数字秒表设计论文

汕头职业技术学院大作业 1 汕头职业技术学院汕头职业技术学院 专专 科科 生生 大大 作作 业业 题题 目目 数字秒表设计数字秒表设计 层层 次 次 专专 业 业 应用电子班应用电子班 年年 级 级 学学 号 号 学学 生 生 指导教师 指导教师 完成日期 完成日期 汕头职业技术学院大作业 2 内容摘要 在科技高度发展的今天 集成电路和计算机应用得到了高速发展 尤其是计算机应用 的发展 它在人们日常生活已逐渐崭露头角 大多数电子产品多是由计算机电路组成 如 手机 mp3 等 而且将来的不久他们的身影将会更频繁的出现在我们身边 各种 家用电器多会实现微电脑技术 电脑各部分在工作时多是一时间为基准的 本文就是基于 计算机电路的时钟脉冲信号 状态控制等原理设计出的数字秒表 秒表在很多领域充当一 个重要的角色 关键词 时钟脉冲信号 数字秒表 汕头职业技术学院大作业 3 目 录 引言 一 数字电路的发展历程与分类方法 5 1 1 数字电路的发展 5 1 2 数字逻辑电路分 5 二 数字电路的应用 领 6 三 数字电路的数制 6 3 1 二进制定义 6 3 2 八进制定义 6 3 3 十六进制定义 6 3 4 数制应用领域 7 四 逻辑运算的基本法则 7 4 1 逻辑运算法则 7 4 2 逻辑问题的描述方法 7 五 数字秒表系统的基本功能及其组成 各部分的工作原理 8 5 1 秒表系统方框图 8 5 2 秒信号发生模块 9 5 3 计时控制模块 10 5 4 译码显示模块 13 六 心得体会 16 七 参考文献 16 汕头职业技术学院大作业 4 引 言 数字秒表是日常生活中比较常见的电子产品 以其价格低廉 走时精确 使用方便 功能多而倍受广大用户的喜爱 如在很多喜庆场合 对某一时刻进行倒计时 人们常常使 用倒计时秒表 下文介绍了如何利用74LS192和74LS47译码器级555集成块来进行的 60 妙数字正计时和数字倒计时秒表的设计与实现 汕头职业技术学院大作业 5 一 数字电路的发展历程与分类方法 1 1 数字电路的发展 数字电路的发展与模拟电路一样经历了由电子管 半导体分立器件到集成电路等 几个时代 但其发展比模拟电路发展的更快 从60 年代开始 数字集成器件以双极 型工艺制成了小规模逻辑器件 随后发展到中规模逻辑器件 70 年代末 微处理器 的出现 使数字集成电路的性能产生质的飞跃 数字集成器件所用的材料以硅材料为主 在高速电路中 也使用化合物半导体材料 例如砷化镓等 逻辑门是数字电路中一种重要的逻辑单元电路 TTL 逻辑门电路问世较早 其 工艺经过不断改进 至今仍为主要的基本逻辑器件之一 随着CMOS 工艺的发展 TTL 的主导地位受到了动摇 有被CMOS 器件所取代的趋势 近年来 可编程逻辑器件 PLD 特别是现场可编程门阵列 FPGA 的飞速进步 使数 字电子技术开创了新局面 不仅规模大 而且将硬件与软件相结合 使器件的功能更加 完善 使用更灵活 1 2 数字逻辑电路分类 1 按功能来分 1 组合逻辑电路 简称组合电路 它由最基本的的逻辑门电路组合而成 特点是 输出值只与当时的 输入值有关 即输出惟一地由当时的输入值决定 电路没有记忆功能 输出状态随着 输入状态的变化而变化 类似于电阻性电路 如加法器 译码器 编码器 数据选 择器等都属于此类 2 时序逻辑电路 简称时序电路 它是由最基本的逻辑门电路加上反馈逻辑回路 输出到输入 或器 件组合而成的电路 与组合电路最本质的区别在于时序电路具有记忆功能 时序电 路的特点是 输出不仅取决于当时的输入值 而且还与电路过去的状态有关 它类似于 含储能元件的 电感或电容的电路 如 触发器 锁存器 计数器 移位寄存器 储存 器等电路都是时序电路的典型器件 2 按电路有无集成元器件来 可分为分立元件数字电路和集成数字电路 3 按集成电路的集成度进行分类 汕头职业技术学院大作业 6 可分为小规模集成数字电路 SSI 中规模集成数字电路 MSI 大规模集成数字 电路 LSI 和超大规模集成数字电路 VLSI 4 按构成电路的半导体器件来分类 可分为双极型数字电路和单极型数字电路 二 数字电路的应用 领域 数字电路的应用领域非常广泛 比如 数字电路与数字电子技术广泛的应用于 电 视 雷达 通信 电子计算机 自动控制 航天等科学技术各个领域 秒表时钟更 常在日常生活中应用 三 数字电路的数制 在我们的日常生活中 常用的进制主要是十进制 因为我们有十个手指 所以十进 制是比较合理的选择 用手指可以表示十个数字 0 的概念直到很久以后才出现 所 以是 1 10 而不是 0 9 例如 在早期设计的机械计算装置中 使用的不是二进制 而是十进制或者其他进制 利用齿轮的不同位置表示不同的数值 这种计算装置可能更 加接近人类的思想方式 比如说一个计算设备有十个齿轮 它们级连起来 每一个齿轮 有十格 小齿轮转一圈大齿轮走一格 这就是一个简单的十位十进制的数据表示设备了 可以表示 0 到 999999999 的数字 配合其他的一些机械设备 这样一个简单的基于 齿轮的装置就可以实现简单的十进制加减法了 而在如今的信息化 数字社会 十进 制不能满足人们的使用要求 从而出现了不同的进制概念 如我们常说的二进制 八进 制 十六进制等 那么对于二进制 八进制 还有十六进制它们各自的定义 3 1 二进制定义 二进制数据是用 0 和 1 两个数码来表示的数 它的基数为2 进位规则是 逢二 进一 借位规则是 借一当二 二进制数据也是采用位置 计数法 其位权是以 2 为 底的幂 3 2 八进制定义 八进制是以 8 为基数的计数体制 在八进制中 每位有 0 1 2 3 4 5 6 7 八个数码 它的进位进规律是 逢八进一 各位的权为 8 的 幂 3 3 十六进制定 十六进制是以 16 为基数的计数体制 在十六进制中 每位有 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A 10 B 11 C 12 D 13 E 14 汕头职业技术学院大作业 7 F 15 十六个不同的 数码 它的进位进规律是 逢十六进一 各位的权为 16 的幂 3 4 数字电路的数制应用场合 二进制是计算技术中广泛采用的一种数制 计算机运算基础采用二进制 电脑的 基础是二进制 电子计算机出现以后 使用电子管来表示十种状态过于复杂 所以所有 的电子计算机中只有两种基本的状态 开和关 也就是说 电子管的两种状态决定了以 电子管为基础的电子计算机采用二进制来表示数字和数据 这种通过不同的位置上面不 同的符号表示数值的方法就是进制表示方法 一个字是电脑中的基本存储单元 根据计 算机字长的不同 字具有不同的位数 现代电脑的字长一般是32 位的 也就是说 一 个字的位数是 32 字节是 8 位的数据单元 一个字节可以表示 0 255 的数据 对于 32 位字长的现代电脑 一个字等于4 个字节 对于早期的 16 位的电脑 一个字等于 2 个字节 八进制的数较二进制的数书写方便 常应用在电子计算机的计算中 十六 进制常用在单片机的编程里 数制应用领域范围之广 一时难以一一举例 未来的世界数字化 期待着 四 逻辑运算的基本法则 逻辑运算的基本法则以及逻辑问题的描述方法 4 1 逻辑运算法则 根据或运算 与运算和非运算等三种基本逻辑运算 可以推导出逻辑运算的一些法则 为逻辑代数的运算法则 1 0 A 0 2 1 A A 3 A A A 4 0 A A 5 1 A 1 6 A A A 8 与运算交换律 AB BA 9 或运算交换律 A B B A 10 与运算满足结合律 ABC AB C A BC 11 或运算满足结合律 A B C A B C A B C 4 2 逻辑问题的描述方法 表示一个逻辑函数有多种方法 常用的有 真值表 逻辑函数式 逻辑图 卡诺图 4 种 它们各有特点 又相互联系 还可以相互转换 现介绍如下 1 真值表 真值表是根据给定的逻辑问题 把输入逻辑变量各种可能取值的组合和对应的输出函数 值排列成的表格 它表示了逻辑函数与逻辑变量各种取值之间的一一对应关系 逻辑真值 表具有唯一性 2 逻辑函数式 汕头职业技术学院大作业 8 逻辑函数式是用与 或 非等基本逻辑运算来表示输入变量和输出变量函数间的之间 关系的逻辑函数式 由真值表写出的逻辑式是标准的与 或逻辑式 写标准与 或逻辑式 的方法是 1 把任意一组变量取值中的 1 代以原变量 0 代以反变量 由此得到一组变 量的与组合 如 A B C 三个变量的取值为 101 时 则代换后得到的变量与组合为 ABC 2 把逻辑函数值为 1 所对应的各变量的与组合进行逻辑加 便得到标准的与 或逻辑式 3 逻辑图 逻辑图是用基本逻辑门和复合逻辑门的逻辑符号组成的对应于某一逻辑功能的电路图 根据逻辑电路图函数式画逻辑图时 只要把逻辑函数运算用相应门电路的逻辑符号代替 就可画出和逻辑函数相对应的逻辑图 4 卡诺图 卡诺图是图形化的真值表 一个逻辑函数的卡诺图就是将此函数的 最小项表达式 中 的各最小项相应地填入一个方格图内 此方格图称为卡诺图 卡诺图的构造特点使卡诺图具有一个重要性质 可以从图形上直观地找出相邻最小 项 两个相邻最小项可以合并为一个与项并消去一个变量 用卡诺图化简逻辑函数的基本原理就是把上述逻辑依据和图形特征结合起来 通过 把卡诺图上表征相邻最小项的相邻小方格 圈 在一起进行合并 达到用一个简单 与 项代替若干最小项的目的 在数字电路中经常使用 五 数字秒表的基本功能及其组成 各部分的工作原理 5 1 秒表系统方框图 本电路由秒信号发生器电路 计数控制电路 译码显示电路等组成 如图 1 所示 译码译码显示显示 计时控制电路 具 秒信号发生器 汕头职业技术学院大作业 9 图 1 本电路采用 555 定时器及电阻 电容组成秒信号发生器为由 74LS192 74LS08 74LS02 四个集成组成计时控制电路提供时钟信号 然后用两个 74LS47 作为译码驱动加到了数码管 该电子秒表应具备如下功能 1 具备正计时和倒计时两种功能 能实现显示计数值 其计数范围为 60s 计数频率为 1s 2 具备计数功能选择 双掷 开关 切换 正计时 或 倒计时 设置置初态开关 清零 00 和 预置数 30 3 具备设计连续 暂停功 能 当开关掷向 连续 挡时 计时电路连续计时 当开关掷向 暂停 挡时 计时电路 停止计时 并保持原计时值不变 当恢复为 连续 挡时 计时电路接续原状态继续计时 5 2 秒信号发生电路 信号发生电路由震荡器构成 采用集成块 555 1K 的电阻 R1 R2 0 1u 电容 C1 330u 的电容 C2 组成多谐振荡器 当接通电源 电源通过电阻 R1 与 R2 对电容 C1 进 充电 当 UC2 上升到 2 3VCC 时 集成块 555 的 3 脚输出低电平 内部三极管导通 C1 通电阻 R1 进行放电 当 UC2 下降到 1 3VCC 时 内部三极管截止 集成块 555 的 3 脚输 出高电平 接着电源又通过电阻 R1 与 R2 对电容 C1 进充电 当 UC2 上升到 2 3VCC 时 集成块 555 的 3 脚输出低电平 如此循环的充 放电 555 的 3 脚输出频率为 1s 兹的矩形 方波信号加到 U1 的输入端 UP 或 CD 图 3 RSTTHRTRIOUTTD 0XX0导通 1 2 3VCC 1 3VCC0导通 11 3VCC不变不变 1 2 3VCC2 3VCC 1 3VCC1截止 555 真值表 图 2 注明 6 脚为 THR 触发器输入端 低电平有效 2 脚为 TRI 阀值输入端 高电平有效 4 脚为 RST 总复位端 低电平有效 7 脚为 DIS 放电端 5 脚为 CON 控制端 1 脚接地 8 脚接电源 3 脚为输出端 TD 为内部三极管 汕头职业技术学院大作业 10 R 4 DC 7 Q 3 GND 1 VCC 8 TR 2 TH 6 CV 5 U5 555 R1 1k R2 1k C1 330u C2 0 1u 秒信号发生器电路 图 3 5 3 计时控制模块 计时系统由 74 LS192 74LS08 74LS02 构成 74LS192 是一个同步进制可逆计 数器 74LS08 是二输入端与门 74LS02 是二输入端或非门 计数开始时 先在 RD 端 输入一个正脉冲 此时 U1 U4 两个计数器均被置为 0 状态 此后在 LD 端输入 1 RD 端输入 0 使计数器处于计数状态 在个位的 74LS192 的 CU 端逐个输入计数脉 冲 CP 个位的 U1 计数器开始进行加法计数 在第 10 个 CP 脉冲上升沿到来后 个位计 数器的状态为 1001 变为 0000 同时其进位输出 C 从 0 变到 1 此上升沿使十位的 U4 计数器从 0000 开始计数 用 74LS08 74LS00 做成反馈电路 使计数器接到第 30 个 CP 脉冲作用后 计数器状态由 00101001 恢复为 00000000 完成一次计数循环 图 10 控制电路主要由其本质是一个 RS 触发器和单稳态触发器组成 SW1 控制数字秒表的 启动和停止 A1 控制数字秒表的清零复位 A2 控制数字秒表的预置数 B1 控制数字秒表 的正计时 B2 控制数字秒表的倒计时 开始时把 SW1 和 B1 合上 运行本电路 数字秒 表正在计数 合上 SW1 和 B1 键 U5 的信号加到 U1 的输入端 CU 进行个位正计数 U1C 输出上升脉冲加到 U4 的输入端 CU 进行十位正计数 当合上 B2 计时表进行倒计 时 当合上 A1 高电平加到 U1 和 U4 的输入端 RD 所有触发器均被置 0 计数器进行清 零复位 而合上 A2 高电平加到 U1 和 U4 的输入端 LD 就可以进行预置数 30s 图 10 在本次设计中 采用 74LS 系列中的 74LS192 74LS08 74LS02 的中小规模的集成电 汕头职业技术学院大作业 11 路 74LS190174LS192 74LS08 74LS02 集成芯片引脚图和真值表 图 4 9 如下 74LS192 逻辑符号 74LS192 74LS192 引脚图 图 4 引出端符号 T CD 错位输出端 低电平有效 C U 进位输出端 低电平有效 CPD 减计数时钟输入端 上升沿有效 CPU 加计数时钟输入端 上升沿有效 MR 异步清除端 P0 P3 并行数据输入端 P L 异步并行置入控制端 低电平有效 Q0 Q3 输出端 74LS192 的真值表 图 5 汕头职业技术学院大作业 12 74LS08 的引脚图 图 6 各端子的功能和符号说明如下 引出端符号 1A 4A 输入端 1B 4B 输入端 1Y 4Y 输入端 74LS08 的真值表 图 7 74LS02 的引脚图 图 8 各端子的功能和符号说明如下 引出端符号 1A 4A 输入端 1B 4B 输入端 1Y 4Y 输入端 74LS192 InputsOutput ABY 000 010 100 111 InputsOutput ABY 000 011 101 111 汕头职业技术学院大作业 13 的真值表 图 9 D0 15 Q0 3 D1 1 Q1 2 D2 10 Q2 6 D3 9 Q3 7 UP 5 TCU 12 DN 4 TCD 13 PL 11 MR 14 U1 74LS192 SW1 SW SPDT D0 15 Q0 3 D1 1 Q1 2 D2 10 Q2 6 D3 9 Q3 7 UP 5 TCU 12 DN 4 TCD 13 PL 11 MR 14 U4 74LS192 1 2 3 U6 A 7408 置置0A1 前前B1 2 3 1 U7 A 74LS02 A2 R3 1k 计时控制电路 图 10 5 4 译码显示模块 显示系统由译码器 显示器组成 译码器由 74LS47 构成 为 BCD 七段译码器 驱动 器 显示器由 7SEG MPX1 CA 的数码管构成 为共阳极七段数码显示管 具体过程为 由震 荡器产生 1s 脉冲信号 传入计数系统 先进入计数器 然后传入译码器 将 4 位信号转化 为数码管可显示的 7 位信号 结果以 秒 在数码管显示出来 该秒表最大计时值为 30 秒 在秒表电路中 译码器的输入信号就是计数器的输出信号 它的输出端接主数码管 计数 器输出的四位 BCD 码给译码器后 变成某个十进制书对应的控制电平 主驱动数码管发光 74LS47 的输出为一组七位二进制代码 输出 W 低电平有效 正好与共阴极七段数码显示管 引脚联结 这就是组成了计数译码显示电路 图 14 在本次设计中 采用 74LS 系列中的 74LS190 的中小规模的集成电路 74LS1901 集成芯 片引脚图和真值表 图 11 13 如下 74LS47 的逻辑功能表 数 字 输入输入 输 出 输出字 型 十LTRBIA3A2A1A0BI RBOabcdefg 汕头职业技术学院大作业 14 进 制 0110000100000010 11X0001110011111 21X0010100100102 31X0011100001103 41X0100110011004 51X0101101001005 61X0110111000006 71X0111100011117 81x1000100000008 91x1001100011009 灭 零 10000000000000 试 灯 0 xxxxx111111118 灭 灯 xxxxxx00000000 74LS47 引脚图 图 11 74LS47 的引脚图 图 12 各端子的功能和符号说明如下 汕头职业技术学院大作业 15 1 LT 试灯输入 是为了检查数码管各段是否能正常发光而设置的 当 LT 0 时 无 论输入 A3 A2 A1 A0 为何种状态 译码器输出均为低电平 若驱动的数码管正常 是显示 8 2 BI 灭灯输入 是为控制多位数码显示的灭灯所设置的