电子秒表电路的设计

1、摘要在数字测量仪表和各种数字系统中，都需要将数字量直观的显示出来，数字显示电路 通常山译码驱动器和显示器等部分组成。数码显示器就是用来显示数字、文字或符号的器 件。七段式数字显示器是目前常用的显示方式，它利用不同发光段的组合，可以显示09 等阿拉伯数字。充分运用芯片74LS90的逻辑功能，用四片7 4 LS9 0芯片实现秒表示 0.160秒。利用集成与非门构成的基本RS触发器（低电平直接触发）实现电路的直接置位、 复位功能。利用集成与非门构成的微分型单稳态触发器为讣数器清零提供输出负脉冲。利 用555定时器构成的多谐振荡器为电路提供脉冲源以驱动电路工作。 关键词：基本 RS触发器，单稳态触发器

2、，多谐振荡器,译码显示器。/电子秒表简介电子秒表是一种较先进的电子计时器，U前国产的电子秒表一般都是利用石英振荡器 的振荡频率作为时间基准，采用6位液晶数字显示时间。电子秒表的使用功能比机械秒表 要多，它不仅能显示分、秒，还能显示时、日、月及星期，并且有1 / 1 00s的功能。本实验设计的电子秒表电路的基本组成框图如图1一1所示,它主要由基本RS触发器、单稳态触发器、多谐振荡器、讣数器和译码显示器5个部分组成。图1-1电f秒表电路的基木组成框图2单元电路设计及相关元器件的功能简介2.1基本RS触发器本实验设计电路所选用的基本RS触发器为用集成与非门构成的基本RS触发器。属低 电平直接触发的触

3、发器，有直接置位、复位的功能。其功能表如表2-1所示。RSQnQn+ 1功能000不用不允许000不用0100Qn+ 1 = 0 ,置 001101011Q n +1 = 1，置 110011111Qn+ 1 二Qn,保持1100表2-1基木RS触发器如图2-1所示,它的一路输出作为单稳态触发器的输入，另一路输出Q作为与非门5 的输入控制信号。切换按钮开关K1 （接地），则门1输出二1；门2输出Q=O,K1复位后 Q、 状态保持不变。再切换按钮开关K2,则Q由0变为1,门5开启，为计数器启动作 好准备；由1变为0,送出负脉冲，启动单稳态触发器工作。基本RS触发器在电子秒表中的职能是启动和停止秒

4、表的工作.图2-1基木RS触发器22单稳态触发器本实验设讣电路所选用的单稳态触发器为用集成与非门构成的微分型单稳态触发器, 如图2-2所示。图2-2取稳态触发器单稳态触发器的输入触发负脉冲信号V：山基本RS触发器端提供，输出负脉冲V。通 过非门加到计数器的清除端R。静态时，门4应处于截止状态，故电阻R必须小于门的关 门电阻Ry定时元件RC取值不同，输出脉冲宽度也不同。当触发脉冲宽度小于输出脉冲 宽度时，可以省去输入微分电路的R?和Cp o单稳态触发器在电子秒表中的职能是为讣数器提供清零信号。图2-3怔稳态触发器波形图23多谐振荡器本实验实验设计电路所选用的时钟发主器为用555定时器构成的多谐振

5、荡器，是一种性能较好的时钟源。如图2-4所示。调节电位器RW ,使在输出端3获得频率为5 0HZ的 矩形波信号，当基本R S触发器Q二1时，门5开启，此时50HZ脉冲信号通过门5作为计数 脉冲加于计数器的计数输入端CP 2 oNE5 55定时器是一种电路结构简单、使用方便灵活、用途广泛的多功能电路。利用 闭合回路的反馈作用可以产生自激振荡。TTL电路延迟时间短，难以控制频率。电路接入 RC回路有助于获得较低的振荡频率，山于门电路的作用时间极短;TTL电路自有儿十纳秒, 所以想获得稍低一些的振荡频率式很困难的，而且频率不易调节。在电路中接入RC电路 可以有助于获得较低的振荡频率,而且通过改变R,

6、C的数值可以很容易实现对频率的调节。振荡电路是数字秒表的核心部分，电容充放电的速度决定了电路的振荡频率。Ri、R 八C决定了多谐振荡器的周期，即决定了形成的方波的频率利用闭合回路中的负反馈作用 可以产生自激振荡，利用闭合回路中的延迟负反馈作用也能产生自激振荡，只要负反馈作用 足够强。为了得到频率更加准确的频率信号,加入了电容和电阻，其中电容为O.Oluf和O.luf, 电阻为100K欧姆。2. 4计数及译码显示电路二一五一十进制加法计数器74LS 9 0构成电子秒表的计数单元,其功能表如表2-2所 示，引脚图如图2-5所示。74LS 9 0是一种较为典型的异步十进制计数器。它由1个一位二进制和

7、1个异步五进制 计数器组成。如果计数脉冲lIlCPl端输入，输出山QA端引出，即得二进制计数器；如果 计数脉冲CP 2端输入，输出由QAQ D端引出即得五进制计数器；如果将Q A与CP2相连, 计数脉冲由CP1输入，输出由QAQD引出，即得8421码十进制计数器。因此，乂称此 电路为二一一五一一十进制计数器。输入输出功能清0置9时钟Q d Qc Q3QaR。、Ro (2)S (1)、S 1(2)CP CP：110XX0XX清00XX 011XX置90XX00XX011Qa输出二进制计数1 1QdQcQb输出五进制计数1QaQdQcQbQa 输出84 2 1BCD 码十进制计数QdIQ a Qd

8、QcQb 输出54 2 1 BCD 码十进制计数1 1不变保持表22 7 4 LS 9 0的功能表本实验所设计的计数及译码显示电路如图2-6所示。其中计数器1接成五进制形式, 对频率为5 0 HZ的时钟脉冲进行五分频，在输出端QD取得周期为0. 1 S的矩形脉冲，作 为计数器的时钟输入。计数器2、计数器3和计数器4接成8 4 2 1码十进制形式，其输 出端与实验装置上译码显示的相应输入端连接，可显示0 . 1-99. 9S.3总电路设计图及其原理U17IBAII佔图3-1电子秒表总电路图根据各单元电路原理，可得总电路图如图3 - 1所示。其中，基本RS触发器在电子秒表中的职能是启动和停止秒表的

9、工作，单稳态触发器在 电子秒表中的职能是为讣数器提供清零信号。山555定时器构成多谐振荡器，用来产生50Hz 的矩形波。第I块计数器作5分频使用，将5 5 5输来的50Hz的脉冲变为0. 1秒的计数 脉冲，在输出端Qd取得,作为第2块计数器的始终输入，第2、第3、第4块计数器QA 与CP2相连，都已接成8421码十进制计数电路，其输出端与译码显示器的相应输入端连接， 可显示 0 1一0 9 s, 1 - 9 s , 1 0-90s.4电路仿真利用电子设讣软件mult isim对电路仿真，根据图3-1所示电子秒表总电路图在软件 multisim中绘制出其仿真电路图，如图4-1所示。vccU17D

10、CD HEX74L550DF51R5RI24J3IU.PF51U15cKI?DCD HEXU15seu3 mixa 212DCD HEXDCD HEX20tt+XV.maRI2RJRJRKRKa5V-J-YCCH5Vvcc74L 533C74 L 5303vccr5OpFvrr74ALSOOM4LOUUIMZ *6CNC4R63Idcp evSVKey= d 100k a44DO?05Smcm8。图1-1仿真电路图开启仿真器实验电源开关,切换按钮开关KI （接地），则Q =1 , Q = 0 ;K1复位后Q、状态保持不变。再切换按钮开关K2,则Q由0变为1,门5即图中U8A开启，为计数器启动作

11、好准备，同时Q由1变为0,送出负脉冲，启动单稳态触发器工作。适当调节可变电阻，使输出端3获得频率为50HZ的矩形波信号。双击示波器XSC3,观察示波器的输出波-2T1+ T2+时间12.278 512.278 s0.000 s通道_A0.000 V0.000 V0.000 V通道_B反向Ext. Trigger保存T2-T1时间轴通道A通道B融发比例| 20 ms/Div比例5 V/Div比例5刃Div边沿*毛X位置0Y位置0T位置0电平0VY/T加载B/A A/BAC 0 DCAC 0 DC -类型正弦标准自动无图4-2 XSC3的波形此外XSC1和XSC 2的波形图分别如图4 3和图4-4

12、所示。时间1.180$1.180$通道/0.000 V0.000 V通道卫T2-T10.000s0.000 V反向保存Ext Trigger时间轴逋道A逋道B触发比例 100 ms/Div比例5V/Div比例5V/Div边沿*位重0位査1位直0电平|oPvY/T 加载 B/A A/BAC 0DCAC 0DC -类型正弦标准自动无通道JX o.oaov 0.000V o.oaov通适_BT1 T2 -T2-T1时间0.000 5O.OOOs0.000$反向保存时间翱通道A通道B融发比例20 ms/Div比例5 V/Div比洌5 V/Div边沿X位置0V位置0V位置0电平0VY/T 加载 B/A

13、A/BAC 0 DCAC 0 DC -类型正弦标准自动无Ext Triggerr图44 XSC2的波形图山仿真可知，该设计电路满足要求。5安装及调试山于电路中使用器件较多，设计前必须合理安排各器件在实验装置上的位置， 使电路逻辑清楚.接线较短。应按照设计任务的次序将各单元电路逐个进行接线和 调试.即分别测试基本RS触发器、单稳态触发器、时钟发生器及计数器的逻辑功 能待备单元电路工作正常后，再将有关电路逐级连接起来进行测试，直到测试电子秒 表整个电路的功能。这样的测试方法有利于检查和排除故障，保证实验顺利进行。(1 )测试基本RS触发器的逻辑功能。(2) 对单稳态电路进行静态测试:用直流数字电压

14、表测量A、B、D、F各点电位值, 并记录;然后进行动态测试：输入端接I K HZ连续脉冲源,用示波器观察并描绘D点F 点波形.如嫌单稳输出脉冲持续时间太短.难以观察，可以适当加大微分电容c(如改 为0.】pF)待测试完毕.再恢复4 7 00PF。(3) 对时钟发生器进行调试:参照山5 5 5定时器构成的多谐振荡器的测试方法 来测试该部分的逻辑功能,用示波器观察输出电压波形并测量其频率.调节Rw,使输 出矩形波频率为5 0Hz。(4) 计数器的测试：计数器接成五进制形式记录测试过程。RO(1)、R0 (2)、 S9 (2)接逻辑开关输出插口，CP2接单次脉冲源”CP1接高电平“1”，QDQA接实

15、验 设备上译码显示输入端口 D、C、B、A,按表2-2测试其逻辑功能并记录;计数器及 计数器接成842 1码十进制形式”记录测试过程;将计数器、级连.进行逻 辑功能测试，并记录。(5) 电子秒表的整体测试:各单元电路测试正常后.按图3J把儿个单元电路连 接起来，进行电子秒表的总体测试。先按一下按钮开关K2.此时电子秒表不工作, 再按一下按钮开关K1.,则计数器清零后使开始计时，观察数码管显示计数情况是否 正常。如不需要讣时或暂停计时.按一下开关K1,计时立即停止，但数码管保留所计 时之值。(6) 利用电子钟或手表的秒计时对电子秒表进行校准。6设计心得通过这儿天对电子秒表电路的设计使我对数字电子

16、技术基础课程有了更深一步的了 解，同时发现了自己的很多不足，看到了自己的实践经验还是比较缺乏，理论联系实际的能 力还亟需提高。同时，经过这次课程设计，我们对前面的路有了更多的信心，因为在这个过程中，我们 学到了不少实用的东西，对于一些专业基础课有了更深层次的掌握，并且提高了动手能力和 独立解决问题的能力。此次的数电课设，不仅让我加深了对数字电子电路理论知识的理解, 还加强和同学交流沟通的能力，在设计电路时和同组成员共同讨论解决问题，同时设讣出 的电路经过Mult i s i m软件仿真达到预期的效果，不仅让小组所有成员共同获得努力后 成功的欣喜，而且了解了 Mui tism软件的使用。诸多在此次学习到的知识或是能力必将 有用于之后的学习或是将来的工作，这也是此次课程设计的目的所在。总而言之，本周课程设计不但锻炼了我们最基本的数字电路的设计能力，更重要的是让 我们更深刻的认识了数字电子技术基础课程在实际中的应用。参考文献I伍时和主编.数字电子技术基础.武汉理工大学出版社,20092康华光主编.电子技术基础一数字部分.高等教育岀版社，20003罗中华等主编.数字电路与逻辑设计.清华大学岀版社，2 0 044周新民主编.5张新喜主编.月名附录1工程实践与训练教程武汉理工大