电子技术综合课程设计【数字式秒表】 电信工程系毕业论文.doc

电子技术综合课程 设 计 课 程： 电子技术综合课程设计 题 目： 数字式秒表 所属院(系) 电信工程系 专业班级 xxx 姓 名 xxx 学 号 0xxx 指导老师 xxx 完成地点 xxx xxxx年 xx 月 xx 日任务书数字式秒表一、 任务和要求：设计并制作一个数字式秒表，要求如下：1、用三位数码管及一个led发光二极管显示秒表计时，格式如下： 开机时数码管显示000，led灯灭；当计时超过59秒时，led灯亮；计到1分59秒时，过一秒，led灯灭，同时数码管重新计时显示。计时最小单位为0.1秒。2、具有如下功能键：开始/清零键：按第一下时计时开始，同时显示；按第二下，停止计时，恢复到初始状态； 固定显示键：按第一下时，显示固定，但计时仍继续；再按下时，显示从新时间开始。 3、要求自制0.1秒信号源。4、设计并制作本电路所用直流电源。二、提示和参考文献直流稳压电源数字电子技术试验任务书目录前言4一 方案的论证和选择51.1 整体电路构思51.2 方案一61.3 方案二61.4 方案的选择：6二 单元电路设计72.1 计数器电路的设计72.1.1电路图设计72.1.2计数原理及分析72.2 信号源的设计（0.1秒）102.3 显示电路的设计112.4 控制电路的设计112.5 电压源电路的设计13三 电路仿真分析143.1 仿真软件简介（proteus）143.2 计数电路的仿真163.3 整体电路图初稿（仿真实现的总体电路设计图）28四 电路的装调和分析304.1 计数电路的装调304.2 电源的调试304.3 显示电路的装调304.4 控制电路的调试304.5 整体电路的调试314.6 实验结果和分析32五、总结和体会33附 录35附录一 总体电路图35附录二 元器件清单36附录三 芯片的管脚图37参考文献34前 言电子技术课程设计是针对模拟电子技术基础、数字电子技术基础、电路分析原理课程的要求，旨在对我们综合能力的实践性学校环节，它包括课程选择、课程设计、电子仿真、组装、调试和编写总结报告等实践内容。通过课程设计达到一下目标：第一，让学生初步了解并掌握电子电路的实验、设计方法。即学生根据设计要求查阅相关文献资料，总结、分析类似电路的性能，选择出最优方案，并通过组装调试等实践使电路达到要求的性能指标。第二，为以后的毕业设计打好基础。毕业设计是系统的工程设计实践，而课程设计是让学生开始从理论学习的轨道上逐渐引向实践应用，从已学过的定性分析、定量计算的方法，逐步掌握工程设计的步骤和方法，了解科学实验的程序和实施方法。第三，培养我们勤于思考的习惯，同时通过设计并制作电子类产品，增强我们这方面的自信心及兴趣。本次课程设计一电子技术的基本理论为基础，要求我们着重掌握电路的设计装调及性能参数的调试方法。本课程设计应达到如下基本要求：1能够在理论知识的基础进一步熟悉常用电子器件的类型和特性，合理的进行选择和运用。2能够独立的对课题进行分析，运用所学的理论知识，通过翻阅资料，设计出最优方案。3学会电子电路的安装与调试技能培养我们分析与解决问题的能力。 本次课程设计以小组为单位，进行团队合作进行，共安排三周时间，分别进行电路的设计与仿真、电路的组装与调试、课程设计报告的撰写等。一 方案的论证和选择1.1整体电路的构思及所需器材工具译码器译码器译码器计数器计数器计数器信号源电源显示器显示器显示器与非门jk触发器- 图 1 整体电路构思数字式秒表，首先需要一个数字显示。按设计要求，须用数码管来做显示器。题目要求最大记数值为1分59秒点9，则需要三个七段数码管作为秒十位秒个位（有小数点）秒十分位和一个led灯作为分位。要求计数周期为0. 1秒，那么我们需要相应频率的信号发生器。选择信号发生器555定时器，计数脉冲是由555定时器构成的多谐振荡器，产生10赫兹脉冲，如果精度要求高，也可采用石英振荡器。计数器可选74ls76或74ls373。在选择译码器的时候，有多种选择，如74ls46，74ls47，cd4511等译码器。电压源可以根据所学的模电知识制作一个5v的电压源。1.2 方案一74ls16055574ls16074ls160cd4511cd4511cd451174ls76 图 2 方案一电路构思计数器模块采用三个74ls160同步十进制计数器，实现秒十分位十进制计数、实现秒个位十进制计数、实现秒十位十进制计数，采用一个74ls76的翻转计数功能实现分位二进制计数功能。信号源模块采用555定时器构成一个多谐振荡器，相应的使振荡周期为0.1秒并送给秒十分位计数器的时钟信号输入端为计数器提供时钟。显示模块采用bcd-七段显示数码管（共阴极）来显示秒十分位、秒个位、秒十位从零至九的显示，采用发光二极管来实现分位的零到壹的显示。译码模块采用cd4511七段译码功能。控制电路采用74lsjk触发器的翻转功能来实现对cd4511的锁存端控制，从而进一步控制数码管实现暂停功能。1.3 方案二55574ls16074ls16074ls16074ls16074ls37374ls4874ls4874ls37374ls4874ls373 图 3 方案二电路构思计数器模块采用四个74ls160同步十进制计数器，实现秒十分位十进制计数、实现秒个位十进制计数、实现秒十位十进制计数、实现分位二进制计数功能。信号源模块采用555定时器构成一个多谐振荡器，相应的使振荡周期为0.1秒并送给秒十分位计数器的时钟信号输入端为计数器提供时钟。显示模块采用三个bcd-七段显示数码管（共阴极）来显示秒十分位、秒个位、秒十位从零至九的显示，采用一个发光二极管来实现分位的零到壹的显示。译码模块采用74ls48实现七段译码功能。控制电路采用三个74ls373锁存器的锁存功能来实现对三个74ls48计数器编码输入端的锁存控制，从而控制数码管实现暂停功能。1.4 方案的选择方案一优点：电路图简单，理论上可以实现数字式秒表功能并且通过比较可以看出，方案一中的cd4511实现了方案二中74ls48和74ls373两个芯片的功能。实用性：所需元器件均可以获得且连接线数目较方案二少，易于在以后的装调中检查错误。方案二优点：可用一个74ls373来实现对分位的零到壹计数和对秒十位的锁存，相对方案一减少了实现分位计数的74ls76触发器的使用。缺点：相对于方案一电路较复杂使用的元器件种类比方案一多，如需要额外使用三个锁存器来.对编码信号进行锁存控制。实用性：使用的元器件种类比方案一多且连线数目较方案一多，检查起来较繁琐。结论综合比较两方案的优、缺点和实用性，我们小组选择了方案一。二 单元电路的设计2.1 计数电路的设计(个人设计部分)2.1.1电路图设计74ls160十进制计数器连线图如图4所示。 图 4 计数电路2.1.2计数原理及分析 异步清零 当=0时，不管其他输入端的状态如何（包括时钟信号cp ），计数器输出将被直接置零，称为异步清零。 同步并行预置数d3 输入端的数据将分别被q0q3所接收。由于这个置数操作要与cp 上升沿同步，且d0、d1、d2、d3的数据同时置入计数器，所以称为同步并行置数。 保持在=1的条件下,当ent=enp=0,即两个计数使能端中有0时,不管有无cp 脉冲作用，计数器都将保持原有状态不变(停止计数)。需要说明的是，当enp=0, ent=1时，进位输出c也保持不变；而当ent=0时，不管enp状态如何，进位输出rco=0。 计数当=enp=ent=1时，74160处于计数状态,电路从0000状态开始，连续输入10个计数脉冲后，电路将从1001状态返回到0000状态，rco端从高电平跳变至低电平。可以利用rco端输出的高电平或下降沿作为进位输出信号。采用并行进位法连接十进制加法计数器74ls160，电路如图4所示。低位（秒十分位）74160从0000状态开始计数，当= enp = ent =1使清零端和置数端无效化且计数使能端有效时，计数器进入计数状态。当输入第9个cp 脉冲（上升沿）到来时，输出q3 q2 q1 q01001，在0.1秒周期内，输入时钟cp保持高电平，在0.1秒高电平结束瞬间（下降沿）时，74ls160进位端由低电平瞬间跳变为高电平。rco进位输出端在0.1秒内保持高电平，0.1秒过后又跳变为低电平，并以此rco输出端作为下一个74ls160的使能输入端，既enp=ent=rco。并依此往复循环。次低位（秒个位）74ls160也从0000状态开始计数，当低位芯片输入第9个cp 脉冲（下降沿）到来时，低位芯片输出rco=1并在0.1秒周期内，rco保持高电平，也就是说次低位芯片的使能端enp=ent=1，此时芯片处于计数状态但由于没有脉冲信号输入，次低位芯片仍处于0000状态。当第十个脉冲（下降沿）到来时，在计数状态下，计入1，既此时计数器计入0001状态。当第19个cp 脉冲（下降沿）到来时，低位芯片输出rco=1并在0.1秒周期内，rco保持高电平，也就是说次低位芯片的使能端enp=ent=1有效，次低位计数器74ls160再次进入计数状态。在第20个脉冲（下降沿）到来时，在计数状态下，再计入1，既此时计数器计入0010状态。依此类推实现了次低位芯片从0000到1001状态计数，并往复循环。而且每一次计数循环结束时，也会在进位输出端rco输出高电平，由于次低位芯片rco端连接的是高位芯片使能端，故高位芯片进入计数状态。 分位led灯，由于计数只需计到1分59秒故采用led，灯亮表示1状态，灯灭表示0状态。当高位（秒十位）位芯片74ls160计数器计到0101状态时，让74ls76的和低电平有效置1、置0端接高电平使之无效。让j和k端连接在一起并接到高电平上，使之成为触发器（q=），实现电平的翻转功能。让触发器的q端接到led的高电平管脚。当高位计到0101状态时q0、q2通过与门连接到74ls76jk触发器的clk时钟信号输入端。此时为高电平，在经过59秒周期后，与门输出由高电平降为低电平，而74ls76是下降沿触发的，故在下降沿到来后触发器由低电平初态翻转为高电平，驱动led灯亮。在经过一个循环后，高位计数器再次计入0101状态，q0、q2通过与门为高电平，再经过59秒后，与门输出由高电平降为低电平，下降沿出发jk触发器翻转，从而使原来的高电平初态翻转为低电平，从而实现了1分59秒的循环计数。 2.2 信号源的设计（0.1秒） 图 5 信号源电路利用555集成定时器，构成占空比为50%的多谐振荡器，用于产生周期为0.1s的矩形方波。2.3 显示电路的设计 图 6数码管管脚图电路显示部分主要用到译码器和数码管（共阴）。译码器选用cd4511，它不但具有译码功能，还有锁存的功能，锁存的功能可以用在控制电路的暂停功能中。利用译码器将二十进制码转换成七段信号，驱动数码管的a、b、c、d、e、f、g七个发光段,推动显示数码管(led)进行显示。2.4 控制电路的设计本设计中控制电路主要由74ls76jk触发器和若干开关组成。根据任务书，控制电路有2个功能，分别是开始/停止；开始/暂停。每一个功能的实现需要一个jk触发器。图 7 开始/停止电路图 8 开始/暂停电路2.5 电压源电路的设计2.1.1电源电路原理图设计5v直流稳压电源的结构框图如下图所示，主要包括电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成。图4 v直流稳压电源的结构框图+5v 直流稳压电源一般采用的是集成三端稳压器w7805构成如下图所示的直流稳压电源，和以前由分立元件构成的直流电源比起来，前者的结构简单，容易设计和制作：图 5v电源电路图2.1.2元器件选择变压器和整流电路（1）电网提供的交流电为220v、50hz，而此设计需要5v直流电压值，因此需要把电网电压先经过电压源变压器进行电压变换，使电压器次级电压的有效值与所需直流电压接近，以便整流、滤波和稳压等后续电路处理，将正弦波交流电变换为单向波动的直流电，从而满足设计要求。此次设计选用输出9v的变压器即可达到实验要求（原因将在滤波电路中说明）。（2）根据桥式整流电路的性能可知，每个整流二极管在交流电网电压最高时承受的最大反向峰值电压为： 。为了安全，整流管的反向耐压应当比上述的值高50%以上，因此选择整流管是，其反向耐压应按14*（1+50%）=21v考虑。此次设计使用的整流器件规格为2w10，即 耐压为1000v，最大允许正向电流为2a，完全可以满足设计要求。2、滤波电路和稳压器件参数：图6 单相桥式整流电容滤波电路 图7单相桥式工作波形整流电路的输出虽为单一方向的直流电，但因其含有较大的谐波成分，故波形起伏明显，脉动系数大，不能适应大多数电子设备的需要。一般整流电路之后，还需接入滤波电路以滤除谐波成分，使脉动的直流电变为比较平滑的直流电。图（5）所示，构成了电容滤波电路，图（6）单相桥式整流电容滤波电路及工作波形电路；（7）为理想情况下uo的波形，在桥式整流基础上，输出端并联一个电容，而在负载rl上得到一个比较平滑的、近似锯齿形的输出电压uo，使其脉动程度大为降低，并且平均值提高。可见，电容滤波是通过电容的储能作用（充放电过程），即在u2升高时，把部分能量储存起来（充电），在u2降低时，又把储存的能量释放出来（放电），从而达到滤波目的。若设整流电路内阻（即变压器次级内阻与二极管导通电阻之和）为r，则电容c的充电时间常数，放电时间常数通常，故滤波效果取决于放电时间常数。c和越大，就越大，电路的放电过程更缓慢，因而输出电压更光滑，平均值更高，此次设计选用1000uf。一般情况下，可按下列公式计算uo，即，此次设计所使用的变压器输出为9v，根据上式可得uo约为10.8v，直流稳压电源的稳压部分采用集成三端稳压器w7805器件，稳压器压差ui-uo 2v,，不过输入电压范围在512v性能比较稳定，输出为+5v，所以10.8v可取。电容器耐压：，所以电容取1000uf/25v就可以满足设计要求。其它电容根据经验可选用：4.7f/ 25v，2.2f/ 25v，100f/ 25v3、其它：电容c1和c3，c4的作用是利用小电容去除输出电压中包含的纹波，这种电容器的电感效应较大，对高次谐波的滤波效果较差，通常需要并联高频滤波电容器，其容量在0.1微法到5 微法之间即可。由于只采用4.7微法的聚苯乙烯电容器，则不仅价格昂贵，体积较大，而且效果差，即输出电压的波纹电压的幅值大，甚至可能产生高频自激振荡，不能正常工作。故采用瓷片电容器。 三 电路仿真分析3.1 仿真软件简介（proteus）简介 proteus软件是英国labcenter electronics公司出版的eda工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它eda工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。proteus是世界上著名的eda工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到pcb设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、pcb设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、hc11、pic10/12/16/18/24/30/dspic33、avr、arm、8086和msp430等，2010年即将增加cortex和dsp系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持iar、keil和mplab等多种编译器。 proteus软件具有其它eda工具软件（例：multisim）的功能。这些功能是： （1）原理布图 （2）pcb自动或人工布线 （3）spice电路仿真 革命性的特点 （1）互动的电路仿真 用户甚至可以实时采用诸如ram，rom，键盘，马达，led，lcd，ad/da，部分spi器件，部分iic器件。 （2）仿真处理器及其外围电路 可以仿真51系列、avr、pic、arm、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型 上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，proteus建立了完备的电子设计开发环境。 具有4大功能模块 （1）智能原理图设计（isis） 丰富的器件库：超过27000种元器件，可方便地创建新元件； 智能的器件搜索：通过模糊搜索可以快速定位所需要的器件； 智能化的连线功能：自动连线功能使连接导线简单快捷，大大缩短绘图时间； 支持总线结构：使用总线器件和总线布线使电路设计简明清晰； 可输出高质量图纸：通过个性化设置，可以生成印刷质量的bmp图纸，可以方便地供word、powerpoint等多种文档使用。 （2）完善的电路仿真功能（prospice） prospice混合仿真：基于工业标准spice3f5，实现数字/模拟电路的混合仿真； 超过27000个仿真器件：可以通过内部原型或使用厂家的spice文件自行设计仿真器件，labcenter也在不断地发布新的仿真器件，还可导入第三方发布的仿真器件。 多样的激励源：包括直流、正弦、脉冲、分段线性脉冲、音频（使用wav文件）、指数信号、单频fm、数字时钟和码流，还支持文件形式的信号输入。 丰富的虚拟仪器：13种虚拟仪器，面板操作逼真，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、直流电压/电流表、交流电压/电流表、数字图案发生器、频率计/计数器、逻辑探头、虚拟终端、spi调试器、i2c调试器等； 生动的仿真显示：用色点显示引脚的数字电平，导线以不同颜色表示其对地电压大小，结合动态器件（如电机、显示器件、按钮）的使用可以使仿真更加直观、生动； 高级图形仿真功能（asf）：基于图标的分析可以精确分析电路的多项指标，包括工作点、瞬态特性、频率特性、传输特性、噪声、失真、傅立叶频谱分析等，还可以进行一致性分析。3.2 计数电路的仿真（个人仿真部分）（1）开始仿真 42图 设计好计数电路后打开proteus的仿真功能，开始仿真后如图*所示，最上方有三个红色的led数码管，从左到右分别代表数字式秒表的秒十位、秒位、秒十分位而此图箭头所指的黄色led灯代表数字式秒表的分位。由于开始计数是从“0”开始计数的故此时三个数码管分别显示为“0”，led灯为灭的。中间代表秒位的数码管为了和秒十分位进行区分，故此数码管的5管脚接高电平使得此数码管的右下角“.”一直保持亮的状态。 （2）按下开始键，开始计时 如图*所示，仿真时箭头 所指为计数电路开始的开关，按下开关计数电路开始计时。计数由秒十分位开始计时计数每计数十次向秒位进一位，而此图正好计数到0.8秒故最右边代表秒十分位的数码管显示数字“8”，其它两个分别代表秒十位、秒位数码管和代表分位的led灯由于没有收到各自的低位的进位信号故数码管依然显示“0”，led灯为灭的状态。（3） 按下暂停键，计数停止显示（4）低位芯片在计数到第九个脉冲时，进位输出为高电平。 （5）计数到第十个脉冲时，次低位进了一位，低位回复成0状态。 （6）次低位芯片在计数到9秒时，rco进位变为高电平。 （7）次低位芯片在9秒后，在下一个0.1秒内rco为高电平(高位芯片在0.1秒内使能)，在0.1秒结束后既第20个脉冲结束时高位芯片计入1（8）在计数到59.9秒时所有芯片在59.9秒到1分内的ent=enp=1既使能端使能。（9）在第60秒时由清零端，对高位芯片清零，高位芯片rco在59.9秒到60秒为高电平。由于jk触发器下降触发，故在60秒结束时脉冲下降沿，。q0、q2通过与门连接到74ls76jk触发器的clk时钟信号输入端。此时led输入端为高电平，led灯亮（10）在计数到1分59.9秒到2分内，所有使能端均使能ent=enp=1。（11）在2分结束的下降沿，jk触发器触发，使led端由高电平变为低电平故灯灭。高位在计到6状态瞬间清零。3.3总体电路初稿电路图如图所示：四.电路的装调和分析4.1计数电路的装调 1.我在计数器连接时，由于有的74ls160忘了给d0、d1、d2、d3端接地，造成了该计数器开始计时所对应的数码显示管灯全灭，在按下开始开关，在计到9秒后又变灭。 2.我忘记了考虑74ls76是下降沿触发的，在高位74ls160计到0101状态时q0、q2通过与非门连接到74ls76jk触发器的clk时钟信号输入端。造成在高位芯片计数到5前jk触发器输入端一直是高电平，在高位芯片计数到5时，jk触发器输入端通过与非门由高电平跳变为低电平，故led在不该亮时亮了。4.2电源的调试 电源对于整个电路来说是很重要的，它的稳定性直接影响整个电路。我们连接好电源电路之后，接上220v交流电，发现输出端没有电压，用万用表依次检查各个元器件两端的电压，最终发现是变压器有问题，换了一个变压器后，接上交流电，用万用表测了一下输出电压，是5.02v，接入数字秒表电路中，一切正常。4.3显示电路的调试显示电路是是整个电路中最易出问题，也是连接最麻烦的部分，这一部分的特点是用到的芯片非常多，自然连线也就是密密麻麻的了。任何一根线连错或者松动，都会导致显示不正常，而检查的唯一办法就是拿电压表在出现问题的那一块，依次测量引脚和连线的电压，因此这一部分的工作量是很大的。但我把三组共阴数码管，4511和160按电路图连好，接上5v电源测试时，却发现三个共阴数码管没一个是亮的，用电压表逐个引脚检测后发现问题处在4511上，因为4511的输入引脚上有高低电平，输出引脚上却全是低电平。而出现这种问题，问题通常只有一个，即4511的bi端接入低电平了，改成高电平后，数码管亮。4.4控制电路的调试接上电源，发现开关不起作用，拔下开关，用万用表检测，原来开关起作用的是对角，还有其中的一边相邻的两个管脚也起作用，而我们恰好用了不起作用的管脚，将开关旋转90度，接入电路，一切正常。4.5整体电路的调试 1.当所有的模块都检测没问题后，把他们接入整体电路，按下开始键，但是由于装配时为了限流，在每个led的管脚，都加入了1k的电阻，但由于电阻太大，分压过大，使得数码管灯显示偏暗，为了减少限流电阻和电路连接的复杂，故在数码管的共阴极加入了200300欧的电阻，此时数码管显示正常。2.当设计开关时由于，把高电平直接接到，了jk触发器的clk端，故开关在未按下时既不是高电平也不是低电平，故电路的开启清零失去作用，如图方案（一）修后方案（二）在高电平下接了一个300500欧电阻，在clk和和地之间。3.在测试译码显示模块时，由于le/stb端为接入地，测试数码管时，数码管全亮，在接地或连入jk触发器后，显示正常。开始都正常，可是当三个数码管显示59秒9后，发光二极管亮了，却没进位，三个数码管一直显示到99秒9才开始进位，经分析，因该是在59秒9缺少一个置零信号。图一是修改前的电路，修改成下图二后问题解决 修改前（一） 修改后（二）4.6试验结果和分析 电路经过多次修改与调试后，基本上满足课设任务，能按预期完成各项功能。 五 总结和体会通过这次课程设计使我们对电子技术基础有了，实践上的了解，学到了许多课本上没有的知识，如调试部分，有许多实际的问题课本上没有强调，确实在我们平时的课程学习当中忽略了。并且使我对计数器、控制电路、555定时器痛过翻阅资料和课本等有了更进一步的认识，对所学知识的运用也更有了信心。这使得我在以后从事相关的实际电路装配设计提供了一定的相关知识。在仿真软件