數(shù)字式秒表課程設(shè)計

1、2012 2013學(xué)年 第 2 學(xué)期 數(shù)字電子技術(shù) 課 程 設(shè) 計 報 告題 目： 數(shù)字式秒表 專 業(yè)：通信工程班 級：11級通信(2)班姓 名：張濤 、李楊、鄭文凱、李芳琪 王然、程洋洋、王國文、謝燦 指導(dǎo)教師：王銀花 電氣工程學(xué)院2013年6月07日任務(wù)書課題名稱數(shù)字式秒表指導(dǎo)教師（職稱）王銀花執(zhí)行時間20122013學(xué)年 第2學(xué)期 第15周學(xué)生姓名學(xué)號承擔任務(wù)張濤1109131107譯碼器顯示電路設(shè)計鄭文凱1109131110譯碼器顯示電路設(shè)計李方琪1109131080計數(shù)器設(shè)計李揚1109131082計數(shù)器設(shè)計王然1109131097脈沖發(fā)生電路設(shè)計程洋洋1109131073控制電路設(shè)

2、計王國文1109131095復(fù)位電路設(shè)計謝燦1109131101脈沖發(fā)生電路設(shè)計設(shè)計目的 1熟悉集成電路的引腳安排和各芯片的邏輯功能及使用方法。2. 了解數(shù)字式秒表的組成及工作原理。 3. 熟悉數(shù)字式秒表的設(shè)計。設(shè)計要求1、設(shè)計并制作符合要求的電子秒表。2、秒表由4位七段LED顯示器顯示，顯示分辨率為0.01秒。3、計時最大值為59點99秒。4、安裝自己設(shè)計的電路。5、運用仿真軟件繪制設(shè)計電路圖（Multisim）。數(shù)字式秒表摘要在科技高度發(fā)展的今天，數(shù)字秒表在日常生活中是比較常見的電子產(chǎn)品，以其走時精確，使用方便，功用多而受廣大用戶所喜。本設(shè)計所實現(xiàn)的數(shù)字式秒表是電子設(shè)計技術(shù)中最基本的設(shè)計實

3、驗之一。該數(shù)字計數(shù)系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)較簡單，是由控制電路，復(fù)位電路，0.01秒脈沖發(fā)生器，譯碼顯示電路構(gòu)成的。其中控制電路是由基本R-S觸發(fā)器以及電阻，開關(guān)組成的電路部分；復(fù)位電路是由機械開關(guān)，電阻，以及電源組成的電路部分；多諧振蕩器是由555定時器以及其外圍電路組成的電路分，它和分頻器一起用來產(chǎn)生0.01秒的脈沖；譯碼顯示電路由7448集成元件構(gòu)成的電路部分；七段數(shù)碼管電路由共陰極七段LED顯示器，電阻和接地端組成的電路部分。 通過對各部分結(jié)構(gòu)的了解，本實驗從而設(shè)計出最大是為59.99秒的數(shù)字式秒表。通過對實驗了解到計數(shù)秒表的設(shè)計存在一些問題，但是這也充分說明了數(shù)字秒表還存在很大的提升空間，對計

4、數(shù)精度可以進一步提高。在設(shè)計實驗中為了保證實驗過程少走彎路，學(xué)會仿真是必要的，對本實驗我們采用multism軟件仿真，以便提高實驗的正確性與可行性。在平時的理論學(xué)習(xí)中遇到的問題都一一解決，加深了我對專業(yè)的了解，培養(yǎng)了我對學(xué)習(xí)的興趣，為以后的學(xué)習(xí)打下了好的開端，我受益匪淺。同時，讓我明白：電子設(shè)計容不得紙上談兵，只有自己動手實際操作才會有深刻理解，才會有收獲。 關(guān)鍵詞 譯碼顯示電路；R-S觸發(fā)器；555定時器；分頻器 目 錄第一章 方案討論11.1技術(shù)要求11.2方案論證與選擇1第二章 實驗芯片22.1計數(shù)器22.2譯碼器32.3七段數(shù)碼管（LED）3第三章 電路設(shè)計53.1控制電路53.2 0

5、.01秒脈沖發(fā)生電路63.3復(fù)位電路103.4計數(shù)器電路113.5譯碼顯示電路12第四章 結(jié)論14心得體會15答辯記錄及評分表16附錄18插圖清單18插表表格18元器件清單18參考文獻19第一章 方案討論1.1技術(shù)要求1.秒表最大計時值為59.99秒；2. 7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.控制操作間不超過二個。1.2方案論證與選擇1.秒表最大計時值為59.99秒；2. 7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.控制操作間不超過二個。選擇信號發(fā)生器時，有兩種方案：一種是用晶體振蕩器，另一

6、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。秒表核心部分計數(shù)器，此次選擇74LS160計數(shù)器。它具有同步置數(shù)和異步清零功能。主要是利用它可以十分頻的功能。計數(shù)脈沖是由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器，產(chǎn)生100赫茲脈沖。頻率較高時可采用分頻電路。在選擇譯碼器的時候，有多種選擇，如74LS47，74LS48等4-7線譯碼器。如果選擇7447，則用來驅(qū)動共陽極數(shù)碼管；如果選擇7448，則用來驅(qū)動共陰極數(shù)碼管。在選擇數(shù)碼顯示管時，可以利用四個數(shù)碼管；也可以借鑒簡易數(shù)字頻率計中的四位數(shù)碼管來顯示后四位，再用兩個數(shù)碼管顯示分鐘的兩位。本次設(shè)計中選擇后者。第二章 實驗芯片2.1計數(shù)器74LS

7、160的管腳圖及功能表如下1234 56789101112131474LS160RDCPD1GNDEPVCCD01516D2D3LDETQ3Q2Q1Q0CORD LD ET EP CP D3 D2 D1 D0 Q3 Q2 Q1 Q0 0 0 0 0 0 1 0 D C B A D C B A 1 1 0 保 持 1 1 0 保 持 1 1 1 1 計 數(shù)表2-1 74LS160功能表圖2-1 為74LS160管腳圖及功能表 74LS160為異步清零計數(shù)器，即端輸入低電平，不受CP控制，輸出端立即全部為“0”，功能表第一行。74LS160具有同步預(yù)置功能，在端無效時，端輸入低電平，在時鐘共同作用

8、下，CP上跳后計數(shù)器狀態(tài)等于預(yù)置輸入DCBA，即所謂“同步”預(yù)置功能（第二行）。和都無效，ET或EP任意一個為低電平，計數(shù)器處于保持功能，即輸出狀態(tài)不變。只有四個控制輸入都為高電平，計數(shù)器（161）實現(xiàn)模10加法計數(shù) Q3 Q2 Q1 Q0=1001時，RCO=1。8421碼加權(quán)計數(shù)器：，QD、QC、QB、QA輸出見計數(shù)器工作波形圖：圖2-2計數(shù)器工作波形圖2.2譯碼器譯碼器電路是將數(shù)碼轉(zhuǎn)換為一定的控制信號。在此由7448集成元件構(gòu)成，它能將一個二進制數(shù)碼轉(zhuǎn)換為輸出端的電平信號以控制顯示器。圖2-3 7448的管腳圖LT,RBI接邏輯開關(guān)，D,C,B,A接8421碼撥開開關(guān)，a，b，c，d，e

9、，f，g七段分別接顯示器對應(yīng)的各段。地線，電源線接好后，若線路無誤后，接通電源就開始實驗論證：（1）LT=0,其余狀態(tài)為任意態(tài)，這時LET數(shù)碼管全亮。（2）再用一根導(dǎo)先把0電平接到BI/RBO端，這時數(shù)碼管全滅，不顯示，這說明譯碼器顯示是好的。（3）斷開BI/RBO與0電平相連的導(dǎo)線，使BI/RBO懸空。且使LT=1，這時按動8421碼撥碼開關(guān)，輸入D,C,B,A四位8421碼二進制數(shù)，顯示器就顯示相應(yīng)的十進制數(shù)。（4）在（3）步驟后，仍使LT=1,BI/RBO接LED發(fā)光二極管，此時若RBI=1按動撥碼開關(guān)，顯示器正常顯示工作。若RBI=0,按動撥碼開關(guān)8421碼輸出為0000時，顯示器全滅

10、，這時BI/RBO端輸出為低電平即LED發(fā)光二極管全滅這就是“滅零”功能。2.3七段數(shù)碼管（LED）7段數(shù)碼管又分共陰和共陽兩種顯示方式。如果把7段數(shù)碼管的每一段都等效成發(fā)光二極管的正負兩個極，那共陰就是把abcdefg這7個發(fā)光二極管的負極連接在一起并接地；它們的7個正極接到7段譯碼驅(qū)動電路74LS48的相對應(yīng)的驅(qū)動端上（也是abcdefg）。此時若顯示數(shù)字1，那么譯碼驅(qū)動電路輸出段bc為高電平，其他段掃描輸出端為低電平，以此類推。如果7段數(shù)碼管是共陽顯示電路，那就需要選用74LS48譯碼驅(qū)動集成電路。共陽就是把abcdefg的7個發(fā)光二極管的正極連接在一起并接到5V電源上，其余的7個負極接

11、到74LS48相應(yīng)的abcdefg輸出端上。無論共陰共陽7段顯示電路，都需要加限流電阻，否則通電后就把7段譯碼管燒壞了。限流電阻的選取是：5V電源電壓減去發(fā)光二極管的工作電壓除上10ma到15ma得數(shù)即為限流電阻的值。發(fā)光二極管的工作電壓一般在1.8V-2.2V，為計算方便，通常選2V即可。發(fā)光二極管的工作電流選取在10-20ma，電流選小了，7段數(shù)碼管不太亮，選大了工作時間長了發(fā)光管易燒壞。對于大功率7段數(shù)碼管可根據(jù)實際情況來選取限流電阻及電阻的瓦數(shù)。下圖是八段數(shù)碼管（LED）的示意圖，圖中引腳6為VCC的為共陽數(shù)碼管，引腳6為GND的為共陰數(shù)碼管。 圖2-4 八段數(shù)碼管示意圖本設(shè)計采用陰數(shù)

12、碼管與74LS48匹配，同時并入一個四輸入內(nèi)置譯碼器的7段數(shù)碼管，以驗證譯碼部分的功能（注：驗證成功后，兩種組合數(shù)碼管可以只保留一個）。第三章 電路設(shè)計3.1控制電路控制電路：它是由兩個74LS00集成與非門元件構(gòu)成的基本R-S觸發(fā)器，接在機械開關(guān)K的后面，防止開關(guān)K在打開和閉合時一些假信號竄入邏輯電路。用來控制秒表的開始，暫停?？刂齐娐肥怯梢粋€基本R-S觸發(fā)器，機械開關(guān)，電阻以及5伏電源組成。主要實現(xiàn)秒表的停止和開始計數(shù)功能。開始，停止功能可以只用一個機械開關(guān)實現(xiàn)，之所以用此電路代替機械開關(guān)，是因為利用此電路的鎖存功能，防止開關(guān)在打開和閉合時一些假信號串入邏輯電路，影響秒表正確計數(shù)顯示。圖3

13、-1 控制電路電路連接說明：電路加入5V電壓，再由R4，R5作為保護電阻，再由J1控制輸出端輸出電平的變化。當開關(guān)在下端時計數(shù)器接受到脈沖，當開關(guān)在上端時計數(shù)器暫停計數(shù)。3.20.01秒脈沖發(fā)生電路0.01秒脈沖發(fā)生器電路，它由555集成定時器元件和外圍的電阻和電容等元件構(gòu)成的多諧振蕩器。調(diào)節(jié)滑動電阻的數(shù)值，可以改變脈沖發(fā)生器的輸出頻率。555定時器表3-1雙極性型5G555的主要性能數(shù)參數(shù)名稱符號單位參數(shù)電源電壓VCCV516電源電流ICCmA10閾值電壓VTHVVCC觸發(fā)電壓VTRVVCC輸出低電平VOLV1輸出高電平VOHV13.3最大輸出電流IOMAXmA200最高振蕩頻率fMAXKH

14、z300時間誤差tnS5 VTH即Vi1 ,VTR即Vi2 。表3-2 CMOS型7555的主要性能數(shù)參數(shù)名稱符號單位參數(shù)電源電壓VCCV318電源電流ICCA60閾值電壓VTHVVDD觸發(fā)電壓VTRVVDD輸出低電平VV0.1輸出高電平VV14.8最大輸出電流IOMAXmA200最高振蕩頻率fMAXKHz500時間誤差tnS集成555定時器有雙極性型和CMOS型兩種產(chǎn)品。一般雙極性型產(chǎn)品型號的最后三位數(shù)都是555，CMOS型產(chǎn)品型號的最后四位數(shù)都是7555.它們的邏輯功能和外部引線排列完全相同。器件電源電壓推薦為4512V，最大輸出電流200mA以內(nèi)，并能與TTL、CMOS邏輯電平相兼容。其

15、555定時器的內(nèi)部電路框圖及邏輯符號和管腳排列分別如圖所示。引腳功能：圖3-2 555定時器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3-3 555定時器邏輯符號和引腳Vi1（TH）：高電平觸發(fā)端，簡稱高觸發(fā)端，又稱閾值端，標志為TH。Vi2（）：低電平觸發(fā)端，簡稱低觸發(fā)端，標志為。VCO：控制電壓端。VO：輸出端。Dis：放電端。：復(fù)位端。兩定時器內(nèi)含一個由三個阻值相同的電阻R組成的分壓網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生VCC和VCC兩個基準電個電壓比較器C1、C2；一個由與非門G1、G2組成的基本RS觸發(fā)器（低電平觸發(fā)）；放電三極管T和輸出反相緩沖器G3。是復(fù)位端，低電平有效。復(fù)位后, 基本RS觸發(fā)器的端為1（高電平），經(jīng)反相緩沖器后，輸出為0

16、（低電平）。分析圖1的電路：在555定時器的VCC端和地之間加上電壓，并讓VCO懸空，則比較器C1的同相輸入端接參考電壓VCC，比較器C2反相輸入端接參考電壓VCC ，為了學(xué)習(xí)方便，我們規(guī)定：當TH端的電壓VCC時，寫為VTH=1，當TH端的電壓VCC時，寫為VTR=1，當端的電壓VCC時，寫為VTR=0。 低觸發(fā)：當輸入電壓Vi2VCC 且Vi1VCC 且Vi1VCC，則VTH=1，比較器C1輸出為低電平，無論C2輸出何種電平，基本RS觸發(fā)器因=0，使1，經(jīng)輸出反相緩沖器后，VO0；T導(dǎo)通。這時稱555定時器“高觸發(fā)”。555定時器的“低觸發(fā)”、“高觸發(fā)”和“保持”三種基本狀態(tài)和進入狀態(tài)的條

17、件（即VTH、VTR的“0”、“1”）必須牢牢掌握。VCO為控制電壓端，在VCO端加入電壓，可改變兩比較器C1、C2的參考電壓。正常工作時，要在VCO和地之間接001F（電容量標記為103）電容。放電管Tl的輸出端Dis為集電極開路輸出。 本設(shè)計中所用的電路為NE555。 表3-3 555定時器控制功能表輸 入輸 出THVODisVCCVCCVCCLHHHLH不變L導(dǎo)通截止不變導(dǎo)通圖3-4555組成的占空比可調(diào)的多諧振蕩器圖3-5 工作波形 圖3-6 0.01秒脈沖發(fā)生電路電路連接說明： 555定時器要工作首先在VCC管腳接入5V電壓，并GND管腳接地。再由計算可得當R2等于2千歐姆，R3滑動

18、變阻器為10千歐姆，R1等于5.1千歐姆，C1等于0.1微法是可產(chǎn)生1000赫茲脈沖信號，在經(jīng)過計數(shù)器74LS160進行十分頻得到100赫茲脈沖信號。由74LS160芯片原理可知，要想驅(qū)動芯片進行十進制計數(shù)，首先將輸入數(shù)據(jù)初值置零即3、4、5、6管腳接地，為低電平將1、7、9、10管腳接高電平，2管腳接輸入脈沖，11管腳作為100赫茲輸出脈沖，其余管腳閑置即可。圖3-7脈沖仿真電路圖555組成的多諧振蕩器可以用作各種時鐘脈沖發(fā)生器，圖3-6為脈沖頻率可調(diào)的矩形脈沖發(fā)生器，調(diào)節(jié)R3可得到任意頻率的脈沖信號，由于電容C充放電回路的時間常數(shù)不等，所以圖3-6輸出波形為矩形脈沖，矩形脈沖的占空比隨頻率

19、變化而變化。該電路是由555定時器以及外圍的電阻，電容組成的,其中從555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器OUT引腳出來的頻率是1000HZ，經(jīng)過72LS160十分頻后得100HZ。555定時器的參數(shù)：T=0.01s，f=100Hz=1/0.695(R1+ 2R2)C在圖中R2+R3=R1，R1=R2經(jīng)過計算并實際調(diào)整，方案為R2=2千歐，R1=5.1千歐，R3=10千歐，c=100微法。在實踐中，如果用示波器觀察到頻率不正確，可調(diào)整R3來改變頻率，減小誤差。3.3復(fù)位電路復(fù)位電路的基本功能是：提供復(fù)位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時才撤銷復(fù)位信號，以防開關(guān)

20、分-合過程中引起的抖動而影響復(fù)位。另外復(fù)位電路主要完成清零功能。圖3-8復(fù)位電路電路連接說明復(fù)位電路作為清零復(fù)位用它是由電源，開關(guān)和一個電阻組成的電路。該復(fù)位電路由機械開關(guān)，電阻，以及電源組成。輸出線1接在74160的復(fù)位端。當需要復(fù)位時，合上開關(guān)至0端，從輸出線1即可輸出復(fù)位信號（即清零信號）。3.4計數(shù)器電路從進位制來分，有二進制計數(shù)器，十進制計數(shù)器等多種形式。在此采用的74LS160十位二進制計數(shù)器，即8421編碼方式。 圖3-9 74160的級聯(lián)圖電路連接說明 對驅(qū)動74LS160計數(shù)器在前面已做過介紹。四塊芯片從左至右是由高位到低位排列。這里先要驅(qū)動每塊芯片，并且輸入值始終為低電平。

21、100HZ的脈沖信號均由2管腳輸入，當U17芯片產(chǎn)生進位信號時，由15管腳輸出至U16芯片的7和10管腳，使U16芯片開始計數(shù).因此當前一塊芯片產(chǎn)生進位時均輸入下一個芯片的工作控制端。U14芯片是六進置數(shù)所以采用與非門截至同步預(yù)置端，使整個級聯(lián)電路產(chǎn)生最大數(shù)為5999，再由每塊芯片輸出端輸出。 3-4 U14的狀態(tài)轉(zhuǎn)化表CPQ3Q2Q1Q01000120010300114010050101600003.5譯碼顯示電路譯碼器電路是將數(shù)碼轉(zhuǎn)換為一定的控制信號。在此由74LS48集成元件構(gòu)成，它能將十個二進制數(shù)碼轉(zhuǎn)換為輸出端上的電平信號以控制顯示器。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

22、。此次設(shè)計中采用的是共陰極七段LED顯示器。 圖3-10 數(shù)碼管與7448連接圖電路連接說明 先驅(qū)動譯碼器與顯示屏，分別給其提供5V電壓。由7448芯片原理可知，驅(qū)動時3、4、5管腳均接高電平，1、2、6、7管腳分別接與其相對應(yīng)的計數(shù)器，再進行編碼與之顯示數(shù)碼管相應(yīng)管腳對應(yīng)。顯示器選用共陰數(shù)碼管，在每個數(shù)碼管均接有保護電阻，以保證數(shù)碼管正常顯示。 圖3-11 電路總圖電路連接說明總電路由控制電路、0.01秒脈沖發(fā)生電路、復(fù)位電路、計數(shù)器電路、譯碼顯示電路幾部分構(gòu)成。0.01秒脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生100HZ脈沖信號，向計數(shù)器電路提供脈沖；并由控制電路控制傳入信號的暫停與開始。復(fù)位電路控制計數(shù)電路使總

23、電路能完成清零工作。計數(shù)器電路、譯碼顯示電路在脈沖信號的作用下完成最大值為59.99計數(shù)。 第四章 結(jié)論做本次課程設(shè)計我們先理論上提出了幾種方案，然后進行討論分析可行性，選出最終方案。在實驗前首先應(yīng)明白實驗的原理，設(shè)計電路選擇所需芯片，運用芯片前應(yīng)明白各管腳的作用。實驗中應(yīng)分模塊進行，對每個模塊進行測試后在進行總的連接測試，運用仿真軟件Multisim進行仿真電路連接，雖然實驗連線繁瑣但是只要細心最終還是會成功的！但是在各級芯片以及門電路可能有一定的延遲時間，有些部分還可能存在競爭冒險，這也在一定程度上影響實驗結(jié)果的精確度。心得體會在設(shè)計實踐的過程中，我深深的體會到必須要有扎實的知識基礎(chǔ)，要熟

24、練地掌握課本上的知識，這樣才能對試驗中出現(xiàn)的問題進行分析解決。在整個電路的設(shè)計過程中，花費時間最多的是利用Multisim仿真，因為以前沒有學(xué)過這個軟件，所以我們要從頭學(xué)起，自行摸索的學(xué)習(xí)。我們在各個單元電路的連接上花費了大量時間。我們在設(shè)計時曾做出了兩套方案以及仿真電路，我們仔細比較分析其原理以及可行的原因，這才確定了我們的電路。實習(xí)過程中，我深刻的體會到在設(shè)計過程中，要考慮到各個元器件的功能和特性，要翻閱大量資料，參考別人的經(jīng)驗，只有這樣才能把自己的電路設(shè)計的成功。通過這次對數(shù)字式秒表的設(shè)計與制作，讓我了解了設(shè)計電路的程序，也讓我了解了關(guān)于數(shù)字秒表的原理與設(shè)計理念。在此次的數(shù)字秒表設(shè)計過程

25、中，我更進一步地熟悉了芯片的結(jié)構(gòu)、管腳圖、功能表及掌握了各芯片的工作原理和其具體的使用方法。而且這些知識是對我們大學(xué)生來說十分寶貴的實踐經(jīng)驗，是無法在課堂上獲得的，是現(xiàn)今社會最重視的同時也是我們最需要提高的部分。在設(shè)計電路中,完成電路圖只是完成了設(shè)計的一小部分，更加困難的是對電路的驗證和糾錯，在這過程中我接觸到了很多未接觸過的檢查方法和思想。在電路的仿真過程中出錯的主要原因都主要是接線的錯誤所引起的。接線的時候一定要細心，不要接錯，同時也要學(xué)會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，即使接線再正確也出不來結(jié)果。對自己的設(shè)計要仔細考慮，是否可行，尤其是進位輸出，著重看看進位的CP脈沖是否正確等?？傮w來說，通過這次課程設(shè)計學(xué)習(xí)，我越發(fā)感覺電子設(shè)計不是死板的東西，是有很大科學(xué)性與藝術(shù)性的。不同芯片的使用，不同的接線方法，不同的變量，不同的實現(xiàn)思路，經(jīng)過組合后幾乎可