广东石油化工学院数电实验-数字式跑表

1、课程设计说明书（小初号字距4磅黑体加黑居中）课程名称：数字电子技术课程设计 题 目：数字式跑表 学生姓名：专 业：班 级： 学 号： 指导教师： 日 期：2015 年 4 月 12 日 一、设计任务基本要求跟提高要求：设计一个以0.01s为基准计时信号的实用数字式跑表。1、基本要求：（1）跑表计时显示范围099min59.99s（2）具有清零、启动计时、暂停计时及继续计时功能，操作按键（或开关） 不超过2个（3）时钟源误差不超过0.01s2、提高要求：（1）显示最大值可达23h59min59.99s，有整点、半点提醒功能（2）有定时功能（3）有倒计时功能二、设计步骤： （1）设计出符合设计基本

2、要求的解决方案。 （2）设计出单元电路。 （3）利用proteus 7.9软件对个单元电路及整体电路进行仿真。（4） 撰写设计报告。图1 ：数字跑表输入输出示意图三、设计思路： 本数字跑表首先要从最低位的百分秒计数器开始，按照系统时钟进行计数。计数至100后向秒计数器进位，秒计数器以百分秒计数器的进位位为时钟进行计数。计数至60后向分计数器进位，最大可达到99min59.99s。 在实际的设计中，为了使计数器更加简单，计数器使用高低位两个计数器实现。100进制计数器分别是高位10进制计数器，低位10进制计数器；60进制计数分别是高位6进制计数器，低位10进制计数器。这样整个数字跑表使用6个计数

3、器实现。从左到右分别为分十位，分个位，秒十位，秒个位，百分秒十位，百分秒个位。数字跑表巧妙地运用进位位作为计数时钟来减少计数的位数。如果统一使用系统时钟作为计数时钟，那秒计数器将是一个6000进制的计数器，而分计数器将是一个3600000进制的计数器。这样将极大的浪费FPGA的逻辑资源。而使用进位位作为计数时钟，只需要一个100进制的计数器和两个60进制的计数器。四、元件介绍：1、74LS160计时器:图3：74ls160外引线排列图图4：74LS160管脚图及功能表 这种同步可预置十进计数器是由四个D型触发器和若干个门电路构成，内部有超前进位，具有计数、置数、禁止、直接（异步）清零等功能。对

4、所有触发器同时加上时钟，使得当计数使能输入和内部门发出指令时输出变化彼此协调一致而实现同步工作。这种工作方式消除了非同步（脉冲时钟）计数器中常有的输出计数尖峰。缓冲时钟输入将在时钟输入上升沿触发四个触发器。 电路有全独立的时钟电路。改变工作模式的控制输入（使能ENP、ENT或清零）纵使发生变化，直到时钟发生为止，都没有什么影响。计数器的功能（不管使能、不使能、置数或计数）完全由稳态建立时间和保持时间所要求的条件来决定。2、译码器图5：七段数码管七段显示译码电路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

5、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。 图6：74LS48管脚图表2：74LS48引脚功能表-七段译码驱动器功能表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，7448还引入了灯测

6、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。  由7448真值表可获知7448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7448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1倒数

7、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1最后一行，与 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 

8、;= 0000，表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。3、开始、暂停、清零单元图7：开始暂停清零电路在这个单元实现功能比较简单，利用74LS192计数器的异步置零，把计数器的置零端MR都连在一起，当CLR接低电平时，计数器正常计数，当CLR接高电平时，计数器被置零；开始、暂停、继续计时仅用一个开关START/PAUSE进行控制，闭合START/PAUSE,计数器接入时钟脉冲正常计数，打开开关，计数器暂停，数码管显示暂停，再次闭合开关，计数器正常工作，数码管继续显示，这样就同时完成了开始

9、、暂停、继续计时功能。4、脉冲输出电路图8：脉冲产生电路图 图9：555定时器引脚采用555定时器构成的多谐振荡器产生频率为100HZ的时序脉冲，3脚为脉冲输出端，其中参数选择为：, , ,图10：555定时器构成的多谐振荡波形图 图11：多谐振荡器的波形图接通电源后，假定是高电平，则T截止，电容C充电。充电回路是VCCR1R2  C地，按指数规律上升，当上升到时（TH、端电平大于），输出翻转为低电平。是低电平，T导通，C放电，放电回路为CR2T地，按指数规律下降，当下降到时（TH、端电平小于），输出翻转为高电平，放电管T截止，电容再次充电，如此周而复始，产生振荡，经分析可

10、得    输出高电平时间  输出低电平时间 振荡周期  把参数带入公式，得符合基本要求的时钟源误差不超过0.01S五、具体设计：1方案一：（1）我们组是分步骤进行的，首先做了个99min59.99s的计时器，由74LS160和74LS48等元件组成 。由俩个开关组成，一个清零按钮，一个启动暂停按钮。在此基础上，我们进一步添加了俩个7段数码管显示跑表的小时，把分钟转化为60进制，小时转为24进。在转24小时遇到很多困难，参考了李继凯的数电书里的29进制的例子，成功改到了23h59min59.99s。图12：60进制计

11、数器（2）第二步我们就添加整点半点提醒，先弄比较简单的整点，当每个160的Q0Q1Q2Q3=0000时经过或非们和与门输出1再传给带555定时器的蜂鸣器。以此类推，半点就是从左往右算第三个数码管显示3就可以了。图13：99min的160计时器图14：23h的160计时器2.方案二：（1） 显示最大值可达23h59min59.99，因为计数器要有减数，得把74LS160改为74LS192，这样以来基本就把整个电路从新做过。但前面做了那些再来一次就容易多了。把分改为60进制，小时改为100进制，很快就改为了23h99min59.99s，但接下来的提醒功能和到计时功能还是弄了很久，（2） 提醒功能用

12、了555定时器来改变蜂鸣器的声音大小的延迟长短，老是弄不到，不断的查找错误，把线看了一遍又一遍，删了一些重新画过，最后勉强把蜂鸣器声音响很小声，设置那些参数还是这样，不知道哪出问题了，于是只能这样。（3） 倒计时用了很多开关，要把60进制的改为100的才可以，这是美中不足的地方。没办法，毕竟能力有限。（4） 钟源误差不超过0.01s。刚开始以为就简单的把脉冲频率改100HZ就可以了，然后发现要用的555定时器构成多谐震荡器，在通过计算改变电容电阻参数来将频率改为0.01（3）74LS192管脚与功能表：图15：74LS192管脚与功能表74ls192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并

13、具有清除和置数 等功能。 同160相似（介绍略）。图三：含蜂鸣器23h的 160计数器六、调试与检测 ： 按照小组方案原理图，方案一我们在24进制遇到了问题，然后我们看书看图原来是接错线，照书再接一次，还是不行，最后把前面有一条线去掉就可以了。方案一不能清零功能和蜂鸣器响同时实现，因为160是同步置零，只有一个端口，但方案二把160改为192异步置数功能层解决了这个问题。但接到时候还是遇到很多问题，通过层检查的方法，经过认真仔细的连线，注意到各芯片之间不要混搭，连线要清晰。控制电路存在开始/暂停开关和启动/清零开关，在计数过程中使用各开关，观察显示器，看是否实现各功能。若不能实现，则检查各个逻

14、辑门电路线路连接是否正确，直到正确实现功能为止。待检查线路连接正确无误后，接通电源，合上开关，启动计时功能，通过观察显示器， 可以看到，电路实现了数字跑表的计时功能，且各开关也具有开始/暂停和启动/清零/整点半点提醒/倒计时功能，唯一没做的就是定时功能，还在继续研究，其他各功能都正常。七、总电路工作原理及元器件清单1原理图：图四：总原理图（最终版）2.最终元件清单：元件序号型号主要参数数量备注174LS1928用于计数274LS478用于译码3数码管8用于显示数字4非门（）7控制高位输入5与非门（74LS00）4实现与非功能6与或门6实现与或功能7与门6实现与功能8555定时器2实现蜂鸣器延时

15、响9或门1实现或功能10电容5控制电流或者电压11电阻4存电荷或者发电荷3.电路完整工作过程描述：（1).方案一：我们都把各个开关都取了名字，方便看。开始时100/60进制1开关切换到99min59.99（右端）开关100/60进制闭合，此时六个显示器都处于计时99min59.99s状态，计时开始。 （2). 开始/暂停开关闭合表示开始，反正暂停。清零开关低电平（下端）清零。（3).SW8、SW9、SW10、SW11全闭合，同时加减置换下端表示加法，下端表示减法，加减置换1左端表示加法，右端表示减法。（4). 当计时到24时59分59秒99微妙时，在下一个时序脉冲到来后显示器显示“ 00 00

16、 00 00”，完成一个计时循环，并且系统自动跳到下一个计时循环。八、结论与心得这一周的课程设计，我们选择了中到难的数字式跑步，刚好在上学期学过了一个做60进制的计数器，所以对这次设计比较有信心，相对其他的题目，这个还算是简单，不过提高部分还是蛮难的，不管怎样，通过这次课程设计，我们自己设计，自己分析，自己调试，可以更加深入学习各种电子元件的原理与使用方法，加深对已经学的模拟电子技术和数字电子技术方面的理解和初步应用，并将之运用到实践中去，加深自己的理解，为以后的学习和工作打下一个坚实的基础。体会到了团队的重要性，分工进行，一起讨论，效率比自己在那伤脑筋提高很多，还有个感觉，自己也没进实验室，所以觉得要自己动手学习，把理论用到实践中去才能真正的学得会。在我桌上贴着这样一句话“在现实世界中考虑理论问题，在理论世界思考现实问题”。除此之外，我还掌握用各种进制计数器设计所需进制计数器的转换、译码器和数码管的使用、门电路的控制作用以及用555定时器产生时序脉冲等。各种电路的组合需要经过精密的计算和思考，整合各个功能电路，使之能达到数字跑表的基本要求。慢慢提升我对电子这个专业的兴趣，知道动手能力的重要性。总