電子秒表課程設(shè)計..

1、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100H Z。計時系統(tǒng)由計數(shù)器、譯碼器、顯示器組成。計數(shù)器由74 LS160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

2、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AbstractElectro nic stopwatch is the realizati on of a digital circuit tech no logy,.lt can realize the hour, minu te, sec ond timer.It does not hav

3、e mecha ni cal mea ns and has a Ion ger life, so it has bee n widely used. The prin ciple is a typical digital circuit, which in cludes a comb in ati on logic circuit and a timing circuit. The experiments can be done by electronic stopwatch constituted by the sig nal system and tim ing system, and h

4、as cleared pause function. Due to the n eed of a more stable signal, the signal generating system is constituted by the 555 Timer with the resistors and capacitors, and the signal frequency is 100Hz. Timing system contains the counter, decoder, display. Counter 74 LS160 constituted by the decimal co

5、unter the decimal and sexagesimal coun ter, which uses asyn chro nous bin ary. The decoder from 74LS48 con stitute display digital tube con stitute Cleared, the pause function by the RS flip-flop. Its specific process: the 100Hz pulse sig nal gen erated by the crystal oscillator and first into the c

6、oun ter, and the n the incoming decoder, a 4-bit sig nal is con verted to 7-bit sig nal of the digital con trol can be displayed, the result by minu te, sec on d, 10 millisec on ds tur n on the digital display. The stopwatch tim ing is 59 minu tes, 59.99 sec on ds, 10 millisec onds is the 150 binary

7、 coun ter, minu te and sec on d is the six decimal coun ter.Keyword: Timing accuracy counter display一設(shè)計任務(wù)與要求錯誤！未定義書簽二方案設(shè)計與論證三單元電路設(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：1. 以0.01秒為最小單位進行顯示。2. 秒表可顯示0.01秒到60分鐘的量程。3. 該秒表具

8、有清零、開始計時、停止計時功能，并能防抖動。 、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顯示器廠串庖阻譯碼器E0進制計數(shù)器顯示器Tj串電陽譯碼器tJ別進

9、制計數(shù)器秒表控制開關(guān)0顯不器A串電阻譯碼器1叩進數(shù)器皤分頻鬆100 Hz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 0.0 1秒，那么 我們需要相應(yīng)頻率的信號發(fā)生器。(3) 計

10、數(shù)器:秒表核心部分一一計數(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。 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,貝U用來驅(qū)動共陰極數(shù)碼管；如果選擇 7448,貝U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

11、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。三、單元電路設(shè)計與參數(shù)計算本次課設(shè)中，我主要承擔了信號發(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1腳：外接電源負端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的范圍是4.5 16V, CMOS型時 基電路Vcc的范圍為3 18V。一般用5V。3腳：輸出端Vo2腳：TL低觸發(fā)端6腳：TH高觸發(fā)端4腳：Rd是直接清零端。當Rd端接低電平，則時基電路不工

12、作，此時不論 TL、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 電壓，當該端不用時，應(yīng)將該端串入一只 0.01尸電容接地，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T仁(R1+R2)C1I n2為充電時間T2=R1C1I n2為放電時間T=T1+T2=(R2+2R1)C1I n2為脈沖周期F=1/T為振湯頻率經(jīng)過計算并頭際調(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，

13、可調(diào)整R2來改變頻率，減小誤差圖3 555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

14、 分頻電路，因為74LS160是同步十進制計數(shù)器，在 Q3Q0俞出端為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74LS0

15、0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9721076543MRPECLKCETCEPTC3 2 10 p p p P3 2 10 QQQQ1!n111214圖5 74LS160管腳排列表2引腳功能如下表所示:輸入輸出MRPECETCEP 1CLKP3P2P1P0Q3Q2Q1Q0豐0XXXXXXXX0000竹0XXD3D2D1D0D3D2D1D01111XXXX計數(shù)110XXXXXX保持11X0XXXXX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

16、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：+5清零扌空制1MRPE CLKCETCEPP3P2PlP0TCQ3Q2QiQO9時2鐘1I10脈/卜、沖112611/|512|413314_4LS16C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

17、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7 6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 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 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)與圖9六十分頻電路圖 總體計數(shù)電路圖為：74LS160各引腳功能如下74LS160功能表-ETEP CPD3 D2 Di DQ3 Q2

18、 Qi QchRDLD0XXX XX X X X0 0 0 010XX fDCBADC EAi110X XX X X X保持*11V*X0 XX X X X保持*1111 tX X X X計數(shù)*J圖11 74LS160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:；O：l：2；3；4；5；疔；7：；9I1IIIIIIIIIIIIHIIIII4|ArLTVLmrmrLJLmI*iii|ii|a|iI*i|pI|IiIitliIIIhiiIiI4IQd |o Io，UIHIIIII41ruirwirmru圖12 74LS160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

19、一百進制之間的接法如下圖IJ1SAra 向UEDCQ HEK IB1.UEDCD HErCJ； 三=理H卄冊I-EUU12血麗口I士VCCr eVWLCUL13所示。圖13總體計數(shù)電路圖 最終仿真結(jié)果為：74O0Hl&A joi rOCg_HEM_ELUEDCD HEX B以及:IJ5DCC HEX OftE別耐-GHFFNDCC HEXCD HEK BLUETX-DJ,-=xaw=?丄d_亠ZLuKD HFX u怦七21U15AzT+ODtrHII IU17A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

20、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：丄匚 /I Zl O I匚I I匚二I01234557 S 910 1112 13 14 15(a)riiiH1di-iI9匚二 iijLl L01234557910 11 12 13 14 15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

21、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）o驅(qū)動電路如下圖所示（其中74LS48的345管腳均接高電平）:4RBIBI/RBO琴LTf1473156f-33TJ:廠95啟 DdCcBbAa1041 I2113也112271311 9 Ada7448圖15七段譯碼驅(qū)動電路在這里我們采用74LS48D和 RPAC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.冃和F11B0 il1111111 R7- .碾“10ML沁轉(zhuǎn)*訃斡.Z4LS48Da =KX.|互-S cawa74L5

22、4aDi.眠如.74LSUD.iIL54BDCSwAfflI I LJf * t r * h.強,.護訕:1EDQ=一更耳 :S,圖16譯碼電路圖4. 控制電路（1）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 好準備。由1變?yōu)?,送出負脈沖，啟動單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作。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工作4.

23、7nFC4T卜51 DFRE IkQVCCftVLM3AMLSUUHU22A 3 74LSQ4IJ5 C圖12 RS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)負脈沖 信號Vi由基本RS觸發(fā)器 端提供，輸出負脈沖Vo通過非門加到計數(shù)器的清除端 R。靜態(tài)時，門4應(yīng)處于截止狀態(tài)，故電阻R必須小于們的關(guān)門電阻 Rf。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Rp和Cpo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。四、總原理圖及元器件清單(1)總體原理圖如圖14,

24、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。FJ2詈J呂詈頁5TIy圖14總體原理圖屯Hr(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?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?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

25、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*7,180AXIAL0.342R7,R8RPACK VARIABLE 2*8,180AXIAL0.323U7,U8,U9,U10,U11,U12,U20,U21,U2274LS160DDIP1694U15A,U24A74LS00DDIP1415U14A74LS04DDIP1416U25555 TIME RATEDVR517R2AXIAL0.31100K8R6AXIAL0.315.1K9C5RAD0.220.01uF10C6RAD0.21uF(4) PCB圖* 7+LS160N74LS160N 74LSL60N7-tnsoaN 7