電子秒表-課程設(shè)計報告

-.z.電子秒表摘要電子秒表是一種用數(shù)字電路技術(shù)實現(xiàn)時、分、秒計時的裝置，無機械裝置，具有較長的使用壽命，因此得到了廣泛的使用。它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。本次實驗所做電子式秒表由信號發(fā)生系統(tǒng)和計時系統(tǒng)構(gòu)成,并具有清零,暫停功能。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74LS160構(gòu)成，由十進制計數(shù)器組成了一百進制和六十進制計數(shù)器，采用異步進位方式。譯碼器由74LS48構(gòu)成，顯示器由數(shù)碼管構(gòu)成。清零,暫停功能由RS觸發(fā)器構(gòu)成防抖動開關(guān)。具體過程為：由晶體震蕩器產(chǎn)生100HZ脈沖信號先進入計數(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59分59.99秒，“10毫秒”為一百進制計數(shù)器組成，“分”和“秒”為六十進制計數(shù)器組成。關(guān)鍵詞：計時精度計數(shù)器顯示器AbstractElectronicstopwatchistherealizationofadigitalcircuittechnology,.Itcanrealizethehour,minute,secondtimer.Itdoesnothavemechanicalmeansandhasalongerlife,soithasbeenwidelyused.Theprincipleisatypicaldigitalcircuit,whichincludesabinationlogiccircuitandatimingcircuit.Thee*perimentscanbedonebyelectronicstopwatchconstitutedbythesignalsystemandtimingsystem,andhasclearedpausefunction.Duetotheneedofamorestablesignal,thesignalgeneratingsystemisconstitutedbythe555Timerwiththeresistorsandcapacitors,andthesignalfrequencyis100Hz.Timingsystemcontainsthecounter,decoder,display.Counter74LS160constitutedbythedecimalcounterthedecimalandse*agesimalcounter,whichusesasynchronousbinary.Thedecoderfrom74LS48constitutedisplaydigitaltubeconstituteCleared,thepausefunctionbytheRSflip-flop.Itsspecificprocess:the100Hzpulsesignalgeneratedbythecrystaloscillatorandfirstintothecounter,andthentheiningdecoder,a4-bitsignalisconvertedto7-bitsignalofthedigitalcontrolcanbedisplayed,theresultby"minute","second","10milliseconds"turnonthedigitaldisplay.Thestopwatchtimingis59minutes,59.99seconds,10millisecondsisthe150binarycounter,"minute"and"second"isthesi*decimalcounter.Keyword:Timingaccuracycounterdisplay

目錄一設(shè)計任務(wù)與要求1二方案設(shè)計與論證1三單元電路設(shè)計與參數(shù)計算6（1）信號發(fā)生器單元電路6（2）計數(shù)器單元……………………..9（3）顯示及譯碼單元電路…………12（4）控制單元電路…………………14四總原理圖及元件清單15五結(jié)論與心得17六參考文獻18一、設(shè)計任務(wù)與要求用74系列數(shù)字器件設(shè)計一個電子秒表,要求:以0.01秒為最小單位進行顯示。秒表可顯示0.01秒到60分鐘的量程。該秒表具有清零、開始計時、停止計時功能，并能防抖動。二、方案設(shè)計與論證電子秒表實際上是一個頻率（100HZ）進行計數(shù)的計數(shù)電路。由于秒表計數(shù)的需要，故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，同時需要一個分頻電路把100kHZ分成100HZ的時間信號達到準(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下圖1所示。由圖可見，數(shù)字電子鐘由以下幾部分組成：555振蕩器和分頻器組成的秒脈沖發(fā)生器；秒表控制開關(guān)；一百進制秒、六十進制分計數(shù)器和六十進制秒計數(shù)器；以及秒、分的譯碼顯示部分等圖1總體設(shè)計方案框圖圖1中，各單元電路的工作原理圖下：(1)信號發(fā)生器:選擇信號發(fā)生器時，有兩種方案：一種是用晶體振蕩器，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。石英晶振蕩器精度很高，一般都需要多級分頻。本次設(shè)計選用555定時器。(2)顯示電路:電子秒表，需要顯示數(shù)字,根據(jù)設(shè)計要求，要用數(shù)碼管來做顯示器。題目要求最大記數(shù)值為59分59.99秒，則需要一個8段數(shù)碼管作為秒位（有小數(shù)點）和五個7段數(shù)碼管作為分秒位。要求計數(shù)分辨率為0.01秒，則我們需要相應(yīng)頻率的信號發(fā)生器。(3)計數(shù)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。如果精度要求高，也可采用石英振蕩器。(4)譯碼器: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)動共陰極數(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，可以利用六個數(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)計中選擇前一種方法。(5)控制電路:用集成與非門構(gòu)成基本RS觸發(fā)器，屬低電平直接觸發(fā)的觸發(fā)器，有直接置位、復(fù)位、暫停的功能，并能防抖動。單元電路設(shè)計與參數(shù)計算本次課設(shè)中，我主要承擔(dān)了信號發(fā)生器、計數(shù)器等單元電路的設(shè)計及仿真，以及PCB板的設(shè)計等任務(wù)，先將其內(nèi)容詳細(xì)介紹如下：1.信號發(fā)生器單元電路1.1用555定時器構(gòu)成方波發(fā)生器（1）555定時器引腳排列及功能表圖2555定時器引腳排列1腳：外接電源負(fù)端VSS或接地，一般情況下接地。8腳：外接電源VCC，雙極型時基電路VCC的*圍是4.5~16V，CMOS型時基電路VCC的*圍為3~18V。一般用5V。3腳：輸出端Vo2腳：低觸發(fā)端6腳：TH高觸發(fā)端4腳：是直接清零端。當(dāng)端接低電平，則時基電路不工作，此時不論、TH處于何電平，時基電路輸出為“0”，該端不用時應(yīng)接高電平。5腳：VC為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內(nèi)部兩個比較器的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)該端不用時，應(yīng)將該端串入一只0.01μF電容接地，以防引入干擾。7腳：放電端。該端與放電管集電極相連，用做定時器時電容的放電。（2）用555定時器構(gòu)成方波發(fā)生器電路如下圖所示。其中 T1=(R1+R2)C1ln2為充電時間T2=R1C1ln2為放電時間T=T1+T2=(R2+2R1)C1ln2為脈沖周期F=1/T為振蕩頻率經(jīng)過計算并實際調(diào)整，方案為R2=10K，R1=100K，c1=100納法。在實踐中，如果用示波器觀察到頻率不正確，可調(diào)整R2來改變頻率，減小誤差。圖3555定時器構(gòu)成方波發(fā)生器muitisim仿真電路調(diào)節(jié)R2使得多諧振蕩器的輸出為100Hz時鐘脈沖，并接集成芯片74LS00(SA)的2號管腳,而SA的1號管腳則接暫停/繼續(xù)按鈕,暫停/繼續(xù)按鈕通過高低電平的轉(zhuǎn)換以及74LS00的與邏輯運算實現(xiàn)對時鐘脈沖CP的封鎖與開通控制,而其他電路不受其影響。74LS00的3號管腳輸出接至U1（最低位十進制計數(shù)器74LS160）的時鐘輸入端作為時鐘分頻計數(shù)的基本時鐘。在muitisim中仿真結(jié)果為：圖4仿真結(jié)果波形圖2．時鐘分頻計數(shù)單元電路（1）時鐘脈沖分頻計數(shù)總體部分：首先由十進制模塊通過串行計數(shù)組成100分頻電路，因為74LS160是同步十進制計數(shù)器，在Q3~Q0輸出端為1001（即9）時，其進位端TC同時由0變?yōu)?，設(shè)計過程中采用的是置數(shù)清零法，而集成芯片74LS160為同步置數(shù)，此處如果TC直接接入下一級的時鐘輸入端，則會發(fā)生本位數(shù)字為9，而它的高位數(shù)字已經(jīng)進位的現(xiàn)象。要消除這種現(xiàn)象則可以在TC端與下一級的時鐘端之間接入一個非門，使得TC輸出反相，在本位輸出進位脈沖時，其高位時鐘接收到的為時鐘的無效邊沿（下降沿），而在本位自然清零時，高位才會接收到一有效時鐘邊沿（上升沿），從而達到正確進位的目的。而六十進制與下級模塊的級連，由于六進制模塊在實現(xiàn)過程中已經(jīng)接入了一個74LS00的與非門，故其輸出不必再接非門，而是從該輸出端接至高位時鐘脈沖端。集成芯片74LS160，其管腳排列如圖所示。圖574LS160管腳排列表2引腳功能如下表所示：輸入輸出MRPECETCEPCLKP3P2P1P0Q3Q2Q1Q00********000010**

D3D2D1D0D3D2D1D01111

****計數(shù)110******保持11*0*****保持（2）由集成芯片74LS160構(gòu)成十分頻器74LS160本身即為同步十進制計數(shù)器，用以構(gòu)成十分頻器直接使用其進位輸出端即可，需要注意的是，在級聯(lián)過程中，因為74LS160計數(shù)過程為上升沿有效，而進位輸出時CO端是由0變1，為上升沿，要使計數(shù)狀態(tài)不缺失，需在CO與下一級的連接中串入一個非門。如下圖所示：圖6十分頻器電路圖（3）使用芯片74LS160構(gòu)成6進制計數(shù)器由74LS160組成的六分頻電路如下圖所示電路，給CLK以點動單脈沖或頻率較低的連續(xù)脈沖，Q端接發(fā)光二極管，觀察發(fā)光二極管的狀態(tài)。同時進位輸出端接發(fā)光二極管，觀察并記錄現(xiàn)象，看是否為六進制輸出。判斷其正確性與可靠性，經(jīng)驗證該電路動作可靠，輸出正確。圖76進制計數(shù)器電路圖（4）由十分頻電路及六分頻電路組成一百分頻及六十分頻電路①一百分頻電路如下圖所示：兩級十分頻電路串聯(lián)，中間通過74LS04的一個非門把進位輸出端的時鐘信號送入高位的時鐘輸入端CLK,實現(xiàn)準(zhǔn)確的串行進位控制,清零控制端并接，接到復(fù)位/開始控制按鈕，實現(xiàn)控制。圖8一百分頻電路圖②六十分頻電路如下圖所示：一級十分頻電路與一級六分頻電路串聯(lián)，形成串行進位計數(shù)，其內(nèi)部級聯(lián)與一百進制相同,時鐘脈沖均為低位的進位端通過一非門接至高位的CLK端。清零控制端并接，接到復(fù)位/開始控制按鈕，實現(xiàn)控制。圖9六十分頻電路圖③總體計數(shù)電路圖為：74LS160各引腳功能如下圖1174LS160引腳功能表由上圖我們可以得到最終的總體計數(shù)器各引腳輸出波形圖為：圖1274LS160引腳輸出波形圖一百進制和六十進制計數(shù)器之間、六十進制和一百進制之間的接法如下圖13所示。圖13總體計數(shù)電路圖最終仿真結(jié)果為：以及:下面對其他單元電路介紹如下：3．顯示及譯碼單元電路譯碼驅(qū)動電路（74LS47、74LS48）及七段顯示數(shù)碼管（1）七段顯示數(shù)碼管實際工作中常采用發(fā)光二極管型七段顯示數(shù)碼管來直觀地顯示數(shù)字。它的數(shù)字形式如下圖所示：圖14七段顯示數(shù)碼管數(shù)碼管的每一段是一個發(fā)光二極管，按發(fā)光二極管的連接方式可分為共陰極和共陰極兩種。共陰極二極管的公共端接正電源（高電平），a、b、c、d、e、f、g中接低電平則發(fā)光，因此成為低電平有效。共陰極的公共端接地（低電平），a、b、c、d、e、f、g接高電平則發(fā)光，即高電平有效。（2）七段譯碼驅(qū)動電路在七段譯碼驅(qū)動電路中，對應(yīng)于不同類型數(shù)碼管有不同的驅(qū)動芯片，驅(qū)動共陰極數(shù)碼管用共陰極驅(qū)動器（如74LS47），驅(qū)動共陰極數(shù)碼管用共陰極驅(qū)動器（如74LS48）。驅(qū)動電路如下圖所示(其中74LS48的3\4\5管腳均接高電平):圖15七段譯碼驅(qū)動電路在這里我們采用74LS48D和RPACK來構(gòu)成譯碼部分，譯碼器與數(shù)碼管匹配電路的仿真圖如下圖16譯碼電路圖控制電路基本RS觸發(fā)器用集成與非門構(gòu)成基本RS觸發(fā)器，屬低電平直接觸發(fā)的觸發(fā)器，有直接置位、復(fù)位的功能。它的一路輸出作為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入，另一路輸出作為與非門的輸入控制信號。按動按鈕開關(guān)J1（接地），則門1輸出=1；門2輸出Q=0，J1復(fù)位后Q、狀態(tài)保持不變。再按動按鈕開關(guān)J2，則Q由0變?yōu)?，門5開啟，為計數(shù)器啟動作好準(zhǔn)備。由1變?yōu)?，送出負(fù)脈沖，啟動單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作?；綬S觸發(fā)器在電子秒表中的職能是啟動和停止秒表的工作.圖12RS觸發(fā)器電路（3）單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器圖13單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路用集成與非門構(gòu)成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入觸發(fā)負(fù)脈沖信號Vi由基本RS觸發(fā)器端提供，輸出負(fù)脈沖Vo通過非門加到計數(shù)器的清除端R。靜態(tài)時，門4應(yīng)處于截止?fàn)顟B(tài)，故電阻R必須小于們的關(guān)門電阻Roff。定時元件RC取值不同，輸出脈沖寬度也不同。當(dāng)觸發(fā)脈沖寬度小于輸出脈沖寬度時，可以省去輸入微分電路的Rp和Cp。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在電子秒表中的職能是為計數(shù)器提供清零信號?？傇韴D及元器件清單（1）總體原理圖如圖14，其中由于譯碼電路仿真結(jié)果不理想，故實際仿真電路沒有采用。圖14總體原理圖（2）總體原理說明：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)谝淮伟磩娱_關(guān)K，產(chǎn)生第一個單脈沖作為基本RS觸發(fā)器的時鐘，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秒脈沖進入計數(shù)器計數(shù)，并譯碼、顯示出來。3.當(dāng)?shù)诙伟磩娱_關(guān)K，產(chǎn)生第二個單脈沖使三狀態(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，使計數(shù)停止。4.當(dāng)需要復(fù)位清零時，按動復(fù)位電路的開關(guān)K。電路即處于復(fù)位狀態(tài)。5.再按動控制電路開關(guān)K時，電子秒表又進入計數(shù)狀態(tài)。（3）元器件清單序號名稱型號參數(shù)封裝數(shù)量備注1R1,R3,R4,R5RPACK_VARIABLE_2*7,180ΩA*IAL0.342R7,R8RPACK_VARIABLE_2*8,180ΩA*IAL0.323U7,U8,U9,U10,U11,U12,U20,U21,U2274LS160DDIP1694U15A,U24A74LS00DDIP1415U14A74LS04DDIP1416U25555_TIME_RATEDVR517R2A*IAL0.31100K8R6A*IAL0.315.1K9C5RAD0.220.01uF10C6RAD0.21uF（4）PCB圖五、結(jié)論與心得課程設(shè)計已經(jīng)結(jié)束，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。在這次課題設(shè)計中，我進行不斷的