電子秒表電路的設計

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 通常山譯碼驅動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 等阿拉伯數(shù)字。充分運用芯片74LS90的邏輯功能，用四片7 4 LS9 0芯片實現(xiàn)秒表示 0.160秒。利用集成與非門構成的基本RS觸發(fā)器（低電平直接觸發(fā)）實現(xiàn)電路的直接置位、 復位功能。利用集成與非門構成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器為訃數(shù)器清零提供輸出負脈沖。利 用555定時器構成的多諧振蕩器為電路提供脈沖源以驅動電路工作。 關鍵詞：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的電子計時器，U前國產的電子秒表一般都是利用石英振蕩器 的振蕩頻率作為時間基準，采用6位液晶數(shù)字顯示時間。電子秒表的使用功能比機械秒表 要多，它不僅能顯示分、秒，還能顯示時、日、月及星期，并且有1 / 1 00s的功能。本實驗設計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單元電路設計及相關元器件的功能簡介2.1基本RS觸發(fā)器本實驗設計電路所選用的基本RS觸發(fā)器為用集成與非門構成的基本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。切換按鈕開關K1 （接地），則門1輸出二1；門2輸出Q=O,K1復位后 Q、 狀態(tài)保持不變。再切換按鈕開關K2,則Q由0變?yōu)?,門5開啟，為計數(shù)器啟動作 好準備；由1變?yōu)?,送出負脈沖，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

4、表的工作.圖2-1基木RS觸發(fā)器22單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器本實驗設訃電路所選用的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器為用集成與非門構成的微分型單穩(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)負脈沖信號V：山基本RS觸發(fā)器端提供，輸出負脈沖V。通 過非門加到計數(shù)器的清除端R。靜態(tài)時，門4應處于截止狀態(tài)，故電阻R必須小于門的關 門電阻Ry定時元件RC取值不同，輸出脈沖寬度也不同。當觸發(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。圖2-3怔穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器波形圖23多諧振蕩器本實驗實驗設計電路所選用的時鐘發(fā)主器為用555定時器構成的多諧振

5、蕩器，是一種性能較好的時鐘源。如圖2-4所示。調節(jié)電位器RW ,使在輸出端3獲得頻率為5 0HZ的 矩形波信號，當基本R S觸發(fā)器Q二1時，門5開啟，此時50HZ脈沖信號通過門5作為計數(shù) 脈沖加于計數(shù)器的計數(shù)輸入端CP 2 oNE5 55定時器是一種電路結構簡單、使用方便靈活、用途廣泛的多功能電路。利用 閉合回路的反饋作用可以產生自激振蕩。TTL電路延遲時間短，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)值可以很容易實現(xiàn)對頻率的調節(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反饋作用 可以產生自激振蕩，利用閉合回路中的延遲負反饋作用也能產生自激振蕩，只要負反饋作用 足夠強。為了得到頻率更加準確的頻率信號,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計數(shù)及譯碼顯示電路二一五一十進制加法計數(shù)器74LS 9 0構成電子秒表的計數(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制計數(shù)器。它由1個一位二進制和

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

8、QcQb 輸出54 2 1 BCD 碼十進制計數(shù)1 1不變保持表22 7 4 LS 9 0的功能表本實驗所設計的計數(shù)及譯碼顯示電路如圖2-6所示。其中計數(shù)器1接成五進制形式, 對頻率為5 0 HZ的時鐘脈沖進行五分頻，在輸出端QD取得周期為0. 1 S的矩形脈沖，作 為計數(shù)器的時鐘輸入。計數(shù)器2、計數(shù)器3和計數(shù)器4接成8 4 2 1碼十進制形式，其輸 出端與實驗裝置上譯碼顯示的相應輸入端連接，可顯示0 . 1-99. 9S.3總電路設計圖及其原理U17IBAII佔圖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。山555定時器構成多諧振蕩器，用來產生50Hz 的矩形波。第I塊計數(shù)器作5分頻使用，將5 5 5輸來的50Hz的脈沖變?yōu)?. 1秒的計數(shù) 脈沖，在輸出端Qd取得,作為第2塊計數(shù)器的始終輸入，第2、第3、第4塊計數(shù)器QA 與CP2相連，都已接成8421碼十進制計數(shù)電路，其輸出端與譯碼顯示器的相應輸入端連接， 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訃軟件mult isim對電路仿真，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驗電源開關,切換按鈕開關KI （接地），則Q =1 , Q = 0 ;K1復位后Q、狀態(tài)保持不變。再切換按鈕開關K2,則Q由0變?yōu)?,門5即圖中U8A開啟，為計數(shù)器啟動作

11、好準備，同時Q由1變?yōu)?,送出負脈沖，啟動單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作。適當調節(jié)可變電阻，使輸出端3獲得頻率為50HZ的矩形波信號。雙擊示波器XSC3,觀察示波器的輸出波-2T1+ T2+時間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 -類型正弦標準自動無圖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 -類型正弦標準自動無通道JX o.oaov 0.000V o.oaov通適_BT1 T2 -T2-T1時間0.000 5O.OOOs0.000$反向保存時間翱通道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 -類型正弦標準自動無Ext Triggerr圖44 XSC2的波形圖山仿真可知，該設計電路滿足要求。5安裝及調試山于電路中使用器件較多，設計前必須合理安排各器件在實驗裝置上的位置， 使電路邏輯清楚.接線較短。應按照設計任務的次序將各單元電路逐個進行接線和 調試.即分別測試基本RS觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、時鐘發(fā)生器及計數(shù)器的邏輯功 能待備單元電路工作正常后，再將有關電路逐級連接起來進行測試，直到測試電子秒 表整個電路的功能。這樣的測試方法有利于檢查和排除故障，保證實驗順利進行。(1 )測試基本RS觸發(fā)器的邏輯功能。(2) 對單穩(wěn)態(tài)電路進行靜態(tài)測試:用直流數(shù)字電壓

14、表測量A、B、D、F各點電位值, 并記錄;然后進行動態(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F 點波形.如嫌單穩(wěn)輸出脈沖持續(xù)時間太短.難以觀察，可以適當加大微分電容c(如改 為0.】pF)待測試完畢.再恢復4 7 00PF。(3) 對時鐘發(fā)生器進行調試:參照山5 5 5定時器構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.調節(jié)Rw,使輸 出矩形波頻率為5 0Hz。(4) 計數(shù)器的測試：計數(shù)器接成五進制形式記錄測試過程。RO(1)、R0 (2)、 S9 (2)接邏輯開關輸出插口，CP2接單次脈沖源”CP1接高電平“1”，QDQA接實

15、驗 設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;計數(shù)器及 計數(shù)器接成842 1碼十進制形式”記錄測試過程;將計數(shù)器、級連.進行邏 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把兒個單元電路連 接起來，進行電子秒表的總體測試。先按一下按鈕開關K2.此時電子秒表不工作, 再按一下按鈕開關K1.,則計數(shù)器清零后使開始計時，觀察數(shù)碼管顯示計數(shù)情況是否 正常。如不需要訃時或暫停計時.按一下開關K1,計時立即停止，但數(shù)碼管保留所計 時之值。(6) 利用電子鐘或手表的秒計時對電子秒表進行校準。6設計心得通過這兒天對電子秒表電路的設計使我對數(shù)字電子

16、技術基礎課程有了更深一步的了 解，同時發(fā)現(xiàn)了自己的很多不足，看到了自己的實踐經(jīng)驗還是比較缺乏，理論聯(lián)系實際的能 力還亟需提高。同時，經(jīng)過這次課程設計，我們對前面的路有了更多的信心，因為在這個過程中，我們 學到了不少實用的東西，對于一些專業(yè)基礎課有了更深層次的掌握，并且提高了動手能力和 獨立解決問題的能力。此次的數(shù)電課設，不僅讓我加深了對數(shù)字電子電路理論知識的理解, 還加強和同學交流溝通的能力，在設計電路時和同組成員共同討論解決問題，同時設訃出 的電路經(jīng)過Mult i s i m軟件仿真達到預期的效果，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。諸多在此次學習到的知識或是能力必將 有用于之后的學習或是將來的工作，這也是此次課程設計的目的所在?？偠灾?，本周課程設計不但鍛煉了我們最基本的數(shù)字電路的設計能力，更重要的是讓 我們更深刻的認識了數(shù)字電子技術基礎課程在實際中的應用。參考文獻I伍時和主編.數(shù)字電子技術基礎.武漢理工大學出版社,20092康華光主編.電子技術基礎一數(shù)字部分.高等教育岀版社，20003羅中華等主編.數(shù)字電路與邏輯設計.清華大學岀版社，2 0 044周新民主編.5張新喜主編.月名附錄1工程實踐與訓練教程武漢理工大