数字式秒表实验报告.doc

电子技术课程设计报告 题 目 数字式秒表 学院（部） 信息学院 专 业 电子信息专业 班 级 学生姓名 学 号 39 12 月 19 日至 12 月 30 日 共 2 周 指导教师（签字） 前言 如今，信息正是一个高度发展的产业，而数字技术是信息的基础，数字技术是目前发展最快的技术领域之一，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。 此次课设更是加深了我们对数字技术的理解和认识。 目录题目 摘要 关键词 设计要求4第一章 系统概述5第二章 单元电路与分析62.1 秒信号发生器62.1.1 555定时器的功能72.1.2 555构成的多谐振荡器72.1.3 多谐振荡器的仿真图82.2 控制电路82 .3 分、秒、毫秒计数器电路设计102.3.1 选择计数器的方案102.3.2 74LS161计数器的功能介绍112.3.3 计数器最终连线图122.4译码部分122.4.1 译码器的基本原理122.4.2 方案的提出 122.4.3 方案对比与选择132.4.4 74LS48的功能介绍142.5 数码管152.5.1 七段数码管工作原理15 2.5.2 七段数码管内部结构介绍152.5.3 显示器匹配电路图16 2.5.4 译码器与数码管匹配电路的仿真图16第三章 总体电路图16第四章 结束语174.1 总结语174.2 故障分析17参考文献18元器件明细表18鸣谢19收获与体会19评语20 摘 要 本次的设计任务是一个数字秒表，而秒表与普通的钟表不同，它的目的是对从某一时刻到另一时刻的时间间隔进行计时。 在翻阅相关资料后，我们把秒表的设计分成了三大部分：基准脉冲产生部分；控制部分和计数、译码、显示部分。 基准脉冲产生部分由石英振荡器和由计数器组成的分频器构成。在石英振荡器中，石英晶体的固有频率是1M Hz，即振荡器的输出为1M Hz的矩形脉冲。而分频器将1M Hz分频为100 Hz的基准脉冲。 控制部分可由基本RS触发器和相应的开关组成。计数、译码、显示部分中，将使用同步四位二进制加法计数器74LS161 来计数。74LS48是BCD-7段译码器/驱动器，专用于驱动LED七段共阴极显示数码管。关键词 基准脉冲 计数 译码 数字显示技术要求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.控制操作间不超过二个。第一章 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99，59，99，那则需要六个数码管。要求计数分辨率为0.01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第二章 单元电路设计与分析 2.1秒信号发生器2.1.1 555定时器的功能555定时器组成及工作原理如下：图2-1-1 555定时器电路结构图如图2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Ui62Ucc/3,Ui2Ucc/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Ui62Ucc/3，Ui2Ucc/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。当Ui62Ucc/3，Ui22Ucc/3Ucc/30导通1Ucc/3不变不变12Ucc/3m时,称为部分译码。2.4.2 方案的提出方案一：利用7447七段显示译码器 7447七段显示译码器输出为低电平有效，用以驱动共阳极数码管。逻辑符号见图9，其功能表见表2。7447有4个 BCD码输入端 A、B、C和D，其中 D为最高有效位，A为最低有效位，它们分别与输出端口中的4位相连。7447的7个输出引脚 ag直接与 LED的相应引脚相连。当灭灯输入/动态灭灯输出（BI/RBO）开路或为高电平而试灯输入为低电平，则所有输出端都为1。BI/RBO是线与逻辑，作灭灯输入（BI）或动态灭灯（RBO）之用，或者兼为二者之用。 图2-4-1.7447显示译码器方案二：利用74LS48显示译码器 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2-4-2. 74LS48管脚图2.4.3 方案对比与选择 7447七段显示译码器输出为低电平有效，用以驱动共阳极数码管，而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。在软件Multisim仿真的时候出现错误，无法正常工作，所以为了得到正确的设计结果，我们选用74LS48显示译码器。2.4.4 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（YaYg）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2-4-174ls48引脚功能表七段译码驱动器功能表十进数或功能输入BI/RBO输出备注/TD LTRBID C B A abcdefg0HH0 0 0 0H111111011Hx0 0 0 1H01100002Hx0 0 1 0H11011013Hx0 0 1 1H11110014Hx0 1 0 0H01100115Hx0 1 0 1H10110116Hx0 1 1 0H00111117Hx0 1 1 1H11100008Hx1 0 0 0H11111119Hx1 0 0 1H111001110Hx1 0 1 0H000110111Hx1 0 1 1H001100112Hx1 1 0 0H010001113Hx1 1 0 1H100101114Hx1 1 1 0H000111115Hx1 1 1 1H0000000BIxxx x x xL00000002RBIHL0 0 0 0L00000003LTLxx x x xH11111114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116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。（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。DCBA0，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 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。数码显示与发光段之间的对应关系如下表2-5-1所示。表2-5-1BCD码显示数码发光管BCD码显示数码发光管0000Abcdef0101acdfg0001Bc0110cdefg0010Abdeg0111Abc0011Abcdg1000Abcdefg0100Bcfg1001Abcfg2.5.2 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2-5-42.5.3 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 图2-5-52.5.4 译码器与数码管匹配电路的仿真图第三章 总体电路图第四章 结束语4.1 总结语通过一周半的设计，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。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故障分析故障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2：数码管不显示原因：l LED数码管接入错误，阴阳极接反，未接入保护电阻。l 起初我们选用译码器7447，但由于软件Multisim中此元件不可用，无法正常工作。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74LS48。故障3：最初设计中，在暂停/继续计时控制电路中使用了两个开关，在清零电路中又用了一个开关，未能达到设计中“控制按键不超过两个的要求”。解决方法：在暂停/继续计时控制电路中使用一个单刀双掷开关，即所谓的乒乓开关。不过使用乒乓开关从一个接点转向另一个接点时会花费时间，就是说当你想停止计数是并不能立即停止计数。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，20062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，20054刘福太主编，绿版电子电路498例， 北京：科学出版社，20075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元器件明细表序 号名 称 型号参数数量备注1二输入四与非门74S00D72同步十进制计数器74LS16163555多谢振荡器14译码/驱动器74LS4865示波器16与非门740117数码管SEVEN_SEG_DECIMAL_COM_A68电阻29开关SPDT110开关DIPSW11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，经过同组同学和舍友的帮助，再加上学校图书馆的书籍资料，让我学会了独立思考，学会了举一反三，让我受益匪浅。收获与体会一周半的课程设计已经结束，留给我们组印象最深的是：要设计一个成功的电路，必须要有扎实的知识基础，要熟练地掌握课本上的知识，这样才能对试验中出现的问题进行分析解决。同时还需要有耐心和毅力。在整个电路的设计过程中，花费时间最多的是利用Multisim 仿真，因为以前没有学过这个软件，所以我们要从头学起，自行摸索地学习。在各个单元电路的连接上花费了大量时间。我们在设计时做出了两套方案以及仿真电路，我们仔细比较分析其原理以及可行的原因，最后我们通过和非本组的