电子秒表电路的设计

1、数字电路实验实验名称： 电子秒表电路的设计 院系： 自动化学院 班级：电气 1134 班 姓名：卢应虎 指导老师：居勇峰 学号： 1131201416 时间： 2015.7.21 电子秒表简介 电子秒表是一种较先进的电子计时器，目前国产的电子秒表一般都是利 用石英振荡器的振荡频率作为时间基准，采用 6 位液晶数字显示时间。电子 秒表的使用功能比机械秒表要多，它不仅能显示分、秒，还能显示时、日、 月及星期，并且有 1l00s 的功能。本实验设计的电子秒表电路的基本组成框图如图 1-1 所示，它主要由基 本 RS触发器、单稳态触发器、多谐振荡器、计数器和译码显示器5 个部分组成。图 1-1 电子秒

2、表电路的基本组成框图2 单元电路设计及相关元器件的功能简介2.1 基本 RS触发器本实验设计电路所选用的基本 RS 触发器为用集成与非门构成的基本 RS 触发器。属低电平直接触发的触发器，有直接置位、复位的功能。其功能表 如表 2-1 所示。RSQnQn+1功能000不用不允许000不用0100Qn+1=0,置 0011021011Qn+1=1,置 110011111Qn+1=Qn保, 持1100表 2-1 基本 RS 触发器如图 2-1 所示，它的一路输出 Q作为单稳态触发器的输入，另一路输出 Q 作为与非门 5的输入控制信号。切换按钮开关 K1（接地），则门 1输出Q =1； 门 2 输出

3、 Q=0，K1复位后 Q、 Q 状态保持不变。再切换按钮开关 K2，则 Q由 0 变为 1 ，门 5 开启，为计数器启动作好准备； Q 由 1 变为 0，送出负脉冲， 启动单稳态触发器工作。基本 RS触发器在电子秒表中的职能是启动和停止秒表的工作图 2-1 基本 RS 触发器2.2 单稳态触发器 本实验设计电路所选用的单稳态触发器为用集成与非门构成的微分型单 稳态触发器，如图 2-2 所示。3单稳态触发器的输入触发负脉冲信号 vi 由基本 RS触发器 Q端提供，输出负脉 冲 vO 通过非门加到计数器的清除端 R。静态时，门 4 应处于截止状态，故电 阻 R 必须小于门的关门电阻 ROff 。定

4、时元件 RC取值不同，输出脉冲宽度也不 同。当触发脉冲宽度小于输出脉冲宽度时， 可以省去输入微分电路的 RP 和 CP 。 单稳态触发器在电子秒表中的职能是为计数器提供清零信号 。图 2-3 单稳态触发器波形图2.3 多谐振荡器本实验实验设计电路所选用的时钟发生器为用 555 定时器构成的多谐振 荡器，是一种性能较好的时钟源。如图 2-4 所示。调节电位器 RW ，使在输 出端 3获得频率为 50HZ的矩形波信号，当基本 RS触发器 Q1时，门 5开启， 此时 50HZ脉冲信号通过门 5 作为计数脉冲加于计数器的计数输入端 CP2。图 2-4 多谐振荡器NE555定时器是一种电路结构简单、使用

5、方便灵活、用途广泛的多功能电路。利用闭合回路的反馈作用可以产生自激振荡。 TTL电路延迟时间短，难 以控制频率。电路接入 RC回路有助于获得较低的振荡频率，由于门电路的作 用时间极短， TTL电路自有几十纳秒， 所以想获得稍低一些的振荡频率式很困 难的，而且频率不易调节。在电路中接入 RC电路可以有助于获得较低的振荡 频率，而且通过改变 R， C的数值可以很容易实现对频率的调节。振荡电路是数字秒表的核心部分，电容充放电的速度决定了电路的振荡 频率。 R1 、R2、C 决定了多谐振荡器的周期，即决定了形成的方波的频率利 用闭合回路中的负反馈作用可以产生自激振荡，利用闭合回路中的延迟负反 馈作用也

6、能产生自激振荡，只要负反馈作用足够强。为了得到频率更加准确 的频率信号，加入了电容和电阻，其中电容为 0.01uf 和 0.1uf，电阻为 100K 欧姆。2.4 计数及译码显示电路二五十进制加法计数器 74LS90 构成电子秒表的计数单元，其功能表 如表 2-2 所示，引脚图如图 2-5 所示。74LS90是一种较为典型的异步十进制计数器。 它由 1 个一位二进制和 1 个 异步五进制计数器组成。如果计数脉冲由 CP1端输入，输出由 QA端引出，即 得二进制计数器；如果计数脉冲 CP2端输入，输出由 QA QD端引出即得五进 制计数器；如果将 QA与 CP2相连，计数脉冲由 CP1输入，输出

7、由 QA QD引 出，即得 8421 码十进制计数器。因此，又称此电路为二五十进制计 数器。输入输出功能清 0置 9时钟QD QC QB QAR0(1) 、R0(2)S9(1) 、S9(2)CP1 CP2110 0 000清0 00 011 100置1 90 00 0 1QA 输 出二进制计数1 QDQCQB输出五进制计数 Q AQDQCQBQA 输 出8421BCD码十进制计数QDQAQDQCQB 输 出5421BCD码十进制计数1 1不变保持表 2-2 74LS90 的功能表图 2-5 74LS90 的引脚图本实验所设计的计数及译码显示电路如图 2-6 所示。其中计数器 1 接成 五进制形

8、式，对频率为 50HZ 的时钟脉冲进行五分频，在输出端 QD取得周期 为 0.1S 的矩形脉冲，作为计数器的时钟输入。计数器 2、计数器 3 和计数 器 4 接成 8421 码十进制形式，其输出端与实验装置上译码显示的相应输入端 连接 , 可显示 0.1-99.9S.图 2-6 计数及译码显示电路3 总电路设计图及其原理图 3-1 电子秒表总电路图 根据各单元电路原理，可得总电路图如图 3-1 所示。 其中，基本 RS触发器在电子秒表中的职能是启动和停止秒表的工作，单稳态触发器在电子秒表中的职能是为计数器提供清零信号。由 555 定时器构 成多谐振荡器，用来产生 50Hz的矩形波。第块计数器作

9、 5分频使用，将 555 输来的 50Hz的脉冲变为 0.1 秒的计数脉冲，在输出端 Qd取得，作为第 2 块 计数器的始终输入， 第 2、第 3、第 4块计数器 QA与 CP2相连，都已接成 8421 码十进制计数电路，其输出端与译码显示器的相应输入端连接，可显示0.1-0.9s,1-9s,10-90s.4 电路仿真利用电子设计软件 multisim 对电路仿真，根据图 3-1 所示电子秒表总电路图 在软件 multisim 中绘制出其仿真电路图，如图 4-1 所示。图 4-1 仿真电路图 开启仿真器实验电源开关，切换按钮开关 K1（接地），则 Q =1， Q=0；K1复 位后 Q、Q 状态

10、保持不变。再切换按钮开关 K2，则 Q由 0变为 1，门 5 即图 中 U8A开启，为计数器启 作好准备，同时 Q由 1 变为 0 ，送出负脉冲，启动单稳态触发器工作。适当调节可变电阻，使输出端 3 获得频率为 50HZ的矩形 波 信号 。双击 示波 器 XSC3， 观察 示波器 的输 出 波形 如 图 4-2 所示 。图 4-2 XSC3 的波形此 外 XSC1 和 XSC2 的 波 形 图 分 别 如 图 4-3 和 图 4-4 所 示9图 4-3 XSC1 的波形图图 4-4 XSC2 的波形图由仿真可知，该设计电路满足要求。5 安装及调试由于电路中使用器件较多， 设计前必须合理安排各器

11、件在实验装置上的 位置，使电路逻辑清楚接线较短。应按照设计任务的次序将各单元 电路逐个进行接线和调试 即分别测试基本 RS触发器、 单稳态触发器、 时钟发生器及计数器的逻辑功能 待备单元电路工作正常后， 再将有关 电路逐级连接起来进行测试， 直到测试电子秒表整个电路的功能。 这样 的测试方法有利于检查和排除故障，保证实验顺利进行。（ 1）测试基本 RS触发器的逻辑功能。（ 2）对单稳态电路进行静态测试：用直流数字电压表测量 A、B、D、F10 各点电位值，并记录；然后进行动态测试：输入端接 IKHZ连续脉冲源， 用示波器观察并描绘 D点 F点波形如嫌单稳输出脉冲持续时间太短 难 以观察，可以适

12、当加大微分电容 c（如改为 01 F待） 测试完毕再恢复 4700PF。（ 3）对时钟发生器进行调试：参照由 555 定时器构成的多谐振荡器的 测试方法来测试该部分的逻辑功能， 用示波器观察输出电压波形并测量 其频率调节 Rw，使输出矩形波频率为 50Hz。（ 4）计数器的测试：计数器接成五进制形式记录测试过程。 R0（ 1）、 R0（2）、S9（2）接逻辑开关输出插口， CP2接单次脉冲源， CP1接高电 平“1”，QDQA接实验设备上译码显示输入端口 D、C、B、A，按表 2-2 测试其逻辑功能并记录 ;计数器及计数器接成 8421 码十进制形式， 记录测试过程 ;将计数器、级连进行逻辑功

13、能测试，并记录。 （5）电子秒表的整体测试 :各单元电路测试正常后 按图 3-1 把几个单元电 路连接起来，进行电子秒表的总体测试。先按一下按钮开关K2此时电子秒表不工作， 再按一下按钮开关 K1，则计数器清零后使开始计时， 观察数码管显示计数情况是否正常。 如不需要计时或暂停计时 按一下 开关 K1，计时立即停止，但数码管保留所计时之值。（6）利用电子钟或手表的秒计时对电子秒表进行校准。116 设计心得通过这几天对电子秒表电路的设计使我对数字电子技术基础课程有了更深一步的了 解，同时发现了自己的很多不足，看到了自己的实践经验还是比较缺乏，理论联系实际的 能力还亟需提高。同时，经过这次课程设计

14、，我们对前面的路有了更多的信心，因为在这个过程中，我 们学到了不少实用的东西，对于一些专业基础课有了更深层次的掌握，并且提高了动手能 力和独立解决问题的能力。此次的数电课设，不仅让我加深了对数字电子电路理论知识的 理解，还加强和同学交流沟通的能力，在设计电路时和同组成员共同讨论解决问题，同时 设计出的电路经过 Multisim 软件仿真达到预期的效果， 不仅让小组所有成员共同获得努力 后成功的欣喜，而且了解了 Multism 软件的使用。诸多在此次学习到的知识或是能力必将 有用于之后的学习或是将来的工作，这也是此次课程设计的目的所在。总而言之，本周课程设计不但锻炼了我们最基本的数字电路的设计能力，更重要的是 让我们更深刻的认识了数字电子技术基础课程在实际中的应用。参考文献1 伍时和主编 . 数字电子技术基础 . 武汉理工大学出版社， 20092 康华光主编 . 电子技术基础数字部分 . 高等教育出版社， 20003 罗中华等主编 .4 周新民主编 .数字电路与逻辑设计 . 清华大学出版社， 2004工程实践与训练教程 武汉理工大学出版社， 2009 5 张新喜主编 . Multisim10 电路