課程設(shè)計(jì)數(shù)字秒表

1、數(shù)字秒表課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師：設(shè)計(jì)人員：學(xué)號(hào)：0905031211組員：班級(jí)：09電儀（二）班日期：2010年12月31日目錄1、內(nèi)容摘要22、設(shè)計(jì)課題任務(wù)及指標(biāo)23、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案論證24、統(tǒng)需要的元器件35、單元電路設(shè)計(jì)3 .消抖電路3 .脈沖發(fā)生器3.微分電路：4 .上電復(fù)位電路4.二/五分頻十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74ls905 .數(shù)碼管6 .cd4511功能表66、電路圖及電路的工作原理77、組裝調(diào)試98、設(shè)計(jì)成果的評(píng)價(jià)109、課程設(shè)計(jì)的收獲、體會(huì)1010、元器件清單11數(shù)字秒表1、內(nèi)容摘要：數(shù)字秒表是采用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)對(duì)分、秒，數(shù)字顯示的計(jì)時(shí)裝置,廣泛用于體育競(jìng)賽中。由于數(shù)字集成電路的發(fā)展和石英晶體振

2、蕩器的廣泛應(yīng)用,使得數(shù)字秒表的精度,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)老式秒表, 秒表的數(shù)字化給人們生產(chǎn)生活帶來(lái)了極大的方便。本設(shè)計(jì)的數(shù)字秒表是一個(gè)將“秒”顯示給我們的視覺(jué)器官的計(jì)時(shí)裝置。它的計(jì)時(shí)周期為10秒，顯示滿刻度為9.9秒。一個(gè)基本的數(shù)字秒表電路主要由消抖開關(guān)、微分電路、整形電路、信號(hào)發(fā)生器、計(jì)數(shù)器、譯碼器及顯示器組成。關(guān)鍵詞：脈沖發(fā)生器 計(jì)數(shù)器 譯碼顯示2、設(shè)計(jì)課題任務(wù)及指標(biāo)：（1） 通過(guò)本課程的選題、方案論證、設(shè)計(jì)計(jì)算、安裝調(diào)試、資料整理、撰寫“設(shè)計(jì)報(bào)告”等環(huán)節(jié)，初步掌握電子工程設(shè)計(jì)方法和組織實(shí)施的基本技能，深化、擴(kuò)展并綜合運(yùn)用課堂上所學(xué)的電子電路分析設(shè)計(jì)方法以及集成電路知識(shí)完成小系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)。（2） 利

3、用基本sr觸發(fā)器、脈沖發(fā)生器及計(jì)數(shù)、譯碼、顯示等單元電路設(shè)計(jì)數(shù)字秒表。（3） 在實(shí)驗(yàn)裝置上或者利用仿真軟件完成數(shù)字秒表的線路連接和調(diào)試。功能要求：最終實(shí)現(xiàn)秒表的計(jì)時(shí)、停止、復(fù)位功能。3、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案論證所作為數(shù)字式秒表，所以必須有一個(gè)數(shù)字顯示。按設(shè)計(jì)要求，須用數(shù)碼管來(lái)做顯示器。題目要求最大記數(shù)值為9.9秒，那則需要兩個(gè)個(gè)數(shù)碼管。要求計(jì)數(shù)分辨率為0. 1秒，那么我們需要相應(yīng)頻率的信號(hào)發(fā)生器。選擇信號(hào)發(fā)生器時(shí)，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(shí)器與電阻和電容組成的多諧振蕩器。其核心部分使用三個(gè)74ls90計(jì)數(shù)器采用串聯(lián)方式構(gòu)成（其中一個(gè)起到對(duì)50hz的分頻作用），這

4、種連接方式簡(jiǎn)單，使用元器件數(shù)量少。cp脈沖是由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器，產(chǎn)生50赫茲脈沖，如果精度要求高，也可采用石英振蕩器。在選擇譯碼器的時(shí)候，有多種選擇，74ls46，74ls47，74ls48等4-7線譯碼器。當(dāng)然，為了減小設(shè)計(jì)的誤差，還需要設(shè)計(jì)在開關(guān)端設(shè)計(jì)消抖電路、微分電路、整形電路。為了滿足上電復(fù)位，還應(yīng)該設(shè)計(jì)上點(diǎn)復(fù)位電路。系統(tǒng)框圖如下：4、單元電路設(shè)計(jì)（繪制時(shí)序圖）、參數(shù)計(jì)算和元器件選擇說(shuō)明（接口要求）：.消抖電路：兩個(gè)電阻r=3k。消抖原理：具有鎖存功能所致。.脈沖發(fā)生器（由555構(gòu)成的多些振蕩器）：管腳圖脈沖波形圖如下：由于頻率f=1.43/(r1+2r2)c=1hz，產(chǎn)生

5、10hz頻率,所以，電容c=2.2u，定值電阻r=47k，可變電阻r=100k。端口3為脈沖發(fā)生器的輸出端口。.二/五分頻十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74ls90：引腳圖和功能表： 74ls90功能： 通過(guò)不同的連接方式，74ls90可以實(shí)現(xiàn)四種不同的邏輯功能；而且還可借助r0（1）(2管腳)、r0（2）（6管腳）對(duì)計(jì)數(shù)器清零，借助s9（1）（6管腳）、s9（2）（7管腳）將計(jì)數(shù)器置9。其具體功詳述如下：（1） 計(jì)數(shù)脈沖從cp1輸入，qa作為輸出端，為二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。 （2） 計(jì)數(shù)脈沖從cp2輸入，qd、qc、qa作為輸出端，為異步五進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。 （3） 若將cp2和qa相連，計(jì)數(shù)脈沖由cp1輸入，qd、q

6、c、qb、qa作為輸出端，則構(gòu)成 異步8421碼十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。 （4） 若將cp1與qd相連，計(jì)數(shù)脈沖由cp2輸入，qa、qd、qc、qb作為輸出端，則構(gòu)成 異步5421碼十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。 （5） 清零、置9功能。 a) 異步清零 當(dāng)r0（1）、r0（2）均為“1”；s9（1）、s9（2）中有“0”時(shí)，實(shí)現(xiàn)異步清零功能，即qdqcqbqa=0000。 b) 置9功能 當(dāng)s9（1）、s9（2）均為“1”；r0（1）、r0（2）中有“0”時(shí)，實(shí)現(xiàn)置9功能，即qdqcqbqa =1001。本設(shè)計(jì)采用的是74ls90的五分頻和十進(jìn)制計(jì)數(shù)功能。其中，74ls90（1）是對(duì)50hz的脈沖信號(hào)進(jìn)行五分

7、頻，實(shí)現(xiàn)輸入為10hz（0.1s），74ls90（2）、74ls90（3）實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制計(jì)數(shù)。.數(shù)碼管：七段數(shù)碼管（led）led數(shù)碼管由發(fā)光二極管組成，led數(shù)碼管有一般亮和超亮等不同之分，也有0.5寸、1寸等不同的尺寸。小尺寸數(shù)碼管的顯示筆畫常用一個(gè)發(fā)光二極管組成，而大尺寸的數(shù)碼管由二個(gè)或多個(gè)發(fā)光二極管組成，一般情況下，單個(gè)發(fā)光二極管的管壓降為1.8v左右，電流不超過(guò)30ma。發(fā)光二極管的陽(yáng)極連接到一起連接到電源正極的稱為共陽(yáng)數(shù)碼管，發(fā)光二極管的陰極連接到一起連接到電源負(fù)極的稱為共陰數(shù)碼管。下圖是七段數(shù)碼管（led）bs201的示意圖，圖中引腳6為vcc的為共陽(yáng)數(shù)碼管，引腳6為gnd的為共陰數(shù)

8、碼管。本設(shè)計(jì)采用共陰數(shù)碼管與cd4511匹配。.3-7線譯碼器cd4511：bi：4腳是消隱輸入控制端，當(dāng)bi=0 時(shí)，不管其它輸入端狀態(tài)如何，七段數(shù)碼管均處于熄滅（消隱）狀態(tài)，不顯示數(shù)字。 lt：3腳是測(cè)試輸入端，當(dāng)bi=1，lt=0 時(shí)，譯碼輸出全為1，不管輸入 dcba 狀態(tài)如何，七段均發(fā)亮，顯示“8”。它主要用來(lái)檢測(cè)數(shù)碼管是否損壞。 le：鎖定控制端，當(dāng)le=0時(shí)，允許譯碼輸出。 le=1時(shí)譯碼器是鎖定保持狀態(tài)，譯碼器輸出被保持在le=0時(shí)的數(shù)值。 a1、a2、a3、a4、為8421bcd碼輸入端。 a、b、c、d、e、f、g：為譯碼輸出端，輸出為高電平1有效。 cd4511的內(nèi)部有上

9、拉電阻，在輸入端與數(shù)碼管筆段端接上限流電阻就可工作。6、電路圖及電路的工作原理：電路圖如下：各部分工作原理如下：消抖電路：它是由兩個(gè)74ls00集成與非門元件構(gòu)成。接在機(jī)械開關(guān)k的后面，防止開關(guān)k在打開和閉合時(shí)一些假信號(hào)竄入邏輯電路。上電復(fù)位電路：它由2.2電容和47k電阻構(gòu)成。利用電容充放電可以產(chǎn)生脈沖，作為清零復(fù)位用。微分電路：它是由0.01u電容和1.5k電阻構(gòu)成.從電容端加入的信號(hào)，經(jīng)過(guò)電容、電阻，在電阻端輸出的信號(hào)波形相當(dāng)于進(jìn)行了一次微分，故稱這種電路為微分電路。整形電路：它是由反相器74ls04集成非門元件構(gòu)成。在信號(hào)由一端輸入，起到整形的作用。0.1秒脈沖發(fā)生器電路：它由555集

10、成定時(shí)器元件和外圍的47k電阻和2.2u電容等元件構(gòu)成。調(diào)節(jié)電阻或電容的數(shù)值，可以改變脈沖發(fā)生器的輸出頻率。計(jì)數(shù)器電路：從進(jìn)位制來(lái)分，有二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，十進(jìn)制計(jì)數(shù)器等多種形式。在此采用的是二十進(jìn)制計(jì)數(shù)器即8421編碼方式。由74ls90構(gòu)成一位輸出電路。譯碼器電路：是將數(shù)碼轉(zhuǎn)換為一定的控制信號(hào)。在此由74ls48集成元件構(gòu)成，它能將十個(gè)二進(jìn)制數(shù)碼轉(zhuǎn)換為輸出端上的電平信號(hào)以控制顯示器。顯示器電路：有輝光數(shù)碼管和熒光數(shù)碼管等多種顯示電路。在此采用的是共陰極七段led顯示器。電路工作原理：上電時(shí)，上點(diǎn)復(fù)位電路產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，經(jīng)整形后，使兩個(gè)計(jì)數(shù)器清零。當(dāng)?shù)谝淮伟磩?dòng)開關(guān)k1，經(jīng)消抖電路產(chǎn)生一個(gè)單脈沖，輸出

11、端產(chǎn)生高電平，經(jīng)與門后，使0.1秒脈沖進(jìn)入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，并譯碼，顯示出來(lái)。當(dāng)?shù)诙伟磩?dòng)開關(guān)k2，產(chǎn)生第二個(gè)單脈沖使輸出端輸出低電平，關(guān)閉與門，使計(jì)數(shù)停止。7、組裝調(diào)試：本設(shè)計(jì)采用eda電路仿真對(duì)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行了調(diào)試。在調(diào)試的過(guò)程中遇到不少的麻煩，經(jīng)過(guò)多次反復(fù)的檢查和排除，最終實(shí)現(xiàn)了部分功能。故障1：脈沖發(fā)生器（555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器）沒(méi)法實(shí)現(xiàn)0.1s的脈沖信號(hào)。原因：參數(shù)不對(duì)。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。故障2：數(shù)碼管顯示亂碼。原因：計(jì)數(shù)器74ls90管腳接線錯(cuò)誤，led數(shù)碼管的共極性弄反（按共陽(yáng)極的接線方法接線）。排除方法

12、：對(duì)計(jì)數(shù)器正確接線，調(diào)整數(shù)碼管的陰陽(yáng)極接線（按共陰極接線方法接線）。故障3：數(shù)碼管數(shù)字跳動(dòng)頻率不均勻。原因：使能輸入信號(hào)和清零信號(hào)的波形不是規(guī)則的脈沖方波。排除方法：用示波器觀察脈沖輸出和微分電路輸出端的波形，不規(guī)則，就加一個(gè)反相器74hc04整形，同時(shí)，這樣還能達(dá)到減小誤差的目的。故障4：無(wú)法實(shí)現(xiàn)暫停的功能。原因：計(jì)數(shù)器使能端一直輸入脈沖信號(hào)。排除方法：在輸入的脈沖信號(hào)線路上，加一個(gè)開關(guān)。8、設(shè)計(jì)結(jié)果分析：通過(guò)一周的設(shè)計(jì)，總算是有了一個(gè)結(jié)果。只是方案和結(jié)果都令我不甚滿意。首先是方案，主要是是參考了老師的方案，然后按照老師的方案修改而成。最終沒(méi)有能夠?qū)崿F(xiàn)上電清零功能和暫停（用兩個(gè)開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)）

13、的功能，經(jīng)過(guò)反復(fù)的修改也沒(méi)能實(shí)現(xiàn)。只實(shí)現(xiàn)了計(jì)數(shù)和停止，雖然大體滿足了需要，但總的來(lái)說(shuō)，實(shí)用性并不高。由于一周的時(shí)間太短，所以設(shè)計(jì)結(jié)果不很完善，只要在設(shè)計(jì)時(shí)間之余，下苦工夫，其它諸如上電清零、暫停、存儲(chǔ)、報(bào)時(shí)等共能都能夠一一實(shí)現(xiàn)。9、課程設(shè)計(jì)的收獲、體會(huì)：一周的課程設(shè)計(jì)已經(jīng)結(jié)束，留給我印象最深的是要設(shè)計(jì)一個(gè)成功的電路，必須要有扎實(shí)的知識(shí)基礎(chǔ)，要熟練地掌握課本上的知識(shí)，這樣才能對(duì)試驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析解決。要有耐心和毅力。在整個(gè)電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中，花費(fèi)時(shí)間最多的是利用multisim 仿真，因?yàn)橐郧皼](méi)有學(xué)過(guò)這個(gè)軟件，只用過(guò)protel,所以其中的一部分我們要從頭學(xué)起，自行摸索的學(xué)習(xí)。在各個(gè)單元電路

14、的連接上花費(fèi)了大量時(shí)間。我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)做出了兩套方案以及仿真電路，我們仔細(xì)比較分析其原理以及可行的原因，最后請(qǐng)老師指導(dǎo)了一下，這才確定了我們的電路。實(shí)習(xí)過(guò)程中，我深刻的體會(huì)到在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要考慮到各個(gè)元器件的功能和特性，要翻閱大量資料，參考別人的經(jīng)驗(yàn)。只有這樣才能把自己的電路設(shè)計(jì)的完美。通過(guò)這次對(duì)數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)與制作，讓我了解了設(shè)計(jì)電路的程序，也讓我了解了關(guān)于數(shù)字秒表的原理與設(shè)計(jì)理念。在此次的數(shù)字秒表設(shè)計(jì)過(guò)程中，更進(jìn)一步地熟悉了芯片的結(jié)構(gòu)及掌握了各芯片的工作原理和其具體的使用方法。在設(shè)計(jì)電路中,輸入輸出端口不一定是固定的，例如74ls90就有好幾種計(jì)數(shù)共能和分頻共能，在不同的功能下，它的輸入和輸出端口是不一樣的。再就是注意數(shù)碼管的共極性（是共陰極還是共陽(yáng)極），不能將其 “ ” 與 “ ” 極接錯(cuò)。比如，共陰極數(shù)碼管和74ls48接，共陽(yáng)極數(shù)碼管和74ls46/74ls47接。在電路的仿真過(guò)程中出錯(cuò)的主要原因都主要是接線的錯(cuò)誤所引起的。接線的時(shí)候一定要細(xì)心，不要接錯(cuò)，同時(shí)也要學(xué)會(huì)如何判別芯片的功能，要是芯片不具備要求的功能，或者，不匹配，即使