数字式秒表课程设计课件

1、 2012 2013学年 第 2 学期 数字电子技术 课 程 设 计 报 告题 目： 数字式秒表 专 业： 通信工程 班 级： 11级通信(2)班 姓 名： 张涛 、李杨、郑文凯、李芳琪 王然、程洋洋、王国文、谢灿 指导教师： 王银花 电气工程学院 2013年6月07日任务书课题名称数字式秒表指导教师（职称）王银花执行时间 20122013 学年 第2学期 第15 周学生姓名学号承担任务张涛1109131107译码器显示电路设计郑文凯1109131110译码器显示电路设计李方琪1109131080计数器设计李扬1109131082计数器设计王然1109131097脉冲发生电路设计程洋洋1109

2、131073控制电路设计 王国文1109131095复位电路设计谢灿1109131101脉冲发生电路设计设计目的 1熟悉集成电路的引脚安排和各芯片的逻辑功能及使用方法。2. 了解数字式秒表的组成及工作原理。 3. 熟悉数字式秒表的设计。设计要求1、设计并制作符合要求的电子秒表。2、秒表由4位七段LED显示器显示，显示分辨率为0.01秒。3、计时最大值为59点99秒。4、安装自己设计的电路。5、运用仿真软件绘制设计电路图（Multisim）。 数字式秒表 摘 要 在科技高度发展的今天，数字秒表在日常生活中是比较常见的电子产品，以其走时精确，使用方便，功用多而受广大用户所喜。 本设计所实现的数字式

3、秒表是电子设计技术中最基本的设计实验之一。该数字计数系统的逻辑结构较简单，是由控制电路，复位电路，0.01秒脉冲发生器，译码显示电路构成的。其中控制电路是由基本R-S触发器以及电阻，开关组成的电路部分；复位电路是由机械开关，电阻，以及电源组成的电路部分；多谐振荡器是由555定时器以及其外围电路组成的电路分，它和分频器一起用来产生0.01秒的脉冲；译码显示电路由7448集成元件构成的电路部分；七段数码管电路由共阴极七段LED显示器，电阻和接地端组成的电路部分。 通过对各部分结构的了解，本实验从而设计出最大是为59.99秒的数字式秒表。通过对实验了解到计数秒表的设计存在一些问题，但是这也充分说明了

4、数字秒表还存在很大的提升空间，对计数精度可以进一步提高。在设计实验中为了保证实验过程少走弯路，学会仿真是必要的，对本实验我们采用multism软件仿真，以便提高实验的正确性与可行性。 在平时的理论学习中遇到的问题都一一解决，加深了我对专业的了解，培养了我对学习的兴趣，为以后的学习打下了好的开端，我受益匪浅。同时，让我明白：电子设计容不得纸上谈兵，只有自己动手实际操作才会有深刻理解，才会有收获。 关键词 译码显示电路；R-S触发器；555定时器；分频器 目 录第一章 方案讨论11.1技术要求11.2方案论证与选择1第二章 实验芯片22.1计数器22.2译码器32.3七段数码管（LED）3第三章

5、电路设计53.1控制电路53.2 0.01秒脉冲发生电路63.3复位电路103.4计数器电路113.5译码显示电路12第四章 结论14心得体会15答辩记录及评分表16附录18插图清单18插表表格18元器件清单18参考文献19第一章 方案讨论1.1技术要求 1. 秒表最大计时值为59.99秒； 2. 7位数码管显示，分辨率为0.01秒； 3 .具有清零，启动计时，暂停及继续计数等控制功能； 4. 控制操作间不超过二个。 1.2方案论证与选择 1.秒表最大计时值为59.99秒； 2. 7位数码管显示，分辨率为0.01秒；3.具有清零，启动计时，暂停及继续计数等控制功能； 4.控制操作间不超过二个。

6、 选择信号发生器时，有两种方案：一种是用晶体振荡器，另一种方案是采用集成电路555定时器与电阻和电容组成的多谐振荡器。秒表核心部分计数器，此次选择74LS160计数器。它具有同步置数和异步清零功能。主要是利用它可以十分频的功能。计数脉冲是由555定时器构成的多谐振荡器，产生100赫兹脉冲。频率较高时可采用分频电路。在选择译码器的时候，有多种选择，如74LS47，74LS48等4-7线译码器。如果选择7447，则用来驱动共阳极数码管；如果选择7448，则用来驱动共阴极数码管。在选择数码显示管时，可以利用四个数码管；也可以借鉴简易数字频率计中的四位数码管来显示后四位，再用两个数码管显示分钟的两位。

7、本次设计中选择后者。第二章 实验芯片2.1计数器74LS160的管脚图及功能表如下1234 56789101112131474LS160RDCPD1GNDEPVCCD01516D2D3LDETQ3Q2Q1Q0CORD 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 保 持 1 1 0 保 持 1 1 1 1 计 数表2-1 74LS160功能表 图2-1 为74LS160管脚图及功能表 74LS160为异步清零计数器，即端输入低电平，不受CP控制，输出端立即全部为“0”，功能表第一行。74LS160

8、具有同步预置功能，在端无效时，端输入低电平，在时钟共同作用下，CP上跳后计数器状态等于预置输入DCBA，即所谓“同步”预置功能（第二行）。和都无效，ET或EP任意一个为低电平，计数器处于保持功能，即输出状态不变。只有四个控制输入都为高电平，计数器（161）实现模10加法计数 Q3 Q2 Q1 Q0=1001时，RCO=1。8421码加权计数器：，QD、QC、QB、QA输出见计数器工作波形图： 图2-2计数器工作波形图 2.2译码器译码器电路是将数码转换为一定的控制信号。在此由7448集成元件构成，它能将一个二进制数码转换为输出端的电平信号以控制显示器。 图2-3 7448的管脚图 LT,RBI

9、接逻辑开关，D,C,B,A接8421码拨开开关，a，b，c，d，e，f，g七段分别接显示器对应的各段。地线，电源线接好后，若线路无误后，接通电源就开始实验论证：（1）LT=0,其余状态为任意态，这时LET数码管全亮。（2）再用一根导先把0电平接到BI/RBO端，这时数码管全灭，不显示，这说明译码器显示是好的。（3）断开BI/RBO与0电平相连的导线，使BI/RBO悬空。且使LT=1，这 时按动8421码拨码开关，输入D,C,B,A四位8421码二进制数，显示器就显示相应的十进制数。（4）在（3）步骤后，仍使LT=1,BI/RBO接LED发光二极管，此时若RBI=1 按 动拨码开关，显示器正常显

10、示工作。若RBI=0,按动拨码开关8421码输出为0000 时，显示器全灭，这时BI/RBO端输出为低电平即LED发光二极管全灭这就是“灭零”功能。2.3七段数码管（LED）7段数码管又分共阴和共阳两种显示方式。如果把7段数码管的每一段都等效成发光二极管的正负两个极，那共阴就是把abcdefg这7个发光二极管的负极连接在一起并接地；它们的7个正极接到7段译码驱动电路74LS48的相对应的驱动端上（也是abcdefg）。此时若显示数字1，那么译码驱动电路输出段bc为高电平，其他段扫描输出端为低电平，以此类推。如果7段数码管是共阳显示电路，那就需要选用74LS48译码驱动集成电路。共阳就是把abc

11、defg的7个发光二极管的正极连接在一起并接到5V电源上，其余的7个负极接到74LS48相应的abcdefg输出端上。无论共阴共阳7段显示电路，都需要加限流电阻，否则通电后就把7段译码管烧坏了。 限流电阻的选取是：5V电源电压减去发光二极管的工作电压除上10ma到15ma得数即为限流电阻的值。发光二极管的工作电压一般在1.8V-2.2V，为计算方便，通常选2V即可。发光二极管的工作电流选取在10-20ma，电流选小了，7段数码管不太亮，选大了工作时间长了发光管易烧坏。对于大功率7段数码管可根据实际情况来选取限流电阻及电阻的瓦数。下图是八段数码管（LED）的示意图，图中引脚6为VCC的为共阳数码

12、管，引脚6为GND的为共阴数码管。 图2-4 八段数码管示意图本设计采用阴数码管与74LS48匹配，同时并入一个四输入内置译码器的7段数码管，以验证译码部分的功能（注：验证成功后，两种组合数码管可以只保留一个）。 第三章 电路设计3.1控制电路 控制电路：它是由两个74LS00集成与非门元件构成的基本R-S触发器，接在机械开关K的后面，防止开关K在打开和闭合时一些假信号窜入逻辑电路。用来控制秒表的开始，暂停。 控制电路是由一个基本R-S触发器，机械开关，电阻以及5伏电源组成。主要实现秒表的停止和开始计数功能。开始，停止功能可以只用一个机械开关实现，之所以用此电路代替机械开关，是因为利用此电路的

13、锁存功能，防止开关在打开和闭合时一些假信号串入逻辑电路，影响秒表正确计数显示。 图3-1 控制电路 电路连接说明：电路加入5V电压，再由R4，R5作为保护电阻，再由J1控制输出端输出电平的变化。当开关在下端时计数器接受到脉冲，当开关在上端时计数器暂停计数。 3.2 0.01秒脉冲发生电路 0.01秒脉冲发生器电路，它由555集成定时器元件和外围的电阻和电容等元件构成的多谐振荡器。调节滑动电阻的数值，可以改变脉冲发生器的输出频率。555定时器表3-1双极性型5G555的主要性能数参数名称符号单位参数电源电压VCCV516电源电流ICCmA10阈值电压VTHVVCC触发电压VTRVVCC输出低电平

14、VOLV1输出高电平VOHV13.3最大输出电流IOMAXmA200最高振荡频率fMAXKHz300时间误差tnS5 VTH即Vi1 ,VTR即Vi2 。表3-2 CMOS型7555的主要性能数参数名称符号单位参数电源电压VCCV318电源电流ICCA60阈值电压VTHVVDD触发电压VTRVVDD输出低电平VV0.1输出高电平VV14.8最大输出电流IOMAXmA200最高振荡频率fMAXKHz500时间误差tnS 集成555定时器有双极性型和CMOS型两种产品。一般双极性型产品型号的最后 三位数都是555，CMOS型产品型号的最后四位数都是7555.它们的逻辑功能和外部引线排列完全相同。器

15、件电源电压推荐为4512V，最大输出电流200mA以内，并能与TTL、CMOS逻辑电平相兼容。其555定时器的内部电路框图及逻辑符号和管脚排列分别如图所示。引脚功能：图3-2 555定时器内部结构图3-3 555定时器逻辑符号和引脚Vi1（TH）：高电平触发端，简称高触发端，又称阈值端，标志为TH。Vi2（）：低电平触发端，简称低触发端，标志为。VCO：控制电压端。VO：输出端。Dis：放电端。：复位端。两定时器内含一个由三个阻值相同的电阻R组成的分压网络，产生VCC和VCC两个基准电个电压比较器C1、C2；一个由与非门G1、G2组成的基本RS触发器（低电平触发）；放电三极管T和输出反相缓冲器

16、G3。是复位端，低电平有效。复位后, 基本RS触发器的端为1（高电平），经反相缓冲器后，输出为0（低电平）。分析图1的电路：在555定时器的VCC端和地之间加上电压，并让VCO悬空，则比较器C1的同相输入端接参考电压VCC，比较器C2反相输入端接参考电压VCC ，为了学习方便，我们规定：当TH端的电压VCC时，写为VTH=1，当TH端的电压VCC时，写为VTR=1，当端的电压VCC时，写为VTR=0。 低触发：当输入电压Vi2VCC 且Vi1VCC 且Vi1VCC，则VTH=1，比较器C1输出为低电平，无论C2输出何种电平，基本RS触发器因=0，使1，经输出反相缓冲器后，VO0；T导通。这时称

17、555定时器“高触发”。555定时器的“低触发”、“高触发”和“保持”三种基本状态和进入状态的条件（即VTH、VTR的“0”、“1”）必须牢牢掌握。 VCO为控制电压端，在VCO端加入电压，可改变两比较器C1、C2的参考电压。正常工作时，要在VCO和地之间接001F（电容量标记为103）电容。放电管Tl的输出端Dis为集电极开路输出。 本设计中所用的电路为NE555。 表3-3 555定时器控制功能表输 入输 出THVODisVCCVCCVCCLHHHLH不变L导通截止不变导通 图3-4 555组成的占空比可调的多谐振荡器 图3-5 工作波形 图3-6 0.01秒脉冲发生电路电路连接说明： 5

18、55定时器要工作首先在VCC管脚接入5V电压，并GND管脚接地。再由计算可得当R2等于2千欧姆，R3滑动变阻器为10千欧姆，R1等于5.1千欧姆，C1等于0.1微法是可产生1000赫兹脉冲信号，在经过计数器74LS160进行十分频得到100赫兹脉冲信号。由74LS160芯片原理可知，要想驱动芯片进行十进制计数，首先将输入数据初值置零即3、4、5、6管脚接地，为低电平将1、7、9、10管脚接高电平，2管脚接输入脉冲，11管脚作为100赫兹输出脉冲，其余管脚闲置即可。 图3-7 脉冲仿真电路图 555组成的多谐振荡器可以用作各种时钟脉冲发生器，图3-6为脉冲频率可调的矩形脉冲发生器，调节R3可得到

19、任意频率的脉冲信号，由于电容C充放电回路的时间常数不等，所以图3-6输出波形为矩形脉冲，矩形脉冲的占空比随频率变化而变化。 该电路是由555定时器以及外围的电阻，电容组成的,其中从555定时器构成的多谐振荡器OUT引脚出来的频率是1000HZ，经过72LS160十分频后得100HZ。 555定时器的参数：T=0.01s，f=100Hz=1/0.695(R1+ 2R2)C 在图中R2+R3=R1，R1=R2 经过计算并实际调整，方案为R2=2千欧，R1=5.1千欧，R3=10千欧，c=100微法。在实践中，如果用示波器观察到频率不正确，可调整R3来改变频率，减小误差。3.3复位电路 复位电路的基

20、本功能是：提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防开关分-合过程中引起的抖动而影响复位。另外复位电路主要完成清零功能。 图3-8复位电路电路连接说明 复位电路作为清零复位用它是由电源，开关和一个电阻组成的电路。该复位电路由机械开关，电阻，以及电源组成。输出线1接在74160的复位端。当需要复位时，合上开关至0端，从输出线1即可输出复位信号（即清零信号）。3.4计数器电路从进位制来分，有二进制计数器，十进制计数器等多种形式。在此采用的74LS160十位二进制计数器，即8421编码方式。 图3-9 74160的级联图电路连接说明 对

21、驱动74LS160计数器在前面已做过介绍。四块芯片从左至右是由高位到低位排列。这里先要驱动每块芯片，并且输入值始终为低电平。100HZ的脉冲信号均由2管脚输入，当U17芯片产生进位信号时，由15管脚输出至U16芯片的7和10管脚，使U16芯片开始计数.因此当前一块芯片产生进位时均输入下一个芯片的工作控制端。U14芯片是六进置数所以采用与非门截至同步预置端，使整个级联电路产生最大数为5999，再由每块芯片输出端输出。 3-4 U14的状态转化表CPQ3Q2Q1Q01000120010300114010050101600003.5译码显示电路 译码器电路是将数码转换为一定的控制信号。在此由74LS

22、48集成元件构成，它能将十个二进制数码转换为输出端上的电平信号以控制显示器。显示器电路：有辉光数码管和荧光数码管等多种显示电路。此次设计中采用的是共阴极七段LED显示器。 图3-10 数码管与7448连接图电路连接说明 先驱动译码器与显示屏，分别给其提供5V电压。由7448芯片原理可知，驱动时3、4、5管脚均接高电平，1、2、6、7管脚分别接与其相对应的计数器，再进行编码与之显示数码管相应管脚对应。显示器选用共阴数码管，在每个数码管均接有保护电阻，以保证数码管正常显示。 图3-11 电路总图电路连接说明总电路由控制电路、0.01秒脉冲发生电路、复位电路、计数器电路、译码显示电路几部分构成。0.

23、01秒脉冲发生电路产生100HZ脉冲信号，向计数器电路提供脉冲；并由控制电路控制传入信号的暂停与开始。复位电路控制计数电路使总电路能完成清零工作。计数器电路、译码显示电路在脉冲信号的作用下完成最大值为59.99计数。 第四章 结论 做本次课程设计我们先理论上提出了几种方案，然后进行讨论分析可行性，选出最终方案。在实验前首先应明白实验的原理，设计电路选择所需芯片，运用芯片前应明白各管脚的作用。实验中应分模块进行，对每个模块进行测试后在进行总的连接测试，运用仿真软件Multisim进行仿真电路连接，虽然实验连线繁琐但是只要细心最终还是会成功的！但是在各级芯片以及门电路可能有一定的延迟时间，有些部分

24、还可能存在竞争冒险，这也在一定程度上影响实验结果的精确度。 心得体会在设计实践的过程中，我深深的体会到必须要有扎实的知识基础，要熟练地掌握课本上的知识，这样才能对试验中出现的问题进行分析解决。在整个电路的设计过程中，花费时间最多的是利用Multisim 仿真，因为以前没有学过这个软件，所以我们要从头学起，自行摸索的学习。我们在各个单元电路的连接上花费了大量时间。我们在设计时曾做出了两套方案以及仿真电路，我们仔细比较分析其原理以及可行的原因，这才确定了我们的电路。实习过程中，我深刻的体会到在设计过程中，要考虑到各个元器件的功能和特性，要翻阅大量资料，参考别人的经验，只有这样才能把自己的电路设计的

25、成功。通过这次对数字式秒表的设计与制作，让我了解了设计电路的程序，也让我了解了关于数字秒表的原理与设计理念。在此次的数字秒表设计过程中，我更进一步地熟悉了芯片的结构、管脚图、功能表及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法。而且这些知识是对我们大学生来说十分宝贵的实践经验，是无法在课堂上获得的，是现今社会最重视的同时也是我们最需要提高的部分。在设计电路中,完成电路图只是完成了设计的一小部分，更加困难的是对电路的验证和纠错，在这过程中我接触到了很多未接触过的检查方法和思想。在电路的仿真过程中出错的主要原因都主要是接线的错误所引起的。接线的时候一定要细心，不要接错，同时也要学会如何判别芯片的功能，要是芯片不具备要求的功能，或者，不匹配，即使接线再正确也出不来结果。对自己的设计要仔细考虑，是否可行，尤其是进位输出，着重看看进位的CP脉冲是否正确等。总体来说，通过这次课程设计学习，我越发感觉电子设计不是死板的东西，是有很大科学性与艺术性的。不同芯片的使用，不同的接线方法，不同的变量，不同的实现思路，经过组合后几乎