電子秒表電路的設(shè)計(jì)

1、摘要在數(shù)字測量儀表和各種數(shù)字系統(tǒng)中，都需要將數(shù)字量直觀的顯示出來，數(shù)字顯示電路 通常山譯碼驅(qū)動(dòng)器和顯示器等部分組成。數(shù)碼顯示器就是用來顯示數(shù)字、文字或符號(hào)的器 件。七段式數(shù)字顯示器是目前常用的顯示方式，它利用不同發(fā)光段的組合，可以顯示09 等阿拉伯?dāng)?shù)字。充分運(yùn)用芯片74LS90的邏輯功能，用四片7 4 LS9 0芯片實(shí)現(xiàn)秒表示 0.160秒。利用集成與非門構(gòu)成的基本RS觸發(fā)器（低電平直接觸發(fā)）實(shí)現(xiàn)電路的直接置位、 復(fù)位功能。利用集成與非門構(gòu)成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器為訃數(shù)器清零提供輸出負(fù)脈沖。利 用555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器為電路提供脈沖源以驅(qū)動(dòng)電路工作。 關(guān)鍵詞：基本 RS觸發(fā)器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

2、，多諧振蕩器,譯碼顯示器。/電子秒表簡介電子秒表是一種較先進(jìn)的電子計(jì)時(shí)器，U前國產(chǎn)的電子秒表一般都是利用石英振蕩器 的振蕩頻率作為時(shí)間基準(zhǔn)，采用6位液晶數(shù)字顯示時(shí)間。電子秒表的使用功能比機(jī)械秒表 要多，它不僅能顯示分、秒，還能顯示時(shí)、日、月及星期，并且有1 / 1 00s的功能。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的電子秒表電路的基本組成框圖如圖1一1所示,它主要由基本RS觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器、訃數(shù)器和譯碼顯示器5個(gè)部分組成。圖1-1電f秒表電路的基木組成框圖2單元電路設(shè)計(jì)及相關(guān)元器件的功能簡介2.1基本RS觸發(fā)器本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)電路所選用的基本RS觸發(fā)器為用集成與非門構(gòu)成的基本RS觸發(fā)器。屬低 電平直接觸發(fā)的觸

3、發(fā)器，有直接置位、復(fù)位的功能。其功能表如表2-1所示。RSQnQn+ 1功能000不用不允許000不用0100Qn+ 1 = 0 ,置 001101011Q n +1 = 1，置 110011111Qn+ 1 二Qn,保持1100表2-1基木RS觸發(fā)器如圖2-1所示,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Q作為與非門5 的輸入控制信號(hào)。切換按鈕開關(guān)K1 （接地），則門1輸出二1；門2輸出Q=O,K1復(fù)位后 Q、 狀態(tài)保持不變。再切換按鈕開關(guān)K2,則Q由0變?yōu)?,門5開啟，為計(jì)數(shù)器啟動(dòng)作 好準(zhǔn)備；由1變?yōu)?,送出負(fù)脈沖，啟動(dòng)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(dòng)和停止秒

4、表的工作.圖2-1基木RS觸發(fā)器22單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器本實(shí)驗(yàn)設(shè)訃電路所選用的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器為用集成與非門構(gòu)成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器, 如圖2-2所示。圖2-2取穩(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(hào)V：山基本RS觸發(fā)器端提供，輸出負(fù)脈沖V。通 過非門加到計(jì)數(shù)器的清除端R。靜態(tài)時(shí)，門4應(yīng)處于截止?fàn)顟B(tài)，故電阻R必須小于門的關(guān) 門電阻Ry定時(shí)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(shí)，可以省去輸入微分電路的R?和Cp o單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在電子秒表中的職能是為訃數(shù)器提供清零信號(hào)。圖2-3怔穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器波形圖23多諧振蕩器本實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)電路所選用的時(shí)鐘發(fā)主器為用555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振

5、蕩器，是一種性能較好的時(shí)鐘源。如圖2-4所示。調(diào)節(jié)電位器RW ,使在輸出端3獲得頻率為5 0HZ的 矩形波信號(hào)，當(dāng)基本R S觸發(fā)器Q二1時(shí)，門5開啟，此時(shí)50HZ脈沖信號(hào)通過門5作為計(jì)數(shù) 脈沖加于計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)輸入端CP 2 oNE5 55定時(shí)器是一種電路結(jié)構(gòu)簡單、使用方便靈活、用途廣泛的多功能電路。利用 閉合回路的反饋?zhàn)饔每梢援a(chǎn)生自激振蕩。TTL電路延遲時(shí)間短，難以控制頻率。電路接入 RC回路有助于獲得較低的振蕩頻率，山于門電路的作用時(shí)間極短;TTL電路自有兒十納秒, 所以想獲得稍低一些的振蕩頻率式很困難的，而且頻率不易調(diào)節(jié)。在電路中接入RC電路 可以有助于獲得較低的振蕩頻率,而且通過改變R,

6、C的數(shù)值可以很容易實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率的調(diào)節(jié)。振蕩電路是數(shù)字秒表的核心部分，電容充放電的速度決定了電路的振蕩頻率。Ri、R 八C決定了多諧振蕩器的周期，即決定了形成的方波的頻率利用閉合回路中的負(fù)反饋?zhàn)饔?可以產(chǎn)生自激振蕩，利用閉合回路中的延遲負(fù)反饋?zhàn)饔靡材墚a(chǎn)生自激振蕩，只要負(fù)反饋?zhàn)饔?足夠強(qiáng)。為了得到頻率更加準(zhǔn)確的頻率信號(hào),加入了電容和電阻，其中電容為O.Oluf和O.luf, 電阻為100K歐姆。2. 4計(jì)數(shù)及譯碼顯示電路二一五一十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器74LS 9 0構(gòu)成電子秒表的計(jì)數(shù)單元,其功能表如表2-2所 示，引腳圖如圖2-5所示。74LS 9 0是一種較為典型的異步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。它由1個(gè)一位二進(jìn)制和

7、1個(gè)異步五進(jìn)制 計(jì)數(shù)器組成。如果計(jì)數(shù)脈沖lIlCPl端輸入，輸出山QA端引出，即得二進(jìn)制計(jì)數(shù)器；如果 計(jì)數(shù)脈沖CP 2端輸入，輸出由QAQ D端引出即得五進(jìn)制計(jì)數(shù)器；如果將Q A與CP2相連, 計(jì)數(shù)脈沖由CP1輸入，輸出由QAQD引出，即得8421碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。因此，乂稱此 電路為二一一五一一十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。輸入輸出功能清0置9時(shí)鐘Q d Qc Q3QaR。、Ro (2)S (1)、S 1(2)CP CP：110XX0XX清00XX 011XX置90XX00XX011Qa輸出二進(jìn)制計(jì)數(shù)1 1QdQcQb輸出五進(jìn)制計(jì)數(shù)1QaQdQcQbQa 輸出84 2 1BCD 碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)QdIQ a Qd

8、QcQb 輸出54 2 1 BCD 碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)1 1不變保持表22 7 4 LS 9 0的功能表本實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)及譯碼顯示電路如圖2-6所示。其中計(jì)數(shù)器1接成五進(jìn)制形式, 對(duì)頻率為5 0 HZ的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行五分頻，在輸出端QD取得周期為0. 1 S的矩形脈沖，作 為計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘輸入。計(jì)數(shù)器2、計(jì)數(shù)器3和計(jì)數(shù)器4接成8 4 2 1碼十進(jìn)制形式，其輸 出端與實(shí)驗(yàn)裝置上譯碼顯示的相應(yīng)輸入端連接，可顯示0 . 1-99. 9S.3總電路設(shè)計(jì)圖及其原理U17IBAII佔(zhàn)圖3-1電子秒表總電路圖根據(jù)各單元電路原理，可得總電路圖如圖3 - 1所示。其中，基本RS觸發(fā)器在電子秒表中的職能是啟動(dòng)和停止秒表的

9、工作，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在 電子秒表中的職能是為訃數(shù)器提供清零信號(hào)。山555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器，用來產(chǎn)生50Hz 的矩形波。第I塊計(jì)數(shù)器作5分頻使用，將5 5 5輸來的50Hz的脈沖變?yōu)?. 1秒的計(jì)數(shù) 脈沖，在輸出端Qd取得,作為第2塊計(jì)數(shù)器的始終輸入，第2、第3、第4塊計(jì)數(shù)器QA 與CP2相連，都已接成8421碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)電路，其輸出端與譯碼顯示器的相應(yīng)輸入端連接， 可顯示 0 1一0 9 s, 1 - 9 s , 1 0-90s.4電路仿真利用電子設(shè)訃軟件mult isim對(duì)電路仿真，根據(jù)圖3-1所示電子秒表總電路圖在軟件 multisim中繪制出其仿真電路圖，如圖4-1所示。vccU17D

10、CD HEX74L550DF51R5RI24J3IU.PF51U15cKI?DCD HEXU15seu3 mixa 212DCD HEXDCD HEX20tt+XV.maRI2RJRJRKRKa5V-J-YCCH5Vvcc74L 533C74 L 5303vccr5OpFvrr74ALSOOM4LOUUIMZ *6CNC4R63Idcp evSVKey= d 100k a44DO?05Smcm8。圖1-1仿真電路圖開啟仿真器實(shí)驗(yàn)電源開關(guān),切換按鈕開關(guān)KI （接地），則Q =1 , Q = 0 ;K1復(fù)位后Q、狀態(tài)保持不變。再切換按鈕開關(guān)K2,則Q由0變?yōu)?,門5即圖中U8A開啟，為計(jì)數(shù)器啟動(dòng)作

11、好準(zhǔn)備，同時(shí)Q由1變?yōu)?,送出負(fù)脈沖，啟動(dòng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作。適當(dāng)調(diào)節(jié)可變電阻，使輸出端3獲得頻率為50HZ的矩形波信號(hào)。雙擊示波器XSC3,觀察示波器的輸出波-2T1+ T2+時(shí)間12.278 512.278 s0.000 s通道_A0.000 V0.000 V0.000 V通道_B反向Ext. Trigger保存T2-T1時(shí)間軸通道A通道B融發(fā)比例| 20 ms/Div比例5 V/Div比例5刃Div邊沿*毛X位置0Y位置0T位置0電平0VY/T加載B/A A/BAC 0 DCAC 0 DC -類型正弦標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)無圖4-2 XSC3的波形此外XSC1和XSC 2的波形圖分別如圖4 3和圖4-4

12、所示。時(shí)間1.180$1.180$通道/0.000 V0.000 V通道衛(wèi)T2-T10.000s0.000 V反向保存Ext Trigger時(shí)間軸逋道A逋道B觸發(fā)比例 100 ms/Div比例5V/Div比例5V/Div邊沿*位重0位査1位直0電平|oPvY/T 加載 B/A A/BAC 0DCAC 0DC -類型正弦標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)無通道JX o.oaov 0.000V o.oaov通適_BT1 T2 -T2-T1時(shí)間0.000 5O.OOOs0.000$反向保存時(shí)間翱通道A通道B融發(fā)比例20 ms/Div比例5 V/Div比洌5 V/Div邊沿X位置0V位置0V位置0電平0VY/T 加載 B/A

13、A/BAC 0 DCAC 0 DC -類型正弦標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)無Ext Triggerr圖44 XSC2的波形圖山仿真可知，該設(shè)計(jì)電路滿足要求。5安裝及調(diào)試山于電路中使用器件較多，設(shè)計(jì)前必須合理安排各器件在實(shí)驗(yàn)裝置上的位置， 使電路邏輯清楚.接線較短。應(yīng)按照設(shè)計(jì)任務(wù)的次序?qū)⒏鲉卧娐分饌€(gè)進(jìn)行接線和 調(diào)試.即分別測試基本RS觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、時(shí)鐘發(fā)生器及計(jì)數(shù)器的邏輯功 能待備單元電路工作正常后，再將有關(guān)電路逐級(jí)連接起來進(jìn)行測試，直到測試電子秒 表整個(gè)電路的功能。這樣的測試方法有利于檢查和排除故障，保證實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行。(1 )測試基本RS觸發(fā)器的邏輯功能。(2) 對(duì)單穩(wěn)態(tài)電路進(jìn)行靜態(tài)測試:用直流數(shù)字電壓

14、表測量A、B、D、F各點(diǎn)電位值, 并記錄;然后進(jìn)行動(dòng)態(tài)測試：輸入端接I K HZ連續(xù)脈沖源,用示波器觀察并描繪D點(diǎn)F 點(diǎn)波形.如嫌單穩(wěn)輸出脈沖持續(xù)時(shí)間太短.難以觀察，可以適當(dāng)加大微分電容c(如改 為0.】pF)待測試完畢.再恢復(fù)4 7 00PF。(3) 對(duì)時(shí)鐘發(fā)生器進(jìn)行調(diào)試:參照山5 5 5定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器的測試方法 來測試該部分的邏輯功能,用示波器觀察輸出電壓波形并測量其頻率.調(diào)節(jié)Rw,使輸 出矩形波頻率為5 0Hz。(4) 計(jì)數(shù)器的測試：計(jì)數(shù)器接成五進(jìn)制形式記錄測試過程。RO(1)、R0 (2)、 S9 (2)接邏輯開關(guān)輸出插口，CP2接單次脈沖源”CP1接高電平“1”，QDQA接實(shí)

15、驗(yàn) 設(shè)備上譯碼顯示輸入端口 D、C、B、A,按表2-2測試其邏輯功能并記錄;計(jì)數(shù)器及 計(jì)數(shù)器接成842 1碼十進(jìn)制形式”記錄測試過程;將計(jì)數(shù)器、級(jí)連.進(jìn)行邏 輯功能測試，并記錄。(5) 電子秒表的整體測試:各單元電路測試正常后.按圖3J把兒個(gè)單元電路連 接起來，進(jìn)行電子秒表的總體測試。先按一下按鈕開關(guān)K2.此時(shí)電子秒表不工作, 再按一下按鈕開關(guān)K1.,則計(jì)數(shù)器清零后使開始計(jì)時(shí)，觀察數(shù)碼管顯示計(jì)數(shù)情況是否 正常。如不需要訃時(shí)或暫停計(jì)時(shí).按一下開關(guān)K1,計(jì)時(shí)立即停止，但數(shù)碼管保留所計(jì) 時(shí)之值。(6) 利用電子鐘或手表的秒計(jì)時(shí)對(duì)電子秒表進(jìn)行校準(zhǔn)。6設(shè)計(jì)心得通過這兒天對(duì)電子秒表電路的設(shè)計(jì)使我對(duì)數(shù)字電子

16、技術(shù)基礎(chǔ)課程有了更深一步的了 解，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了自己的很多不足，看到了自己的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)還是比較缺乏，理論聯(lián)系實(shí)際的能 力還亟需提高。同時(shí)，經(jīng)過這次課程設(shè)計(jì)，我們對(duì)前面的路有了更多的信心，因?yàn)樵谶@個(gè)過程中，我們 學(xué)到了不少實(shí)用的東西，對(duì)于一些專業(yè)基礎(chǔ)課有了更深層次的掌握，并且提高了動(dòng)手能力和 獨(dú)立解決問題的能力。此次的數(shù)電課設(shè)，不僅讓我加深了對(duì)數(shù)字電子電路理論知識(shí)的理解, 還加強(qiáng)和同學(xué)交流溝通的能力，在設(shè)計(jì)電路時(shí)和同組成員共同討論解決問題，同時(shí)設(shè)訃出 的電路經(jīng)過Mult i s i m軟件仿真達(dá)到預(yù)期的效果，不僅讓小組所有成員共同獲得努力后 成功的欣喜，而且了解了 Mui tism軟件的使用。諸多在此次學(xué)習(xí)到的知識(shí)或是能力必將 有用于之后的學(xué)習(xí)或是將來的工作，這也是此次課程設(shè)計(jì)的目的所在?？偠灾?，本周課程設(shè)計(jì)不但鍛煉了我們最基本的數(shù)字電路的設(shè)計(jì)能力，更重要的是讓 我們更深刻的認(rèn)識(shí)了數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程在實(shí)際中的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)I伍時(shí)和主編.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).武漢理工大學(xué)出版社,20092康華光主編.電子技術(shù)基礎(chǔ)一數(shù)字部分.高等教育岀版社，20003羅中華等主編.數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì).清華大學(xué)岀版社，2 0 044周新民主編.5張新喜主編.月名附錄1工程實(shí)踐與訓(xùn)練教程武漢理工大