电子测量与仪器课程设计报告.doc

安阳师范学院 电子测量与仪器课程设计报告电子测量与仪器课程设计报告 设计题目：设计题目：简单的秒表计数器设计简单的秒表计数器设计 学学 生：生：赵赵 瑞瑞 云云 学学 号：号：101103084 院院 系：系：物理与电气工程学院物理与电气工程学院 班班 级：级： 10 级自动化级自动化 指导教师：指导教师： 刘刘 永永 顺顺 时时 间：间： 2013/12 /10 安阳师范学院 简单的秒表计数器设计简单的秒表计数器设计（安阳师范学院 物理与电气工程学院 河南 安阳 455000）摘要：摘要：本系统采用振荡器、计数器、译码器、显示器组成。由 LED 七段数码管来显示译码器所输出 的信号。采用了 74LS 系列中小规模集成芯片。其中主体电路完成秒表的基本功能。关键词：关键词：振荡器；计数器；译码器；LED 七段数码管1 引言在日常生活和工作中，我们常常用到定时控制，如扩印过程中的曝光定时等。早期常用的一些时间控制单元都使用模拟电路设计制作的，其定时准确性和重复精度都不是很理想，现在基本上都是基于数字技术的新一代产品，随着数字集成电路性能价格比的不断提高，新一代产品的应用也越来越广泛，大可构成复杂的工业过程控制系统，完成复杂的控制功能。小则可以用于家电控制，甚至可以用于儿童电子玩具。它功能强大，体积小，质量轻，灵活好用，配以适当的接口芯片，可以构造各种各样、功能各异的微电子产品。秒表计数器在生活中经常被用到，如：比赛记时，试验及记时等。2 设计任务与要求2.1 基本要求首先要能直接显示秒的计数器，要求六十、十为一计数周期。然后要求电路主要采用中规模集成电路。且电路输入电压为+5 伏 +10 伏。2.2 方案选择一个基本的秒表电路主要由译码显示器,“秒” ， “毫秒”计数器和定时器组成。干电路系统由秒信号发生器“秒” 、 “毫秒”计数器、译码器及显示器电路组成。首先构成一个NE555定时器和分频器产生震荡周期为一秒的标准“秒”脉冲信号，由74LS160采用清零法分别组成六十进制的“秒”计数器、十进制“毫秒”计数器。清零法适用于有异步置零输入端的集成计数器。原理是不管输出处于哪种状态，只要在清零输入端加一个有效电平电压，输出会立即从那个状态回到“0000”状态。清零信号消失后，计数器又可以从“0000”状态开始重新计数。使用NE555定时器的输出作为“秒”计数器的CP脉冲，把秒计数器的进位输出作为“分”计数器地CP脉冲，分计数器的进位输出作为“时”计数器的CP脉冲。使用74LS48为驱动器，共阴极七段数码管作为显示器。3 设计任务分析3.1 设计要点设计一个标准秒脉冲信号发生电路设计 60 进制、十进制计数器（秒计数电路）设计译码显示电路安阳师范学院设计操作方面的校时电路3.2 原理框图毫秒显示器秒显示器译码器译码器秒计数器毫秒计数器秒脉冲振荡器图图 1.1.秒表计数器原理框图秒表计数器原理框图4 电路设计部分4.1 秒脉冲信号发生器秒脉冲信号发生器是数字电子钟的核心部分，它的精度和稳定度决定了数字钟的质量。由振荡器与分频器组合产生秒脉冲信号。4.1.1 振荡器设计一般说来，振荡器的频率越高，计时精度越高。本设计中采用由集成定时器 555 与 RC 组成的多谐振荡器，经过调整输出 1Hz 脉冲。电路图如下图所示：图图 2 2 555555 定时器振荡电路定时器振荡电路4.1.2 振荡器参数确定 555 定时器的脉冲时间是由于 RC 充放电确定的。根据三要素公式： （1）1)( 1)0( 1)( 1)( 1RCteVcVcVctVc 充电过程的方程式：安阳师范学院 (2)11)31(32RCteVccVccVccVcc 充电时间为： (3)1)21(7 . 02ln)21(11CRRCRRt 放电过程的方程式： （4）12)032(031RCteVccVcc 放电时间为： (5)127 . 02ln221CRCRt 总时间为： （6）fttt121 频率为： （7）121121)2(43. 1)2(7 . 011CRRCRRtf首先确定 C1=0.1uf，R2=4.1K，需要输出频率 f=10HZ，将充放电时间算出，确定电阻 R1。通过确定 R1=510K。4.2 秒计时器电路设计秒计数器为 60 进制计数器。实现这种模数的计数器采用中规模集成计数器 74LS160D 构成。4.2.1 秒、计数部分设计采用 60 进制计数，本设计选 74LS160D 作为计数器，将一片 74LS160D 设计成 10 进制加法计数器，另一片设置 6 进制加法计数器。两片 74LS160D 按反馈清零法串接而成。秒计数器的十位和个位，输出脉冲除用作自身清零外，同时还作为分计数器的输入脉冲 CP1。当分（秒）计数部分的个位接受秒计数部分的信号（秒计数接受的信号为振荡器经分频后输出的 1HZ 的标准脉冲） ，计数满 60 后向时计数部分的十位给出一个进位信号。秒十位计数部分接受个位的进位信号并进行计数，计满 6 就想前一级给出进位信号。当十位和个位计满 60 个数后计数器清零。计数规律是从 005900。设计电路图如图 3。 图图 3 3 秒计数器秒计数器74LS48D 是 BCD-7 段译码器/驱动器，输出高电平有效，专用于驱动 LED 七段共阳极显示数码管。安阳师范学院若将秒、分、时计数器的每位输出分别送到相应七段译码管的输入端，便可以进行不同数字的显示。在译码管输出与数码管之间串联电阻 R=510 作为限流电阻。如图 4 所示图图 4 4 译码显示电路译码显示电路5 元器件使用说明5.1 振荡器5.1.1 NE555 的特点 只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。 它的操作电源范围极大，可与 TTL，CMOS 等逻辑闸配合，也就是它的输出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合。 其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。 它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。5.1.2 NE555 引脚位配置说明如右图 NE555 接脚图 Pin 1 (接地) -地线(或共同接地) ，通常被连接到电路共同接地。 Pin 2 (触发点) -这个脚位是触发 NE555 使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于 2/3 VCC，下缘须低于 1/3 VCC 。 Pin 3 (输出) -当时间周期开始 555 的输出输出脚位，移至比电源电压少 1.7伏的高电位。周期的结束输出回到 O 伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约 200 mA 。 Pin 4 (重置) -一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。 Pin 5 (控制) -这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。 Pin 6 (重置锁定) - Pin 6 重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从 1/3 VCC 电压以下移至 2/3 VCC 以上时启动这个动作。 Pin 7 (放电) -这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为 ON 时为 LOW，对地为低阻抗，当输出为 OFF 时为 HIGH，对地为高阻抗。 Pin 8 (V +) -这是 555 个计时器 IC 的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5 伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。 参数功能特性： 供应电压 4.5-18V 安阳师范学院供应电3-6 mA 输出电225mA (max) 上升/下时间 100 ns NE555 的相关应用: NE555 的作用范围很广，但一般多应用于单稳态多谐振荡器（Monostable Mutlivibrator）及无稳态多谐振荡器(Astable Multivibrator)。5.2 计数器 74LS160D74LS160D 计数器是一种中规模二一五-十进制计数器，下降沿触发，R0(1),R0(2)是清零端，R9（1） ，R9(2)是置 9 端，CPA 和 QA 可组成一个二进制计数器，CPB 和 QBQCQD 组成五进制计数器；若把 QA 和 CPB 相连，脉冲从 CPA 输入，则构成 8421BCD 码十进制计数器。由 74LS160D 的 truth table可以看出，选择 74LS160D 可以在数字钟进位和清零上有极大的方便，不需要其他门电路辅助就能自己完成进位和清零。表表 1 1 74LS160D74LS160D 计数计数/ /复位真复位真5.3 译码器 74LS48 74LS48 芯片是一种常用的七段数码管译码器驱动器，下面是 74LS48 的引脚图和功能表。图图 5 5 74LS4874LS48 引脚图引脚图 表表 2 2 74LS4874LS48 功能表功能表安阳师范学院6 电路仿真随着科技的发展， “计算机仿真技术”已成为许多设计部门重要的前期设计手段。它具有设计灵活，结果、过程的统一的特点。可使设计时间大为缩短、耗资大为减少，也可降低工程制造的风险。仿真软件有很多，multisim、protues 等都可以电路仿真。本设计仿真过程是在 multisim 平台上完成的。课程设计、毕业设计是学生走向就业的重要实践环节。由于 MULTISIM 提供了实验室无法相比的大量的元器件库，提供了修改电路设计的灵活性、提供了实验室在数量、质量上难以相比的虚拟仪器、仪表，因而也提供了培养学生实践精神、创造精神的平台。555 定时器产生的秒脉冲如图 7 所示。7 总结与说明设计电路过程中，在 multisim 软件中出现了许多各种各样的错误，虽然最后经过不断的修改以及和同学的讨论得到了比较好的解决，但从中却让我弄明白了很多东西，很好的理解那句“失败乃成功之母”的含义。其中有一个问题弄的我是焦头烂额，就是连接好译码显示电路后 LED 却不能显示出数字，最后查出原来所选用的译码器型号不同连接方式也不同，74LS48D 需要用共阴极接法。还有就是设计六十进制计数器和二十四进制计数器是各个计数器之间的连接、秒到分间的进位问题、分到时之间的进位连接方式等等问题。另外在焊接好后发现仿真与实际还是有一定出入的。例如在仿真过程中触发 160 时不需要经过一个非门，而实际芯片必须有低电平触发，在实际焊接过程需要加一个非门。这次电子电路课程设计，也对电子电路设计的知识有了更深一步的了解，熟悉了更多不同的数字芯片，比如 74LS00，74LS48，74LS160，数码管等，这为我以后的电路设计打了一定的基础。在连接六进制,十进制,六十进制的进位及二十四进制的接法中,要求熟悉逻辑电路及其芯片各引脚的功能,那么在电路出错时便能准确地找出错误所在并及时纠正了。在这次的设计中，我考虑了许多不同的方案，做出过不同的选择，从理论上细致的比较各个方案的好坏，同时又充分的考虑实际情况，以实际情况为主要，在此过程中学会了把理论和实际充分结合起来的思维方式。在设计的过程中我采用了 MULTISIM仿真软件和 PROTEL 等软件，通过这次的课程设计使我对这个仿真软件的使用更加的熟练。安阳师范学院 参考文献：参考文献：1 毛期俭. 数字电路与逻辑设计实验及应用. 北京: 人民邮电出版社,20052 吕思忠,施齐云. 数字电路实验与课程设计. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学出版社,20033 邓勇,周铎,邓斌. 数字电路设计完全手册. 北京: 国防科技大学出版社,2004.64 赵淑范. 数字电子钟的设计. 长春大学学报,2004.8,14,4:26-405 梁明理,邓仁清. 电子线路. 北京: 高等教育出版社,第四版