《數(shù)字式秒表》.doc

此文檔收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)，請聯(lián)系網(wǎng)站刪除電子技術(shù)課程設(shè)計報告 題 目 數(shù)字式秒表 學(xué)院（部） 電控學(xué)院 專 業(yè) 班 級 學(xué)生姓名 學(xué) 號 指導(dǎo)教師（簽字） 前 言 數(shù)字式秒表是一種常用的計時工具，以其價格低廉、走時準(zhǔn)確、使用方便、功能多而廣泛用于體育比賽中，下文介紹了如何利用中小規(guī)模集成電路和半導(dǎo)體器件進(jìn)行數(shù)字式秒表的設(shè)計。本設(shè)計中數(shù)字秒表的最大計時是99分59.99秒，也就是說分辨率是0.01秒，最后計數(shù)結(jié)果用數(shù)碼管顯示，需要實現(xiàn)清零、啟動計時、暫停計時、繼續(xù)計時等功能。當(dāng)計時停止的時候，由開關(guān)給出一個清零信號，使得所有顯示管全部清零 在本次實驗中由六片74LS160構(gòu)成兩個100進(jìn)制計數(shù)器和一個60進(jìn)制計數(shù)器來實現(xiàn)秒表的計數(shù)功能。由于需要比較穩(wěn)定的信號，我們用555定時器與電阻和電容組成的多諧振蕩器產(chǎn)生100HZ的信號，用六個數(shù)碼管顯示計時，最后在電路中加入了兩個控制開關(guān)一個控制電路的啟動和暫停；另一個控制電路的清零。 目錄題目 摘要 關(guān)鍵詞 設(shè)計要求.4第一章 系統(tǒng)概述.5第二章 單元電路與分析.62.1 秒信號發(fā)生器.62.1.1 555定時器的功能.62.1.2 555構(gòu)成的多諧振蕩器.72.1.3 多諧振蕩器的仿真圖.82.2 消抖電路.92 .3 分、秒、毫秒計數(shù)器電路設(shè)計 .92.3.1 選擇計數(shù)器的方案 .92.3.2 74LS160計數(shù)器的功能介紹 .10 2.3.3 計數(shù)器最終連線圖 .11 2.4譯碼部分 .12 2.4.1 譯碼器的基本原理 .12 2.4.2 方案的提出 .12 2.4.3 方案對比與選擇 13 2.4.4 74LS48的功能介紹 13 2.5 數(shù)碼管 .15 2.5.1 七段數(shù)碼管工作原理 .15 2.5.2 七段數(shù)碼管內(nèi)部結(jié)構(gòu)介紹 .16 2.5.3 顯示器匹配電路圖 16 2.5.4 譯碼器與數(shù)碼管匹配電路的仿真圖 17第三章 系統(tǒng)綜述、總體電路圖 18 3.1 總電路圖 .17第四章 結(jié)束語 .18 4.1 總結(jié)語 19 4.2 故障分析 .19 參考文獻(xiàn) 20元器件明細(xì)表 .20鳴謝 .21收獲與體會 .21評語 .23數(shù)字式秒表摘要： 數(shù)字式秒表是一種用數(shù)字電路技術(shù)實現(xiàn)時、分、秒計時的裝置，無機(jī)械裝置，具有較長的使用壽命，因此得到了廣泛的使用。 數(shù)字式秒表從原理上講是一種典型的數(shù)字電路，其中包括了組合邏輯電路和時序電路。本次實驗所做數(shù)字式秒表由信號發(fā)生系統(tǒng)和計時系統(tǒng)構(gòu)成。由于需要比較穩(wěn)定的信號，所以信號發(fā)生系統(tǒng)555定時器與電阻和電容組成的多諧振蕩器構(gòu)成，信號頻率為100HZ。計時系統(tǒng)由計數(shù)器、譯碼器、顯示器組成。計數(shù)器由74 LS160構(gòu)成，由十進(jìn)制計數(shù)器組成了一百進(jìn)制和六十進(jìn)制計數(shù)器，采用異步進(jìn)位方式。譯碼器由74LS48構(gòu)成，顯示器由數(shù)碼管構(gòu)成。具體過程為：由晶體震蕩器產(chǎn)生100HZ脈沖信號，傳入計數(shù)系統(tǒng)，先進(jìn)入計數(shù)器，然后傳入譯碼器，將4位信號轉(zhuǎn)化為數(shù)碼管可顯示的7位信號，結(jié)果以“分”、“秒”、“10毫秒”依次在數(shù)碼管顯示出來。該秒表最大計時值為99分59.99秒，“分”和“10毫秒”為一百進(jìn)制計數(shù)器組成，“秒”為六十進(jìn)制計數(shù)器組成。關(guān)鍵詞：計時 精度 計數(shù)器 顯示器 設(shè)計要求：1 秒表最大計時值為99分59.99秒；2 6位數(shù)碼管顯示，分辨率為0.01秒；3 具有清零、啟動計時、暫停及繼續(xù)計數(shù)等控制功能；4 控制操作鍵不超過二個。第一章 系統(tǒng)概述 所為數(shù)字式秒表，所以必須有一個數(shù)字顯示。按設(shè)計要求，須用七段數(shù)碼管來做顯示器。題目要求最大記數(shù)值為99，59，99，那則需要六個數(shù)碼管。要求計數(shù)分辨率為0.01秒，那么我們需要相應(yīng)頻率的信號發(fā)生器。 選擇信號發(fā)生器時，有兩種方案：一種是用晶體震蕩器，另一種方案是采用集成電路555定時器與電阻和電容組成的多諧振蕩器。其核心部分使用六個74160計數(shù)器采用串聯(lián)方式構(gòu)成，這種連接方式簡單，使用元器件數(shù)量少。由于555定時器的比較器靈敏度較高，輸出驅(qū)動電流大，功能靈活，再加上電路結(jié)構(gòu)簡單，計算比較方便，所以CP脈沖是由555多諧振蕩器產(chǎn)生的。 數(shù)字式秒表實際上是一個頻率（100HZ）進(jìn)行計數(shù)的計數(shù)電路。由于數(shù)字式秒表計數(shù)的需要，故需要在電路上加一個控制電路，該控制電路清零、啟動計時、暫停及繼續(xù)計數(shù)等控制功能，同時100HZ的時間信號必須做到準(zhǔn)確穩(wěn)定。通常使用石英晶體振蕩器電路構(gòu)成數(shù)字鐘。數(shù)字電子鐘的總體圖如圖所示。由圖可見，數(shù)字電子鐘由以下幾部分組成：555振蕩器和防抖開關(guān)；秒表控制開關(guān)；一百進(jìn)制秒、分計數(shù)器、六十進(jìn)制秒計數(shù)器；以及秒、分的譯碼顯示部分等串電阻串電阻串電阻 圖1-1 原理流程圖第二章 單元電路設(shè)計與分析 2.1秒信號發(fā)生器2.1.1 555定時器的功能555定時器組成及工作原理如下： 圖2-1-1 555定時器電路結(jié)構(gòu)圖如圖2是555定時器電路結(jié)構(gòu)的簡化原理圖和引腳標(biāo)識。由電路原理圖可見，該集成電路由下述幾部分組成：串聯(lián)電阻分壓電路、電壓比較器C1和C2、基本RS觸發(fā)器、放電三極管T以及緩沖器G組成。（注釋：編號555的內(nèi)涵是因該集成電路的基準(zhǔn)電壓是由三個5k電阻分壓組成）定時器的功能主要取決于比較器，比較器C1和C2的輸出控制著RS觸發(fā)器和放電三極管T的狀態(tài)，RD為復(fù)位端。當(dāng)RD=0時，輸出U0=0,T管飽和導(dǎo)通。此時其他輸入端狀態(tài)對電路清零0狀態(tài)無影響。正常工作時，應(yīng)將RD接高電平。當(dāng)控制電壓輸入端5腳懸空時，比較器C1、C2的基準(zhǔn)電壓分別是2Ucc/3和Ucc/3。如果5腳Uic外接固定電壓，則比較器C1、C2的基準(zhǔn)電壓為Uic和Uic/2。 由圖1中可知，若5腳懸空，當(dāng)Ui62Ucc/3,Ui2Ucc/3時，比較器C1、C2分別輸出高電平和低電平，即R=1, S=0, 使基本RS觸發(fā)器置1，放電三極管截止，輸出Uo=1。當(dāng)Ui6Ucc/3時，比較器C1和C2輸出均為高電平， 即R=1, S=1.。RS觸發(fā)器維持原狀態(tài)， 使Uo輸出保持不變。當(dāng)Ui62Ucc/3，Ui2Ucc/3時，比較器C1輸出低電平，比較器C2輸出高電平，即R=0，S=1，基本RS觸發(fā)器置0，放電三極管T導(dǎo)通，輸出Uo=0。當(dāng)Ui62Ucc/3，Ui22Ucc/3Ucc/30導(dǎo)通1Ucc/3不變不變12Ucc/3m時,稱為部分譯碼。2.4.2 方案的提出方案一：利用7447七段顯示譯碼器 7447七段顯示譯碼器輸出為低電平有效，用以驅(qū)動共陽極數(shù)碼管。邏輯符號見圖9，其功能表見表2。7447有4個 BCD碼輸入端 A、B、C和D，其中 D為最高有效位，A為最低有效位，它們分別與輸出端口中的4位相連。7447的7個輸出引腳 ag直接與 LED的相應(yīng)引腳相連。當(dāng)滅燈輸入/動態(tài)滅燈輸出（BI/RBO）開路或為高電平而試燈輸入為低電平，則所有輸出端都為1。BI/RBO是線與邏輯，作滅燈輸入（BI）或動態(tài)滅燈（RBO）之用，或者兼為二者之用。 圖2-4-1.7447顯示譯碼器1. 要求015時，滅燈輸入（BI）必須開路或保持高電平，如果不要滅十進(jìn)制數(shù)零，則動態(tài)滅燈輸入（RBI）必須開路或為高電平。2. .將一低電平直接輸入BI端，則不管其他輸入為何電平，所有的輸出端均輸出為低電平。3. 當(dāng)動態(tài)滅燈輸入（RBI）和A,B,C,D輸入為低電平而試燈輸入為高電平時，所有各段輸出都為0，并且動態(tài)滅燈輸出（RBO）為低電平（響應(yīng)條件）。4. 當(dāng)滅燈輸入/動態(tài)滅燈輸出（BI/RBO）開路或為高電平而試燈輸入為低電平，則所有輸出端都為1。方案二：利用74LS48顯示譯碼器 74LS48是BCD-7段譯碼器/驅(qū)動器，輸出高電平有效，專用于驅(qū)動LED七段共陰極顯示數(shù)碼管。其管腳功能如圖2-4-1所示 圖2-4-2. 74LS48管腳圖2.4.3 方案對比與選擇 7447七段顯示譯碼器輸出為低電平有效，用以驅(qū)動共陽極數(shù)碼管，而74LS48是BCD-7段譯碼器/驅(qū)動器，輸出高電平有效，專用于驅(qū)動LED七段共陰極顯示數(shù)碼管。在軟件Multisim仿真的時候出現(xiàn)錯誤，無法正常工作，所以為了得到正確的設(shè)計結(jié)果，我們選用74LS48顯示譯碼器。 2.4.4 74LS48功能介紹74LS48除了有實現(xiàn)7段顯示譯碼器基本功能的輸入（DCBA）和輸出（YaYg）端外，74LS48還引入了燈測試輸入端（LT）和動態(tài)滅零輸入端（RBI），以及既有輸入功能又有輸出功能的消隱輸入/動態(tài)滅零輸出（BI/RBO）端。 其功能表如下表2-4-174ls48引腳功能表七段譯碼驅(qū)動器功能表十進(jìn)數(shù)或功能輸入BI/RBO輸出備注/TD LTRBID C B A abcdefg0HH0 0 0 0H111111011Hx0 0 0 1H01100002Hx0 0 1 0H11011013Hx0 0 1 1H11110014Hx0 1 0 0H01100115Hx0 1 0 1H10110116Hx0 1 1 0H00111117Hx0 1 1 1H11100008Hx1 0 0 0H11111119Hx1 0 0 1H111001110Hx1 0 1 0H000110111Hx1 0 1 1H001100112Hx1 1 0 0H010001113Hx1 1 0 1H100101114Hx1 1 1 0H000111115Hx1 1 1 1H0000000BIxxx x x xL00000002RBIHL0 0 0 0L00000003LTLxx x x xH11111114由74LS48真值表可獲知74LS48所具有的邏輯功能：（1）7段譯碼功能（LT=1，RBI=1）在燈測試輸入端（LT）和動態(tài)滅零輸入端（RBI）都接無效電平時，輸入DCBA經(jīng)74LS48譯碼，輸出高電平有效的7段字符顯示器的驅(qū)動信號，顯示相應(yīng)字符。除DCBA = 0000外，RBI也可以接低電平，見表2-4-1中116行。（2）消隱功能（BI=0）此時BI/RBO端作為輸入端，該端輸入低電平信號時，表2-4-1倒數(shù)第3行，無論LT 和RBI輸入什么電平信號，不管輸入DCBA為什么狀態(tài)，輸出全為“0”，7段顯示器熄滅。該功能主要用于多顯示器的動態(tài)顯示。（3）燈測試功能（LT = 0）此時BI/RBO端作為輸出端， 端輸入低電平信號時，表2-4-1最后一行，以及DCBA輸入無關(guān)，輸出全為“1”，顯示器7個字段都點亮。該功能用于7段顯示器測試，判別是否有損壞的字段。（4）動態(tài)滅零功能（LT=1，RBI=1）此時BI/RBO端也作為輸出端，LT 端輸入高電平信號，RBI 端輸入低電平信號，若此時DCBA = 0000，表2-4-1倒數(shù)第2行，輸出全為“0”，顯示器熄滅，不顯示這個零。DCBA0，則對顯示無影響。該功能主要用于多個7段顯示器同時顯示時熄滅高位的零。2.5 數(shù)碼管2.5.1 七段數(shù)碼管工作原理在這個部分我們用七段數(shù)碼管（LED）來顯示結(jié)果， 七段數(shù)碼管有七個發(fā)光段，即a.b.c.d.e.f.g，根據(jù)設(shè)計要求的需要，我們使用了四個無小數(shù)點顯示和兩個有小數(shù)點顯示的數(shù)碼管。它們分別如圖2-5-1和2-5-2。 圖2-5-1 圖2-5-2 數(shù)碼顯示與發(fā)光段之間的對應(yīng)關(guān)系如下表2-5-1所示。表2-5-1BCD碼顯示數(shù)碼發(fā)光管BCD碼顯示數(shù)碼發(fā)光管0000Abcdef0101acdfg0001bc0110cdefg0010Abdeg0111Abc0011Abcdg1000Abcdefg0100bcfg1001Abcfg2.5.2 七段數(shù)碼管內(nèi)部結(jié)構(gòu)介紹七段數(shù)碼管內(nèi)部由發(fā)光二極管構(gòu)成。在發(fā)光二極管兩端加上適當(dāng)?shù)碾妷簳r，就會發(fā)光。發(fā)光二極管有兩種接法：即共陰極接法和共陽極接法，如下圖2-5-3,2-5-4所示。 圖2-5-3 圖2-5-42.5.3 顯示器匹配電路圖本設(shè)計采用共陰數(shù)碼管與74LS48匹配。其連接圖如圖2-5-5所示 圖2-5-52.5.4 譯碼器與數(shù)碼管匹配電路的仿真圖圖2-5-6 第三章 系統(tǒng)綜述、總體電路圖3.1 總電路圖 J1控制數(shù)字秒表的啟動和停止，J2控制數(shù)字秒表的清零復(fù)位。開始時把J1J2合上，由555多諧振蕩器產(chǎn)生脈沖信號，運行本電路，數(shù)字秒表正在計數(shù)。J1打開，脈沖不能給上面的計數(shù)電路，整個電路暫停計數(shù)，閉合J1，電路重新獲得脈沖信號，開始計數(shù)，當(dāng)J1開關(guān)閉合，把開關(guān)J2開關(guān)打開，那將給計數(shù)電路中的74LS160的清零信號，開始計數(shù)，當(dāng)J1開關(guān)閉合，J2開關(guān)打開，那將給計數(shù)器清零，于是我們就用兩個開關(guān)實現(xiàn)了整個電路的清零、啟動、計時、暫停及繼續(xù)計數(shù)等控制功能；閉合J1.J2，電路處于計數(shù)狀態(tài)，當(dāng)給計數(shù)電路9（1001）個脈沖的時候，繼續(xù)再給一個脈沖，就會產(chǎn)生進(jìn)位，這樣我們用輸出BCD碼的最高位來觸發(fā)下一個計數(shù)器，這樣給電路第十個脈沖以后，電路計數(shù)結(jié)果就會成“10”，繼續(xù)給脈沖，到第99個時候，繼續(xù)給一個脈沖，我們同樣用第二個芯片的最高位來觸發(fā)下一個芯片，也就是用最高位的下降沿來當(dāng)做下一個芯片的脈沖。同理，當(dāng)秒計數(shù)需向分計數(shù)進(jìn)位的時候，我們都用最高位的變化來當(dāng)做下一個芯片的CP信號，這樣我們就完成了我們需要的計數(shù)。第四章 結(jié)束語4.1 總結(jié)語通過一周半的設(shè)計，總算是有了一個結(jié)果。方案和結(jié)果都讓我們比較滿意，完成了所有的設(shè)計要求：1.秒表最大計時值為99分59.99秒；2. 6位數(shù)碼管顯示，分辨率為0.01秒；3.具有清零、啟動計時、暫停及繼續(xù)計數(shù)等控制功能；4. 控制操作鍵不超過二個。在這次課題設(shè)計中，我們的整體思路主要是參考了老師的意見，然后進(jìn)行不斷的研究與探索而成的。實現(xiàn)了電路的最簡潔，使電路圖簡單易懂。防抖開關(guān)的使用，使我們的電路更加的穩(wěn)定，這是我們這次設(shè)計中一個比較大的亮點。但是，在這次設(shè)計過程中，我們也遇到不少的麻煩，經(jīng)過多次反復(fù)的檢查和排除，最終實現(xiàn)了部分功能。4.2故障分析故障1：脈沖發(fā)生器（555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器）沒法實現(xiàn)0.01s的脈沖信號。原因：參數(shù)不對。排除方法：利用f=1.43/R1+2R2)C適當(dāng)?shù)倪x取定值電阻、電容的大小和可變電阻的最大阻值，其中，外加可調(diào)電阻，對其進(jìn)行左右微調(diào)，以提高精度，最大限度的保證輸出波形不失真。故障2：數(shù)碼管不顯示原因：l LED數(shù)碼管接入錯誤，陰陽極接反，未接入保護(hù)電阻。l 起初我們選用譯碼器7447，但由于軟件Multisim中此元件不可用，無法正常工作。排除方法：調(diào)整數(shù)碼管的陰陽極接線（按共陰極接線方法接線），接入電阻，將原件7447更換為74LS47。故障3：數(shù)碼管顯示后，分進(jìn)位顯示錯誤，無法正常進(jìn)位原因：對原件74LS160的工作原理理解有誤，其應(yīng)在下降沿，進(jìn)位排除方法：在分秒計數(shù)間，即60十進(jìn)制和100進(jìn)制之間，加一非門，保證其在下降沿故障4：數(shù)碼管數(shù)字跳動頻率不均勻。原因：使能輸入信號和清零信號的脈沖方波輸入波形出現(xiàn)抖動，排除方法：在機(jī)械開關(guān)之后，加一個防抖動開關(guān)參考文獻(xiàn) 1林濤主編，數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)，北京：清華大學(xué)出版社，20062林濤主編，模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)，重慶：重慶大學(xué)出版社，2003 3吳慎山主編，電子線路設(shè)計與實踐， 北京：電子工業(yè)出版社，20054劉福太主編，綠版電子電路498例， 北京：科學(xué)出版社，20075姜齊榮，趙東元，陳建業(yè)編著，有源電力濾波器結(jié)構(gòu)原理控制 北京：科學(xué)出版社，2005元器件明細(xì)表序 號名 稱 型號參數(shù)數(shù)量備注1U23A74LS00D12U3,U4,U5,U6,U7,U874LS160D63J2,J1DIPSW124U11,U12,U13,U14,U15,U1674LS,74LS48065R7,R8,R10,R12RPACK_VARIABLE_2*7,18046U17,U18,U19,U20,U21,U22SEVEN_SEG_DECIMAL_COM_K_BLUE27R11,R9RPACK_VARIABLE_2*8,18028U9A74STD,7404N19J4TD_SW1,0.5sec1sec610U1A,U2A74STD,7401N211R4,R5RESISTOR 10K212R1,R2RESISTOR 4.75K213R6POTENTIOMETER 100 1鳴謝本次課程設(shè)計歷時一周半，在設(shè)計過程當(dāng)中遇到了各類各樣從未遇到的困難和挫折，但在其中得到了XX老師的悉心指導(dǎo)，為我指點迷津，拓寬研究思路，精心點撥，循循善誘，熱心鼓勵。老師們的耐心輔導(dǎo)，我們銘記于心。其次還要非常感謝同組的XX,YY同學(xué)一直以來對我的幫助，回顧兩周經(jīng)歷的兼程，他們讓我學(xué)會了獨立思考，學(xué)會了團(tuán)隊協(xié)作，學(xué)會了舉一反三，這一周半以來的相濡以沫，我受益匪淺，再次表示感謝。 我還感謝電子與控制工程學(xué)院的諸位老師為我們提供了良好的設(shè)計條件，讓我順利完成此次課程設(shè)計。最后，我們衷心的感謝長安大學(xué)對我們的教育和支持。 收獲與體會一周半的課程設(shè)計已經(jīng)結(jié)束，留給我們組印象最深的是：要設(shè)計一個成功的電路，必須要有扎實的知識基礎(chǔ)，要熟練地掌握課本上的知識，這樣才能對試驗中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析解決。同時還需要有耐心和毅力。在整個電路的設(shè)計過程