电子秒表的设计与制作.doc

电子秒表的设计与制作论文摘要：本毕业论文通过电子秒表的设计，给出了以555定时器为核心，以分频、计数与译码显示模块为主要构成部分的电子秒表的设计方案。系统具有随时启动、停止以及清零功能。关键词： 555定时器 分频 计数 译码 艾力达引言 随着电子技术的发展，电子技术在各个领域的运用也越来越广泛。人们对它的认识也逐步加深。在秒表的设计上功能不断完善，在时间的设计上不断的精确，人们也利用了电子技术以及相关的知识解决了一些实际问题。秒表的设计是由555芯片提供的，秒表时间由相关的电阻与电容的大小决定。除了时间的设计精确外，秒表还在功能上有所改变，如实现倒计时。电子秒表广泛应用于对运动物体的速度、加速度的测量实验，还可用来验证牛顿第二定律、机械能守恒等物理实验，同时也适用于对时间测量精度要求较高的场合，如测定短时间间隔的仪表。秒表有机械秒表和电子秒表两类。机械秒表与机械手表相仿，但具有制动装置，可精确至百分之一秒；电子秒表用微型电池作能源，电子元件测量显示，可精确至千分之一秒，广泛应用于科学研究、体育运动及国防等方面。在当今非常注重工作效率的社会环境中，定时器能给我们的工作、生活以及娱乐带来很大的方便。充分利用定时器，能有效的加强我们的工作效率。目前数字电子技术已经广泛地应用于计算机、自动控制、电子测量仪表、电视、雷达、通信等各个领域。例如在现代测量技术中，数字测量仪表不仅比模拟测量仪表精度高、功能强，而且容易实现测量的自动化和智能化。随着集成技术的发展，尤其是中、大规模和超大规模集成电路的发展，数字电子技术的应用范围将会更广泛地渗透到国民经济的各个部门，并将产生越来越深刻的影响。随着现代社会的电子科技的迅速发展，要求我们要理论联系实际，数字电路课题设计的进行使我们有了这个非常好的机会，通过这种综合性训练，我们的动手能力、实际操作能力、综合知识应用能力得到了更好的提升。本设计是基于数字电路和模拟电路的电子秒表的设计思路及实现方法。本设计中，充分利用数字电路的计数、译码、显示的优良特性，使整个设计达到了比较满意的效果。本设计主要有时基产生电路、电源电路、分频电路、计数与译码电路（包括显示电路）、开关按钮电路组成。所设计的电子秒表达到了设计要求的各项指标，并且在这个基础上进行了功能扩展。这次设计中不但对以前的知识进行巩固，而且学会了更多的新知识，提高思维、强化动手能力，能够更好地适应和走上工作岗位，为以后的就业打下一定的基础。1 系统功能要求本次设计的电子秒表是以中规模TTL集成电路、CMOS集成电路和LED数码显示器为主要部件的电子秒表。硬件设计主要有时基产生电路、电源电路、分频电路、计数与译码电路（包括显示电路）、开关按钮电路。本设计主要是以模拟电子技术和数字电子技术控制为主。所设计的电子秒表将达到以下指标：具有随时停止、启动功能秒表最大读数为9.9秒要求用中规模集成电路实现设计电路2 设计方案系统共需要时基产生555定时器1个，分频部分SN74LS90芯片1块，计数部分CD4518二十进制加计数器1块，译码部分CD4511BCD-七段锁存2块译码驱动器，显示（LED）2个。根据要求实现秒表具有随时停止和启动功能，秒表最大读数为9.9秒。如图1所示，本设计的总思路是利用一个振荡器，产生一个时钟脉冲，信号经过分频之后分两步计数，一路低位计数0.00.9秒，另一路是高位计数09秒，然后，将产生的信号通过译码电路，将位计数0.00.9秒和高位计数09秒利用显示器来显示。4.1 PCB的设计在任何设计中，PCB板的物理设计都是最后一个环节,此过程非常重要，关系到整个设计的外观是否好看。如果设计方法不当，PCB可能会造成电子秒表参数的精确性，比如数码管显示有缺损段码、读数不正确等。以下针对各个步骤中所需注意的事项进行分析：从原理图到PCB的设计流程：建立元件参数导入原理网络表-设计参数设置-手工布局-手工布线-验证设计复查-CAM输出。参数设置相邻导线间距必须能满足电气安全要求，而且为了便于操作和生产，间距也应尽量宽些。最小间距至少要能适合承受的电压,在布线密度较低时，信号线的间距可适当地加大，对高、低电平悬殊的信号线应尽可能地短且加大间距，一般情况下将走线间距设为8mil。焊盘内孔边缘到印制板边的距离要大于1mm，这样可以避免加工时导致焊盘缺损。当与焊盘连接的走线较细时，要将焊盘与走线之间的连接设计成水滴状，这样的好处是焊盘不容易翘皮，而且走线与焊盘不易断开。元器件布局实践证明，即使电路原理图设计正确，印制电路板设计不当，也会对电子设备的可靠性产生不利影响。例如,如果印制板两条细平行线靠得很近，则会形成信号波形的延迟，在传输线的终端形成反射噪声；由于电源、地线的考虑不周到而引起的干扰，会使产品的性能下降，因此，在设计印制电路板的时候，应注意采用正确的方法。布局时要符合的原则：首先要考虑PCB尺寸大小，本设计的电路板形状为矩形,长宽比为3：2，位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于2mm。放置器件时要考虑以后的焊接，不要太密集。以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局，易受干扰的元器件不能相互挨得太近，输入和输出元件尽量远离。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上，尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接，稳定芯片性能的电容尽量靠近芯片。在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列。按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号可能保持尽一致的方向。布局的首要原则是保证布线的布通率，移动器件时，注意飞线的连接，把有连线关系的器件放在一起。尽可能地减小环路面积。进行全局布线的时候,还须遵循以下原则：（1）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。（2）设计布线图时走线尽量少拐弯,印刷弧上的线宽不要突变,导线拐角不能90度,力求线条简单明了。（3）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。（4）跳线应为红色，焊盘大小横坐标、纵坐标都为100mil，否则钻的孔不够大，跳线接不上，跳线尽可能短而且为直线。4.2 电路调试本次设计中，调试是一个重大的过程，调试的好坏就直接关系了作品的成功与否。在设计电子秒表的过程中，我不断地调试，不断地改进，从一个发现问题到解决问题的过程。从调试来看，要做到分模块调试。分模块调试中，先从电源开始调试。电源是整个设计首先要解决的问题，主要是看电源电路的输入输出是否正常，是否是+5V，当电压的波动较大时，要看整流电路是否正确，否则电压过大电路元件可能会烧坏。时基产生电路的调试。555定时器是否起振关系到整个电路的功能，用示波器探头，正极接555定时器的3脚，负极接地，起振则在3脚有方波输出。分频电路的调试。SN74LS90本设计是按五分频来接的，由于555定时器产生0.02S的时钟信号，通过SN74LS90的分频产生0.1S的脉冲信号。SN74LS90的输出信号关系到电子秒表的精确度，所以此部分的设计很关键。计数部分与译码电路的调试。CD4518计数通过CD4511译码转化为共阴数码管段码，然后显示。开关按钮电路的调试。这部分的调试工作有两方面，第一是要调试启动、停止按钮是否能实现，第二要调试CD4518能否正常受开关控制，要达到清零功能则要先按停止键再按清零键。4.3 结论分析结论：根据测试结果分析此电子秒表达到以下技术指标。测试结果：电子秒表具有随时停止、启动以及清零功能秒表最大读数为9.9秒5 扩展部分本电子秒表的设计具有随时停止、启动功能，为了提高电子秒表的功能扩展、性能优化、智能化设计，还添加了清零功能。结论与谢辞通过近一个学期的努力，在指导老师的辛勤指导下，终于将电子秒表的设计与毕业论文作完成了。让我感觉到在大学三年里，掌握了一定的专业知识和动手能力，在制作计的过程中学到了很多东西。这次设计中我用到了模拟电路、数字电路、Prtel99等课程学到的知识，让我明白自身知识的不足，很多方面需要进一步加强。在整个毕业设计期间我进一步了解了PCB板的制作，很多以前没注意到的地方，通过本次学习了收获不少；进一步提高了硬件软件结合的产品设计与开发能力，当然在这方面还有很多地方需要努力。通过同事的帮助，不断深化技术深度，使得我们的毕业设计圆满完成。使得我懂得了合作的意义，团队的作用，这些经验在以后的工作中一定会有很大的帮助的。在这次设计中，我学到了很多东西，首先是掌握了设计的一般原则，在时间安排上，各阶段的安排一定要做好，这样可以有条不紊的进行各种工作，而不至于手忙脚乱。在设计过程中，要掌握各部分电路的功能，当找不到所需的元器件时要找好功能一样的替代品，并且要找出此元器件的引脚功能，不然设计是不能成功的。设计好电路图之后，购买元器件时一定要注意不要买错了元器件，否则，电路图设计的再好也是没有用的。元件引脚、导线及印刷电路板，由于没有经过去氧化物处理，结果钻孔的时候电路板钻得乱七八糟。焊接时，先用电烙铁使锡丝熔化，然后把元件引脚与电路板均匀加热，使焊锡固化在连接点上。连接可靠，防止虚焊、假焊。在调试时我没有一次性成功，但是我相信自己只要努力就能成功，我主动向老师请教，在老师的指导下，我认真地按照设计的电路图检查了整个电路，发现是CD4518的芯片少了一个电容，当我电容接好后，电子秒表正常工作，设计顺利完成了，当时真的有一种成就感。本次毕业论文的圆满完成要特别感谢陈桂兰老师给了我的指导和帮助感谢她提出的宝贵意见。在这里，我衷心的感谢老师，并祝她身体健康，工作顺利！参考文献：1朱强主编数字逻辑电路北京：机械工业出版社，1994。2胡宴如主编模拟电子技术北京：高等教育出版社，2000。3艾力达： 电子秒表毕业设计论文作者：朔轩文章来源：本站原创点击数： 4582更新时间：2008-1-31 摘 要随着电子技术的发展，电子技术在各个领域的应用也越来越广泛。人们对他的认识也逐步加深，人们也利用了电子技术以及相关的知识解决了一些实际问题。如：秒表的设计与制作。秒表是比赛中一种常用的必备装置,它是一种典型的数字电路。数字秒表由计数显示电路、复位电路、控制电路与电源电路组成。通过计数电路、译码电路在显示器上输出,以上部分组成计数显示电路；通过电源清零电路和反馈清零电路实现复位功能，构成复位电路；利用启动开关和停止开关控制触发器产生启动/ 停止信号，实现秒表的启动和停止动能，构成控制电路；在整个秒表中，电源电路是采用外接电源来实现的。经过布线、焊接、调试等工作,数字秒表成形。在秒表电路中利用一个译码器译出计数器所计时间并经LED显示器显示出来，利用控制电路对秒表进行启动/停止控制。当计时结束后，利用复位电路对其进行复位。本人在此次设计过程中主要是先分析设计要求，根据提出的设计要求选取合适的器件，再用Protel99 SE绘制原理图和PCB图，并把PCB图转印到印制板上完成焊接和调试等工作。使其达到预计的设计要求。设计此次电子秒表不但让我更好的了解了数字电路的内容，更让我学有所用，同时对电路的工作原理有深的理解，主要是对芯片有了全新的认识，使用Protel99会使我对绘制电路图有很大的提高，而制作实物可以使我从新认识电路设计的细节问题，对电路设计是一种补充和加强，也是对动手能力和解决问题能力上的锻炼。关键词：启动、计时、停止、复位、 PCB、Protel99 SE。目录前 言1第一章 绪论21.1概述21.1.1设计目的21.1.2设计思想21.2 秒表的发展趋势2第二章 任务分析与元器件42.1设计任务42.1.1功能要求42.1.2设计思路42.1.3设计方框图52.2芯片电路特性52.2.1共阴七段数码管LED52.2.2七段显示译码器CD451162.2.3异步十进制计数器74LS9092.2.4双输入与非门74LS00112.2.5集成定时器555122.3其他元件特性参数14第三章 数字秒表的原理与结构163.1秒表的原理163.2秒表的总体结构163.2.1秒表的计数显示电路163.2.2秒表的复位电路173.2.3秒表的控制电路18第四章 制图224.1Protel 99 SE224.1.1Protel 99 SE的发展224.1.2Protel 99 SE的特点224.2原理图的设计224.2.1原理图设计的步骤224.2.2秒表的原理图234.3PCB板的设计234.3.1PCB板设计的步骤234.3.2秒表的封装图244.3.3秒表的PCB板图244.4图纸的打印24第五章 秒表电路的测试255.1脉冲产生电路的测试255.2防抖动电路的测试255.3分频电路的测试255.4译码与显示电路的测试265.5计数与复位电路的测试265.6电子秒表电路的整体测试26第六章 秒表的印制板的制作276.1制板的流程276.2元器件的选用与安装276.3焊接元件27第七章 调试297.1调试297.2遇到的问题及解决方案29结论31致谢32参考文献33附录34前 言随着科学技术的不断发展人们在秒表的设计上功能不断完善。各类秒表都发挥出自己的特点。数字秒表在各类大小比赛中的应用也越来越广泛。本次设计计时时间是由一个555芯片提供100Hz的脉冲信号进行10次分频为10Hz的脉冲信号。100Hz脉冲由相关的电阻与电容的大小决定，其脉冲周期用公式 表示。除了时间的设计精确外，秒表还具有启动、复位、停止功能。而现在许多的公司生产的秒表不仅仅具有计时功能，还有多次计时功能。本数字秒表由计数显示电路、复位电路、控制电路与电源电路组成。通过计数电路、译码电路在显示器上输出,以上部分组成计数显示电路；通过电源清零电路和反馈清零电路实现复位功能，构成复位电路；利用启动开关和停止开关控制触发器产生启动/ 停止信号，实现秒表的启动和停止动能，构成控制电路；通过外接电源来构成电源电路。经过布线、焊接、调试等工作,数字秒表成形。本次设计秒表适用于各类时间比赛，具有灵敏度高，电路简单，操作方便的特点。适合一次计时比赛用。论文共分七章。第一章绪论，介绍现代秒表的发展以及秒表的运用价值。第二章任务分析及元器件。第三章数字秒表的原理与结构。第四章制图，介绍绘制原理图和PCB图时注意事项和规则并绘制出原理图和PCB图。第五章秒表的电路测试，主要介绍秒表的各个单元电路的测试及功能实现。第六章，秒表的印制板的制作，介绍印制板的设计制作及元器件的安装。第七章调试，主要介绍制板的调试与成品的完成。第一章 绪论1.1概述电子秒表的主电路主要采用基本RS触发器、时钟发生器、复位电路、计数、译码显示电路和共阴极数码管等构成。本设计大多数采用数字电路，其原因是数字电路具有抗干扰性强、精度高、保密性好、容易处理信息、互换性好、实现计数功能和成本低（重点）等特点。在其中555电路是本次设计的重点，根据设计要求，最小单位为0.1秒，为减小计时误差，依次脉冲源产生100Hz信号。此信号用555计时器构成的多谐振荡器产生。根据公式周期 设置合适的阻容参数，使脉冲源产生100Hz的脉冲信号。1.1.1设计目的通过对数字电子秒表的设计、制造和调试，学会综合应用所学的电子技术知识进行电子产品的设计，并在设计、制造和调试过程中初步掌握电子产品的生产工艺流程和相关技能。对所学知识有更近一步的理解，更培养动手的能力，使得知识与实践相结合。1.1.2设计思想通过555集成定时器来产生频率为100Hz的脉冲信号使得计数器进行计数，将计数器所输出的数据传送给译码器，使译码器来驱动七段数码管显示结果。通过对脉冲信号的控制，以此来控制计数器计数，终实现秒表的启动与停止功能。对计数器进行清零来完成秒表的复位功能。1.2 秒表的发展趋势随着科学技术的不断发展人们在抢答器的设计上功能不断完善，在时间的设计上不断的精确，如0.01秒。其抢答时间的设计是由555芯片提供的，抢答时间由相关的电阻与电容的大小决定，其抢答的时间用公式 表示。除了时间的设计精确外，秒表还在功能上有所改变，如倒计时。还在硬件的使用上也有所改进。有的生产厂家也采微电脑控制，使秒表的体积大为减小。现在电子秒表已融入了很多地方，像秒表在手机中已成为功能组成部分之一。现在的电子秒表不但可以对计数结果进行记录，而且还可以同时进行多次的记录，如在田径赛中，可同时对四个以上的选手进行记录下选手的所得时间。还可以记录到十个及以上的成绩。第二章 任务分析与元器件2.1设计任务要求利用所学的数字电路知识，设计一个计时时间在10 分钟内的电子秒表。 电子秒表电路是一块独立构成的记时集成电路芯片。它集成了计数器、振荡器、译码器和驱动等电路，能够对秒以下时间单位进行精确记时，具有清零、启动计时、暂停计时及继续计时等控制功能。2.1.1功能要求1 ）准确计时，要求计时精确到0.1 秒，并以数字的形式显示。2 ）其中，0.1 秒的计时要求是10 进制。秒的计时是60 进制。而依据设计要求分的计时在10 分钟内，所以可简化设计1 分的计数是10 进制。3 ）具有秒表的启动、停止、复位基本功能。2.1.2设计思路1 ） 根据设计要求计时精确到0.1 秒，即对周期为0.1 秒的矩形波进行计数。所以要求振荡电路产生一个周期为0.1 秒的矩形波。可利用所学的555 多谐振荡器电路产生所需的矩形波。为了减小振荡产生脉冲的误差，所以要求振荡器产生一个周期为0.01秒的矩形波，为满足秒表所需要的0.1秒矩形波，要对周期为0.01秒的脉冲进行10次分频，从而得到0.1的矩形波。2 ） 将计数时间以数字的形式显示出来，则需设计计数显示电路将0.1 秒、1 秒、1 分（60 秒）的计数脉冲输入对应的0.1 秒、1 秒、1 分计数器，再将计数的结果经相应的七段译码器译码，送到数码显示管显示。其中，0.1 秒、秒的个位、1 分的计数器要求是十进制：秒的十位计数器可用反馈归零法设计成六进制计数器。3 ）设计一个控制电路，控制秒表的复位、启动和停止。利用启动开关和停止开关控制触发器产生启动/ 停止信号，以此信号控制0.1 秒计数器的输入端有无计数脉冲输入。当复位后，按下启动按钮，则开始计时；当按下停止按钮时，0 . 1 秒计数器的输入端无计数脉冲输入。按下复位开关，将所有的计数器都复位。4 ） 设计一个5V 的电源电路。 由于是通过555 多谐振荡器新生计数脉冲，电源的稳定性影响着振荡器的输出频率的精确性。所以电源电路要保证输出电压稳定在5V 。2.1.3设计方框图图1 方框图2.2芯片电路特性芯片主要包括74LS90、74LS00、CD4511、555等元器件。异步十进制计数器74LS90是构成数字电子秒表的核心部分，对它加入脉冲后，能够进行计数，可得到我们想要的结果。而集成定时器555是数字电子秒表不可缺少的主要组成部分，它可以产生脉冲，通过在它的外面接上一定的附加电路就可得到秒表所设计的确良一定频率的脉冲。74LS00包含四个双输入与非门，主要应用在防抖动电路和反馈清零电路中。而CD4511主要是将74LS90所输出的数据译码成LED数码管能显示的数据，进行驱动共阴七段数码管LED显示数据。2.2.1共阴七段数码管LEDLED数码管的笔划由发光二极管组成，故其特性与发光二极管相同，它适用于各种电子装置作数字显示。分段式数码管利用不同的发光段组合来显示不同的数字，其应用很广泛。最常见的分段式数码管有两种，共阴极数码管和共阳极数码管。在秒表的设计中，我们所采用的数码管为共阴极数码管。常见的半导体发光二极管是一种能将电能或电信号转换成光信号的结型发光器。其内部结构是由磷砷化镓等半导体材料组成的PN结。当PN结正向导通时，能辐射发光。辐射波长决定了发光颜色，有红、绿、橙、黄等颜色。单个PN结封装而成的产品就是发光二极管，而多个PN结可以封装成半导体数码管（也称为LED数码管）。半导体数码管内部有两种接法，即共阳极接法和共阴极接法。共阴极接法的管脚排列图和内部接线图如图所示：图2 数码管引脚图各段笔划的组合能显示出十进制数09及某些英文字母。半导体数码管的优点是工作电压低（1.71.9V）、体积小、可靠性高、寿命长（大于一万小时）、响应速度快（优于10ns）。颜色丰富等，目前已有高亮度产品，缺点是耗电比液晶数码管大，工作电流一般为几毫安至几十毫安。2.2.2七段显示译码器CD4511图3 CD4511引脚图 A0-A9二进制数据输入端， 输出消隐控制端，LE数据锁定控制， 灯测试，Ya-Yb数据输出端。CD4511j BCD-7段锁存译码驱动器，在同一单片结构上由MOS逻辑器件和N-P-N双极型晶体管器件构成。这些器件的组合，使CD4511具有低静态耗散和高抗干扰及源电流高达25mA的性能。由此可直接驱动LED及其它显示在件。 、 、LE输入端可分别检测显示、亮度调制、存贮或选通一BCD码等功能。当使用外部多路转换电路时，可多路转换和显示几种不同的信号。CD4511的真值表：表2 真值表输入输出LEA3A2A1A0YaYbYcYdYeYfYgXXLLLLLLLLLLXLHHHHHHHHHHLHHHHHHHHHHHXXLLLLLLLLHHXXLLLLHHHHLLXXLLHHLLHHLLXXLLLHLHLHLHHLHLHHLHLHHHHLHHHHHLLHHHHLHHLHHHHHHHHLHLHHLHHLHLHLHLHLLLHLHLHLHLHLHHHLHHHLLLHHHHHHHLLHHHHLHHHLHLLLLLLLHHHXXXX 根据真值表所知，当 接低电平时，译码器的输出端被锁定为高电平；当 接低电平 接高电平时，输出端被锁定为低电平输出；而当LE接低电平， 、 接高电平时，译码器就会将输入端所输入的数据译码成BCD码由输出端输出。半导体数码管用CD4511来译码驱动。在译码器与数码管之间用电阻来连接，是为了保护数码管，以免数码管被烧坏。CD4511译码驱动电路如图：图4 CD4511译码驱动电路2.2.3异步十进制计数器74LS90图5 74LS90管脚图74LS90异步十进制计数器的使用功能：R0（1）、R0（2）为清零端，当R0（1）= R0（2）=1时，Q0Q3=0000。其不起作用时，应接0电平。S9（1）、S9（2）为置9端，当S9（1）= S9（2）=1时，Q0Q3=1001。其不起作用时，应接0电平。、 ： 为二进制输入端，Q0是二进制的输出端。 为五进制输入端，Q3是五进制的输出端。若将74LS90作为十进制计数器，可将 接计数脉冲， 接Q0，而Q3则是十进制输出端。如：图6 五进制接法如： 图7 十进制接法图8 74LS90引脚与逻辑功能引脚的排列与逻辑功能示意图如图所示，74LS90有Q0Q3四个输出端，两个输入端CP0、CP1，清零端两个R0A、R0B，置位端两个S0A、S0B。74LS90与其它的元器件有所不同，74LS90的接地端为10脚，而接电源端为5脚。图9 74LS90真值表在74LS90的真值表中，R和S端是计数器的清零和置位端。在没有清零和置位信号到来时，且脉冲信号的下降沿时，可进行三种进制的计数方法。分别是二进制计数、五进制计数和十进制计数。而十进制有两种方式，一是8421码十进制计数，另一种是5421十进制计数。若Q0接入CP1上，作为CP1的脉冲输入时，便是8421码十进制计数。而Q1接在CP0上，作为CP0的输入时，其接法是5421码十进制计数。在秒表的设计原理图中，74LS90的接法，将R和S 端接在复位电路的清零电路和置位电路中。而将计数方式的接法应是按8421码十进制的接法。其CP0接入脉冲，使得计数器计数。2.2.4双输入与非门74LS0074LS00是一种四2输入的与非门。是一种TTL电路。TTL电路是晶体管晶体管集成逻辑门电路。是以双极性型半导体管和电阻为基本元件，集成在一块硅片上，并具有一定的逻辑功能。它是一种双极性型集成逻辑电路。晶体管晶体管逻辑门电路，是指电路的输入端和输出端都采用晶体管。74LS00有四个输入端的与非门，如图所示。引脚7和14分别接地（GND）和电源（+5V左右）。图10 74LS00的逻辑图74LS00的A和B是输入端，而Y是输出端。有八个输入端，四个输出端。1和2脚输入，3脚输出。4和5脚输入，6脚输出。7脚接地。9和10脚输入，8输出。12和13输入，11输出。14脚接电源。所以74LS00有四个与非门。2.2.5集成定时器555555是一种模拟、数字混合式单定时器集成电路。由于使用灵敏、方便，因而在波形的产生与变换、控制等许多方面都有广泛应用。555定时器双称时基电路，是一种用途很广泛的单片集成电路。若在其外部配上少许阻容元件，便能构成各种不同用途的脉冲电路，如振荡器、单稳触发器以及施密特触发器等。同时，由于它的性能优良，使用灵活方便，在工业自动控制、家用电器和电子玩具等许多领域得到广泛的应用。正因如此，自70年代初第一片定时器问世后，国际上各主要的电子器件公司也都相继生产了各种555定时器。555定时器的产品有双极型和CMOS型。图11 集成555定时器如图a 双极型定时器的电路原理图。它的核心是一个RS触发器，触发器的输入 、 分别由两个电压比较器A1和A2输出供给，触发器的输出控制一个放电管V。此外还有一复位端 （低电平有效）。两个电压比较器的参考电位由三个阻值均为5k内部精密电阻供给，故称555定时器。图b为其引脚排列图。表3 555的真值表当TH高触发端6脚加入的电平大于 ，TL低触发端2脚的电平大于 时，比较器A1输出高电平，比较器A2输出低电平，触发器置“0”，放电管饱和，7脚为低电平。当TH高触发端加入的电平小于 ，TL低触发端的电平大于 时，比较器A1输出低电平，比较器A2输出低电平，触发器状态不变，仍维持前一行的电路状态，输出低电平，放电管饱和，7脚为低电平。当TH高触发端6脚加入的电平小于 ，TL低触发端的电平小于 时，比较器A1输出低电平，比较器A2输出高电平，触发器置“1”，输出高电平，放电管截止，7脚为高电平。因7脚为集电极开路输出，所以工作时应有外接上拉电阻，故7脚为高电平。当从功能表的最后一行向倒数第二行变化时，电路的输出将保持最后一行的状态，即输出为高电平，7脚高电平。只有高触发端和低触发端的电平变化到倒数第三行的情况时，电路输出的状态才发生变化，即输出为低电平，7脚为低电平。图12 多谐振荡器如555的电路接法构成多谐振荡器。使得u0输出端连续输出矩形脉冲，其电路输出的波形图如图（b）。可以算出：tp10.7(R1+R2)C tp20.7R2C振荡周期：T=tp1+tp20.7(R1+2R2)C振荡频率： f=1/T=1/0.7(R1+R2)C在秒表设计的电路中，要求所产生的频率为100Hz的脉冲。所以在此多谐振荡器的电路中，若R1为100k，而R2为300k，C为0.1uF时，根据振荡器输出脉冲uO的工作周期为：T0.7(R1+2R2)C来计算而得到100Hz的矩形脉冲。多谐振荡器产生100Hz的脉冲，秒表所需要的脉冲周期为0.1s，所以要将100Hz的脉冲送入进行10次分频的分频器中，以供计数器所需。2.3其他元件特性参数（1）电阻a)标称阻值：电阻器上面所标示的阻值。 b)允许误差：标称阻值与实际阻值的差值跟标称阻值之比的百分数称阻值偏差，它表示电阻器的精度。允许误差与精度等级对应关系如下：0.5%-0.05、1%-0.1(或00)、 2%-0.2(或0)、5%-级、10%-级、20%-级 c)额定功率：在正常的大气压力90-106.6KPa及环境温度为5570的条件下，电阻器长期工作所允许耗散的最大功率。 线绕电阻器额定功率系列为（W）：1/20、1/8、1/4、1/2、1、2、4、8、10、16、25、40、50、75、100、150、250、500非绕线电阻器额定功率系列为（W）：1/20、1/8、1/4、1/2、1、2、5、 10、25、50、100 d)额定电压：由阻值和额定功率换算出的电压。e)最高工作电压：允许的最大连续工作电压。在低气压工作时，最高工作电压较低。 f)温度系数：温度每变化1所引起的电阻值的相对变化。温度系数越小，电阻的稳定性越好。阻值随温度升高而增大的为正温度系数，反之为负温度系数。g)老化系数：电阻器在额定功率长期负荷下，阻值相对变化的百分数，它是表示电阻器寿命长短的参数。h)电压系数：在规定的电压范围内，电压每变化1伏，电阻器的相对变化量。 综合考虑了多种因素的影响，我选择了允许误差与精度等级为10%-级、非绕线电阻器额定功率为1/8的电阻和误差最小的电容。（2）电容电容容量误差表符 号 F G J K L M允许误差 1% 2% 5% 10% 15% 20%如：一瓷片电容为104J表示容量为0. 1 uF、误差为5%（3）电位器电位器提供的是50k，数量为一个。有助于需要调节电阻的地方。（4）开关开关有两种不同的开关，一是三只脚的开关，另一种是四脚开关。四脚按钮开关提供四个，而三脚开关只提供一个。第三章 数字秒表的原理与结构3.1秒表的原理根据秒表设计的方框图可以得知，贯穿整个秒表最主要的是脉冲。在控制脉冲的启动与停止，就可以控制秒表计时的启动与停止。脉冲通过555集成定时器外接电路来产生。在秒表中，输入脉冲后，脉冲进入计数器，使计数器计数。而计数器计数结果输入译码器中，由译码器译码显示驱动数码管显示。因脉冲有一定的周期，而计数器在脉冲的上升沿或下降沿到来时计一次数，所以脉冲的周期就影响计数器计数时间。当脉冲周期为1Hz时，计数器计一次数的时间就为1秒。对于计时的复位，对计数器直接进行复位就可以清零计数时间，使结果为零。3.2秒表的总体结构秒表的总体结构可分为三部分，由计数显示电路、复位电路、控制电路与电源电路组成。复位电路主要对计数显示电路进行复位清零，控制电路主要对计数器进行启动与停止的控制。而电源电路主要是由外部接入电源，使电子秒表计数，外部电源是由家用220V交流电转变为5V的直流电，以供秒表使用。3.2.1秒表的计数显示电路计数显示电路是构成秒表电路不可缺少的部分之一。计数显示电路包括三部分：计数电路、译码电路和显示电路。（1） 计数电路由计数器组成。所设计的秒表计时时间在10分钟内，且精确到0.1秒，所以需要的计数器有四个，这四个计数器根据个位、十位的排列不同，而相接的方法也不同。如图：图13 计数电路（2） 译码电路译码电路主要是将计数电路所输出的结果进行译码成七位能驱动数码管显示的数字。（3） 显示电路显示译码电路所输入的内容。由数码管组成。3.2.2秒表的复位电路 复位电路是为清零计数器计数结果，将计数器复位至最初为“0000”的状态。它包括电源清零电路和反馈清零电路。（1） 电源清零电路这种清零电路对于每一个计数器都需要。在所设计的秒表中，所采用的计数器属于高电平清零。当给予一个高电平的清零信号，就使计数器清零。所以将计数器的清零端与电源相连，并在之间串联一个开关。当需要清零时，闭合开关即可；而不需要清零时，则断开清零端与电源的连接，即断开开关。（2） 反馈清零电路秒表计时，在秒的单位下，个位计时为十进制，当个位计时为9时，当下一脉冲到来时，则个位变为0，而十位则加1。因为秒的十位为六进制，所以计到5时，当下一脉冲到来时，就向分钟的单位的个位进1。因74LS90是异步计数器，所以在秒的单位的十位下将其采用六进制的连接方法。所以需要一个反馈清零电路来完成。如图：图14 反馈清零电路因为在实际电路中，此计数器的电源清零信号与反馈清零信号会相冲突，违背规则，所以在电源清零电路与反馈清零电路之间用一或门来相连，以协调两信号的清零作用。3.2.3秒表的控制电路控制电路就是对秒表的控制，也就是对秒表所需要的脉冲的控制，因控制了脉冲就相当于控制了秒表。控制脉冲主要是控制脉冲的启动与停止。电路包括脉冲产生电路、防抖动电路和脉冲分频电路。（1） 脉冲产生电路脉冲的产生电路由集成定时器555和外部电路构成。外部电路中包括电阻、电容及电位器。如：图15 脉冲发生电路因为所设计的秒表的脉冲精确到0.01s，所以电阻、电容及电位器的值如图中所示。根据T=0.7(R1+2R2)C，可知式中的R2为图中的R2+R3，而C为图中的C1。所以当R1=100K，R2=3K，调节电位器R3=17K时，而C1为0.1uF，就可以得到所需的0.01s的脉冲。（2） 防抖动电路防抖动电路是由RS触发器组成。也就是由两个与非门并排，将两个输出端分别送入对方的输入端，另两个输入端作为触发器的输入端，同时两个输出端作为触发器的输出端，其中一个为Q，而另一个为 。图16 防抖动电路如图，用两个开关来控制防抖动电路的低电平输入。将防抖动电路的一输出端与脉冲输出端接在一个与非门上，这样防抖动电路就可以控制脉冲了，因为当防抖动电路输出为零时，不论脉冲输出的是低电平还是高电平，其由与非门输出的信号一直都会是高电平，这就使整个计数电路停止计数，也就是秒表停止计时；当防抖动电路输出为高电平时，与非门的输出端则由脉冲的输出而确定，这样就启动了计数电路计数。RS触发器的功能如下：表4 RS触发器真值表R SQn+11 11 01 10 0Qn10不定（3） 脉冲分频电路所设计的秒表计时间时精确到了0.1秒，而由脉冲产生电路产生的脉冲的周期是0.01秒，是为了减小误差，提高准确性。但是，为了满足秒表的需要，所以必须将0.01秒的脉冲变为0.1秒的脉冲，这就采用分频电路。所谓分频电路，其实与计数相差无异。当脉冲输入计数器时，计数器采用二进制计数，这就相当于把所输入的脉冲进行了二分频，也就是由计数器输出的连续数据组成的脉冲的频率是输入的脉冲的一半。若计数器采用十进制计数，而输出的结果的频率则是原来的十分之一，也就是十分频。所以当周期为0.01秒的脉冲输入到以十进制计数的计数器中，其输出的脉冲的周期为0.1秒。这就满足了秒表的需要。如：图17 分频电路如图分频电路，原脉冲由CKA输入，而新的脉冲则由QD输出。按这样的接法就可达到想要的结果。 因 在分频器上 的 R0（1） 和 R0（2）端上与电源相连并串上一个开关，这样可以对分频器进行清零处理。第四章 制图4.1Protel 99 SE4.1.1Protel 99 SE的发展Protel设计系统是一套建立在IBM兼容PC环境下的EDA电路集成设计系统。事实上，Protel 设计系统是世界上第一套被引入Windows环境的EDA开发工具，一向以其高度的集成性及扩展性著称于世。Protel 99 SE就是由早期Protel版本发展而来的，是基于Windows95/98/2000/XP环境的新一代电路原理图辅助设计与绘制软件，其功能模块包括电路原理图设计、印制电路板设计、无网格布线顺、可编程逻辑器件设计、电路图模拟/仿真等。它是集成电路设计与开发环境于一体的软件。4.1.2Protel 99 SE的特点在原理图Schematic模块中，具有支持层次化设计、编辑功能、设计自动化功能、在线库编辑及完善的库管理等特点。在印制电路板PCB模块中，具有32位的EDA 设计系统、强大的设计自动化功能、在线式库编辑及完善的库管理和完备的输出系统等特点。4.2原理图的设计4.2.1原理图设计的步骤原理图的设计过程分为十五步。分别是：一、启动Protel创建路径。在D盘建一个新文件夹，并重命名。二、参数设置。设置字体、大小等参数。三、创建原理图。创建一个原理图Schematic模块。四、重命名。默认名为Sheet1.sch。五、设置界面参数：光标、尺寸、颜色、大小。设计环境对绘制原理图影响很大，在绘制原理图之前应该把设计环境设置好。绘制原理图环境设置主要包括图纸大小、捕捉栅格、电气栅格、模板设置等。六、添加库、删除库。七、放元件。将电器和电子元件放置到图纸上。一般情况下元件的原理图符号在元件库可以找到。首先需要添加常用元件库，再从元件库中把元件取出放在图纸上。由于元件种类非常多，被分别放在不同的元件库中，所以应该清楚常用元件在那些库中。八、布局。布局要美观且合理。九、连线。元件放在图纸上就需要具有电器连接性质的导线把它们连接起来，连接时一定要符合电器连接规则。十、网络标号。十一、 加VCC、GND。十二、 加封装、值。编辑元件的属性，这些属性包括元件名、参数、封装等。这些属性可以在提取元件时一并完成，这样可以提高效率。调整元件和导线等操作。十三、 编号、注释。给元件编排序号。十四、 检测。使用Protel 99 SE的电器规则检查功能检查原理图的连接是否合理与正确，给出检查报告。若有错误就需要根据错误进行改正。值得注意的是该功能只是检测电器连接性质，如果绘制的原理图连接错了但没有电器连接性质的错误它是检查不出来的，所以绘制时要特别注意、仔细和小心。十五、 生成网络表。生成原理图的网络表，所谓网络表就是元件名、封装、参数及元件之间的连接表，通过该表可以确认各个元件和它们之间的连接关系。4.2.2秒表的原理图如附录一。4.3PCB板的设计4.3.1PCB板设计的步骤PCB板的设计分为十步。分别是：一、启动Protel创路径。与启动原理图方法一样。二、参数设置。设置字体、大小等。三、创建PCB板。创建PCB板模块。四、重命名。默认名为PCB1.PCB。五、设置参数原点、网格。进入电路板（PCB）设计环境，使用电路向导确定电路板的层数、尺寸等电路板参数。六、画禁止布线层。在KeepOutLayer层画，为了在布线时，使其在一定的范围内进行布线。七、调网络表。使用Design/Netlist菜单，调入网络表。这时最容易在网络表中的封装和封装库中元件的封装不符合的错误。在设计中由于几种元器件没有现成的封装，需要自己根据实际元件的尺寸进行画封装，作好后没有添加到设计面板上去，致使在导入网络表时老是出错。最后经老师的指点添加后，很容易就排除了这个错误。八、布局。布局，就是将元件合理地分布在电路板上，在布置过程中只要不违反布局规则且尽可能的布置的工整、有序、满意，因为这也是一个工艺问题。九、设规则。十、布线。有自动布线和手动布线之分，不论采用那种布线均要设置布线规则。 4.3.2秒表的封装图如附录二。4.3.3秒表的PCB板图如附录三。4.4图纸的打印 为了将PCB板打印成图纸而后生成实物图，所以在打印PCB板时，只打印底层布线图和多层所放置的焊盘图，且不用映象。这样打印出的PCB图印在印制板的覆铜层上就成为映象图。在印制板的另一面印上所打印的丝印层、顶层和多层的映象图，而印上去后就不是映象图，正好达到了我们所想要的效果。 在打印图纸时，为了使打印的图能印在印制板上，所采用的纸为油纸。第五章 秒表电路的测试5.1脉冲产生电路的测试用示波器观察输出电压波形并测量其频率，调节R34，使输出矩形波频率为100Hz。检查555线路连接是否良好,555定时器构成的多谐振荡是否起振。5.2防抖动电路的测试基本RS触发器的组成如下：图18 基本RS触发器功能概述 =0， =1时，触发器处于置位状态，Q=1； =1， =0时，Q=0，处于复位状态。 = =1时，触发器状态不变，处于维持状态。Qn+1=Qn。 = =0时，Qn+1=Qn =1，破坏了触发器的平衡，触发器处于禁止状态。（工作是不允许出现这种情况）。在防抖动电路中，按动按钮开关S5,检查门1输出Q=1否,门2输出 =0否，S5复位后Q状态能否保持.再按动按钮开关S4, 是否由0变1,Q由1变0。否则检查开关和与非门。5.3分频电路的测试将分频器的QD与示波器的输入端相接