数字秒表课程设计-最大为99小时59分59秒

湖南工业大学电气与信息工程学院电信 班 湖南工业大学 电子技术 课程设计 0 26 电子技术课程设计报告电子技术课程设计报告 学学 院 部 院 部 电气与信息工程学院电气与信息工程学院 专专 业 业 电子信息工程电子信息工程 学学 生生 姓姓 名 名 指指 导导 老老 师 师 班班 级 级 学号 学号 湖南工业大学电气与信息工程学院电信 班 湖南工业大学 电子技术 课程设计 1 26 2013 年年 12 月月 前前 言言 数字式秒表是一种常用的计时工具 以其价格低廉 走时准确 使用方便 功能多而广泛用于体育比赛中 下 文介绍了如何利用中小规模集成电路和半导体器件进行数 字式秒表的设计 本设计中数字秒表的最大计时是 99 小时 59 分 9 10 秒 也就是说分辨率是 0 1 秒 最后计数结果用 数码管显示 需要实现清零 启动计时 暂停计时 继续 计时等功能 当计时停止的时候 由开关给出一个清零信 号 使得所有显示管全部清零 在本次实验中由六片 74LS160 构成两个 100 进制计数 器和一个 60 进制计数器来实现秒表的计数功能 由于需要 比较稳定的信号 我们用 555 定时器与电阻和电容组成的 多谐振荡器或石英晶体多谐振荡器产生 100HZ 的信号 用 湖南工业大学电气与信息工程学院电信 班 湖南工业大学 电子技术 课程设计 2 26 六个数码管显示计时 最后在电路中加入了两个控制开关 一个控制电路的启动和暂停 另一个控制电路的清零 目目 录录 题目题目 摘要摘要 关键词关键词 设计要求设计要求 3 第一章第一章 系统概述系统概述 4 第二章第二章 单元电路与分析单元电路与分析 5 2 1 秒信号发生器秒信号发生器 5 2 1 1 选择信号发生器方案 5 2 1 2 石英晶体多谐振荡器 7 2 1 3 方案对比与选择 9 2 1 4 555 构成的多谐振荡器仿真图 9 2 2 消抖电路及其原理消抖电路及其原理 10 2 3 分 秒 毫秒计数器电路设计分 秒 毫秒计数器电路设计 10 2 3 1 选择计数器的方案 10 2 3 2 74LS160 计数器功能的介绍 11 2 3 3 计数器最终连线图 12 2 4 译码器译码器 13 2 4 1 译码器的基本原理 13 2 4 2 74LS48 显示译码器管脚图 13 2 4 374LS48 功能介绍 13 2 5 数码管数码管 15 2 5 1 七段数码管工作原理 15 2 5 2 七段数码管内部结构介绍 16 2 5 3 显示器匹配电路图 17 第三章第三章 系统综述系统综述 18 湖南工业大学电气与信息工程学院电信 班 湖南工业大学 电子技术 课程设计 3 26 3 1 总电路图总电路图 18 第四章第四章 结束语结束语 19 4 1 课程总结课程总结 19 4 2 故障分析故障分析 19 参考文献参考文献 20 元件明细表元件明细表 20 鸣谢鸣谢 21 收获和体收获和体 21 评语评语 23 数字式秒表 摘要 数字式秒表是一种用数字电路技术实现时 分 秒计时的装置 无机械装 置 具有较长的使用寿命 因此得到了广泛的使用 数字式秒表从原理上讲是一种典型的数字电路 其中包括了组合逻辑电路和时序电路 本次实验所做数字式秒表由信号发生系统和计时系统构成 由于需要比较稳定的信号 所 以信号发生系统 555 定时器与电阻和电容组成的多谐振荡器构成 信号频率为 100HZ 计 时系统由计数器 译码器 显示器组成 计数器由 74 160 构成 由十进制计数器组成了 一百进制和六十进制计数器 采用异步进位方式 译码器由 7447 构成 为 4 7 译码 显示 器由数码管构成 具体过程为 由晶体震荡器产生 100HZ 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 99 时 分 秒 依次在数码管显示出来 该秒表最大计时值为 99 时 59 分 59 秒 9 10 分 和 99 时 为一百进制计数器组成 秒 为六十进制计数器组成 关键词 计时 精度 计数器 显示器 设计要求 湖南工业大学电气与信息工程学院电信 班 湖南工业大学 电子技术 课程设计 4 26 1 秒表最大计时值为 99 时 59 分 59 秒 9 10 2 7 位数码管显示 分辨率为 0 1 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 第一章第一章 系统概述系统概述 所为数字式秒表 所以必须有一个数字显示 按设计要求 须用七段数码管来做显示 器 题目要求最大记数值为 99 59 59 那则需要六个数码管 要求计数分辨率为 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 一种是用晶体震荡器 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 其核心部分使用六个 74160 计数器采用串联 方式构成 这种连接方式简单 使用元器件数量少 由于 555 定时器的比较器灵敏度较高 输出驱动电流大 功能灵活 再加上电路结构简单 计算比较方便 所以 CP 脉冲是由 555 多谐振荡器产生的 数字式秒表实际上是一个频率 100HZ 进行计数的计数电路 由于数字式秒表计数 的需要 故需要在电路上加一个控制电路 该控制电路清零 启动计时 暂停及继续计数 等控制功能 同时 100HZ 的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 数字电子钟的总体图如图所示 由图可见 数字电子钟由以下几部分组成 555 振荡器和分频器组成的秒脉冲发生器 防抖开关 秒表控制开关 一百进制秒 分计数器 六十进制秒计数器 以及秒 分的译码显示部分等 串电阻串电阻串电阻 湖南工业大学电气与信息工程学院电信 班 湖南工业大学 电子技术 课程设计 5 26 图 1 1 原理流程图 第二章第二章 单元电路设计与分析单元电路设计与分析 2 1 2 1 秒信号发生器秒信号发生器 2 1 1 选择信号发生器方案 方案一 用晶体震荡器 由石英晶体构成的矩形波信号发生器方案一 用晶体震荡器 由石英晶体构成的矩形波信号发生器 石英晶体多谐振荡器 图 2 1 1 石英晶体的电抗频率特性和符号 图 2 1 2 石英晶体多谢振荡器 如图 2 1 1 所示 给出了石英晶体的符号和电抗的频率特性 把石英晶体与对称式多 谐振荡器中的耦合电容串联起来 就组成了如图 2 1 2 所示的石英晶体多谐振荡器 由此可见 石英晶体多谐振荡器的振荡频率取决于石英晶体的固有谐振频率 f0 而与 外接电阻 电容无关 如石英晶体固有频率是 5MHZ 那么输出的频率也是 5MHZ 其实石英 晶体的谐振频率由石英晶体的结晶方向和外形尺寸所决定 具有极高的频率稳定性 它的 频率稳定度 fo fo 可达 10 10 10 11 足以满足大多数数字系统对频率稳定度的要求 在图 2 1 2 电路中 若取 TTL 电路 7404 用作 G1 和 G2 两个反相器 Rf 1k 多谐振荡器 湖南工业大学电气与信息工程学院电信 班 湖南工业大学 电子技术 课程设计 6 26 C 0 05 F 则其工作效率可达几十兆赫 74LS90 计数器 74LS90 为中规模 TTL 集成计数器 可实现二分频 五分频和十分频等功能 它由一个 二进制计数器 一个五进制计数器和一个十进制计数器构成 其引脚排列图 1 2 a 和功能 表 1 2 b 如下所示 图 2 1 3 74LS90D 的引脚排列图 74LS90 功能 通过不同的连接方式 74LS90 可以实现四种不同的逻辑功能 而且还 可借助 R01 2 管脚 R02 6 管脚 对计数器清零 借助 R91 6 管脚 R92 7 管脚 将 计数器置 9 其具体功详述如下 1 计数脉冲从 INA 输入 QA 作为输出端 为二进制计数器 或二分频器 2 计数脉冲从 INB 输入 QD 作为输出端 为异步五进制加法计数器 或五分频器 3 若将 INB 和 QA 相连 计数脉冲由 INA 输入 QD 作为输出端 则构成十进制加法计 数器 或十分频器 4 清零 置 9 功能 a 异步清零 R01 R02 R91 R92 Q D QC QB QA 1 1 0 X 1 1 X 0 X X 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 X 0 X 0 0 X 0 X 0 X X 0 X 0 0 X 计数 湖南工业大学电气与信息工程学院电信 班 湖南工业大学 电子技术 课程设计 7 26 当 R01 R02 均为 1 R91 R92 中有 0 时 实现异步清零功能 即 QDQCQBQA 0000 b 置 9 功能 当 R91 R92 均为 1 R01 R01 中有 0 时 实现置 9 功能 即 QDQCQBQA 1001 本设计采用的是 74LS90 的五分频和十进制计数功能 其中 74LS90 1 74LS90 4 是 对 5MHz 的脉冲信号进行十分频 得到 500HZ 的频率 再经过 74LS90 5 实现五分频 实现 输入为 100HZ 0 01s 2 1 2石英晶体多谐振荡器 图 2 1 4 石英晶体多谐振荡器 工作原理 工作原理 当信号源工作时 由石英晶体 固有频率为 5MHZ 多谐振荡器输出 5MHZ 的频率 首先 经过四个分频器 74LS90 四次十分频之后 得到 500HZ 的频率 最后 再经过 74LS90 一次五分频 就得到了最终的 100HZ 的信号源 方案二 用集成电路方案二 用集成电路 555555 定时器与电阻和电容组成的多谐振荡器定时器与电阻和电容组成的多谐振荡器 湖南工业大学电气与信息工程学院电信 班 湖南工业大学 电子技术 课程设计 8 26 555 定时器的功能 555 定时器组成及工作原理如下 图 2 1 5 555 定时器电路结构图 如图 2 1 5 是 555 定时器电路结构的简化原理图和引脚标识 由电路原理图可见 该 集成电路由下述几部分组成 串联电阻分压电路 电压比较器 C1 和 C2 基本 RS 触发器 放电三极管 T 以及缓冲器 G 组成 注释 编号 555 的内涵是因该集成电路的基准电压是 由三个 5k 电阻分压组成 定时器的功能主要取决于比较器 比较器 C1 和 C2 的输出控制着 RS 触发器和放电三极 管 T 的状态 RD为复位端 当 RD 0 时 输出 U0 0 T 管饱和导通 此时其他输入端状态对 电路清零 0 状态无影响 正常工作时 应将 RD接高电平 当控制电压输入端 5 脚悬空时 比较器 C1 C2 的基准电压分别是 2Ucc 3 和 Ucc 3 如果 5 脚 Uic 外接固定电压 则比较器 C1 C2 的基准电压为 Uic 和 Uic 2 由图 1 中可知 若 5 脚悬空 当 Ui6 2Ucc 3 Ui2 Ucc 3 时 比较器 C1 C2 分别输出 高电平和低电平 即 R 1 S 0 使基本 RS 触发器置 1 放电三极管截止 输出 Uo 1 当 Ui6Ucc 3 时 比较器 C1 和 C2 输出均为高电平 即 R 1 S 1 RS 触发器维持原状态 使 Uo 输出保持不变 当 Ui6 2Ucc 3 Ui2 Ucc 3 时 比较器 C1 输出低电平 比较器 C2 输出高电平 即 R 0 S 1 基本 RS 触发器置 0 放电三极管 T 导通 输出 Uo 0 湖南工业大学电气与信息工程学院电信 班 湖南工业大学 电子技术 课程设计 9 26 当 Ui6 2Ucc 3 Ui22Ucc 3 Ucc 30 导通 1Ucc 3 不变不变 1 2Ucc 3m 时 称为部分译码 2 4 2 74LS48 显示译码器管脚图 74LS48 是 BCD 7 段译码器 驱动器 输出高电平有效 专用于驱动 LED 七段共阴极显 示数码管 其管脚功能如图 2 4 1 所示 图 2 4 1 74LS48 管脚图 2 4 3 74LS48 功能介绍 74LS48 除了有实现 7 段显示译码器基本功能的输入 DCBA 和输出 Ya Yg 端外 74LS48 还引入了灯测试输入端 LT 和动态灭零输入端 RBI 以及既有输入功能又有输 出功能的消隐输入 动态灭零输出 BI RBO 端 其功能表如下表 2 4 1 表 2 4 1 74ls48 引脚功能表引脚功能表 七段译码驱动器功能表七段译码驱动器功能表 输入输出 十进数 或功能 LTRBID C B A BI RBO ab cd efg 备注 TD 0HH0 0 0 0H1 1 1 1 1 1 0 1Hx0 0 0 1H0 1 1 0 0 0 0 2Hx0 0 1 0H1 1 0 1 1 0 1 1 湖南工业大学电气与信息工程学院电信 班 湖南工业大学 电子技术 课程设计 15 26 3Hx0 0 1 1H1 1 1 1 0 0 1 4Hx0 1 0 0H0 1 1 0 0 1 1 5Hx0 1 0 1H1 0 1 1 0 1 1 6Hx0 1 1 0H0 0 1 1 1 1 1 7Hx0 1 1 1H1 1 1 0 0 0 0 8Hx1 0 0 0H1 1 1 1 1 1 1 9Hx1 0 0 1H1 1 1 0 0 1 1 10Hx1 0 1 0H0 0 0 1 1 0 1 11Hx1 0 1 1H0 0 1 1 0 0 1 12Hx1 1 0 0H0 1 0 0 0 1 1 13Hx1 1 0 1H1 0 0 1 0 1 1 14Hx1 1 1 0H0 0 0 1 1 1 1 15Hx1 1 1 1H0 0 0 0 0 0 0 BIxxx x x xL0 0 0 0 0 0 02 RBIHL0 0 0 0L0 0 0 0 0 0 03 LTLxx x x xH1 1 1 1 1 1 14 由 74LS48 真值表可获知 74LS48 所具有的逻辑功能 1 7 段译码功能 LT 1 RBI 1 在灯测试输入端 LT 和动态灭零输入端 RBI 都接无效电平时 输入 DCBA 经 74LS48 译 码 输出高电平有效的 7 段字符显示器的驱动信号 显示相应字符 除 DCBA 0000 外 RBI 也可以接低电平 见表 2 4 1 中 1 16 行 2 消隐功能 BI 0 此时 BI RBO 端作为输入端 该端输入低电平信号时 表 2 4 1 倒数第 3 行 无论 LT 和 RBI 输入什么电平信号 不管输入 DCBA 为什么状态 输出全为 0 7 段显示器熄灭 该 功能主要用于多显示器的动态显示 湖南工业大学电气与信息工程学院电信 班 湖南工业大学 电子技术 课程设计 16 26 3 灯测试功能 LT 0 此时 BI RBO 端作为输出端 端输入低电平信号时 表 2 4 1 最后一行 以及 DCBA 输入无 关 输出全为 1 显示器 7 个字段都点亮 该功能用于 7 段显示器测试 判别是否有损 坏的字段 4 动态灭零功能 LT 1 RBI 1 此时 BI RBO 端也作为输出端 LT 端输入高电平信号 RBI 端输入低电平信号 若此时 DCBA 0000 表 2 4 1 倒数第 2 行 输出全为 0 显示器熄灭 不显示这个零 DCBA 0 则对显示无影响 该功能主要用于多个 7 段显示器同时显示时熄灭高位的零 2 5 2 5 数码管数码管 2 5 1 七段数码管工作原理 在这个部分我们用七段数码管 LED 来显示结果 七段数码管有七个发光段 即 a b c d e f g 根据设计要求的需要 我们使用了四个无小数点显示和两个有小数点显示的 数码管 它们分别如图 2 5 1 和 2 5 2 湖南工业大学电气与信息工程学院电信 班 湖南工业大学 电子技术 课程设计 17 26 图 2 5 1 图 2 5 2 数码显示与发光段之间的对应关系如下表 2 5 1 所示 表 2 5 1 BCD 码显示数码发光管BCD 码显示数码发光管 0000Abcdef0101acdfg 0001bc0110cdefg 0010Abdeg0111Abc 0011Abcdg1000Abcdefg 0100bcfg1001Abcfg 2 5 2 七段数码管内部结构介绍 七段数码管内部由发光二极管构成 在发光二极管两端加上适当的电压时 就会发光 发光二极管有两种接法 即共阴极接法和共阳极接法 如下图 2 5 3 2 5 4 所示 图 2 5 3 图 2 5 4 2 5 3 显示器匹配电路图 本设计采用共阴数码管与 74LS48 匹配 其连接图如图 2 5 5 所示 湖南工业大学电气与信息工程学院电信 班 湖南工业大学 电子技术 课程设计 18 26 图 2 5 5 本课设显示部分电路图如下图 2 5 6 显示部分电路图如下图 2 5 6 第三章第三章 系统综述 总体电路图系统综述 总体电路图 3 1 3 1 总电路图总电路图 湖南工业大学电气与信息工程学院电信 班 湖南工业大学 电子技术 课程设计 19 26 图 3 1 总电路图 J1 控制数字秒表的启动和停止 J2 控制数字秒表的清零复位 开始时把 J1J2 合上 由 555 多谐振荡器产生脉冲信号 运行本电路 数字秒表正在计数 J1 打开 脉冲不能给上面的计数电路 整个电路暂停计数 闭合 J1 电路重新获得脉 冲信号 开始计数 当 J1 开关闭合 把开关 J2 开关打开 那将给计数电路中的 74LS160 湖南工业大学电气与信息工程学院电信 班 湖南工业大学 电子技术 课程设计 20 26 的清零信号 开始计数 当 J1 开关闭合 J2 开关打开 那将给计数器清零 于是我们就 用两个开关实现了整个电路的清零 启动 计时 暂停及继续计数等控制功能 闭合 J1 J2 电路处于计数状态 当给计数电路 9 1001 个脉冲的时候 继续再给一 个脉冲 就会产生进位 这样我们用输出 BCD 码的最高位来触发下一个计数器 这样给电 路第十个脉冲以后 电路计数结果就会成 10 继续给脉冲 到第 99 个时候 继续给一 个脉冲 我们同样用第二个芯片的最高位来触发下一个芯片 也就是用最高位的下降沿来 当做下一个芯片的脉冲 同理 当秒计数需向分计数进位的时候 我们都用最高位的变化 来当做下一个芯片的 CP 信号 这样我们就完成了我们需要的计数 第四章第四章 结束语结束语 4 1 4 1 课程总结课程总结 通过一周半的设计 总算是有了一个结果 方案和结果都让我们比较满意 完成了所 有的设计要求 1 秒表最大计时值为 99 时 59 分 59 秒 9 10 2 6 位数码管显示 分辨率为 0 1 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 在这次课题设计中 我们的整体思路主要是参考了老师的意见 然后进行不断的研究与探 索而成的 实现了电路的最简洁 使电路图简单易懂 防抖开关的使用 使我们的电路更 加的稳定 这是我们这次设计中一个比较大的亮点 但是 在这次设计过程中 我们也遇 到不少的麻烦 经过多次反复的检查和排除 最终实现了部分功能 4 2 4 2 故障分析故障分析 故障故障 1 1 脉冲发生器 555 定时器构成的多谐振荡器 没法实现 0 01s 的脉冲信号 原因 参数不对 排除方法 利用 f 1 43 R1 2R2 C 适当的选取定值电阻 电容的大小和可变电阻的最大阻 值 其中 外加可调电阻 对其进行左右微调 以提高精度 最大限度的保证输出波形不 失真 故障故障 2 2 数码管不显示 原因 LED 数码管接入错误 阴阳极接反 未接入保护电阻 起初我们选用译码器 7447 但由于软件 protuse 中此元件不可用 无法正常工作 湖南工业大学电气与信息工程学院电信 班 湖南工业大学 电子技术 课程设计 21 26 排除方法 调整数码管的阴阳极接线 按共阴极接线方法接线 接入电阻 将原件 7447 更换为 74LS47 故障故障 3 3 数码管显示后 分进位显示错误 无法正常进位 原因 对原件 74LS160 的工作原理理解有误 其应在下降沿 进位 排除方法 在分秒计数间 即 60 十进制和 100 进制之间 加一非门 保证其在下降沿 故障故障 4 4 数码管数字跳动频率不均匀 原因 使能输入信号和清零信号的脉冲方波输入波形出现抖动 排除方法 在机械开关之后 加一个防抖动开关 参考文献参考文献 1 林涛主编 数字电子技术基础 北京 清华大学出版社 2006 2 林涛主编 模拟电子技术基础 重庆 重庆大学出版社 2003 3 吴慎山主编 电子线路设计与实践 北京 电子工业出版社 2005 4 刘福太主编 绿版电子电路 498 例 北京 科学出版社 2007 5 姜齐荣 赵东元 陈建业编著 有源电力滤波器 结构 原理 控制 北京 科学出版 社 2005 元器件明细表元器件明细表 序 号名 称 型号参数数量备注 1U1O74LS00D1 2U2 U1 U8 U7 U5 U674LS160D6 3J2 J1DIPSW12 4U27 U26 U25 U24 U21 U20 74LS 74LS4806 5U18 U9SEVEN SEG DECIMAL COM K G REEN 2 6U22 U3SEVEN SEG DECIMAL COM K O2 表 4 1元器件明细表 湖南工业大学电气与信息工程学院电信 班 湖南工业大学 电子技术 课程设计 22 26 RANGE 7U11 U12SEVEN SEG DECIMAL COM K B LUE 2 8U1374STD 7404N1 9J4TD SW1 0 5sec1sec6 10U15 U1474STD 7401N2 11R6 R11RESISTOR 10K 2 12R1 R2RESISTOR 4 7K 2 13R3POTENTIOMETER 1K 1 鸣谢鸣谢 本次课程设计历时一周半 在设计过程当中遇到了各类各样从未遇到的困难和挫折 但在其中得到了指导老师楚岩悉心指导 为我指点迷津 拓宽研究思路 精心点拨 循循 善诱 热忱鼓励 老师们的淳淳关心我们铭记在心 在此 感谢楚岩老师 邓老师等对我 们的帮助 请老师们接受我们发自肺腑的谢意以及一个深深的鞠躬 其次还要非常感谢同组的同学一直以来对我的帮助 回顾两周经历的兼程 他们让我 学会了独立思考 学会了团队协作 学会了举一反三 这两周以来的相濡以沫 我受益匪 浅 再次表示感谢 RPACK VARIABLE 2 7 我还感谢电子与控制工程学院的诸位老师为我们提供了良好的设计条件 让我顺利完 成此次课程设计 最后 我们衷心的感谢湖南工业大学对我们的教