數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計-數(shù)字秒表

1、kunming university課程設(shè)計（大作業(yè)）報告課程名稱：數(shù)字電子技術(shù)設(shè)計題目：數(shù)字秒表院系：信息技術(shù)學院班級：設(shè)計者：學號：指導教師：張虹設(shè)計時間：2015.12.14-2015.12. 18信息技術(shù)學院昆明學院課程設(shè)計（大作業(yè)）任務(wù)書姓名：院（系）：信息技術(shù)學院專業(yè)：計算機科學與技術(shù)學號：任務(wù)起止日期：2015.12.14-2015.12.18課程設(shè)計題目：數(shù)字秒表課程設(shè)計要求：設(shè)計一個數(shù)字秒表完成以下內(nèi)容：1. 設(shè)計基準脈沖信號源以滿足計吋部分電路的需求。2. 計時部分的計數(shù)器由0.01s位、0.1位、s個位三個計數(shù)器組成。3. 計時器控制部分選用3位環(huán)形計數(shù)器來實現(xiàn)。其3個輸

2、出端分別用做淸零、計時、停止3種狀 態(tài)；單脈沖發(fā)生器巾基本rs觸發(fā)器構(gòu)成，為節(jié)拍發(fā)生器提供時鐘脈沖。每按一次開關(guān)就能產(chǎn)生一 個單脈沖。每按一次開關(guān)就能產(chǎn)生一個單脈沖，用以控制3種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。工作計劃及安排：1、查閱資料1天。分析比較、選擇設(shè)計方案；2、總體設(shè)計2天。設(shè)計計算、元件選取、繪制電路原理圖；3、軟件仿真及調(diào)試（）.5天。利用proteus軟件構(gòu)建電路，進行虛擬仿真；4、故障排除0.5天。根據(jù)調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題，逐一查找原因，排除故障，使電路達到設(shè)計要求;5、撰寫課程設(shè)計報告0.5天。寫岀設(shè)計思路、工作原理，畫岀電路結(jié)構(gòu)框圖，繪出電路原理圖，給 出設(shè)計參數(shù)及調(diào)試電路數(shù)據(jù)，分析設(shè)計中遇

3、到的問題和解決方法及設(shè)計心得體會；6、答辯0.5天。指導教師簽字 年 月 日課程設(shè)計（大作業(yè)）成績學號姓名指導教師：課程設(shè)計題0:數(shù)字秒表總結(jié):在進行此次的課程設(shè)汁之前，我就已經(jīng)開始對此次的課程設(shè)計有了期待，于是我就為自己寫下 了設(shè)計的安排和計劃：首先確定課程設(shè)計的題目然后查閱資料，擬好設(shè)計思路。等到了實訓的第一 天，開始了我的課程設(shè)計，雖然我之前就設(shè)計好了電路圖，還查閱了相應的資料，但是還是遇到了 悶題。在我進行仿真的過程中，數(shù)碼管上的數(shù)字有些部分是缺失了的，花了很久的時間檢查各條連 線之后，我終于糾正了這個錯誤。這個問題的出現(xiàn)讓我不得不感慨線路的作川，因為一條線路的連 接錯誤都會影響到整個

4、電路的仿真。通過這幾天的實訓，我不僅完成了課程設(shè)計還更深層次的了解 和掌握了數(shù)字電子技術(shù)的知識，而且提升了我用理論解決實際問題的能力，更鍛煉了我的動手能力。 唯一的缺點就是不夠細心。的確，理論上分析可行的在實踐中卻無法達到預期的效果，這就需要我 們能夠?qū)W會杏找錯誤的原因。指導教師評語:成績:填表時間:指導教師簽名:目錄-x設(shè)計醐x設(shè)計要求和設(shè)計指標三設(shè)計a容3.1電子秒表工作原理3. 1. 1總體設(shè)計23. 1.2脈沖電路設(shè)計23. 1.3總清零控制電路63. 1.4時間計數(shù)單元63. 1.5分頻電路83. 1.6碼馬區(qū)云力及顯示單元93.1.7多功能數(shù)字秒表電路的組合103. 2仿真結(jié)果與分

5、析123.2.1時鐘發(fā)生器的測試123.2.2計數(shù)、譯碼、顯示單元的測試133.2.3整體測試133. 2.4電子秒表準確度的測試14ky %糾又進連t乂14五總結(jié)15六、主要參考文獻16一、設(shè)計目的1、學習數(shù)字電路中基本rs觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、時鐘發(fā)生器及計數(shù)、譯碼顯示 器等單元電路的綜合應用。2、學習電子秒表的調(diào)試方法。3、秒表由五位七段led顯示器顯示，其中一位顯示“min”，四位顯示“s”，其 中顯示分辨率為0.01s,計時范圍為09分59秒99毫秒；異有清零、啟動計時、暫停 計時及繼續(xù)計時等功能；控制開關(guān)為兩個；啟動（繼續(xù)）/暫停計時開關(guān)和復位開關(guān)。二、設(shè)計要求和設(shè)計指標制作一個數(shù)

6、字秒表，將單個數(shù)字秒表組合設(shè)計成可以同時對多人進行計時的多人數(shù) 字秒表。電子秒表的工作原理就是不斷輸出連續(xù)脈沖給加法計數(shù)器，而加法計數(shù)器通過譯碼 器來顯示它所記憶的脈沖周期個數(shù)。1. 時鐘發(fā)生器：利用石英震蕩555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器做時鐘源，產(chǎn)生脈沖。2. 記數(shù)器：對時鐘信號進行記數(shù)并進位，百分之一秒和十分之一秒以及個位秒之間10 進制，十位秒為六進制；本設(shè)計采用可預置的十進制同步加法計數(shù)器74ls90構(gòu)成電子秒 表的計數(shù)單元。3. 譯碼器：對脈沖記數(shù)進行譯碼輸出到顯示單元中。4. 顯示器：采用4片led顯示器把各位的數(shù)值顯示出來，是秒表最終的輸出，共有四 位，精確到百分之一秒；74ls4

7、8是bcd碼到七段碼的顯示譯碼器。5. 控制器：控制電路是對秒表的工作狀態(tài)（記時開始/暫停）進行控制的單元。屬低 電平直接觸發(fā)的觸發(fā)器，有直接置位、復位的功能。三、設(shè)計內(nèi)容3.1電子秒表工作原理元器件清單元件名稱與規(guī)格數(shù)量ne5551個74ls909個74ls486個741s006個數(shù)碼管6個瓷片電容2個電阻5個復位器2個導線若干表1元器件淸單3.1.1總體設(shè)計計時和分頻p4-1單獨模塊p?復合模塊p圖2單獨模塊t作流程圖3. 1.2脈沖電路設(shè)計用555實現(xiàn)多諧振蕩產(chǎn)生頻率為100hz的方波（即周期為0.01秒的方波）。圖3 555管腳圖圖4 555內(nèi)部原理圖(1) 555電路的工作原理555

8、電路的內(nèi)部電路方框圖如圖4所示。它含有兩個電壓比較器，一個基本rs觸 發(fā)器，一個放電開關(guān)管t,比較器的參考電壓由三只5kq的電阻器構(gòu)成的分壓器提供。 它們分別使高電平比較器c1的同相輸入端和低電平比較器c2的反相輸入端的參考電平 為2/3vcc和上l/3vcc。c1與c2的輸出端控制rs觸發(fā)器狀態(tài)和放電管t的開關(guān)狀態(tài)。 當輸入信號自6腳即高電平觸發(fā)輸入并超過參考電平2/3vcc時，觸發(fā)器復位，555的輸 出端3腳輸出低電平，同時放電開關(guān)管t導通：當輸入信號自2腳輸入并低于l/3vcc 時，觸發(fā)器置位，555的3腳輸出高電平，同時放電開關(guān)管截止。4腳是復位端當7=0, 555的3腳輸出低電平。平

9、時端開路或接vcc, 5腳vco是控制電壓端，平時輸出2/3vcc作為比較器c1的參考電平，當5腳外接一個輸人電壓，即改變了比較器 的參考電平，從而實現(xiàn)對輸出的另一種控制，在不接外加電壓時，通常接一個0.047w 的電容器接地，起濾波作用，以消除外來的干擾，確保參考電平的穩(wěn)定。t為放電管， 當t導通時，將給接于腳7的電容器提供低阻值的放電通路。555定吋器主要是與電阻、電容構(gòu)成充放電電路，并由兩個比較器來檢測電容器上 的電壓，以確定輸岀電平的高低和放電開關(guān)管的通斷。這就很方便地構(gòu)成從微秒到數(shù)十 分鐘的延時電路，可方便地構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，多諧振蕩器，施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生 或波形變換電路。(2)

10、 構(gòu)成多諧振蕩器如閣5 (a)，由555定時器和外接元件/?,、/?2、c,構(gòu)成多諧振蕩器，腳2與腳6 直接相連。電路沒有穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個暫穩(wěn)態(tài)，電路亦不需要外加觸發(fā)信號，利用電源 通過/?2、/?2向(充電，以及q通過/?2向7腳放電端q放電，其波形如圖5(b)所示。 輸出信號的時間參數(shù)是 t = twl 十 tw2, twl=o. 7 (a 十 ) c, tw2 = 0. 7/?2c, 555電路要求a和/?2均應大于或等于ik,但r十/?2應小于或等于3. 3m 。外部元件的穩(wěn)定性決定了多諧振蕩器的穩(wěn)定性，555定時器配以少量的元件即可獲 得較高精度的振蕩頻率和具有較強的功率輸出能力。因

11、此這種形式的多諧振蕩器應用很 廣。u1(vcc) yvalue=5、1fi ir1oou11k<tex4ro31xxoidc75pvr2a 12trth6jj555<text>c)1v.0 047uf0 47uf圖5 (a)555定吋器構(gòu)成多諧振蕩器圖5 (b)555定時器構(gòu)成多諧振蕩器輸出波形(3) 組成占空比可調(diào)的多諧振蕩器電路如圖6,它比圖5所示電路增加了一個電位器和兩個相同的二極管。d1、d2 用來決定電容充、放電電流流經(jīng)電阻的途徑(充電時d1導通，d2截止：放電時d2 導通，d1截止)。占空比：p=tw1/(tw1 十 tw2) -0.7/?a cjo.7c, (r

12、a + rb) = ra/(ra + rb)digital oscilloscope可見，若取ra = '。電路即可輸 出占空比為50%的方波信號。如圖3-7是輸出為占空比50%的).00 955 oomsloooms方波圖7輸出a空比為50%的方波3. 1.3總清零控制電路如圖8為電路的總清零控制電路，該電路在開關(guān)合上之后會輸出低電平，作用于 各個74ls90的mr端，實現(xiàn)昇步清零功能；開關(guān)斷開之后輸出高電平，電路處于計時 狀態(tài)?？偳辶憧刂齐娐繁阌趯崿F(xiàn)電路的總的清零控制，同時也對時鐘脈沖起到控制作用。圖8電路的總淸零控制電路3. 1.4時間計數(shù)單元記數(shù)器74160、741sl92、7

13、4ls90等都能實現(xiàn)十進制記數(shù)，本設(shè)計采用十進制加法 計數(shù)器74ls90構(gòu)成電子秒表的計數(shù)單元。計數(shù)器1及計數(shù)器2接成8421碼十進制形式， 其輸出端與實驗裝罝上譯碼顯示單元的相應輸入端連接，可顯示0.10.9秒計時，計 數(shù)器2及計數(shù)器3也接成8421碼十進制形式，計數(shù)器3和計數(shù)4接成60進制的形式， 實現(xiàn)秒對分的進位。計數(shù)器2及計數(shù)器3也接成8421碼十進制形式。集成異步計數(shù)器74ls90簡介74ls90計數(shù)器是一種中規(guī)模二一五進制計數(shù)器，管腳引線如圖，功能表如表1所示。復位輸入輸出ri r2 sis2qd qc qb qah hl l l llxl l l lh hxlh l l hx x

14、計hh數(shù)xl計xl數(shù)lx計lx數(shù)lx計xl數(shù)xllx表2 741s90功能表a. 將輸出qa與輸入b相接，構(gòu)成8421bcd碼計數(shù)器；b. 將輸出qd與輸入a相接，構(gòu)成5421bcd碼計數(shù)器；c. 表中h為高電平、l為低電平、x為不定狀態(tài)。74以90邏輯電路圖如圖3.6-1所示，它由四個主從jk觸發(fā)器和一些附加門電路組 成，整個電路可分兩部分，其中fa觸發(fā)器構(gòu)成一位二進制計數(shù)器；fd、fe、匕構(gòu)成異步 五進制計數(shù)器，在74ls90計數(shù)器電路中，設(shè)有專用置“0”端r，、r2和置位(置“9”) 端 s,、 s2。74ls90具有如下的五種基本工作方式：(1) 五分頻：即由f。、f。、和14組成的異

15、步五進制計數(shù)器工作方式。（2）十分頻（8421碼）：將qa與ck2聯(lián)接，可構(gòu)成8421碼十分頻電路。（3）六分頻:在十分頻（8421碼）的基礎(chǔ)上，將qb端接k, qc端接r2。其計數(shù)順 序為000101，當?shù)诹鶄€脈沖作用后，出現(xiàn)狀態(tài)qrqbqa=110,利用qrqr=ll反饋到仏和尺 2的方式使電路置“0”。（4）九分頻：q.d q,>->r2,構(gòu)成原理同六分頻。（5）十分頻（5421碼）：將五進制計數(shù)器的輸出端qj妾二進制計數(shù)器的脈沖輸入 端（x,即可構(gòu)成5421碼十分頻工作方式。此外，據(jù)功能表可知，構(gòu)成上述五種工作方式時，s,、s2端最少應有一端接地；構(gòu) 成五分頻和十分頻時，r

16、i、r2端亦必須有一端接地。input3. 1.5分頻電路通常，由555構(gòu)成的多謝振蕩器輸出頻率是100hz的，是比較高，為了得到10hz、1hz、0.1hz的秒信號輸入，需要對振蕩器的輸出信號進行分頻。須設(shè)計三個十進制計數(shù)器， 對頻率為100hz的時鐘脈沖進行十分頻得到10hz，再對頻率為10hz的時鐘脈沖進行 十分頻得到1hz,對頻率為1hz的時鐘脈沖進行十分頻得到0.1hz。一個單獨的模塊有 四個74ls90組成，四塊分別控制四位，在最低位的74ls90的進位輸出端rco （進位 時輸出有效為高電平）取得周期為0.1s的矩形脈沖，作為記錄十分之一秒位的使能端 控制位，從而使得每十個100

17、hz的脈沖到來后十分之一位加一。以此內(nèi)推，由十分之一 秒位可以控制秒位，由秒位控制十位。用集成74is90為可預置的十進制同步計數(shù)器 實現(xiàn)，電路圖如下：如圖10是74ls90構(gòu)成十進制計數(shù)器圖10 74ls90構(gòu)成十進制計數(shù)器如閣11是74ls90構(gòu)成0.1秒位、1秒位、十秒位計數(shù)器圖1174ls90構(gòu)成0.1秒位、1秒位、十秒位計數(shù)器3. 1.6碼驅(qū)動及顯示單元計數(shù)器實現(xiàn)丫對時間的累計以8421bcd碼形式輸出，用顯示譯碼電路將計數(shù)器的 輸出數(shù)碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼顯示器件所需要的輸出邏輯和一定的電流。譯碼顯示單元：本部分由741s48譯碼器和七段顯示共陰極數(shù)碼管構(gòu)成。在其引腳當屮a、b、c、d為bc

18、d 碼輸入端，qa、qb、qc、qd、qe、qf、qg為譯碼輸出端，輸出“1”有效，用來驅(qū)動led 數(shù)碼管。電路如圖12:浮siwtasl601ll£1>dnjo霉isd30o日a/i日00a090qvov3l(z)oa(ooacozolooo9(3)eyvle圖12由741s48譯磯器和七段顯示共陰極數(shù)碼管構(gòu)成的譯碼電路3.1.7多功能數(shù)字秒表電路的組合1. 由計數(shù)、分頻、譯碼組成的電路，如閣13所示。該電路組成之后，就可以進行0: 00到9: 99的循環(huán)顯示過程。各顯示器從左到右依次對應的是十秒位、秒位、十分之一秒位。圖13由計數(shù)、分頻、汴碼組成的電路2. 一個單獨的電子秒

19、表電路 如圖m是單獨的電子秒表電路。該電路可以實現(xiàn)單個電子秒表計數(shù)，可實現(xiàn)顯 為了防止現(xiàn)實中實物制作后，按鍵會出現(xiàn)抖動的示器全部清零、開始計時功能。其中，情況，在時鐘發(fā)生器開始按鍵后接一個觸發(fā)器防止出現(xiàn)抖動的情況。閉合時鐘發(fā)生器開閣14甲.獨的也子秒表電路3. 多功能數(shù)字秒表完整圖為了實現(xiàn)同時記住兩名運動員的短跑成績，因此電路中需要設(shè)計出記錄兩個單獨 的計數(shù)電路，可以將一個單獨的計數(shù)電路經(jīng)過修改之后與時鐘發(fā)生器相連接，其中脈 沖和清零是總的控制電路，可實現(xiàn)電路中全部計數(shù)器的控制，而不影響電路的單獨控 制。為丫單獨控制一個單獨的電路，在每個單獨的電路的脈沖輸入端接一個開關(guān)，用 以控制一個運動員的

20、計吋控制。在電路需要實現(xiàn)兩個運動員的計吋，只需將相應的開 關(guān)斷幵和閉合。如圖4-15是多功能數(shù)字秒表完整圖。圖15多功能數(shù)字秒表完整圖u13j3. 2仿真結(jié)果與分析3.2.1時鐘發(fā)生器的測試用示波器觀察時鐘輸出電壓波形并測量其頻率，調(diào)節(jié)rw1,使輸出波形頻率為100hz （周期為10ms），若無波形輸出，檢查555定時器。如圖5-1是時鐘發(fā)生器輸出的周期 為10ms的方波。閣16時鐘發(fā)生器輸岀的周期為10ms的7/波3.2.2計數(shù)、譯碼、顯示單元的測試測量計數(shù)器功能和分頻器功能，看輸出頻率是否為10倍關(guān)系，各段測量顯示管的功 能是否正常。如圖5-2是0.1秒、1秒、10秒對應的輸入信號波形。b

21、s o1gital analysis - prospic6* . ol . .' 1=卞砂 iiifile view graph options help似l0.001.00e.003.004.009.00e.bd7.008.00s.0010.0矮先身i.峰夂丸、祺丨鉍nil11111| ninrayaik 11 ih ii圖17 0.01秒、0.1秒、1秒、10秒對應的輸入信號波形3.2.3整體測試先按按鈕清零開關(guān)，此時電子秒表不工作，再按一下清零開關(guān)，則計數(shù)器清零后變 開始計時，觀察數(shù)碼管顯示計數(shù)情況是否正常。如不需要計吋或暫停吋，按一下開關(guān)脈 沖開關(guān)，立即會出現(xiàn)暫停狀態(tài)。如果希望

22、單獨的顯示器暫停計時，就把相對應的暫停開 關(guān)斷開。然后再對單獨的每一個計數(shù)單元進行測試，在各個時間段分別斷開各個單獨的計時開 關(guān)，模擬現(xiàn)實屮的對2個運動員的成績計時，仿真如圖18所示。圖18多功能數(shù)字秒表的綜合仿真3.2.4電子秒表準確度的測試利用電子鐘或手表的計時對電子秒表進行校準，若時間不準，調(diào)節(jié)rw1,使誤差在0.01s 之內(nèi)。四、本設(shè)計改進建議由于對proteus軟件不太熟悉，在畫電路時布線有些凌亂，不容易輕易識別、一目 了然；其次因為使用了 555定時器，而它的工作頻率在1mhz以內(nèi)，而實驗所用的的頻 率恰好為1mhz,會產(chǎn)生誤差o.ls左右，為了實驗更準確，我們最終換用了系統(tǒng)標準的

23、 頻率輸入信號。由于控制電路的連接的不是很規(guī)范，有吋候達不到控制開關(guān)的作用，會 出現(xiàn)一些誤差，還冇各個元器件的選擇可能不是太合理，沒冇完全實現(xiàn)數(shù)字秒表的所有 功能，如清零的因為最后不能實現(xiàn)做了刪除，這也是這個課程設(shè)計中的一大缺憾?？偟膩碚f，這次課設(shè)我還是學到很多東西的。通過這次對數(shù)字秒表的設(shè)計與制作， 讓我了解了設(shè)計電路的程序，也讓我了解了關(guān)于數(shù)字秒表的原理與設(shè)計理念。在此次的 數(shù)字秒表設(shè)計過程屮，更進一步地熟悉了芯片的結(jié)構(gòu)及掌握了各芯片的工作原理和其具體的使用方法。通過這次課程設(shè)計學習，我們對許多電路都有了了解，也加深了我對 proteus軟件的使用。五、總結(jié)這次通過嘗試制作了一個數(shù)字秒表的數(shù)字課程設(shè)計的作業(yè)，我又學到了許多關(guān)于數(shù) 字電路的知識。雖然這個課程設(shè)計很難，但是當我做出來之后我還是感覺很