时器做成。（3）计数电路由3个74LS160做成。（4）锁存译码电路3个CD4511做成。（5）数码显示电路由共阴极BCD码-七段译码器组成。（6）计数控制电路是由1个JK触发器改装成的1个T触发器做成的，用来控制LED的亮与灭。（7）控制电路是由2个JK触发器改装成的2个T触发器做成，来控制清零与锁存的，所用的开关为微动开关。 1.2 方案二数字式秒表包括显示部分，锁存部分，译码部分，计数部分，和控制部分。框图如图1.1.2所示：图1.1.2 方案二备注：（1）图中直流电源的变压器将220V交流电压变为9V。（2）时钟脉冲电路由输出脉冲占空比为2/3的NE555定时器组成。（3）计数电路由3个74LS160组成。（4）译码电路由三个74LS48四输入七段译码器构成。（5）锁存电路由三个74ls373构成。（5）显示电路由三个八段数码管和一个发光二极管组成。（6）计数控制电路是由1个JK触发器改装成的1个T触发器做成，来控制LED的亮与灭。（7）控制电路由两个自锁开关构成。 1.3 方案确定 单从设计角度来看，两者并无多大区别。方案一中的锁存译码电路是由3个CD4511做成，CD4511是一个用于驱动共阴极LED（数码管）显示器的BCD码七段码译码器，具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流，可直接驱动LED显示器。这个方案所用芯片较少，连线简单。而方案二，它的进位输入信号先通过74LS373锁存，输出信号在经过74LS48进行译码，最后送到数码显示管。这样就比方案一多用三个芯片，而且用74LS48时要加上拉电阻，故所用元器件较多。选择方案时，经过我们的讨论，我们选择了方案一。二、单元电路设计原理 2.1 5V电压源电路 2.1.1直流稳压电源电源变压器：直流电压源的输入端接220V的交流电压，所需直流电压的数值和交流电压有效值相差较大，因而需要电源变压器进行降压。在对交流电压进行降压处理时，电路采用变压器直接变压的方法，输出9V交流电压。整流电路一般分为半波整流和全波整流。桥式整流最为常用，单相桥式整流电路可将变压器副边电压从交流转变为直流电压。鉴于以上优点，本设计采用了桥式整流的方法。电容滤波电路是最常见并且最简单的滤波电路。一般在整流后，还需利用滤波电路将脉动的直流电压变为平滑的直流电压。其工作原理是在整流滤波电路的输出端（即负载电阻两端）并联一个电容即得到电容滤波电路。滤波电容容量较大，利用其充放电作用，使输出电压趋于平滑。滤波电路需要100uF、1000uF、0.33uF电容各一个。稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。稳压电路有稳压二极管型稳压电路、串联型稳压电路和集成稳压器电路等多种类型。为使电路简单化、高效化、稳定化，我们采用了集成7805稳压器型稳压电路进行稳压，为后面的一切电路提供了稳定的5V直流电压。图2.1.1 直流稳压电源2.1.2元器件选择及参数计算功率电源变压器的作用是将来自电网的220V交流电压u1变换为整流电路所需要的交流电压u2。电源变压器的效率为：其中：是变压器副边的功率，是变压器原边的功率。一般小型变压器的效率如表2.1.2所示：表2.1.2 小型变压器的效率副边功率效率0.60.70.80.85因此，当算出了副边功率后，就可以根据上表算出原边。电源变压器电压变换公式为： 其中：N1为原边线圈扎数，N2为副边线圈扎数。由于LM317L的输入电压与输出电压差的最小值,输入电压与输出电压差的最大值,故LM317L的输入电压范围为： 取U2=26变压器副边电流I2Iomax = 1A,取I2 =1.1A因此，变压器副边输出功率：由于变压器所以变压器原边输出功率,为留有余地选用功率为50W的变压器。 在稳压电源电路设计中一般用四个二极管组成桥式整流电路来完成整流功能，整流电路的作用是将交流电压u2变换成脉动的直流电压u3。滤波电路一般由电容组成，其作用是把脉动直流电压u3中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压UI。UI与交流电压u2的有效值U2的关系为：在整流电路中：流过每只二极管的平均电流为：其中：R为整流滤波电路的负载电阻，它为电容C提供放电通路，放电时间常数RC应满足：其中：T = 20ms是50Hz交流电压的周期由于，Iomax = 1A,IN4001的反向击穿电压,额定工作电流,故整流二极管选用IN4001.根据和公式可求得：所以滤波电容同理，C3=4.7uF 整流二极管选1N4001,其极限参数为,而,因为,而所以滤波电容为,电容C的耐压应大于.所以我们选用C5=2.2uF ，C6=100uF的电容。直流电压源的输入为220V交流电因此采用变压器直接变压的方法，使输出为9V的交流电，再利用整流桥将交流电变为直流电压，之后用2200u和0.047u并联网络作为滤波电路,为了是输出电压稳定采用7805作伪稳压电路，为后面的电路提供稳定的5V直流电压。2.2 信号发生器的设计 数字式秒表由振荡器，分频器，计数器，译码器和显示电路所组成。振荡器产生的毫秒信号输入计数进行计数，并把累计结果以分，秒，毫秒的形式表示显示出来。振荡器是整个秒表的核心，振荡器简单地说就是一个频率源。详细说就是一个不需要外信号激励、自身就可以将直流电能转化为交流电能的装置。一般分为正反馈和负阻型两种。它产生一个频率标准，其精度和稳定度基本决定了秒表的计时准确性和精度。由于555定时器的比较器灵敏度高，输出驱动电流大，功能灵活且电路结构简单，计算简单，并且因此在本电路中采用NE555定时器构成的多谐振荡器作为振荡源，用来产生10HZ的脉冲信号。在本电路中信号源由NE555定时器产生，NE555定时器是一种中规模集成电路，外形为双列直插8脚结构，体积很小，使用起来方便。只要在外部配上几个适当的阻容元件，就可以构成施密特触发器、单稳态触发器及自激多谐振荡器等脉冲信号产生与变换电路。这些都是我们数字电路中刚学过的知识。2.2.1 555定时器简介 (a)双极性型5G555的主要性能参数参数名称符号单位参数电源电压VCCV516电源电流ICCmA10阈值电压VTHVVCC触发电压VTRVVCC输出低电平VOLV1输出高电平VOHV13.3最大输出电流IOMAXmA200最高振荡频率fMAXKHz300时间误差tnS5 (b) CMOS型7555的主要性能参数参数名称符号单位参数电源电压VCCV318电源电流ICCA60阈值电压VTHVVDD触发电压VTRVVDD输出低电平VV0.1输出高电平VV14.8最大输出电流IOMAXmA200最高振荡频率fMAXKHz500时间误差tnS 表2.1.3 555的性能参数 图2.2.2 555定时器逻辑符号和引脚图2.2.1 555定时器内部结构集成555定时器有双极性型和CMOS型两种产品。一般双极性型产品型号的最后三位数都是555，CMOS型产品型号的最后四位数都是7555.它们的逻辑功能和外部引线排列完全相同。器件电源电压推荐为4512V，最大输出电流200mA以内，并能与TTL、CMOS逻辑电平相兼容。其555定时器的内部电路框图及逻辑符号和管脚排列分别如图2.2.1和2.2.2所示。引脚功能：Vi1（TH）：高电平触发端，简称高触发端，又称阈值端，标志为TH。Vi2（）：低电平触发端，简称低触发端，标志为。VCO：控制电压端。VO：输出端。Dis：放电端。：复位端。两定时器内含一个由三个阻值相同的电阻R组成的分压网络，产生VCC和VCC两个基准电个电压比较器C1、C2；一个由与非门G1、G2组成的基本RS触发器（低电平触发）；放电三极管T和输出反相缓冲器G3。是复位端，低电平有效。复位后, 基本RS触发器的端为1（高电平），经反相缓冲器后，输出为0（低电平）。分析图2.2.1的电路：在555定时器的VCC端和地之间加上电压，并让VCO悬空，则比较器C1的同相输入端接参考电压VCC，比较器C2反相输入端接参考电压VCC ，为了学习方便，我们规定：当TH端的电压VCC时，写为VTH=1，当TH端的电压VCC时，写为VTR=1，当端的电压VCC时，写为VTR=0。（1）低触发：当输入电压Vi2VCC 且Vi1VCC 且Vi1VCC，则VTH=1，比较器C1输出为低电平，无论C2输出何种电平，基本RS触发器因=0，使1，经输出反相缓冲器后，VO0；T导通。这时称555定时器“高触发”。555定时器的“低触发”、“高触发”和“保持”三种基本状态和进入状态的条件（即VTH、VTR的“0”、“1”）必须牢牢掌握。VCO为控制电压端，在VCO端加入电压，可改变两比较器C1、C2的参考电压。正常工作时，要在VCO和地之间接001F（电容量标记为103）电容。放电管Tl的输出端Dis为集电极开路输出。555定时器的控制功能说明见表2.2.1。基于NE555的功能特点,本设计中所用的电路图2.2.3示： 表2.2.1 555定时器控制功能表输 入输 出THVODisVCCVCCVCCLHHHLH不变L导通截止不变导通 图2.2.3 NE555多谐振荡器2.2.2元器件选择及参数计算555定时器的频率和占空比尤其外部所接的电阻和电容共同决定，因此只要选择好电容和电阻的参数就能够产生所需频率的脉冲。频率：f=1.43/(R1+2R2)C=10Hz，产生10Hz频率占空比：q=R1/(R1+2R2)=2/3我们确定了C2=10uf，然后算出电阻所以，电容C1=0.01u，C2=10u定值电阻R=4.7K，可变电阻R=1K,设计中可用两个4.8K的电阻代替。而在实际连线时用电位器，以便调试。端口3为脉冲发生器的输出端口。2.2.3电路原理图设计通过查阅资料和计算，得到了如图2.2.4所示的信号源仿真图。通过如图2.2.5的信号波形的测试获得0.1秒的信号源。 图2.2.4 仿真中的信号源图2.2.5 仿真的波形2.3计数电路本设计中采用74LS160作为计数器，计数器部分采用三片74LS160并行的方式构成。74LS160是十进制的计数器，具有置数、清零的功能。EP、ET是使能端，为高电平有效。将低位的输出信号接至高位的使能端，将最高位芯片通过与非门产生进位清零信号，从而达到计数的目的，其管脚图如图2.3.1所示，功能表如表2.3.1所示： 表2.3.1 功能表 图2.3.1 引脚图2.3.1 集成计数器74LS160 在本次课设仿真中所用集成芯片为同步清零同步预置四位8421码10进制加法计数器74LS160。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。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（160）实现模10加法计数，Q3 Q2 Q1 Q0=1001时，RCO=1。2.3.2构成任意进制计数器（模长M10）用集成计数器实现M进制计数有两种方法，异步清零法和同步置数法。基于74160的功能特点，在本设计中，74LS160的连接方式如图2.3.2所示：图2.3.2 用proteus仿真时的图2.4译码锁存电路CD4511是一个用于驱动共阴极LED（数码管）显示器的BCD码七段码译码器，特点是：具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器。CD4511 是一片 CMOS BCD锁存/7 段译码/驱动器，引脚排列如图2.4.1 所示。其中a b c d 为 BCD 码输入，a为最低位。LT为灯测试端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检查显示器是否有故障。BI为消隐功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示时， B1端应加高电平。另外 CD4511有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数9(1001)时，显示字形也自行消隐。LE是锁存控制端，高电平时锁存，低电平时传输数据。ag是 7 段输出，可驱动共阴LED数码管。另外，CD4511显示数“6”时，a段消隐；显示数“9”时，d段消隐，所以显示6、9这两个数时，字形不太美观 图3是 CD4511和CD4518配合而成一位计数显示电路，若要多位计数，只需将计数器级联，每级输出接一只 CD4511 和 LED 数码管即可。所谓共阴 LED 数码管是指 7 段 LED 的阴极是连在一起的，在应用中应接地。限流电阻要根据电源电压来选取，电源电压5V时可使用100的限流电阻。码器驱动器，常用在各种数字电路和单片机系统的显示系统中。CD4511真值表如表2.4.1所示： 图2.4.1 CD4511引脚排列图表2.4.1 CD4511真值表2.5数码显示电路本设计中用了三块BCD 码七段显示数码管来构成，其管脚图如图2.5.1所示： 图2.5.1七段显示数码管管脚图由于在做的时候没用上拉电阻，因为用的是CD5411，其仿真电路如图2.5.2所示 图2.5.2 用proteus仿真时的数码显示电路图2.6控制电路本设计中控制电路主要由JK触发器和若干开关组成。主从JK 触发器:主从JK 触发器是在主从RS触发器的基础上组成的，如图2.6.1所示。 在主从RS触发器的R端和S端分别增加一个两输入端的与门G11和G10，将Q端和输入端经与门输出为原S端，输入端称为J端，将Q端与输入端经与门输出为原R端，输入端称为K端。 图2.6.1主从JK触发器逻辑电路由上面的电路可得到S=JQ,R=KQ。代入主从RS触发器的特征方程得到: 表2.6.2.1 JK触发器特征表 由以上分析，主从JK 触发器没有约束条件。在J=K=1时,每输入一个时钟脉冲，触发器翻转一次。触发器的这种工作状态称为计数状态，由触发器翻转的次数可以计算出输入时钟脉冲的个数。其状态转换图如图2.6.3所示：图2.6.3 触发器的状态转换基于JK触发器的功能及管脚图，在本设计中采用的连接方式如图：图2.6.4仿真中采用的连接方式三、单元电路分析3.1电路形式本次课程设计中，采用NE555作为0.1s的时钟脉冲，用三片74LS160以同步置零的方式构成计数电路，由于CD4511具有译码和锁存两种功能，所以采用三片CD5411 构成了锁存译码电路从而驱动三块BCD码七段数码管实现了计数、译码锁存等功能。而电源电路采用模拟电路中学到的知识，经过电源变压器的降压，整流电路滤除交流量，再通过滤波电路，最后达到稳压电路的目的。稳压电路的功能是使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载电阻变化的影响，从而获得足够高的稳定性。3.2原理分析数字式秒表由振荡器，分频器，计数器，译码器和显示电路所组成。振荡器产生的毫秒信号输入计数进行计数，并把累计结果以分，秒，毫秒的形式表示显示出来。振荡器是整个秒表的核心，它产生一个频率标准，其精度和稳定度基本决定了秒表的计时准确性。在电路中采用晶体振荡器作为振荡源，精度高。秒表的分辨率为0.1秒，故要获得频率为10Hz的基准脉冲；其次，秒个位、秒十分位计数器为100进制计数器，秒十位计数器为60进制计数器；最后，用一个控制键实现秒表的启动/暂停/继续计数功能，用另一个控制健实现秒表的清零功能。分别实现以上模块功能，即可设计出符合要求的数字秒表。3.3参数选择在电源电路中选择了220v变9v的直流电源，整流二极管就用4007的，用四只，组成桥式整流，再用个2200uf/18V的电容滤波，然后+9V接到7805的1脚（有字为正面，从左往右第一只脚为1脚），第二脚接负极，第三只脚输出为+5V，最后在第三脚与第二脚接引出线，并用一只100uf的电容滤波。将电源分别接到时钟发生器NE555（为计数器提供时钟信号）,计数器74LS160，锁存器译码器74LS76JK触发器上，为其提供电源，最终CD5411锁存译码所产生的二进制数字通过BCD-七段译码器显示出来。四、实验仿真4.1仿真步骤与方法本次课程设计四人一组，但我们没有做明确分工，应为想让每一个人都能接触到整个过程，避免只了解局部原理。我们先做了电源，经过安装调试后，接好了电源，用万用表测量后大概为5.02v,这样直流电源就完成了，然后是信号源，信号源选用的是NE555，和两个1k电阻，10uF和0.01uF电容各一个，最终组成信号源，经示波器测量，频率为10.4Hz。接下来完成的是计数电路，计数电路是由三个74LS160组成的并行输入同步置零电路，译码锁存电路是由三片CD4511构成的，CD4511构成的译码锁存电路所得到的二进制代码由BCD 码七段码译码器来显示完成。最后是控制电路，控制电路是由两块74LS112双JK触发器组成。将以上模块连接在一起就构成了所要求功能的电路。4.2出现故障及处理（1） 在做电源时，还没出什么差错，因为以前电工电子实习我们做过电源。（2）在做信号源时，信号源频率为10.6Hz，因为理论计算为4.7k的电阻。而因为我们今年由于搬校区实验设备不在北区，所以没有实际操作，而且模电书上也有讲解，因此，信号源基本上也一次到位。（3）在连接计数电路时，先用串联连接方式，结果进位时出现误差，在九的时候就进位，后来经过查阅数电书，得知应该用并联方式，变更之后显示正常。 （4）在显示单元的调试过程中，开始时，七段数码管无显示。之后，通过请教班里同学，在同学的帮助下，才明白，原来是共阴极数码管的接地端没有接正确，是proteus仿真元件使用的不熟练。最后通过将三个数码管的接地端同事时接地，才使得数码管正常显示。（5）在我们进行仿真的时候，困难重重。先是数码管没有接好，没能实现。那肯定是连线有问题，然后就检查，检查是个非常细致的工作，由于控制电路和计数电路相对比较复杂，很容易接错，并且在第一次验收时，LED灯并没有锁存住，虽然数字锁存了，但是内部却一直在运行着，之后经过各种方法的修改，最终仿真顺利完成。4.3记录数据直流电路输出电压为5.0v，时钟信号的频率为10.0Hz。在测试时，可以通过测量信号源的频率来查看是否达到0.1秒信号源的要求，同时在电压源处加入一个电压源来测量5v电压。在做仿真时由于5V电压源不稳定，导致秒表在计数时不稳定，越来越慢，所以在实际仿真中用高电平代替5V电压源，使计数式秒表工作更稳定。 五、心得体会 这是大二第二学期的最后两周，我们进行了课程设计，由于实验室的搬迁等问题，这次课设只有仿真，虽然时间不长，但受益匪浅。 这次课程设计对我们专业学生来说意义重大。通过这次课程设计，让我认识到自己还有很多不足，知识储备太少，动手能力偏弱等问题。经过了为期两周的课程设计，让我明白了在做事的时候要认真仔细，一丝不苟，脚踏实地，也许一个芯片的引脚的连接错误就有可能导致整个