《數(shù)字式秒表》

電子技術(shù)課程設(shè)計報告題目數(shù)字式秒表學(xué)院（部）電控學(xué)院專業(yè)班級學(xué)生姓名學(xué)號指導(dǎo)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(zhǔn)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(dǎo)體器件進(jìn)行數(shù)字式秒表的設(shè)計。本設(shè)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(jié)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(dāng)計時停止的時候，由開關(guān)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(gòu)成兩個100進(jìn)制計數(shù)器和一個60進(jìn)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(guān)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(guān)鍵詞設(shè)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(gòu)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(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)束語1841總結(jié)語1942故障分析19參考文獻(xiàn)20元器件明細(xì)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(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。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(gòu)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(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(jìn)制計數(shù)器組成了一百進(jìn)制和六十進(jìn)制計數(shù)器，采用異步進(jìn)位方式。譯碼器由74LS48構(gòu)成，顯示器由數(shù)碼管構(gòu)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(jìn)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99分5999秒，“分”和“10毫秒”為一百進(jìn)制計數(shù)器組成，“秒”為六十進(jìn)制計數(shù)器組成。關(guān)鍵詞計時精度計數(shù)器顯示器設(shè)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(shè)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(yīng)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(gòu)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(qū)動電流大，功能靈活，再加上電路結(jié)構(gòu)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(jìn)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(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(guān)；秒表控制開關(guān)；一百進(jìn)制秒、分計數(shù)器、六十進(jìn)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(shè)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(jié)構(gòu)圖如圖2是555定時器電路結(jié)構(gòu)的簡化原理圖和引腳標(biāo)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(zhǔn)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(fù)位端。當(dāng)RD0時，輸出U00,T管飽和導(dǎo)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(yīng)將RD接高電平。當(dāng)控制電壓輸入端5腳懸空時，比較器C1、C2的基準(zhǔn)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(zhǔn)電壓為UIC和UIC/2。由圖1中可知，若5腳懸空，當(dāng)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(dāng)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(dǎo)通，輸出UO0。當(dāng)UI62UCC/3，UI22UCC/3UCC/30導(dǎo)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(qū)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(yīng)引腳相連。當(dāng)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(jìn)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(dāng)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(yīng)條件）。4當(dāng)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(qū)動器，輸出高電平有效，專用于驅(qū)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(qū)動共陽極數(shù)碼管，而74LS48是BCD7段譯碼器/驅(qū)動器，輸出高電平有效，專用于驅(qū)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(shè)計結(jié)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(qū)動器功能表輸入輸出十進(jìn)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(qū)動信號，顯示相應(yīng)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(guān)，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(jié)果，七段數(shù)碼管有七個發(fā)光段，即ABCDEFG，根據(jù)設(shè)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(yīng)關(guān)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(jié)構(gòu)介紹七段數(shù)碼管內(nèi)部由發(fā)光二極管構(gòu)成。在發(fā)光二極管兩端加上適當(dāng)?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(shè)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(fù)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(dāng)J1開關(guān)閉合，把開關(guān)J2開關(guān)打開，那將給計數(shù)電路中的74LS160的清零信號，開始計數(shù)，當(dāng)J1開關(guān)閉合，J2開關(guān)打開，那將給計數(shù)器清零，于是我們就用兩個開關(guān)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(dāng)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(jìn)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(jié)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(dāng)做下一個芯片的脈沖。同理，當(dāng)秒計數(shù)需向分計數(shù)進(jìn)位的時候，我們都用最高位的變化來當(dāng)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(jié)束語41總結(jié)語通過一周半的設(shè)計，總算是有了一個結(jié)果。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(shè)計中，我們的整體思路主要是參考了老師的意見，然后進(jìn)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(guān)的使用，使我們的電路更加的穩(wěn)定，這是我們這次設(shè)計中一個比較大的亮點。但是，在這次設(shè)計過程中，我們也遇到不少的麻煩，經(jīng)過多次反復(fù)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(gòu)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(dāng)?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(jìn)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(jìn)位顯示錯誤，無法正常進(jìn)位原因?qū)υ?4LS160的工作原理理解有誤，其應(yīng)在下降沿，進(jìn)位排除方法在分秒計數(shù)間，即60十進(jìn)制和100進(jìn)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(guān)之后，加一個防抖動開關(guān)參考文獻(xiàn)1林濤主編，數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)，北京清華大學(xué)出版社，20062林濤主編，模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)，重慶重慶大學(xué)出版社，20033吳慎山主編，電子線路設(shè)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(xué)出版社，20075姜齊榮，趙東元，陳建業(yè)編著，有源電力濾波器結(jié)構(gòu)原理控制北京科學(xué)出版社，2005元器件明細(xì)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(shè)計歷時一周半，在設(shè)計過程當(dāng)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(dǎo)，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(dǎo)，我們銘記于心。其次還要非常感謝同組的XX,YY同學(xué)一直以來對我的幫助，回顧兩周經(jīng)歷的兼程，他們讓我學(xué)會了獨立思考，學(xué)會了團隊協(xié)作，學(xué)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(xué)院的諸位老師為我們提供了良好的設(shè)計條件，讓我順利完成此次課程設(shè)計。最后，我們衷心的感謝長安大學(xué)對我們的教育和支持。收獲與體會一周半的課程設(shè)計已經(jīng)結(jié)束，留給我們組印象最深的是要設(shè)計一個成功的電路，必須要有扎實的知識基礎(chǔ)，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(jìn)行分析解決。同時還需要有耐心和毅力。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