《数字式秒表》

电子技术课程设计报告题目数字式秒表学院（部）电控学院专业班级学生姓名学号指导教师（签字）前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分5999秒，也就是说分辨率是001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产生100HZ的信号，用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621秒信号发生器6211555定时器的功能6212555构成的多谐振荡器7213多谐振荡器的仿真图822消抖电路923分、秒、毫秒计数器电路设计9231选择计数器的方案923274LS160计数器的功能介绍10233计数器最终连线图1124译码部分12241译码器的基本原理12242方案的提出12243方案对比与选择1324474LS48的功能介绍1325数码管15251七段数码管工作原理15252七段数码管内部结构介绍16253显示器匹配电路图16254译码器与数码管匹配电路的仿真图17第三章系统综述、总体电路图1831总电路图17第四章结束语1841总结语1942故障分析19参考文献20元器件明细表20鸣谢21收获与体会21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74LS160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74LS48构成，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“分”、“秒”、“10毫秒”依次在数码管显示出来。该秒表最大计时值为99分5999秒，“分”和“10毫秒”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1秒表最大计时值为99分5999秒；26位数码管显示，分辨率为001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001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图11原理流程图串电阻串电阻串电阻第二章单元电路设计与分析21秒信号发生器211555定时器的功能555定时器组成及工作原理如下图211555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RD0时，输出U00,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UI6UCC/3时，比较器C1和C2输出均为高电平，即R1,S1。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R0，S1，基本RS触发器置0，放电三极管T导通，输出UO0。当UI62UCC/3，UI22UCC/3UCC/30导通1UCC/3不变不变1M时,称为部分译码。242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2417447显示译码器1要求015时，灭灯输入（BI）必须开路或保持高电平，如果不要灭十进制数零，则动态灭灯输入（RBI）必须开路或为高电平。2将一低电平直接输入BI端，则不管其他输入为何电平，所有的输出端均输出为低电平。3当动态灭灯输入（RBI）和A,B,C,D输入为低电平而试灯输入为高电平时，所有各段输出都为0，并且动态灭灯输出（RBO）为低电平（响应条件）。4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。方案二利用74LS48显示译码器74LS48是BCD7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241所示图24274LS48管脚图243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BCD7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。24474LS48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24174LS48引脚功能表七段译码驱动器功能表输入输出十进数或功能LTRBIDCBABI/RBOABCDEFG备注0HH0000H11111101HX0001H01100002HX0010H11011013HX0011H11110014HX0100H01100115HX0101H10110116HX0110H00111117HX0111H11100008HX1000H11111119HX1001H111001110HX1010H000110111HX1011H001100112HX1100H010001113HX1101H100101114HX1110H000111115HX1111H00000001BIXXXXXXL00000002RBIHL0000L00000003LTLXXXXXH11111114由74LS48真值表可获知74LS48所具有的逻辑功能（1）7段译码功能（LT1，RBI1）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DCBA0000外，RBI也可以接低电平，见表241中116行。（2）消隐功能（BI0）此时BI/RBO端作为输入端，该端输入低电平信号时，表241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（LT0）此时BI/RBO端作为输出端，端输入低电平信号时，表241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（LT1，RBI1）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DCBA0000，表241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。25数码管251七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ABCDEFG，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251和252。图251图252数码显示与发光段之间的对应关系如下表251所示。表251BCD码显示数码发光管BCD码显示数码发光管0000ABCDEF0101ACDFG0001BC0110CDEFG0010ABDEG0111ABC0011ABCDG1000ABCDEFG0100BCFG1001ABCFG252七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253,254所示。图253图254253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255所示图255254译码器与数码管匹配电路的仿真图图256第三章系统综述、总体电路图31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J1J2，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。第四章结束语41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5999秒；26位数码管显示，分辨率为001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。42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001S的脉冲信号。原因参数不对。排除方法利用F143/R12R2C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74LS47。故障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，20033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1U23A74LS00D12U3,U4,U5,U6,U7,U874LS160D63J2,J1DIPSW124U11,U12,U13,U14,U15,U1674LS,74LS48065R7,R8,R10,R12RPACK_VARIABLE_27,18046U17,U18,U19,U20,U21,U22SEVEN_SEG_DECIMAL_COM_K_BLUE27R11,R9RPACK_VARIABLE_28,18028U9A74STD,7404N19J4TD_SW1,05SEC1SEC610U1A,U2A74STD,7401N211R4,R5RESISTOR10K212R1,R2RESISTOR475K213R6POTENTIOMETER1001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XX老师的悉心指导，为我指点迷津，拓宽研究思路，精心点拨，循循善诱，热心鼓励。老师们的耐心辅导，我们铭记于心。其次还要非常感谢同组的XX,YY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，这一周半以来的相濡以沫，我受益匪浅，再次表示感谢。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，我们衷心的感谢长安大学对我们的教育和支持。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