数字电子技术课程设计-数字秒表

1、kunming university课程设计（大作业）报告课程名称：数字电子技术设计题目：数字秒表院系：信息技术学院班级：设计者：学号：指导教师：张虹设计时间：2015.12.14-2015.12. 18信息技术学院昆明学院课程设计（大作业）任务书姓名：院（系）：信息技术学院专业：计算机科学与技术学号：任务起止日期：2015.12.14-2015.12.18课程设计题目：数字秒表课程设计要求：设计一个数字秒表完成以下内容：1. 设计基准脉冲信号源以满足计吋部分电路的需求。2. 计时部分的计数器由0.01s位、0.1位、s个位三个计数器组成。3. 计时器控制部分选用3位环形计数器来实现。其3个输

2、出端分别用做淸零、计时、停止3种状 态；单脉冲发生器巾基本rs触发器构成，为节拍发生器提供时钟脉冲。每按一次开关就能产生一 个单脉冲。每按一次开关就能产生一个单脉冲，用以控制3种状态的转换。工作计划及安排：1、查阅资料1天。分析比较、选择设计方案；2、总体设计2天。设计计算、元件选取、绘制电路原理图；3、软件仿真及调试（）.5天。利用proteus软件构建电路，进行虚拟仿真；4、故障排除0.5天。根据调试过程中出现的问题，逐一查找原因，排除故障，使电路达到设计要求;5、撰写课程设计报告0.5天。写岀设计思路、工作原理，画岀电路结构框图，绘出电路原理图，给 出设计参数及调试电路数据，分析设计中遇

3、到的问题和解决方法及设计心得体会；6、答辩0.5天。指导教师签字 年 月 日课程设计（大作业）成绩学号姓名指导教师：课程设计题0:数字秒表总结:在进行此次的课程设汁之前，我就已经开始对此次的课程设计有了期待，于是我就为自己写下 了设计的安排和计划：首先确定课程设计的题目然后查阅资料，拟好设计思路。等到了实训的第一 天，开始了我的课程设计，虽然我之前就设计好了电路图，还查阅了相应的资料，但是还是遇到了 闷题。在我进行仿真的过程中，数码管上的数字有些部分是缺失了的，花了很久的时间检查各条连 线之后，我终于纠正了这个错误。这个问题的出现让我不得不感慨线路的作川，因为一条线路的连 接错误都会影响到整个

4、电路的仿真。通过这几天的实训，我不仅完成了课程设计还更深层次的了解 和掌握了数字电子技术的知识，而且提升了我用理论解决实际问题的能力，更锻炼了我的动手能力。 唯一的缺点就是不够细心。的确，理论上分析可行的在实践中却无法达到预期的效果，这就需要我 们能够学会杏找错误的原因。指导教师评语:成绩:填表时间:指导教师签名:目录-x设计醐x设计要求和设计指标三设计a容3.1电子秒表工作原理3. 1. 1总体设计23. 1.2脉冲电路设计23. 1.3总清零控制电路63. 1.4时间计数单元63. 1.5分频电路83. 1.6码马区云力及显示单元93.1.7多功能数字秒表电路的组合103. 2仿真结果与分

5、析123.2.1时钟发生器的测试123.2.2计数、译码、显示单元的测试133.2.3整体测试133. 2.4电子秒表准确度的测试14ky %糾又进连t乂14五总结15六、主要参考文献16一、设计目的1、学习数字电路中基本rs触发器、单稳态触发器、时钟发生器及计数、译码显示 器等单元电路的综合应用。2、学习电子秒表的调试方法。3、秒表由五位七段led显示器显示，其中一位显示“min”，四位显示“s”，其 中显示分辨率为0.01s,计时范围为09分59秒99毫秒；異有清零、启动计时、暂停 计时及继续计时等功能；控制开关为两个；启动（继续）/暂停计时开关和复位开关。二、设计要求和设计指标制作一个数

6、字秒表，将单个数字秒表组合设计成可以同时对多人进行计时的多人数 字秒表。电子秒表的工作原理就是不断输出连续脉冲给加法计数器，而加法计数器通过译码 器来显示它所记忆的脉冲周期个数。1. 时钟发生器：利用石英震荡555定时器构成的多谐振荡器做时钟源，产生脉冲。2. 记数器：对时钟信号进行记数并进位，百分之一秒和十分之一秒以及个位秒之间10 进制，十位秒为六进制；本设计采用可预置的十进制同步加法计数器74ls90构成电子秒 表的计数单元。3. 译码器：对脉冲记数进行译码输出到显示单元中。4. 显示器：采用4片led显示器把各位的数值显示出来，是秒表最终的输出，共有四 位，精确到百分之一秒；74ls4

7、8是bcd码到七段码的显示译码器。5. 控制器：控制电路是对秒表的工作状态（记时开始/暂停）进行控制的单元。属低 电平直接触发的触发器，有直接置位、复位的功能。三、设计内容3.1电子秒表工作原理元器件清单元件名称与规格数量ne5551个74ls909个74ls486个741s006个数码管6个瓷片电容2个电阻5个复位器2个导线若干表1元器件淸单3.1.1总体设计计时和分频p4-1单独模块p?复合模块p图2单独模块t作流程图3. 1.2脉冲电路设计用555实现多谐振荡产生频率为100hz的方波（即周期为0.01秒的方波）。图3 555管脚图图4 555内部原理图(1) 555电路的工作原理555

8、电路的内部电路方框图如图4所示。它含有两个电压比较器，一个基本rs触 发器，一个放电开关管t,比较器的参考电压由三只5kq的电阻器构成的分压器提供。 它们分别使高电平比较器c1的同相输入端和低电平比较器c2的反相输入端的参考电平 为2/3vcc和上l/3vcc。c1与c2的输出端控制rs触发器状态和放电管t的开关状态。 当输入信号自6脚即高电平触发输入并超过参考电平2/3vcc时，触发器复位，555的输 出端3脚输出低电平，同时放电开关管t导通：当输入信号自2脚输入并低于l/3vcc 时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电开关管截止。4脚是复位端当7=0, 555的3脚输出低电平。平

9、时端开路或接vcc, 5脚vco是控制电压端，平时输出2/3vcc作为比较器c1的参考电平，当5脚外接一个输人电压，即改变了比较器 的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.047w 的电容器接地，起滤波作用，以消除外来的干扰，确保参考电平的稳定。t为放电管， 当t导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻值的放电通路。555定吋器主要是与电阻、电容构成充放电电路，并由两个比较器来检测电容器上 的电压，以确定输岀电平的高低和放电开关管的通断。这就很方便地构成从微秒到数十 分钟的延时电路，可方便地构成单稳态触发器，多谐振荡器，施密特触发器等脉冲产生 或波形变换电路。(2)

10、 构成多谐振荡器如阁5 (a)，由555定时器和外接元件/?,、/?2、c,构成多谐振荡器，脚2与脚6 直接相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外加触发信号，利用电源 通过/?2、/?2向(充电，以及q通过/?2向7脚放电端q放电，其波形如图5(b)所示。 输出信号的时间参数是 t = twl 十 tw2, twl=o. 7 (a 十 ) c, tw2 = 0. 7/?2c, 555电路要求a和/?2均应大于或等于ik,但r十/?2应小于或等于3. 3m 。外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性，555定时器配以少量的元件即可获 得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输出能力。因

11、此这种形式的多谐振荡器应用很 广。u1(vcc) yvalue=5、1fi ir1oou11k<tex4ro31xxoidc75pvr2a 12trth6jj555<text>c)1v.0 047uf0 47uf图5 (a)555定吋器构成多谐振荡器图5 (b)555定时器构成多谐振荡器输出波形(3) 组成占空比可调的多谐振荡器电路如图6,它比图5所示电路增加了一个电位器和两个相同的二极管。d1、d2 用来决定电容充、放电电流流经电阻的途径(充电时d1导通，d2截止：放电时d2 导通，d1截止)。占空比：p=tw1/(tw1 十 tw2) -0.7/?a cjo.7c, (r

12、a + rb) = ra/(ra + rb)digital oscilloscope可见，若取ra = '。电路即可输 出占空比为50%的方波信号。如图3-7是输出为占空比50%的).00 955 oomsloooms方波图7输出a空比为50%的方波3. 1.3总清零控制电路如图8为电路的总清零控制电路，该电路在开关合上之后会输出低电平，作用于 各个74ls90的mr端，实现昇步清零功能；开关断开之后输出高电平，电路处于计时 状态。总清零控制电路便于实现电路的总的清零控制，同时也对时钟脉冲起到控制作用。图8电路的总淸零控制电路3. 1.4时间计数单元记数器74160、741sl92、7

13、4ls90等都能实现十进制记数，本设计采用十进制加法 计数器74ls90构成电子秒表的计数单元。计数器1及计数器2接成8421码十进制形式， 其输出端与实验装罝上译码显示单元的相应输入端连接，可显示0.10.9秒计时，计 数器2及计数器3也接成8421码十进制形式，计数器3和计数4接成60进制的形式， 实现秒对分的进位。计数器2及计数器3也接成8421码十进制形式。集成异步计数器74ls90简介74ls90计数器是一种中规模二一五进制计数器，管脚引线如图，功能表如表1所示。复位输入输出ri r2 sis2qd qc qb qah hl l l llxl l l lh hxlh l l hx x

14、计hh数xl计xl数lx计lx数lx计xl数xllx表2 741s90功能表a. 将输出qa与输入b相接，构成8421bcd码计数器；b. 将输出qd与输入a相接，构成5421bcd码计数器；c. 表中h为高电平、l为低电平、x为不定状态。74以90逻辑电路图如图3.6-1所示，它由四个主从jk触发器和一些附加门电路组 成，整个电路可分两部分，其中fa触发器构成一位二进制计数器；fd、fe、匕构成异步 五进制计数器，在74ls90计数器电路中，设有专用置“0”端r，、r2和置位(置“9”) 端 s,、 s2。74ls90具有如下的五种基本工作方式：(1) 五分频：即由f。、f。、和14组成的异

15、步五进制计数器工作方式。（2）十分频（8421码）：将qa与ck2联接，可构成8421码十分频电路。（3）六分频:在十分频（8421码）的基础上，将qb端接k, qc端接r2。其计数顺 序为000101，当第六个脉冲作用后，出现状态qrqbqa=110,利用qrqr=ll反馈到仏和尺 2的方式使电路置“0”。（4）九分频：q.d q,>->r2,构成原理同六分频。（5）十分频（5421码）：将五进制计数器的输出端qj妾二进制计数器的脉冲输入 端（x,即可构成5421码十分频工作方式。此外，据功能表可知，构成上述五种工作方式时，s,、s2端最少应有一端接地；构 成五分频和十分频时，r

16、i、r2端亦必须有一端接地。input3. 1.5分频电路通常，由555构成的多谢振荡器输出频率是100hz的，是比较高，为了得到10hz、1hz、0.1hz的秒信号输入，需要对振荡器的输出信号进行分频。须设计三个十进制计数器， 对频率为100hz的时钟脉冲进行十分频得到10hz，再对频率为10hz的时钟脉冲进行 十分频得到1hz,对频率为1hz的时钟脉冲进行十分频得到0.1hz。一个单独的模块有 四个74ls90组成，四块分别控制四位，在最低位的74ls90的进位输出端rco （进位 时输出有效为高电平）取得周期为0.1s的矩形脉冲，作为记录十分之一秒位的使能端 控制位，从而使得每十个100

17、hz的脉冲到来后十分之一位加一。以此内推，由十分之一 秒位可以控制秒位，由秒位控制十位。用集成74is90为可预置的十进制同步计数器 实现，电路图如下：如图10是74ls90构成十进制计数器图10 74ls90构成十进制计数器如阁11是74ls90构成0.1秒位、1秒位、十秒位计数器图1174ls90构成0.1秒位、1秒位、十秒位计数器3. 1.6码驱动及显示单元计数器实现丫对时间的累计以8421bcd码形式输出，用显示译码电路将计数器的 输出数码转换为数码显示器件所需要的输出逻辑和一定的电流。译码显示单元：本部分由741s48译码器和七段显示共阴极数码管构成。在其引脚当屮a、b、c、d为bc

18、d 码输入端，qa、qb、qc、qd、qe、qf、qg为译码输出端，输出“1”有效，用来驱动led 数码管。电路如图12:浮siwtasl601ll£1>dnjo霉isd30o日a/i日00a090qvov3l(z)oa(ooacozolooo9(3)eyvle图12由741s48译矶器和七段显示共阴极数码管构成的译码电路3.1.7多功能数字秒表电路的组合1. 由计数、分频、译码组成的电路，如阁13所示。该电路组成之后，就可以进行0: 00到9: 99的循环显示过程。各显示器从左到右依次对应的是十秒位、秒位、十分之一秒位。图13由计数、分频、汴码组成的电路2. 一个单独的电子秒

19、表电路 如图m是单独的电子秒表电路。该电路可以实现单个电子秒表计数，可实现显 为了防止现实中实物制作后，按键会出现抖动的示器全部清零、开始计时功能。其中，情况，在时钟发生器开始按键后接一个触发器防止出现抖动的情况。闭合时钟发生器开阁14甲.独的也子秒表电路3. 多功能数字秒表完整图为了实现同时记住两名运动员的短跑成绩，因此电路中需要设计出记录两个单独 的计数电路，可以将一个单独的计数电路经过修改之后与时钟发生器相连接，其中脉 冲和清零是总的控制电路，可实现电路中全部计数器的控制，而不影响电路的单独控 制。为丫单独控制一个单独的电路，在每个单独的电路的脉冲输入端接一个开关，用 以控制一个运动员的

20、计吋控制。在电路需要实现两个运动员的计吋，只需将相应的开 关断幵和闭合。如图4-15是多功能数字秒表完整图。图15多功能数字秒表完整图u13j3. 2仿真结果与分析3.2.1时钟发生器的测试用示波器观察时钟输出电压波形并测量其频率，调节rw1,使输出波形频率为100hz （周期为10ms），若无波形输出，检查555定时器。如图5-1是时钟发生器输出的周期 为10ms的方波。阁16时钟发生器输岀的周期为10ms的7/波3.2.2计数、译码、显示单元的测试测量计数器功能和分频器功能，看输出频率是否为10倍关系，各段测量显示管的功 能是否正常。如图5-2是0.1秒、1秒、10秒对应的输入信号波形。b

21、s o1gital analysis - prospic6* . ol . .' 1=卞砂 iiifile view graph options help似l0.001.00e.003.004.009.00e.bd7.008.00s.0010.0矮先身i.峰夂丸、祺丨鉍nil11111| ninrayaik 11 ih ii图17 0.01秒、0.1秒、1秒、10秒对应的输入信号波形3.2.3整体测试先按按钮清零开关，此时电子秒表不工作，再按一下清零开关，则计数器清零后变 开始计时，观察数码管显示计数情况是否正常。如不需要计吋或暂停吋，按一下开关脉 冲开关，立即会出现暂停状态。如果希望

22、单独的显示器暂停计时，就把相对应的暂停开 关断开。然后再对单独的每一个计数单元进行测试，在各个时间段分别断开各个单独的计时开 关，模拟现实屮的对2个运动员的成绩计时，仿真如图18所示。图18多功能数字秒表的综合仿真3.2.4电子秒表准确度的测试利用电子钟或手表的计时对电子秒表进行校准，若时间不准，调节rw1,使误差在0.01s 之内。四、本设计改进建议由于对proteus软件不太熟悉，在画电路时布线有些凌乱，不容易轻易识别、一目 了然；其次因为使用了 555定时器，而它的工作频率在1mhz以内，而实验所用的的频 率恰好为1mhz,会产生误差o.ls左右，为了实验更准确，我们最终换用了系统标准的

23、 频率输入信号。由于控制电路的连接的不是很规范，有吋候达不到控制开关的作用，会 出现一些误差，还冇各个元器件的选择可能不是太合理，没冇完全实现数字秒表的所有 功能，如清零的因为最后不能实现做了删除，这也是这个课程设计中的一大缺憾。总的来说，这次课设我还是学到很多东西的。通过这次对数字秒表的设计与制作， 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 数字秒表设计过程屮，更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法。通过这次课程设计学习，我们对许多电路都有了了解，也加深了我对 proteus软件的使用。五、总结这次通过尝试制作了一个数字秒表的数字课程设计的作业，我又学到了许多关于数 字电路的知识。虽然这个课程设计很难，但是当我做出来之后我还是感觉很