数字秒表实习报告

目录第1章调研1第2章方案论证221时基电路2211方案一石英晶体振荡器2212方案二多谐振荡器222计数电路3221触发方式选择3222芯片类型选择323译码器显示电路3第3章主体单元电路的设计431时基电路的设计4311555定时器的电路结构及其功能4312555定时器的逻辑功能5313555定时器接成的多谐振荡器5314振荡器参数计算632计数电路的设计632174LS160芯片介绍6322计数器部分原理说明833译码显示电路的设计10331译码器10332显示器14333防抖动开关14第四章电路仿真1741时基电路1742译码显示电路188第5章总结17第6章参考资料17附录一整机电路图17附录二PCB板17第1章调研精度为001S的数字电子秒表实际上是一个对标准频率（100HZ）进行计数的计数电路。用来计分十位、分个位、秒十位、秒个位、十分秒、百分秒的数字电路。主要由振荡器、计数器、译码器和显示器四个部分组成。即由时基电路，计数电路和译码显示电路组成。时基电路计数电路译码显示电路防抖动开关图11原理框图原理说明按下启动按钮，时基信号发生器输出频率为100赫兹的方波脉冲，传入计数器（分位、秒位为六十进制，十分秒和百分秒位为一百进制），计数器将方波脉冲转化成二进制信号输出，二进制信号传入译码器，译码器再将传入的二进制代码转化成与代码相对应的十进制数，译码器输出的相对应的信号能驱动显示器发光，将译码器中的十进制显示出来。第2章方案论证21时基电路211方案一石英晶体振荡器振荡器是秒表的核心。振荡器的稳定度及频率的精确度决定了秒表的准确程度。石英晶体振荡器能够发出频率稳定的输出信号，跟外围的其它元件配合，产生震荡频率固定的正弦波信号。石英晶体振荡器框图如图211所示,它的作用是产生时间标准信号。图211石英晶体振荡器构成的时基电路由于石英晶体振荡器输出的震荡频率比较高，直接输出时钟脉冲频率为100HZ需要加分频器，增加了电路的复杂程度和功耗。212方案二多谐振荡器多谐振荡器可采用反相器或555定时器组成，很容易实现频率为100HZ的震荡信号。这种电路简单，容易实现，经济。相比之下，选择方案二，采用555定时器。其电路图为图212555定时器组成的时基电路22计数电路221触发方式选择方案一同步时序逻辑电路采用同步时序逻辑电路，计数器组中的时钟脉冲信号采用相同的触发信号，按条件进行计数，这种方法的时钟信号单一，有利于校时控制，唯一的缺点是进位信号较复杂。方案二异步时序逻辑电路采用异步时序逻辑电路，分秒计数器用100HZ脉冲信号驱动，秒计数器用分秒计数器的进位信号驱动，分计数器用秒计数器的进位信号驱动。这种方案的逻辑关系比较简单，但分、秒计数器的触发脉冲周期较长，不利于在校时时利用与非门对时钟信号进行切换。相比之下，选择方案一。222芯片类型选择现在应用面最广、数量最大的数字电路是74系列的TTL电路、4000系列的COMS电路，TTL电路的速度快，传输延迟时间短510NS，但是功耗大。COMS电路的速度慢，传输延迟时间长2550NS,但功耗低。考虑到选择了同步时序逻辑电路，需要使用的门电路较多，这就要求传输延迟时间短，因而选择74系列芯片。考虑到秒表电路的功能实现只需有加计数功能即可，因而选择同步十进制计数器74160。23译码器显示电路LED数码管可用来显示一位09十进制数和一个小数点。LED数码管要显示BCD码所表示的十进制数字就需要一个专门的译码器，译码器不但要完成译码功能，还要有相当的驱动能力。选择74LS48译码器（共阴）驱动共阴极LED数码管。第3章主体单元电路的设计31时基电路的设计555定时器是模拟数字混合式集成电路，利用它可以方便地构成冲产生、整形电路和定时、延时电路。用555定时器构成的自激式多谐振荡器，是一种性能较好的时钟源。311555定时器的电路结构及其功能图31为555定时器的内部逻辑电路和外引脚图，从结构上看，555电路由2个比较器、1个基本RS触发器、1个反相缓冲器、1个集电极开路的放电晶体管和3个5K电阻组成分压器组成。图31555触发器的引脚图312555定时器的逻辑功能表31555定时器的引脚功能表313555定时器接成的多谐振荡器U2LM555CMGND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI25VVSR1R2C10NFCF100RLVDD04321图32555定时器构成的自激式多谐振荡器多谐振荡器如图32所示。当电路刚接通电源时，由于C来不及充电，555电路的2脚处于零电平，导致其输出3脚为高电平。当电源通过R1、R2向C充电到VCVDD时，输出端3脚由高电路平变为低电平，电容C经R1和内部电路的放电开关管放电。当放电到VCVDD时，输出端又由低电平转变为高电平。此时电容再次充电，这种过程可周而复始地进行下去，形成自激振荡。图33是输出端电压U0及电容器C上电压UC的波形。图33多谐振荡器波形图314振荡器参数计算（1）电容C充电时间T1起始值UC01/3UDD终了值UC（）UDD时间常数1（R1R2）C转换值UC（1）2/3UDD则电容C充电时间T1111（R1R2）CLN207R1R2C（2）电容C放电时间T2起始值UC02/3UDD终了值UC（）0时间常数1R2CLN207R2C转换值UC（2）1/3UDD（3）电路振荡周期TT1T207R12R2C电路振荡频率1/T1/07R12R2C显然改变R1，R2，C的值，就可以改变振荡器的频率。（4）占空比QT1/TR1R2/R12R2令C100NF,Q06；且由100HZ可解得R128KR25772K实际上，MULTISIM中可以由工具中的CIRCUITWIZARD中的555TIMEWIZARD自动生成满足要求的555多谐振荡器。32计数电路的设计计数器是一个用以实现计数功能的时序部件，它不仅可以用来计脉冲数，还常用作数字系统的定时，分频和执行数字运算以及其它特定的逻辑功能。计数器种类很多，按构成计数器中的各触发器是否使用一个时钟脉冲源来分，有同步计数器和异步计数器。根据计数制的不同，分为二进制计数器，十进制计数器和任意进制计数器。根据计数的增减趋势，又分为加法，减法和可逆计数器，还有可预置数和可编程功能计数器等等。32174LS160芯片介绍74LS161是一种同步四位二进制加法集成计数器，可用直接清零法构成任意进制计数器，也可用同步预置法构成任意进制计数器。174LS160芯片管脚图图3474LS160芯片管脚图274LS160具有如下功能异步清零。当清零控制端0时，立即清零，与CP无关。CR同步预置。当预置端0，而1时，在预置LD输入端D0D1D2D3预置某个数据，同时在CP脉冲上升沿作用下将D0D1D2D3端的数据装入计数器。保持。当1时，计数器处于保持状态。CRL计数。CTPCTT1时，电路为四位二进制加法计数器。在CP脉冲作D用下，电路按自然二进制递加，即由000000011111。当计到1111时，进位输出端C0送出进位信号（高电平有效），即C0Q3Q2Q1Q0CTT1。表3274LS160的功能表输入输出CRLDCTTCTPCPD0D1D2D3Q0Q1Q2Q30000010D0D1D2D3D0D1D2D31111计数110保持110保持322计数器部分原理说明1分秒电路U3374160NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2U3474160NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK21VCC5VVCC02图35分秒电路图由74LS160的功能表知当CLR为高电平时百分秒U34处于计数状态，在时钟脉冲作用下输出从00001001变化，当输出为1001时，RCO为高电平时，只有在此时十分秒U33的BNT控制端才为高电平，再来一个脉冲时，U33计数器才加计1，其他状态保持不变。这样便将分秒电路接成了一百进制计数器。从0099计数。2分电路与秒电路U1174160NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2U1474160NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2U1574160NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2U1674160NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2VCC5VU20A7404NU13A7404NU21A74ALS21AMU22A7404NU23A7408NU25A7404NU26A74ALS21AMU27A7400NU1A7404NU31A7400NU35A7408NU24A7408N363534303119181615141312111098765432VCC2101图36分电路与秒电路当十分秒计数器U33输出为1001时，且百分秒计数器U34输出为1001时，它们的进位端RCO都为为高电平时，此时秒个位计数器U11的BNT控制端才为高电平，再来一个脉冲时，U11计数器才加计1，其他状态保持不变。U11计数器从00001001变化，即09十个状态。当秒个位计数器U11输出为1001时，且十分秒计数器U33百分秒计数器U34都输出为1001，即它们的进位端RCO都为为高电平时时，此时秒十位计数器U14的BNT控制端才为高电平，再来一个脉冲时，U14计数器才加计1，其他状态保持不变。U14计数器从00001010变化，当U14计数器输出为1010，且秒个位计数器U11、十分秒计数器U33、百分秒计数器U34都输出1001（5999）时，U14的置位端为低电平，再来一个脉冲时，U14置零，即U14U11U33U34变为（0000）。当U14的置位端为低电平，分个位计数器U15的BNT控制端为高电平，再来一个脉冲时，U15计数器才加计1，其他状态保持不变，计数器从00001001变化，即09十个状态。当U15U11U33U34都输出1001且U14计数器输出为1010时，分十位计数器U16的BNT控制端为高电平，再来一个脉冲时，U16计数器才加计1，其他状态保持不变。U16计数器从00001010变化，当U16计数器输出为1010，且分个位计数器U15、秒个位计数器U11、十分秒计数器U33、百分秒计数器U34都输出1001（595999）时，U16的置位端为低电平，再来一个脉冲时，U16置零，即U16U15U14U11U33U34变为（000000）。33译码显示电路的设计331译码器8421BCD码译码器这种译码器的输入端子有四个，分别输入四位8421BCD二进制代码的各位，输出端子有10个。每当输入一组一组8421BCD码时，输出端子有10个端子中对应于该二进制数所表示的十进制数的段子就输出高低电平，而其它端子保持原来的高低电平。74LS48译码器74LS48是控制七段显示器显示的集成译码电路之一，A、B、C、D为BCD码输入端，A为最高位，分别驱动七段显示器的AG输入端，高电平触发显示，可驱动共阴极发光二极管组成的七段显示器显示。其它端为使能端。此次设计中我所选用的是74LS48译码器图3774LS48管脚图74LS48的使能端RBI的功能如下1）消隐输入BI/RBO。当BI0时，不论其它个使能端和输入端处于任何状态，YAYG均输出低电平，显示器的七个字段全熄灭。这个端子是个双功能端子，即可以作输入端子，也可以作输出端子。作输入端子用时，它是消隐输入BI；作输出端子用时，是灭零输出RBO。2）灭零输出BI/RBO。RBO为灭零输出。当RBI0，输入ABCD0000时，RBO0，利用该灭零输出信号可将多位显示中的无用零熄灭。在多位数字显示系统中，RBO与相邻数字译码芯片的灭零输入端RBI相连接，控制邻位的零是否应该熄灭。对含有整数和小数的数字译码电路，在整数部分，高位数字译码芯片的RBO端接相邻低位数字译码芯片的RBI；而在小数部分，低位数字译码芯片的RBO端接相邻高位数字译码芯片的RBI。3）试灯LT。当LT0，BI/RBO1时，YAYG输出全高，七段显示器全亮，用来测试个发光段能否正常显示。4）灭零输入RBI。RBI为低电平有效，作用是将能显示的0熄灭。译码电路中整数部分最高位和小数部分最低位数字的译码芯片的RBI固定接0，而小数点前后两位的RBI固定接1。表3374LS48引脚功能表332显示器1、七段显示译码器74LS48可控制七段数码显示器显示的集成电路之一，它的输出信号能驱动七段显示器发光发光二极管，即LED是由半导体材料制成的PN结，在正向偏置时会发光，具有工作电压低、体积小、寿命长、响应快等优点。常用的颜色有红、绿、黄。发光二极管的正向压降为22V26V，工作电流为510MA，其发光亮度基本与工作电流成正比。因此在使用发光二极管时，必须串限流电阻。发光二极管可工作于脉冲状态，在平均电流相同的情况下，脉冲工作状态比直流工作状态的亮度增加约20。发光二极管可以单个的形式使用，也可将几个发光二极管封装在一起，根据封装的形状有七段数码显示器、米字型显示器和点阵式显示器等不同的形式。当发光二极管导通时，点亮相应的笔划或点。控制这些发光二极管的亮与暗，即可显示不同的字符或符号。多个发光二极管封装在一起的七段数码显示器按其连接形式可分为共阳显示器和共阴显示器。共阳显示器的阳极连接在一起，此时对阳极提供一正电压，通过限流电阻控制其阴极为高电平或是低电平来决定其暗或是亮。共阴显示器的阴极连在一起，此时可将阴极接地，通过限流电阻控制其阳极为高电平或是低电平来决定其亮或是暗。根据需要我选用共阴极接法图38共阴七段显示器的结构图39七段显示器的显示形状2、LED限流电阻的大小计算图310限流电阻VF正向电压。这个正向电压是在IF20MA的情况下取的，而VF的取值范围为（28，35）。从正向电流和正向电压的关系曲线图中，根据所需要的的电流，而得知此IF下的正向压降，从而可以算出限流电阻的大小。图311正向电压与正向电流关系曲线图IF正向电流。最大额定值是30MA，平时使用时，不能让LED一直工作在最大额定值。所以IF30MA。再根据下图可以知道，电流大，LED发光强，但消耗的功率大。电流小，LED发光小，消耗的功率小。通常电路的总体功耗要较小，不能都消耗在指示灯上，当然还要考虑电源的功率要满足后面电路功耗的要求，并且最好要有富裕。所以这个LED的正向电流选取为20MA，正向压降为33V。图312亮度与正向电流关系曲线图限流电阻可以根据下式计算选取IF20MA，VF33V，电源电压VCC5V解得R85333防抖动开关1基本RS触发器RS触发器有两个与非门交叉连接而成，如图是它的逻辑图。其中S为置1输入端，R为置0（复位）输入端在逻辑符号中用小圆圈表示输入信号为低电平有效。Q和是一对互补输出端，同时用它表示触发器的输出状态，即Q1、0表示触发器的1态，Q0、1表示触发器的0态。Q图313基本RS触发器S、R为触发器的两个输入信号；QN为触发器的现态（初态），即输入信号作用前触发器Q端的状态；QN1为触发器的次态，即输入信号作用后触发器Q端的状态。表34基本RS触发器状态真值表SRQNQN1说明000001不允许01010111置1（QN11）10001010置0（QN10）11001111保持（QN1QN）当S0、R1时，不管触发器原来出于什么状态，其次态一定为1，即QN11，故触发器处于置1状态（位置状态）。当S1、R0时，不管触发器原来出于什么状态，其次态一定为0，即QN10，故触发器处于置0状态（复位状态）。当SR1时，触发器状态保持不变，即QN1QN。当SR0时，触发器两个输出端Q和不互补，破坏了触发器的正常工作，使触发器失效。当输入条件同时消失时，触发器状态不定，即QN1。这种情况在触发器工作时不允许出现。因此，使用这种触发器时，禁止SR0的输入状态出现。防抖开关5VVSU24A7400NU1A7400N2J2KEYSPACE100RL100RL34VDD10图314防抖开关工作原理当将开关置于左边，则左边接地，使U24A端输入为低电平，从而U24A端显示1,U1A端显示0。停止时，将开关置于右边，则右边接地，使U1A端输入为低电平，从而U24A端显示0,U1A端显示1。本次设计在多谐振荡器，和计数器上使用了防抖动开关，用其来控制多谐振荡器的停摆和计数器的清零功能。第4章电路仿真41时基电路U2LM555CMGND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI25VVS28KR15772KR2100NFC10NFCF100RL765U24A7400NU1A7400N2J2KEYSPACE100RL100RLVDD341XSC1ABEXTTRIG_08时基电路原理图开关打在右边的波形图时基电路测试波形图1开关打在左边的波形图时基电路测试波形图242译码显示电路数码管的测试数码管是由七段数码管与74LS48译码器组合而成。译码器TL、RI/RBO、RBI端口接高电平。译码显示电路原理图VCC5VU1174160NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2U1474160NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2U1574160NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2U1674160NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2U20A7404NU13A7404NU21A74ALS21AMU22A7404NU23A7408NU25A7404NU26A74ALS21AMU27A7400NU3374160NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2U3474160NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2U1A7404N5VVSU18A7400NU19A7400NJ2KEYSPACE100RL100RLU31A7400NU35A7408NU24A7408N524647330454443VCC342423222120161412101113151718193551V11KHZ5V0VDDXSC1ABCDGT35049480计数电路原理图开关打在右边的波形图计数电路测试波形图1开关打在左边的波形图计数电路测试波形图2第五章总结21世纪，电子科学技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎参透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。数字电路在各个领域有着极其广泛的应用。电子秒表是数字电路的典型应用，是重要的记时工具,广泛运用于各行各业中。作为一种测量工具，电子秒表相对其它一般的记时工具具有便捷、准确、可比性高等优点。我们必须熟练掌握数字电路的工作原理及设计方法。本次实习，我选择的题目是数字电子秒表，是通过数字电路方法，完成具备基本功能的电子秒表的理论设计。该秒表完成从000000到595999的计时功能，并在控制电路的作用下实现手控记秒，停摆，手动清零功能。本设计用中小规模集成电路实现，由555振荡器，计数器、译码器、显示电路等组成。这次实习我遇到了不少问题，首先是MULTISIM软件的学习，刚安装着个软件后，仿真时，总是提示生成网表错误。后来经查询知道MULTISIM在运行时需要一