數(shù)字電子技術(shù)課程說明書數(shù)字秒表設(shè)計(jì)

1、學(xué)校代碼： 10128學(xué) 號(hào)： 201031504024題 目：數(shù)字秒表設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)學(xué)生姓名：李悅?cè)粚W(xué) 院：電力學(xué)院班 級(jí)：自10-6指導(dǎo)教師：雷永惠 2010年7月 摘 要 數(shù)字秒表是一種常用的計(jì)時(shí)工具，以其價(jià)格低廉，走勢(shì)準(zhǔn)確，使用方便，功能多而廣泛應(yīng)用于體育比賽中。本設(shè)計(jì)所實(shí)現(xiàn)的數(shù)字式秒表是電子技術(shù)中最基本的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)之一。該數(shù)字計(jì)數(shù)系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，需要實(shí)現(xiàn)清零，啟動(dòng)計(jì)時(shí)，暫停計(jì)時(shí)，繼續(xù)計(jì)時(shí)等功能。本實(shí)驗(yàn)是由顯示器，控制電路，脈沖發(fā)生器構(gòu)成的。其中控制電路基本由74LS160觸發(fā)器，開關(guān)組成的電路部分。多諧振蕩器是由555定時(shí)器以及外圍電路組成的電路部分。關(guān)鍵詞：數(shù)字秒表；74LS160

2、觸發(fā)器；555定時(shí)器AbstractDigital stopwatch is a common timing tool, with its low price, trend of accurate, convenient use, multiple functions and is widely used in sports competitions. The design realization of digital stopwatch is electronic technology in the most fundamental design experiment. The digita

3、l counting system logic structure is relatively simple, need to achieve zero, the start time, pause time, continue to timing and other functions. The experiment is composed of display, control circuit, pulse generator. The control circuit consists essentially of a 74LS160 trigger, switch circuit. Th

4、e multivibrator is made up of 555timer and a peripheral circuit portion of the circuit.Keywords: Digital stopwatch; 74LS160 trigger; 555 timer目錄一、設(shè)計(jì)任務(wù)概述1二、設(shè)計(jì)方案論證及方框圖1三、電路組成及工作原理2四、電路元器件選擇與計(jì)算9五、安裝與調(diào)試101、安裝 102、測(cè)試方案 103、調(diào)試過程 104、調(diào)試中發(fā)現(xiàn)的問題及解決措施 10六、指標(biāo)測(cè)試1、單元電路功能測(cè)試 112、整體電路功能測(cè)試 123、Max Plus 仿真 12結(jié)論14參考文獻(xiàn)1

5、5謝辭16一 設(shè)計(jì)任務(wù)概述數(shù)字秒表是日常生活中比較常見的電子產(chǎn)品，以其價(jià)格低廉，走時(shí)準(zhǔn)確，使用方便，功能多而倍受廣大用戶的喜愛，如在很多喜慶的場(chǎng)合，對(duì)某一時(shí)刻進(jìn)行倒計(jì)時(shí)，或者在體育比賽中進(jìn)行計(jì)時(shí)等。本實(shí)驗(yàn)要求設(shè)計(jì)任務(wù)是秒表最大計(jì)時(shí)值為99.9秒。3位數(shù)碼管顯示，分辨率為0.1秒。具有清零，啟動(dòng)計(jì)時(shí)，暫停及繼續(xù)計(jì)時(shí)等控制功能?？刂撇僮麈I盡量少。二 設(shè)計(jì)方案方框圖及論證綜合各種報(bào)警器的優(yōu)缺點(diǎn)，并根據(jù)本設(shè)計(jì)要求及性能指標(biāo)，兼顧可行性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性等各種因素，確定數(shù)字秒表主要組成部分的方框圖如圖1所示。由555多諧振蕩器構(gòu)成的脈沖發(fā)生器，由74LS160構(gòu)成的計(jì)數(shù)器，還有LED顯示器，以及由開關(guān)構(gòu)成

6、的具有清零，啟動(dòng)，暫停繼續(xù)功能的控制按鍵電路。74LS160觸發(fā)器數(shù)碼管顯示電路555多諧振蕩器按鍵電路 圖1 數(shù)字秒表總框圖 數(shù)字式秒表，就需要顯示數(shù)字。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，要用數(shù)碼管來做顯示器。題目要求最大記數(shù)值為99分59.99秒，則需要一個(gè)7段數(shù)碼管作為秒位（有小數(shù)點(diǎn)）和三個(gè)7段數(shù)碼管作為分秒位。要求計(jì)數(shù)分辨率為0.0 1秒，那么我們需要相應(yīng)頻率的信號(hào)發(fā)生器。秒表核心部分計(jì)數(shù)器，此次選擇74LS160計(jì)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。選擇信號(hào)發(fā)生器實(shí)現(xiàn)電路時(shí)可以有多種方案：方案一：采用集成電路555定時(shí)器與電阻和電容組成的多諧振蕩器；方案二：一種是用晶體振蕩

7、器。石英晶振蕩器精度很高，一般都需要多級(jí)分頻。技術(shù)性比較：由于我們的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易的數(shù)字秒表，分辨率為0.01，石英晶振蕩器的精度較555定時(shí)器較高。經(jīng)過比較，最終選擇方案一。三 電路組成及工作原理數(shù)字秒表原理圖如圖2所示。1.控制電路控制電路如圖3-1所示是由一個(gè)基本R-S觸發(fā)器，機(jī)械開關(guān)，電阻以及5伏電源組成。主要實(shí)現(xiàn)秒表的停止和開始計(jì)數(shù)功能。開始，停止功能可以只用一個(gè)機(jī)械開關(guān)實(shí)現(xiàn)，之所以用此電路代替機(jī)械開關(guān)，是因?yàn)槔么穗娐返逆i存功能，防止開關(guān)K在打開和閉合時(shí)一些假信號(hào)串入邏輯電路，影響秒表正確計(jì)數(shù)顯示。 圖2 數(shù)字電路工作原理圖 圖3-1 控制電路秒控制電路 555定時(shí)器管腳圖

8、圖(a) 圖(b)工作波形555組成的多諧振蕩器可以用作各種時(shí)鐘脈沖發(fā)生器，圖（a）為脈沖頻率可調(diào)的矩形脈沖發(fā)生器，調(diào)節(jié)Rp可得到任意頻率的脈沖信號(hào)，由于電容C充放電回路的時(shí)間常數(shù)不等，所以（a）輸出波形為矩形脈沖，矩形脈沖的占空比隨頻率變化而變化。圖3-2 0.01秒脈沖發(fā)生電路該電路是由555定時(shí)器以及外圍的電阻，電容組成的。其中從555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器OUT引腳出來的頻率是100赫茲。3.清零電路該復(fù)位電路由機(jī)械開關(guān)，電阻，以及電源組成。輸出線1接在74160的復(fù)位端。當(dāng)需要復(fù)位時(shí)，合上開關(guān)，從輸出線1即可輸出復(fù)位信號(hào)（即清零信號(hào)），復(fù)位電路的基本功能是：提供復(fù)位信號(hào)，直至系統(tǒng)電源

9、穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號(hào)。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時(shí)才撤銷復(fù)位信號(hào)，以防開關(guān)分-合過程中引起的抖動(dòng)而影響復(fù)位。另外復(fù)位電路主要完成清零功能4.譯碼顯示電路 圖3-3 譯碼器電路1）計(jì)數(shù)器74LS160的管腳圖及功能圖如圖3-4RD LD ET EP CP D3 D2 D1 D0 Q3 Q2 Q1 Q0 0 × × × × × × × × 0 0 0 0 1 0 × × D C B A D C B A 1 1 0 × × × × × 

10、15; 保 持 1 1 × 0 × × × × × 保 持 1 1 1 1 × × × × 計(jì) 數(shù)74LS160功能表1234· 56789101112131474LS160RDCPD1GNDEPVCCD01516D2D3LDETQ3Q2Q1Q0CO圖3-4 為74LS160的功能圖及功能表74LS160為異步清零計(jì)數(shù)器，即端輸入低電平，不受CP控制，輸出端立即全部為“0”，功能表第一行。74LS160具有同步預(yù)置功能，在端無效時(shí)，端輸入低電平，在時(shí)鐘共同作用下，CP上跳后計(jì)數(shù)器狀態(tài)等

11、于預(yù)置輸入DCBA，即所謂“同步”預(yù)置功能（第二行）。和都無效，ET或EP任意一個(gè)為低電平，計(jì)數(shù)器處于保持功能，即輸出狀態(tài)不變。只有四個(gè)控制輸入都為高電平，計(jì)數(shù)器（161）實(shí)現(xiàn)模10加法計(jì)數(shù)，Q3 Q2 Q1 Q0=1001時(shí)，RCO=1。8421碼加權(quán)計(jì)數(shù)器：，QD、QC、QB、QA輸出見計(jì)數(shù)器工作波形圖3-5： 圖3-5 計(jì)數(shù)器波形圖2）七段數(shù)碼管（LED） 圖3-6 七段數(shù)碼管3）非門 圖3-74）與非門圖3-8總電路圖各部分工作原理如下：控制電路：它是由兩個(gè)74LS00集成與非門元件構(gòu)成的基本R-S觸發(fā)器，接在機(jī)械開關(guān)K的后面，防止開關(guān)K在打開和閉合時(shí)一些假信號(hào)竄入邏輯電路。用來控制秒

12、表的開始，暫停。復(fù)位電路：作為清零復(fù)位用。它是由電源，開關(guān)和一個(gè)電阻組成的電路。0.1秒脈沖發(fā)生器電路：它由555集成定時(shí)器元件和外圍的電阻和電容等元件構(gòu)成的多諧振蕩器。調(diào)節(jié)滑動(dòng)電阻的數(shù)值，可以改變脈沖發(fā)生器的輸出頻率。計(jì)數(shù)器電路：從進(jìn)位制來分，有二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，十進(jìn)制計(jì)數(shù)器等多種形式。在此采用的74LS160十位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，即8421編碼方式。譯碼器電路：是將數(shù)碼轉(zhuǎn)換為一定的控制信號(hào)。在此由74LS47集成元件構(gòu)成，它能將十個(gè)二進(jìn)制數(shù)碼轉(zhuǎn)換為輸出端上的電平信號(hào)以控制顯示器。顯示器電路：有輝光數(shù)碼管和熒光數(shù)碼管等多種顯示電路。此次設(shè)計(jì)中采用的是共陽極七段LED顯示器。2. 電路工作原理： 在仿

13、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(dāng)?shù)谝淮伟磩?dòng)開關(guān)KC，產(chǎn)生第一個(gè)單脈沖作為基本RS觸發(fā)器的時(shí)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(jìn)入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，并譯碼、顯示出來。3.當(dāng)?shù)诙伟磩?dòng)開關(guān)KC，產(chǎn)生第二個(gè)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(jì)數(shù)停止。4.當(dāng)需要復(fù)位清零時(shí)，按動(dòng)復(fù)位電路的開關(guān)KA。電路即處于復(fù)位狀態(tài)。5.再按動(dòng)控制電路開關(guān)KA時(shí)，電子秒表又進(jìn)入計(jì)數(shù)狀態(tài)。四 電路元器件選擇與計(jì)算本電路選用了三個(gè)74LS160D計(jì)數(shù)器，三個(gè)七段數(shù)碼管，兩個(gè)非門，一個(gè)555定時(shí)器

14、，三個(gè)開關(guān)，一個(gè)與非門，還有一個(gè)兩個(gè)電阻兩個(gè)電感構(gòu)成。本電路的電阻值和電感值根據(jù)f=1.44(R1+2R2)選定。元器件的選擇如表1序號(hào)名稱型號(hào)及使用參數(shù)數(shù)量1計(jì)數(shù)器74LS160D 3 2555定時(shí)器LM555CM1 3七段數(shù)碼顯示管DCD_HEX 3 4開關(guān)Key3 5電阻5歐26 非門7406N17與非門7408N18電感10F,0.022F2 表1五 安裝與調(diào)試1安裝（1）將電原理圖畫成印刷電路板的黑白圖并制板。（2）認(rèn)真安裝焊接。2測(cè)試方案測(cè)試方案是進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室前，預(yù)先準(zhǔn)備的如何驗(yàn)證設(shè)計(jì)內(nèi)容的方案。（1）調(diào)試脈沖信號(hào)A 按圖連線，檢查無誤后接通電源B 觀察發(fā)光指示裝置運(yùn)行是否正確（2）

15、調(diào)試74LS160計(jì)數(shù)器（3）調(diào)試技術(shù)顯示單元3調(diào)試過程按模塊調(diào)試，在每個(gè)模塊的輸入端加理想的調(diào)試信號(hào)，在輸出端接示波器，觀察輸出波形，如果波形符合設(shè)計(jì)預(yù)期，則說明此模塊工作正常，否則可按從輸出到輸入的順序逐一排查，直到解決問題。當(dāng)各模塊調(diào)試無誤后，將各模塊連接起來，同時(shí)要注意接口的電平匹配問題。4調(diào)試中發(fā)現(xiàn)的問題及解決措施本次課程設(shè)計(jì)在仿真組裝調(diào)試過程中曾出現(xiàn)以下故障：故障1：脈沖發(fā)生器（555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器）沒法實(shí)現(xiàn)0.01s的脈沖信號(hào)。原因：參數(shù)不對(duì)。排除方法：利用f=1.44/R1+2R2)C適當(dāng)?shù)倪x取定值電阻、電容的大小并用頻率計(jì)檢測(cè)。故障2：八段器的LED數(shù)碼管的小數(shù)點(diǎn)無法

16、顯示。原因：接線錯(cuò)誤。排除方法：此次設(shè)計(jì)選擇的數(shù)碼管是共陽極的。在小數(shù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的管腳與地之間接一個(gè)10 歐姆的電阻。六指標(biāo)測(cè)試1單元電路功能測(cè)試（1）555定時(shí)器邏輯真值表圖6-1（2）74LS160計(jì)數(shù)器波形圖 圖6-22整體電路功能測(cè)試單元電路經(jīng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)調(diào)試、測(cè)試正常后，即可對(duì)課題要求的整體電路技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，記錄測(cè)試數(shù)據(jù)，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最后得出測(cè)試結(jié)論，確定電路的技術(shù)指標(biāo)是否符合設(shè)計(jì)要求。如果技術(shù)指標(biāo)不符合設(shè)計(jì)要求，則應(yīng)仔細(xì)檢查分析問題所在，提出調(diào)整和修改建議。3.MAX PLUS 仿真將已繪制的電路圖再重新繪制在MAX軟件上，更改輸出端的名稱，繪制完成后進(jìn)行仿真，下圖是MAX

17、的仿真圖。圖6-3結(jié) 論通過此次課程設(shè)計(jì)過程。我掌握文獻(xiàn)查閱和應(yīng)用能力、提高文檔制作水平、科技論文撰寫格式。我還學(xué)會(huì)與老師的配合和與同學(xué)的合作。掌握電子電路的一般設(shè)計(jì)思路，具備初步的獨(dú)立分析、設(shè)計(jì)能力，學(xué)會(huì)使用資料、方案制定和比較、設(shè)計(jì)計(jì)算及仿真、制作、調(diào)試等環(huán)節(jié)，學(xué)會(huì)了使用電路仿真的軟件Multisim，融會(huì)數(shù)字電子技術(shù)課程的知識(shí)點(diǎn)，更加深入的了解了課程中各種元器件的使用，為后繼的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。 一在此次課程設(shè)計(jì)中完成了下述工作：1進(jìn)行了設(shè)計(jì)任務(wù)的需求分析，完成了總體結(jié)構(gòu)圖的設(shè)計(jì)，進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性比較并確定了最終方案。2進(jìn)行了Multisim的仿真電路。3查找資料，比較實(shí)現(xiàn)邏輯功能

18、的幾種設(shè)計(jì)方法，理解原理，比較優(yōu)缺點(diǎn)，選出其中合理的一套方案。4. 選擇可編程邏輯器件，繪制完整實(shí)驗(yàn)電路原理圖或接線圖，說明主要元件在電路中的作用，說明整體電路工作原理或工作流程。二課程設(shè)計(jì)中下述工作沒能完成：1MAX Plus的仿真我因?yàn)闀r(shí)間關(guān)系沒有完成2沒有完成安裝調(diào)試實(shí)測(cè)電路。三本設(shè)計(jì)可以在下述方面進(jìn)行功能擴(kuò)展，但是因?yàn)闀r(shí)間關(guān)系未能完成設(shè)計(jì)：使數(shù)字秒表倒著計(jì)是一個(gè)很好的功能拓展，但是因?yàn)闀r(shí)間的關(guān)系沒有能設(shè)計(jì)出來。參考文獻(xiàn)1 閻石數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）M北京：高等教育出版社20062 中國(guó)集成電路大全編委會(huì)中國(guó)集成電路大全TTL集成電路M北京：國(guó)防工業(yè)出版社1985：567-6003 房建東 荀延龍 王艷榮等電子技術(shù)M呼和浩特：內(nèi)蒙古大學(xué)出版社20044 超星數(shù)字圖書館，中國(guó)學(xué)術(shù)期刊，根據(jù)題目自查謝辭經(jīng)過一周的數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)，我終于完成了老師要求的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，通過查閱相關(guān)資料，詢問老師，寫論文，今天終于可以完成論文的謝辭了。實(shí)驗(yàn)得以順利完成，我要感謝的人實(shí)在太多太多。我敬愛的雷永慧老師在我此次課程設(shè)計(jì)中不斷的給予幫助，對(duì)于我的問題從來都是耐心解答，不斷的詢問我的設(shè)計(jì)進(jìn)度，并對(duì)我提出改進(jìn)意見。雷老師淵博的專業(yè)知識(shí)，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，精益求精的工作作風(fēng)，誨人不倦的高尚師德