数字式秒表 (2).doc

课程设计实验报告课 程：电子技术综合课程设计题 目：数字秒表院 系；电气工程系班 级：电气082姓 名：孙艺林学 号：0817024050指导老师：何伟 时 间：2010.6.21-2010.7.2 任务书 数字秒表 （一）、任务和要求：设计并制作一个数字式秒表，要求如下：1、用三位数码管及一个LED发光二极管显示秒表计时，格式如下：秒十位秒个位秒十分位 分开机时数码管显示000，LED灯灭；当计时超过59秒时，LED灯亮；计到1分59秒时，过一秒LED灯灭，同时数码管重新计时显示。计时最小单位为0.1秒。2、具有如下功能键：开始/清零键：按第一下时计时开始，同时显示；按第二下，停止计时恢复到初始状态；固定显示键：按第一下时，显示固定，但计时仍继续；再按下时，显示从新时间开始。3、要求自制0.1秒信号源。4、设计并制作本电路所用直流电源。（二）、提示和参考文献直流稳压电源见参考资料P23数字电子技术实验任务书实验六 目 录前 言.11. 方案论证.31.1 整体设计思路.31.2 整体设计框图.31.3 整体方案论证.42. 单元电路设计和基本原理.62.1 电源设计.62.2 0.1秒信号源.62.3 计数器.72.4 译码锁存电路.102. 5显示电路.112. 6 手动复位开关.123. 实验装调.133.1步骤方法.133.2 故障及处理.133.2.1 电源的制作及调试.133.2.2 0.1秒信号源的连接与调试.133.2.3 计数译码显示电路的连接与调试.133.2.4 整体电路的连接及故障处理.134. 总结与体会.15附录A 整体电路设计图.17B 芯片管脚图.18C 元器件清单.19D 参考文献.20前 言 课程设计是针对某一理论课程的要求，对学生进行综合性实践训练的实践教学环节，可以培养学生运用课程中所学的理论知识与时间紧密结合，独立地解决实际问题的能力。 通过学习模拟电子技术和数字电子技术的基础，我深刻的认识到“电子课程设计”是电子技术课程的重要环节，此次我们就在此基础上进行了综合性训练，设计并制作了数字式秒表。 电子技术课程设计的重点是基于学生学完数字电路技术和模拟电路技术基础后，对学生所掌握到的全部知识进行综合检测与实践应用锻炼，同时还希望学生了解目前大多数企业的实际需求，并积累项目经验。课程设计的题目通常是根据企业的实际要求而设定，简单说就是给学生布置一个实际的项目，要求学生应用自己目前掌握的全部技能和知识，并充分发挥个人的聪明才能才智去完成，通过对学生所学知识全方位的调动和应用，以达到巩固基础、掌握技巧的有效目的；有些项目由于工作量庞大且知识涉及面广，在规定时间内单凭个人的力量很难完成，所以在这种情况下会安排学生以小组为单位进行集体研发，通过团队思维和集体动手，培养每个学生的团队意识和团队精神，为以后进入企业、走向社会后进行团队协作打下良好基础。 本次课程设计的数字式秒表的电路是利用不同功能的芯片和逻辑电路构成的数字电路，其中所需的芯片如计数器、译码器、锁存器等，它与我们所学的数电密切相关。数字电子技术是电子、通信专业的重要基础课程，其特点之一是实践性强，电子技术专业设计，是依据教学、科研、生产的要求，熟悉与掌握电子电路的设计、安装、调试的过程，是通过理论指导实践，并转化为实用电路及电子产品的过程，要想较好的掌握电子技术，就要求在熟悉电子电路基本器件的原理上、基本电路的组成及分析方法的基础上，更要掌握电子器件和基本电路的应用，实践是科学发展的重要手段，也是电子电路教学过程中不可或缺的环节，因此电子电路课程设计也是其教学过程的重要组成部分。通过实践，我们能够进一步熟悉并掌握电子器件的性能、参数和组成电子电路的规律，掌握各种不同功能的电路间的联系与影响，掌握电源电路的装配与测试，掌握电路系统结构的分析方法等，并且促使我们从中发现新的问题，产生新的思路，推动电子技术的发展。1 方案论证1. 1 整体设计思路这次我们组设计的数字秒表实际上是一个计数及其一些简单的控制电路，对10HZ频率的信号进行计数、锁存、清零及其显示。对10HZ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。但是在要求不高的情况下也可用555定时器构成的信号源。再对该信号进行分频使之成为有用信号及10Hz信号，再用计数器对其进行计数，用译码显示电路进行显示，即可完成。1. 2 整体设计框图显示数码管译码锁存器计数器0.1s信号源分频器5v直流电源 图1-1 数字式秒表组成框图该系统是否能满足最终要求最重要的是信号源产生的信号是否稳定，所以方案有以下两种：方案一 74LS16055574LS16074LS160CD4511CD4511CD451174LS76 图1-2 方案二55574LS16074LS16074LS16074LS16074LS37374LS4774LS4774LS37374LS4774LS373 图1-31. 3 整体方案论证方案一与方案二的区别在于方案一的进位输出信号先通过74LS48进行译码，译码输出信号再经过74LS373？锁存后送达数码管，而方案二则是将进位信号先通过74LS373锁存器，再进行译码最后送到数码管显示。单从设计角度来看，两者并无多大区别，但由于74LS373锁存器是8输入、8输出的，因此按照方案一的做法，就需要使用三只锁存器，而且有两只都只用了7个输入、输出端，不但线路连接复杂，而且所需芯片较多；第二种方案则不同，进位输出信号先经锁存时，一只74LS160只需要使用74LS373的4个输入、输出端，因此只需两只锁存器就可以完成这一功能，而且连线较方案一简单明了，因而选用方案二。由于实验室没有CD4511，因此我们采用第二方案。2 单元电路设计和基本原理2. 1 电源设计应有基本原理说明和参数计算。电源是最基本的也是比较重要的一部分电路，它的好坏直接影响整个电路的正常工作与否。它一般设计步骤如下：1 用变压器得到可用的交流电。2 经过整流二极管对其进行整流。3 再用电容对其滤波。4 最后用7805稳压系统对其进行稳压。图2.1 电源电路2. 2 0.1秒信号源应有参数计算。 其接法和电路图如图所示： 图2-2 0.1秒信号源电路555定时器是一种多用途的数字-模拟混合集成电路，用它能方便的构成施密特触发器、单稳态触器和多谐振荡器。由于使用灵活方便，所以它在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域得到广泛的应用。由555定时器构成的多谐振荡器电路如图所示。图中的电阻与电容为定时器件，决定工作频率。刚接通电源时，电容上的电压为零，由555定时器的结构得知，这是内部触发器Q=0，Vo=1；电源通过电阻给电容充电，Vc不断上升，电路处于暂稳态。当它继续上升时，Vo变成低电平，电容放电，电路处于另一个暂稳态。2. 3计数器计数器是数字系统中使用最多的时序电路。它是由触发器和控制门组成。它不仅可以用来计数，还可以用于数字系统的定时、分频执行数字运算等。计数器的种类繁多，分类方法也有多种。按计数器中的触发器翻转次序可分为异步和同步计数器；按计数器的编码方法分为二进制、十进制和其它进制计数器；按计数过程中的数字增减分为加法与减法计数器。图2-3-1十进制电路图图2-3-2六进制电路图2.4 译码锁存电路在数字系统中常常需要将测量或处理的结果直接显示成十进制数.为此，首先将BCD码表示的结果送到译码器进行译码，用它的输出去驱动显示器件，由于显示器的工作方式不同，对译码器的要求也就不同，译码器的电路也不同。 图2.4 SN74LS48管脚图译码器电路是将数码转换为一定的控制信号。在此由74LS48集成元件构成，它能将一个二进制数码转换为输出端的电平信号以控制显示器。表2-174LS48引脚功能表2.5 显示电路 本次课程设计主要使用的是7段数码显示管来连接显示电路的。 7段数码管又分共阴和共阳两种显示方式。如果把7段数码管的每一段都等效成发光二极管的正负两个极，那共阴就是把abcdefg这7个发光二极管的负极连接在一起并接地；它们的7个正极接到7段译码驱动电路74LS48的相对应的驱动端上（也是abcdefg）。此时若显示数字1，那么译码驱动电路输出段bc为高电平，其他段扫描输出端为低电平，以此类推。如果7段数码管是共阳显示电路，那就需要选用74LS47译码驱动集成电路。共阳就是把abcdefg的7个发光二极管的正极连接在一起并接到5V电源上，其余的7个负极接到74LS47相应的abcdefg输出端上。无论共阴共阳7段显示电路，都需要加限流电阻，否则通电后就把7段译码管烧坏了。限流电阻的选取是：5V电源电压减去发光二极管的工作电压除上10ma到15ma得数即为限流电阻的值。发光二极管的工作电压一般在1.8V-2.2V，为计算方便，通常选2V即可。发光二极管的工作电流选取在10-20ma，电流选小了，7段数码管不太亮，选大了工作时间长了发光管易烧坏。对于大功率7段数码管可根据实际情况来选取限流电阻及电阻的瓦数。下图是八段数码管（LED）BS201的示意图，图中引脚6为VCC的为共阳数码管，引脚6为GND的为共阴数码管。 图2-5-1本设计采用共阴数码管与74LS48匹配，同时并入一个四输入内置译码器的7段数码管，以验证译码部分的功能。数码管与74ls48连接图： 图2-5-2 显示电路图2.6 手动复位开关通过接入脉冲式开关及其上拉电阻来产生脉冲，再将JK触发器接成T触发器，这样保证了有单脉冲，之后电路状态必翻。如图所示，J和K都必须接高电平保证触发器成为一个T触发器使之成为必翻电路。当脉冲开关没按下时时钟信号是一个低电平;当脉冲开关按下时时钟信号由低电平变成高电平，导致Q也有相应的变化。这样就可以手动控制电路状态。电路图如下图所示：图2.6 手动复位开关电路图3 实验装调3.1 步骤及方法在做电源时，我们仿真时用的二极管是两个3300uF和两个47nF，但在实际领器件时就只有1000nF了，因此我们用了六个1000nF的二极管，连完电路图后，接通电源，用万用表一测是5.002V，从而产生了误差。3.2 故障及处理3.2.1 电源的制作及调试在做电源时，我们仿真时用的二极管是两个3300uF和两个47nF，但在实际领器件时就只有1000nF了，因此我们用了六个1000nF的二极管，连完电路图后，接通电源，用万用表一测是5.002V，从而产生了误差。3.2.2 0.1秒信号源的连接与调试故障1：脉冲发生器（555定时器构成的多谐振荡器）没法实现0.1s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、电容的大小并用频率计检测。故障2：数码管数字跳动频率不均匀。原因：输入信号不是规则并且稳定的脉冲方波。排除方法：用示波器观察脉冲输出，加入一个与门作为整形模块，同时，这样还能达到减小误差的目的。数据调试的时候，运行的时间与实际的时间误差很大，误差允许的的范围是不超过6秒，最后通过调节电位器，使误差渐渐的减小，最后的误差不到1秒，但实际的周期却小于0.1秒，由于器件的精度不够以及器件间的连线的不合理，造成了误差的形成。3.2.3计数译码显示电路的连接与调试故障：数码管显示乱码。原因：计数器74LS390管脚接线错误，LED数码管的共极性弄反（按共阳极的接线方法接线）。排除方法：对计数器正确接线，调整数码管的阴阳极接线（按共阴极接线方法接线）。3.2.4整体电路的连接及故障处理故障：无法实现上电清零功能。原因：电容参数不对。排除方法：改变上电清零电路电容的大小，通过示波器观察直到产生清零信号。在每个模块的输入端加理想的调试信号，在输出端接示波器，观察输出波形，如果波形符合设计预期，则说明此模块工作正常，否则可按从输出到输入的顺序逐一排查，直到解决问题。当各模块调试无误后，将各模块连接起来，同时要注意接口的电平匹配问题。当我们把各自的单元电路图连接在一起时，就产生了问题，数码管虽然显示正常，但与实际的秒表误差太大，经过分析得知是信号源的问题，信号源的周期有点大，因此我们就调电位器，当调到70K到75K之间的时候，数码管的显示才与秒表的误差不到1秒，最后一个问题就是接通电源好数码管显示不是三个0，最后通过老师的指点和同学的帮助，再试以后，终于成功了！4总结与体会一周的课程设计已经结束，虽然很辛苦，但给我带来了从未有过的体验与喜悦。在设计实践的过程中，我深深的体会到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。在这次课程设计作业的过程中充分暴露了我们理论基础知识掌握得不牢固以及动手能力弱的缺点以致使我们在设计过程中出现这样那样的问题，如： 74LS373芯片和74LS47的工作原理及管脚图的诸多方面，这些芯片以前没用过；其次：在控制电路中也遇到了很多问题比如说，如何实现任务书上的要求的功能如何实现，怎样用7476来实现控制电路，在同学的帮助下逐步解决了。这些都暴露出了前期我在这些方面知识的欠缺和经验的不足。对于我来说，收获最大的是方法和能力；那些分析和解决问题的能力。在整个课程设计的过程中，我发现我们在实际操作经验方面的能力实在有限，对这些芯片的功能没有理性的认识，有些东西可能与实际脱节。总体来说，我觉得像课程设计这种类型的作业对我们的帮助还是很大的，它需要我们将学过的相关知识系统地联系起来，从中暴露出自身的不足，以待改进！通过这次对数字电子钟的设计作，让我了解了电路设计的基本步骤，也让我了解了关于数字钟的原理与设计理念，要设计一个电路先进行软件模拟仿真再进行实际的电路制作。但是最后的成品却不一定与仿真时完全一样，因为，再实际接线中有着各种各样的条件制约着。而且，在仿真中无法成功的电路接法，在实际中因为芯片本身的特性而能够成功，同时，在仿真阶段，仿真软件会自动纠正有的芯片的工作功能，但是在实际插面包板时这些问题就会暴露出来，例如，JK触发器初始状态的不确定性。所以，在设计时应综合考虑这些差异。通过这次学习，让我对各种电路都有了大概的了解，同时我认为实际电路还是应该自己动手实际操作才会有深刻理解。总体来说，通过这次课程设计学习，我越发感觉电子设计不是死板的东西，是有很大科学性与艺术性的。不同芯片的使用，不同的接线方法，不同的变量，不同的实现思路，经过组合后几乎可以称之为艺术。这次课程设计使我对各种电路都有了大概的了解，也学会了常用EDA软件的使用，在平时的理论学习中遇到的问题都一一解决，加深了我对专业的了解，培养了我对学习的兴趣，为以后的学习打下了好的开端，我受益匪浅。同时，让我明白：电子设计容不得纸上谈兵，只有自己动手实际操作才会有深刻理解，才会有收获，所谓“千里之行，始于足下”，这次课程