数字式秒表x - search read.pudn.com.docx

引 言 数字式秒表已成为人们常生活中必不可少的必需品，广泛用于个人家庭以及车站、码头、剧场、办公室等公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。由于数字集成电路技术的发展和采用了先进的石英技术，使数字钟具有走时准确、性能稳定、携带方便等优点，它还用于计时、自动报时及自动控制等各个领域。 尽管目前市场上已有现成的数字钟集成电路芯片，价格便宜、使用也方便，但鉴于数字钟电路的基本组成包含了数字电路的主要组成部分。同学们能将已经学过的比较零散的数字电路的知识能够有机的、系统地联系起来用于实际，培养综合分析、设计电路的 能力，进行数字式秒表的设计是必要的。 目录摘要：3关键字：3技术要求3正文3一方案论证与选择31.电源电路：32.振荡电路43.开关电路：44.分秒计数器电路：45.译码显示电路4系统整体结构框图5二单元电路设计与分析51 电源电路52 振荡电路63. 基本RS触发器开关94. 分秒计时电路105.译码显示电路12三电路的安装与调试141.电源电路142.振荡电路143.开关电路144.分秒计时电路155.译码显示电路15结束语16元器件明细表16芯片内部结构及引脚图17参考文献18心得与体会19存在的问题20摘要：本电路根据题目的要求，采用由上而下层次化的设计，确定本设计所包含的模块有：电源电路，振荡电路，开关电路，分秒计时电路，译码显示电路。模块先定义和规定各个模块的结构，再对模块内部进行详细设计。详细设计的时候又根据可采用的芯片或器件，分析各芯片或器件是否适合本次设计，选择功能与价格较合适的芯片或器件进行设计，计算出具体的数据参数，设计出具体的连接方式。最后将设计好的模块组合调试，并在multisim下仿真，寻找出设计中的错误和不恰当之处，加以改正，最终达到设计要求。关键字：LM555CM 74LS160D 74LS48D 74LS00D 技术要求：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；4. 控制操作键不超过二个。正文一方案论证与选择1.电源电路：方案一：选择蓄电池等直流电源作为电路的供电电源。方案二：采用交流电经过变压，稳压之后产生的直流电作为电路的供电电源。方案三：本方案是在综合方案一和方案二的基础上，设计的一个综合供电电路。大概构思是 在市电供电时，电路的供电是由交流电经过变压，稳压之后产生的直流电完成的；在市电不供电时，电路的供电是由直流电源完成的。 由于数字时钟在应用的场合下，希望尽量少的因停电而不能够正常工作，而方案一和方案二都只是考虑了一方面的供电，这样就相对于方案三来说，减小了数字式电表不能正常工作的概率。所以电源电路选择方案三来作为本设计的电源电路。2.振荡电路方案一：选用石英晶体作振荡电路，石英晶体的品质因数Q值很高，因而具有很好的选频特性；另外它具有一个极为稳定的串联谐振频率fs。而fs只由石英晶体的方向和外形尺寸所决定，由于控制几何尺寸可以做非常精密，因此，其谐振频率十分精确。但石英晶体振荡频率很高，对于本设计，要获得精确的合适的振荡频率，其振荡分频电路会过于复杂。如选用HC-49/U_5MHz石英晶体作为振荡电路，要获得本设计所需的100Hz振荡频率，需分频5X104，若用74LS290D异步二-五-十进制计数器构建分频电路，需用一块进行五分频，四块进行十分频，共五块，虽精度较高，但在无精度要求下，代价太大。方案二：选用555定时器作振荡电路， 555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。本设计采用的脉冲信号要求是100Hz，而555构成的振荡电路所达到的频率为（1000.01）Hz，100分钟误差为0.6s，对于精度要求较低的场合，使用555定时器作振荡电路性价比较高，故本设计选择方案二。3.开关电路：方案一：用机械开关直接连接芯片控制端，实现对电路的控制与操作。此方案虽极为简单，但机械开关从一个位置扳到另一个位置时，机械出头在闭合瞬间将要产生震颤，形成抖动脉冲。抖动脉冲可能产生电路误动作，会影响电路正常工作。方案二：在机械开关后先接由两与非门组成的基本RS触发器，再连接芯片控制端，实现对电路的控制与操作。基本RS触发器能够消除机械开关产生的抖动脉冲，使电路更加稳定可靠，故本设计选择方案二。 4.分秒计数器电路：本设计采用74LS160D芯片完成计数功能，74LS160D为同步十进制加法器，具有异步清零、同步预置数等功能，适合本设计。 5.译码显示电路本设计采用74LS48D芯片完成数字显示译码，用七段共阴极数码管显示数字。74LS48D是七段显示译码器，输出高电平有效，用以驱动七段共阴极数码管。系统整体结构框图 图1 数字式秒表系统整体结构框图该系统的工作原理是：多谐振荡电路产生的100Hz时钟脉冲信号，作为数字时钟的计时基准，厘秒计数器完成100次计数后向秒计数器进位，秒计数器完成60次计数后向分计数器进位，分计数器计数完成100次计数，复位回零。计数器的输出经译码器送显示器。启动清零复位电路通过计数器控制端控制计数器的计数、暂停、清零复位工作状态。二单元电路设计与分析主体电路是由功能部件或单元电路组成。在设计这些电路或选择部件时，尽量选用同类型的部件，如本设计所有功能部件都采用TTL集成电路。整个系统所用的部件种类应尽可能的少。下面介绍各功能部件与单元电路的设计。1 电源电路电源电路如图，其由二极管D2,D3及三端集成稳压器LM7805CT构成，其中为V2为5V直流备用电池，当市电停止供电时，直流电源V2经二极管D4自动给数字式秒表电路供电，市电给数字式秒表电路供电时，二极管D4反偏截止，直流电源V2停止供电。 图 2 电源电路图2 振荡电路振荡器是数字时钟的核心。振荡器的稳定度及频率的精确度决定了数字时钟的准确程度。一般说来，振荡器的频率越高，计时精度越高。本设计技术要求中未对误差作要求，因而可采用555构成的多谐振荡电路。具体分析如下：由于本设计要求的分辨率为0.01秒，那么要求采用的脉冲信号要求是100Hz。若选用石英晶体作振荡电路，石英晶体的品质因数Q值很高，因而具有很好的选频特性；另外它具有一个极为稳定的串联谐振频率fs。而fs只由石英晶体的方向和外形尺寸所决定，由于控制几何尺寸可以做非常精密，因此，其谐振频率十分精确。但石英晶体振荡频率很高，对于本设计，要获得精确的合适的振荡频率，其振荡分频电路会过于复杂。如选用HC-49/U_5MHz石英晶体作为振荡电路，要获得本设计所需的100Hz振荡频率，需分频5X104，若用74LS290D异步二-五-十进制计数器构建分频电路（如图3），需用一块进行五分频，四块进行十分频，共五块，虽精度较高，但在无精度要求下，代价太大。 图 3 晶振分频电路 图 4 555构成多谐振荡器选用555定时器构成多谐振荡器（如图4），当接通电源VCC后，电容C上的初始电压为0V，比较器C1、C2输出为1和0，使u0=1，放电管T截止，电源通过R1、R2向C充电。uc上升至时，RS触发器被复位，使u0=0,T导通，电容C通过R2到地放电，uC开始下降，当降到VCC/3时，输出u0又翻回到1状态，放电管T截止，电容C又开始充电。如此周而复始，就在3脚输出矩形波信号。由图6可见，uC将在VCC/3与2VCC/3之间变化，因而可求得电容C上的充电时间T1和放电时间T2 T1=（R1+R2）Cln20.7（R1+R2）C T2=R2Cln20.7R2C所以输出矩形波的周期为 T=T1+T2=(R1+2R2)Cln20.7(R1+2R2)C振荡频率 f 1.44(R1+2R2)C占空比 q=R1+R2R1+2R250%如果R1R2,则q1，uC近似为锯齿波。根据设计条件得C3=100Nf ,R1+2R2=14.4K,选择R3可调电阻，通过调整可得到100Hz时钟信号，误差为0.01Hz，即100分钟计时误差最大为0.6s。 图 5 555定时器电路结构图 图 6 555定时器构成的多谐振荡器工作波形3. 基本RS触发器开关 图 7 基本RS触发器开关当机械开关从一个位置扳到另一个位置时，机械触头在闭合瞬间将要产生震颤，形成抖动脉冲，抖动脉冲可能会使电路产生误动作，会影响电路的正常工作，因此要在机械开关后加基本RS触发器，以消除开关抖动。S1断开时，若S2闭合，输出低电平，计数器被清零；若S2断开，输出高电平，计数器从预置数开始计数。S2断开时，若S1闭合，输出低电平，计数器保持，即暂停计数；若S1断开，输出高点平，计数器继续计数。S1闭合时，S2无作用；S2闭合时，S1无作用，故操作中，为使计数器工作可靠，不应使两开关同时闭合4. 分秒计时电路本设计采用计数器74LS160D芯片完成计数功能，采用译码器74LS48D芯片完成七段数码管的数码管驱动任务。按照数字时钟系统组成框图，按照信号的流向分级安装，逐级级联，这里的每一级是指组成数字时钟的各功能电路。多谐振荡电路产生的100Hz时钟脉冲信号，作为数字时钟的计时基准，厘秒计数器完成100次计数后向秒计数器进位，秒计数器完成60次计数后向分计数器进位，分计数器计数完成100次计数，复位回零。计数器实现了对时间的累计以8421BCD码形式输出，选用显示译码电路将计数器的输出数码转换为数码显示器件所需要的输出逻辑和一定的电流，选用74LS48D作为显示译码电路，选用共阴极LED数码管作为显示单元电路。 74LS160D芯片是同步十进制加法器，具有异步清零、同步置位等功能。CPRDLDEP ETD C B AQD QC QB QAX0XX XX X X X0 0 0 010X XD C B AD C B AX110 XX X X X 保持X11X 0X X X X 保持111 1X X X X 加计数 表 1 74LS160D功能表异步清零：当RD=0时，其他输入端任意取值，计数器将被直接置零。同步预置数：当RD=1，LD=0，且有CP脉冲下降沿作用时，完成将输入端DCBA的数据置入计数器操作，使QDQCQBQA=DCBA。保持：当RD=LD=1时，若EPET=0,则计数器保持输出原状态不变，不管有无CP脉冲作用。不过ET=0时，进位输出RCO=0。计数：当RD=LD=1,EP=ET=1时，LS74160D处于计数状态，对CP脉冲下降沿进行十进制加计数。根据设计要求秒表最大计时值为99分59.99秒得：厘秒位、十厘秒位、秒位、分位、十分位都为十进制计数，十秒位为六进制计数。厘秒位、十厘秒位、秒位、分位、十分位计数器不使用同步置数功能，十秒位使用同步置数功能，同步置数为DCBA=0000,故设计中将所有计数器预置数DCBA接入地，即置为零。将控制端EPET接到开关引出线146，S1闭合，开关引出线低电平，EPET=0,计数器保持，即暂停计数，S2断开，开关引出线高电平，EPET=1,计数器继续计数。将控制端RDLD接到开关引出线147，S2闭合，开关引出线低电平，RD=0,计数器置零，S2断开，开关引出线高电平，RD=1，计数器开始从0000计数。因为74LS160D为同步十进制计数器，故计数器输出1001后，自动返回0000重新开始计数，又因为74LS160D在CP脉冲下降沿计数，故将厘秒位、十厘秒位、秒位、分位计数器输出QD引出作高一位计数器的计数输入脉冲，QD在0000、0001、0010、0011、0100、0101、0110、0111时为低电平；在1000、1001时为高电平。1001输出后，计数器自动置为0000，即QD又变为低电平，从高电平到低电平的CP下降沿使高一位在低位置零时自动加一。 图 8 十进制计数器循环状态图 设计要求中，十秒位最大计数值为5，即十秒位为六进制循环计数，将计数器输出QA、QC共同接入一两输入与非门中，与非门U23在0000、0001、0010、0011、0100时输出高电平，在0101时输出低电平，当CP下降沿出现时，十秒位计数器被置零，与非门U23输出高电平，计数器从0000重新开始计数。由于计数器74LS160D在CP下降沿计数，而与非门U23在计数器由0100到0101的CP脉冲下降沿时产生下降沿，若直接连接到分计数器的CP脉冲输入，则在十秒计数器还为0101时就自动加一，连接数码管时，则会先错误显示XX分5*.*十秒，然后才会正确显示XX分0*.*（X-代表不变的数字显示；*-代表变化的数字显示）即分计数器会错误的提前十秒计数，故应在与非门U23输出接一级非门再连入分计数器CP脉冲输入（为减少元件数量和种类，此设计用与非门的输入连接在一起用作非门），这样十秒置零就会与分计数器加一同时进行，从而消除上述错误。图 9 六进制计数器循环状态图 图 10 分秒计时电路图5.译码显示电路本设计采用74LS48D芯片完成数字显示译码，用七段共阴极数码管显示数字。74LS48D是七段显示译码器，输出高电平有效，用以驱动七段共阴极数码管。 表 2 74LS48D功能表LT、RBI、BI/RBO是LS48七段显示译码器的辅助控制端。试灯输入LT试灯输入主要用于检测数码管能否正常发光。检测时，LT低电平， BI/RBO高电平， RBI=X，DCBA=xxxx，七段数码管全亮，工作时，应置LT为高电平。灭零输入RBI灭零输入是将有效数字先后多余的零熄灭。当LT高电平，RBI低电平时，若输入代码为DCBA=0000,则相应的零字形不显示，即灭零，此时BI/RBO低电平；当LT高电平，RBI高电平时，若输入代码为DCBA=0000，则显示零字形，此时BI/RBO高电平。特殊控制端BI/RBOBI/RBO是特殊控制端，输出RBO和输入BI在芯片内部连在一起，共用一根引脚BI/RBO引出。有时作为输入端，有时作为输出端。BI/RBO做输入端使用时，是灭灯输入，控制着数码管的显示。即BI低电平时，不管其他输入端状态如何，字形处于熄灭状态； BI/RBO做输出端使用时，是动态灭零输出。常与下一位的RBI相连，通知下一位如果出现零，则熄灭。根据设计要求，显示时十分位、分位、十秒位、秒位、十厘秒位、厘秒位的零都需显示，因此将灭零输入RBI和特殊控制端BI/RBO都接高电平，设计中没有检测试灯功能，故将试灯输入LT也接到高电平。七段数码管有七个发光段，分别对应于七个引脚A、B、C、D、E、F、G。七个引脚分别对应接七段显示译码器的七个输出OA、OB、OC、OD、OE、OF、OG。图 10 译码显示电路图 三电路的安装与调试1.电源电路市电供电时三极管CE电压图 11 万用表示数（1） 图 12 万用表示数（2）市电不供电时图 13 万用表示数（3）2.振荡电路振荡电路的输出频率 图 15 频率计测量显示3.开关电路S2断开时，S1由断开到闭合，再由闭合到断开时的波形图: 图 16 开关波形图S1断开时，S2由断开到闭合，再由闭合到断开时的波形与上图波形相似。4.分秒计时电路十进制计数器输入CP脉冲波形与高位计数器输入CP脉冲波形（横轴上部为高位输入脉冲） 图 17 计时器进位波形图（1）十秒位六进制计数器输入CP脉冲波形与分位计数器输入CP脉冲波形 图 18 计时器进位波形图（2）5.译码显示电路六位数码管全部有显示，显示无乱码，且进位时也能正确显示。 图 19 数字式秒表电路总图结束语元器件明细表序号 名 称 型 号 参 数 数 量 备 注1七段共阴极数码管62显示译码器 74LS48D63同步十进制计数器 74LS160D64四组两输入与非门 74LS0015 单刀単掷开关26电阻 100K27 电阻 50K18 电阻 1.219 可调电阻 50K110 电容 100nF111 电容 10nF112 极性电容 1mF113 极性电容 10F114 极性电容 10nF115 二极管416 变压器 NLT_PQ_4_10117 直流电源 5V118 三端集成稳压器 LM7805CT119 三极管 TIP41A1120 导线若干21 电路板22 定时器 LM555CM123 整流管 1B4B421 表 3 元器件明细表芯片内部结构及引脚图图 20 74LS00内部结构及引脚图 图 21 74LS160引脚图 图 22 74LS48引脚图 图 23 LM7805引脚图 图 24 555定时器引脚图参考文献1.林涛，楚岩，田莉娟，林薇编.数字电子技术基础清华大学出版社20062林涛，黄知超，李姣军，王德嘉模拟电子技术基础重庆大学出版社20033张玉璞，李庆常编电子技术课程设计北京理工大学出版社19944阎石，王红编数字电技术基础（第四版）教师手册高等教育出版社20035尹勇，李林凌编Multisim电路仿真入门与进阶科学出版社2005心得与体会课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。电子技术课程设计非常好的将我们所学习的模拟电子技术和数字电子技术与实践结合了起来，让我们对原来空洞的课本知识的理解变的具体化，加深了我们对所学知识的理解，能够更好的掌握我们所学知识的应用性，为我们以后知识的学习和积累由很大的帮助。在这次电子技术课程设计中，我通过认真分析设计要求，思考设计构想，查找翻阅有关资料，对比设计方案，确定设计方案数据参数、连接方式。并在Multisim中仿真，寻找与设计要求相悖的非正常工作状态，并通