《數(shù)字式秒表》

電子技術課程設計報告題目數(shù)字式秒表學院（部）電控學院專業(yè)班級學生姓名學號指導教師（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)模集成電路和半導體器件進行數(shù)字式秒表的設計。本設計中數(shù)字秒表的最大計時是99分5999秒，也就是說分辨率是001秒，最后計數(shù)結果用數(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。當計時停止的時候，由開關給出一個清零信號，使得所有顯示管全部清零在本次實驗中由六片74LS160構成兩個100進制計數(shù)器和一個60進制計數(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。目錄題目摘要關鍵詞設計要求4第一章系統(tǒng)概述5第二章單元電路與分析621秒信號發(fā)生器6211555定時器的功能6212555構成的多諧振蕩器7213多諧振蕩器的仿真圖822消抖電路923分、秒、毫秒計數(shù)器電路設計9231選擇計數(shù)器的方案923274LS160計數(shù)器的功能介紹10233計數(shù)器最終連線圖1124譯碼部分12241譯碼器的基本原理12242方案的提出12243方案對比與選擇1324474LS48的功能介紹1325數(shù)碼管15251七段數(shù)碼管工作原理15252七段數(shù)碼管內(nèi)部結構介紹16253顯示器匹配電路圖16254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1831總電路圖17第四章結束語1841總結語1942故障分析19參考文獻20元器件明細表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。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構成，顯示器由數(shù)碼管構成。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)，先進入計數(shù)器，然后傳入譯碼器，將4位信號轉化為數(shù)碼管可顯示的7位信號，結果以“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5999秒，“分”和“10毫秒”為一百進制計數(shù)器組成，“秒”為六十進制計數(shù)器組成。關鍵詞計時精度計數(shù)器顯示器設計要求1秒表最大計時值為99分5999秒；26位數(shù)碼管顯示，分辨率為001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001秒，那么我們需要相應頻率的信號發(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，輸出驅動電流大，功能靈活，再加上電路結構簡單，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確穩(wěn)定。通常使用石英晶體振蕩器電路構成數(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；秒表控制開關；一百進制秒、分計數(shù)器、六十進制秒計數(shù)器；以及秒、分的譯碼顯示部分等圖11原理流程圖串電阻串電阻串電阻第二章單元電路設計與分析21秒信號發(fā)生器211555定時器的功能555定時器組成及工作原理如下圖211555定時器電路結構圖如圖2是555定時器電路結構的簡化原理圖和引腳標識。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為復位端。當RD0時，輸出U00,T管飽和導通。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，應將RD接高電平。當控制電壓輸入端5腳懸空時，比較器C1、C2的基準電壓分別是2UCC/3和UCC/3。如果5腳UIC外接固定電壓，則比較器C1、C2的基準電壓為UIC和UIC/2。由圖1中可知，若5腳懸空，當UI6UCC/3時，比較器C1和C2輸出均為高電平，即R1,S1。RS觸發(fā)器維持原狀態(tài)，使UO輸出保持不變。當UI62UCC/3，UI2UCC/3時，比較器C1輸出低電平，比較器C2輸出高電平，即R0，S1，基本RS觸發(fā)器置0，放電三極管T導通，輸出UO0。當UI62UCC/3，UI22UCC/3UCC/30導通1UCC/3不變不變1M時,稱為部分譯碼。242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的相應引腳相連。當滅燈輸入/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2417447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（響應條件）。4當滅燈輸入/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BCD7段譯碼器/驅動器，輸出高電平有效，專用于驅動LED七段共陰極顯示數(shù)碼管。其管腳功能如圖241所示圖24274LS48管腳圖243方案對比與選擇7447七段顯示譯碼器輸出為低電平有效，用以驅動共陽極數(shù)碼管，而74LS48是BCD7段譯碼器/驅動器，輸出高電平有效，專用于驅動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計結果，我們選用74LS48顯示譯碼器。24474LS48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24174LS48引腳功能表七段譯碼驅動器功能表輸入輸出十進數(shù)或功能LTRBIDCBABI/RBOABCDEFG備注0HH0000H11111101HX0001H01100002HX0010H11011013HX0011H11110014HX0100H01100115HX0101H10110116HX0110H00111117HX0111H11100008HX1000H11111119HX1001H111001110HX1010H000110111HX1011H001100112HX1100H010001113HX1101H100101114HX1110H000111115HX1111H00000001BIXXXXXXL00000002RBIHL0000L00000003LTLXXXXXH11111114由74LS48真值表可獲知74LS48所具有的邏輯功能（1）7段譯碼功能（LT1，RBI1）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段字符顯示器的驅動信號，顯示相應字符。除DCBA0000外，RBI也可以接低電平，見表241中116行。（2）消隱功能（BI0）此時BI/RBO端作為輸入端，該端輸入低電平信號時，表241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（LT0）此時BI/RBO端作為輸出端，端輸入低電平信號時，表241最后一行，以及DCBA輸入無關，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（LT1，RBI1）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DCBA0000，表241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。25數(shù)碼管251七段數(shù)碼管工作原理在這個部分我們用七段數(shù)碼管（LED）來顯示結果，七段數(shù)碼管有七個發(fā)光段，即ABCDEFG，根據(jù)設計要求的需要，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251和252。圖251圖252數(shù)碼顯示與發(fā)光段之間的對應關系如下表251所示。表251BCD碼顯示數(shù)碼發(fā)光管BCD碼顯示數(shù)碼發(fā)光管0000ABCDEF0101ACDFG0001BC0110CDEFG0010ABDEG0111ABC0011ABCDG1000ABCDEFG0100BCFG1001ABCFG252七段數(shù)碼管內(nèi)部結構介紹七段數(shù)碼管內(nèi)部由發(fā)光二極管構成。在發(fā)光二極管兩端加上適當?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253,254所示。圖253圖254253顯示器匹配電路圖本設計采用共陰數(shù)碼管與74LS48匹配。其連接圖如圖255所示圖255254譯碼器與數(shù)碼管匹配電路的仿真圖圖256第三章系統(tǒng)綜述、總體電路圖31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J1開關閉合，把開關J2開關打開，那將給計數(shù)電路中的74LS160的清零信號，開始計數(shù)，當J1開關閉合，J2開關打開，那將給計數(shù)器清零，于是我們就用兩個開關實現(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J1J2，電路處于計數(shù)狀態(tài)，當給計數(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做下一個芯片的脈沖。同理，當秒計數(shù)需向分計數(shù)進位的時候，我們都用最高位的變化來當做下一個芯片的CP信號，這樣我們就完成了我們需要的計數(shù)。第四章結束語41總結語通過一周半的設計，總算是有了一個結果。方案和結果都讓我們比較滿意，完成了所有的設計要求1秒表最大計時值為99分5999秒；26位數(shù)碼管顯示，分辨率為001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。在這次課題設計中，我們的整體思路主要是參考了老師的意見，然后進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。防抖開關的使用，使我們的電路更加的穩(wěn)定，這是我們這次設計中一個比較大的亮點。但是，在這次設計過程中，我們也遇到不少的麻煩，經(jīng)過多次反復的檢查和排除，最終實現(xiàn)了部分功能。42故障分析故障1脈沖發(fā)生器（555定時器構成的多諧振蕩器）沒法實現(xiàn)001S的脈沖信號。原因參數(shù)不對。排除方法利用F143/R12R2C適當?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LED數(shù)碼管接入錯誤，陰陽極接反，未接入保護電阻。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，分進位顯示錯誤，無法正常進位原因對原件74LS160的工作原理理解有誤，其應在下降沿，進位排除方法在分秒計數(shù)間，即60十進制和100進制之間，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，排除方法在機械開關之后，加一個防抖動開關參考文獻1林濤主編，數(shù)字電子技術基礎，北京清華大學出版社，20062林濤主編，模擬電子技術基礎，重慶重慶大學出版社，20033吳慎山主編，電子線路設計與實踐，北京電子工業(yè)出版社，20054劉福太主編，綠版電子電路498例，北京科學出版社，20075姜齊榮，趙東元，陳建業(yè)編著，有源電力濾波器結構原理控制北京科學出版社，2005元器件明細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_27,18046U17,U18,U19,U20,U21,U22SEVEN_SEG_DECIMAL_COM_K_BLUE27R11,R9RPACK_VARIABLE_28,18028U9A74STD,7404N19J4TD_SW1,05SEC1SEC610U1A,U2A74STD,7401N211R4,R5RESISTOR10K212R1,R2RESISTOR475K213R6POTENTIOMETER1001鳴謝本次課程設計歷時一周半，在設計過程當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，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，我們銘記于心。其次還要非常感謝同組的XX,YY同學一直以來對我的幫助，回顧兩周經(jīng)歷的兼程，他們讓我學會了獨立思考，學會了團隊協(xié)作，學會了舉一反三，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院的諸位老師為我們提供了良好的設計條件，讓我順利完成此次課程設計。最后，我們衷心的感謝長安大學對我們的教育和支持。收獲與體會一周半的課程設計已經(jīng)結束，留給我們組印象最深的是要設計一個成功的電路，必須要有扎實的知識基礎，要熟練地掌握課本上的知識，這樣才能對試驗中出現(xiàn)的問題進行分析解決。同時還需要有耐心和毅力。在整個電路的設計過程中，花費時間最多的是利用MULTISIM仿真，因為以前沒有學過這個軟件，所以我們要從頭