數(shù)字式秒表課程設(shè)計(jì)2

1、數(shù)電設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 題 目 數(shù)字式秒表 學(xué)院（部） 理學(xué)院 專 業(yè) 電子信息科學(xué)與技術(shù) 學(xué)生姓名 孟濤濤 學(xué) 號(hào)201111102201 前言 如今，信息正是一個(gè)高度發(fā)展的產(chǎn)業(yè)，而數(shù)字技術(shù)是信息的基礎(chǔ)，數(shù)字技術(shù)是目前發(fā)展最快的技術(shù)領(lǐng)域之一，數(shù)字技術(shù)在數(shù)字集成電路集成度越來越高的情況下，開發(fā)數(shù)字系統(tǒng)的使用方法和用來實(shí)現(xiàn)這些方法的工具已經(jīng)發(fā)生了變化，但大規(guī)模集成電路中的基本模塊結(jié)構(gòu)仍然需要基本單元電源電路的有關(guān)概念，因此用基本邏輯電路來組成大規(guī)?；蛑幸?guī)模地方法仍然需要我們掌握。二進(jìn)制數(shù)及二進(jìn)制代碼是數(shù)字系統(tǒng)中信息的主要表示形式，與，或，非三種基本邏輯運(yùn)算是邏輯代數(shù)的基礎(chǔ)，相應(yīng)的邏輯門成為數(shù)字電路

2、中最基本的元件。數(shù)字電路的輸入，輸出信號(hào)為離散數(shù)字信號(hào)，電路中電子元器件工作在開關(guān)狀態(tài)。除此之外，由與，或，非門構(gòu)成的組合邏輯功能器件編碼器，譯碼器，數(shù)字分配器，數(shù)字選擇器，加法器，比較器以及觸發(fā)器是常用的器件。與模擬技術(shù)相比，數(shù)字技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)，這也是數(shù)字技術(shù)取代模擬技術(shù)被廣泛使用的原因。 此次課設(shè)更是加深了我們對(duì)數(shù)字技術(shù)的理解和認(rèn)識(shí)。目錄一前言二內(nèi)容摘要三關(guān)鍵字四技術(shù)要求五方案論證與選擇1.方案論證2.總框圖 （一）控制電路（二）0.01秒脈沖發(fā)生器（三）復(fù)位電路（四）譯碼顯示電路1.計(jì)數(shù)器74LS1602.譯碼器74473. 七段數(shù)碼管（LED）六電路圖及電路工作原理元件清單七課設(shè)存在

3、的問題及解決八心得體會(huì)九參考文獻(xiàn)二內(nèi)容摘要本設(shè)計(jì)所實(shí)現(xiàn)的數(shù)字式秒表是電子設(shè)計(jì)技術(shù)中最基本的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)之一。該數(shù)字計(jì)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)位電路是由直流電源，電阻以及開關(guān)組成的電路部分。多諧振蕩器是由555定時(shí)器以及其外圍電路組成的電路部分，它和分頻器一起用來產(chǎn)生0.01秒的脈沖。三. 關(guān)鍵字計(jì)數(shù)器，譯碼器，顯示器，555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器，基本R-S觸發(fā)器四技術(shù)要求1.秒表最大計(jì)時(shí)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，

4、啟動(dòng)計(jì)時(shí)，暫停及繼續(xù)計(jì)數(shù)等控制功能；4.控制操作間不超過二個(gè)。五方案論證與選擇1. 數(shù)字式秒表，就需要顯示數(shù)字。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，要用數(shù)碼管來做顯示器。題目要求最大記數(shù)值為99分59.99秒，則需要一個(gè)8段數(shù)碼管作為秒位（有小數(shù)點(diǎn)）和五個(gè)7段數(shù)碼管作為分秒位。要求計(jì)數(shù)分辨率為0.0 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：一種是用晶體振蕩器，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。石英晶振蕩器精度很高，一般都需要多級(jí)分頻。秒表核心部分計(jì)數(shù)器，此次選擇74LS160計(jì)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(jì)數(shù)脈沖是由

5、555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器，產(chǎn)生100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，如74LS47，74LS48等4-7線譯碼器。如果選擇7447，則用來驅(qū)動(dòng)共陽極數(shù)碼管；如果選擇7448，則用來驅(qū)動(dòng)共陰極數(shù)碼管。在選擇數(shù)碼顯示管時(shí)，可以利用六個(gè)數(shù)碼管；也可以借鑒簡易數(shù)字頻率計(jì)中的四位數(shù)碼管來顯示后四位，再用兩個(gè)數(shù)碼管顯示分鐘的兩位。本次設(shè)計(jì)中選擇前一種方法。2.總框圖： 在設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)要求，設(shè)計(jì)出總框圖，然后按框圖設(shè)計(jì)具體電路，這樣可避免在設(shè)計(jì)過程中產(chǎn)生錯(cuò)誤。按照設(shè)計(jì)原理，數(shù)字式秒表的電路總框圖如圖1所示控制電路與非門計(jì)數(shù)譯碼顯示0.01秒

6、脈沖發(fā)生器復(fù)位電路圖1總框圖 （一）控制電路圖（1） 控制電路控制電路是由一個(gè)基本R-S觸發(fā)器，機(jī)械開關(guān)，電阻以及5伏電源組成。主要實(shí)現(xiàn)秒表的停止和開始計(jì)數(shù)功能。開始，停止功能可以只用一個(gè)機(jī)械開關(guān)實(shí)現(xiàn)，之所以用此電路代替機(jī)械開關(guān)，是因?yàn)槔么穗娐返逆i存功能，防止開關(guān)K在打開和閉合時(shí)一些假信號(hào)串入邏輯電路，影響秒表正確計(jì)數(shù)顯示。（二）0.01秒脈沖發(fā)生電路上圖為555定時(shí)器的管腳圖。圖(a) 555組成的占空比可調(diào)的多諧振蕩器圖(b)工作波形555組成的多諧振蕩器可以用作各種時(shí)鐘脈沖發(fā)生器，圖（a）為脈沖頻率可調(diào)的矩形脈沖發(fā)生器，調(diào)節(jié)Rp可得到任意頻率的脈沖信號(hào)，由于電容C充放電回路的時(shí)間常數(shù)不

7、等，所以（a）輸出波形為矩形脈沖，矩形脈沖的占空比隨頻率變化而變化。圖（2）0.01秒脈沖發(fā)生電路。該電路是由555定時(shí)器以及外圍的電阻，電容組成的。其中從555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器OUT引腳出來的頻率是100赫茲。555定時(shí)器的參數(shù)：T=0.01s，f=100Hz=1/0.695(R1+ 2R2)C 在圖中R3+Rp=R1，R5=R2經(jīng)過計(jì)算并實(shí)際調(diào)整，方案為R3=130千歐，R5=5.1千歐，Rp=10千歐，c=100微法。在實(shí)踐中，如果用示波器觀察到頻率不正確，可調(diào)整Rp來改變頻率，減小誤差。（三）復(fù)位電路圖（3） 復(fù)位電路該復(fù)位電路由機(jī)械開關(guān)，電阻，以及電源組成。輸出線1接在7416

8、0的復(fù)位端。當(dāng)需要復(fù)位時(shí)，合上開關(guān)，從輸出線1即可輸出復(fù)位信號(hào)（即清零信號(hào)），復(fù)位電路的基本功能是：提供復(fù)位信號(hào)，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號(hào)。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時(shí)才撤銷復(fù)位信號(hào)，以防開關(guān)分-合過程中引起的抖動(dòng)而影響復(fù)位。另外復(fù)位電路主要完成清零功能（四）譯碼顯示電路圖 （4）顯示電路圖中從下往上依次是6個(gè)計(jì)數(shù)器74LS1600，4線-7線譯碼器/驅(qū)動(dòng)器74LS47，共陽數(shù)碼管。1.計(jì)數(shù)器RD 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

9、1 1 計(jì) 數(shù)74LS160功能表1234 56789101112131474LS160RDCPD1GNDEPVCCD01516D2D3LDETQ3Q2Q1Q0CO74LS160的管腳圖及功能表如下: 圖7 為74LS160管腳圖及功能表74LS160為異步清零計(jì)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(shí)，端輸入低電平，在時(shí)鐘共同作用下，CP上跳后計(jì)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(gè)為低電平，計(jì)數(shù)器處于保持功能，即輸出狀態(tài)不變。只有四個(gè)控制輸入都為高電平，計(jì)數(shù)器（

10、161）實(shí)現(xiàn)模10加法計(jì)數(shù)，Q3 Q2 Q1 Q0=1001時(shí)，RCO=1。8421碼加權(quán)計(jì)數(shù)器：，QD、QC、QB、QA輸出見計(jì)數(shù)器工作波形圖：本次試驗(yàn)中74160的級(jí)聯(lián)圖 圖（5）2.譯碼器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7447集成元件構(gòu)成，它能將一個(gè)二進(jìn)制數(shù)碼轉(zhuǎn)換為輸出端的電平信號(hào)以控制顯示器。下圖為7447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，f，g七段分別接顯示器對(duì)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(shí)驗(yàn)論證：（1） LT=0,其余狀態(tài)為任意態(tài)，這時(shí)LET數(shù)碼管全亮。（2） 再用一根導(dǎo)先把0

11、電平接到BI/RBO端，這時(shí)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(shí)按動(dòng)8421碼撥碼開關(guān)，輸入D,C,B,A四位8421碼二進(jìn)制數(shù)，顯示器就顯示相應(yīng)的十進(jìn)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(shí)若RBI=1按動(dòng)撥碼開關(guān)，顯示器正常顯示工作。若RBI=0,按動(dòng)撥碼開關(guān)8421碼輸出為0000時(shí)，顯示器全滅，這時(shí)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。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

12、成發(fā)光二極管的正負(fù)兩個(gè)極，那共陰就是把a(bǔ)bcdefg這7個(gè)發(fā)光二極管的負(fù)極連接在一起并接地；它們的7個(gè)正極接到7段譯碼驅(qū)動(dòng)電路74LS48的相對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)端上（也是abcdefg）。此時(shí)若顯示數(shù)字1，那么譯碼驅(qū)動(dòng)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74LS47譯碼驅(qū)動(dòng)集成電路。共陽就是把a(bǔ)bcdefg的7個(gè)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(gè)負(fù)極接到74LS47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

13、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(jì)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(shí)間長了發(fā)光管易燒壞。對(duì)于大功率7段數(shù)碼管可根據(jù)實(shí)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。本設(shè)計(jì)采用陽數(shù)碼管與74LS47匹配，同時(shí)并入一個(gè)四輸入內(nèi)置譯碼器的7段數(shù)碼管，以驗(yàn)證譯碼部分的功能（注：驗(yàn)證成功后，兩種組合數(shù)碼管可以只保留一個(gè)）。在本次設(shè)計(jì)中，數(shù)碼管與7447連接圖 圖（6）在本次設(shè)計(jì)中，

14、數(shù)碼管與7447連接圖六電路圖及電路工作原理總電路圖 1 各部分工作原理如下：控制電路：它是由兩個(gè)74LS00集成與非門元件構(gòu)成的基本R-S觸發(fā)器，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。用來控制秒表的開始，暫停。復(fù)位電路：作為清零復(fù)位用。它是由電源，開關(guān)和一個(gè)電阻組成的電路。0.1秒脈沖發(fā)生器電路：它由555集成定時(shí)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(dòng)電阻的數(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74LS160十位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，即8421編碼方式。譯碼器電路：是將數(shù)碼轉(zhuǎn)換

15、為一定的控制信號(hào)。在此由74LS47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。此次設(shè)計(jì)中采用的是共陽極七段LED顯示器。2. 電路工作原理： 在仿真軟件上接通電源1.合上復(fù)位電路的開關(guān)，是電路在工作之前先清零。電子秒表處于復(fù)位狀態(tài)。2.當(dāng)?shù)谝淮伟磩?dòng)開關(guān)K，產(chǎn)生第一個(gè)單脈沖作為基本RS觸發(fā)器的時(shí)鐘，使三狀態(tài)控制電路的輸出端Q1產(chǎn)生高電平，經(jīng)與非門后，使0.01秒脈沖進(jìn)入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，并譯碼、顯示出來。 3.當(dāng)?shù)诙伟磩?dòng)開關(guān)K，產(chǎn)生第二個(gè)單脈沖使三狀態(tài)控制電路輸出端Q1輸出低電平Q2輸出高電平，關(guān)閉與非門，使計(jì)數(shù)停止。

16、 4.當(dāng)需要復(fù)位清零時(shí)，按動(dòng)復(fù)位電路的開關(guān)K。電路即處于復(fù)位狀態(tài)。5.再按動(dòng)控制電路開關(guān)K時(shí)，電子秒表又進(jìn)入計(jì)數(shù)狀態(tài)。元件清單1機(jī)械開關(guān)SPDT2個(gè)實(shí)現(xiàn)始，暫停與清零2555定時(shí)器555 TIMER-RATED1個(gè)實(shí)現(xiàn)多諧振蕩3電阻130K5.1K114滑動(dòng)變阻器10K15電容100微法0.01微法116十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器74LS1606用于分頻74-7線譯碼器74476譯碼8與非門74LS003實(shí)現(xiàn)與非功能9LED數(shù)碼管SEVEN-SEG-COM-ASEVEN-SEG-DECIMAL-COM-A51顯示七課設(shè)存在的問題及解決本設(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。運(yùn)用軟件Multisim

17、。在調(diào)試的過程中遇到不少的問題，經(jīng)過多次反復(fù)的檢查和排除，最終實(shí)現(xiàn)了全部功能。調(diào)試方法：按模塊調(diào)試，在每個(gè)模塊的輸入端加理想的調(diào)試信號(hào)，在輸出端接示波器，觀察輸出波形，如果波形符合設(shè)計(jì)預(yù)期，則說明此模塊工作正常，否則可按從輸出到輸入的順序逐一排查，直到解決問題。當(dāng)各模塊調(diào)試無誤后，將各模塊連接起來，同時(shí)要注意接口的電平匹配問題。本次課程設(shè)計(jì)在仿真組裝調(diào)試過程中曾出現(xiàn)以下故障：故障1：脈沖發(fā)生器（555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器）沒法實(shí)現(xiàn)0.01s的脈沖信號(hào)。原因：參數(shù)不對(duì)。排除方法：利用f=1.44/R1+2R2)C適當(dāng)?shù)倪x取定值電阻、電容的大小并用頻率計(jì)檢測。故障2：數(shù)碼管顯示亂碼。原因：計(jì)數(shù)器

18、74LS390管腳接線錯(cuò)誤，LED數(shù)碼管的共極性弄反（按共陽極的接線方法接線）。排除方法：對(duì)計(jì)數(shù)器正確接線，調(diào)整數(shù)碼管的陰陽極接線（按共陽極接線方法接線）。故障4：八段器的LED數(shù)碼管的小數(shù)點(diǎn)無法顯示。原因：接線錯(cuò)誤。排除方法：此次設(shè)計(jì)選擇的數(shù)碼管是共陽極的。在小數(shù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的管腳與地之間接一個(gè)10 歐姆的電阻。八心得體會(huì)兩周的課程設(shè)計(jì)已經(jīng)結(jié)束，雖然很辛苦，但給我?guī)砹藦奈从羞^的體驗(yàn)與喜悅。在設(shè)計(jì)實(shí)踐的過程中，我深深的體會(huì)到必須要有扎實(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)的問題進(jìn)行分析解決。在整個(gè)電路的設(shè)計(jì)過程中，花費(fèi)時(shí)間最多的是利用Multisim 仿真，因?yàn)橐郧皼]有學(xué)過這個(gè)軟件，所以我們要從頭學(xué)起，自行摸索的學(xué)習(xí)。我們?cè)诟鱾€(gè)單元電路的連接上花費(fèi)了大量時(shí)間。我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)曾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，這才確定了我們的電路。實(shí)習(xí)過程中，我深刻的體會(huì)到在設(shè)計(jì)過程中，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)的成功。通過這次對(duì)數(shù)字式秒表的設(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