田径运动会计时器课设报告剖析

1、沈阳航空航天大学课程设计报告课程设计名称：数字逻辑课程设计课程设计题目：田径运动会计时器的设计院（系）：计算机学院专 业：班 级：学 号：姓 名：指导教师：完成日期： 2013年7月 5日课程设计的内容及要求：一、设计说明与技术指标设计一个田径运动会计时器电路，技术指标如下： 秒表的最大计时值为99分59.99秒 6位数码管显示，分辨率为0.01秒； 具有清零、启动计时、暂停及继续计数的功能；二、设计要求1. 在选择器件时，应考虑成本。2 根据技术指标，通过分析计算确定电路和元器件参数。3.画出电路原理图（元器件标准化，电路图规范化）。三、实验要求1. 根据技术指标制定实验方案；验证所设计的电

2、路，用软件仿真。2. 进行实验数据处理和分析。四、推荐参考资料1.阎石主编.数字电子技术基础.M北京：高等教育出版社，2006年五、按照要求撰写课程设计报告成绩 指导教师 日期 99图1 方案一原理图一、概述在运动会上，特别是田径运动会上，计时器是不可或缺的。而本次的课程设计即计时 器的设计正是满足于田径运动会各种比赛所需要的计时。 计时器是实现分、秒、毫秒计时 的装置，无机械装置，具有较长的使用寿命，也因此得到了非常广泛的使用。计时器从原理上讲是一种典型的数字电路， 其中包括了组合逻辑电路和时序电路。 本 次课设主要是由信号发生系统和计时系统构成。 信号发生系统是一个100Hz的脉冲。计时

3、系统由计数器、译码器、缓冲器、显示器组成。其中，计数器由74LS160构成，这是一个十进制的计时器。用这样的十进制计数器组成了六十进制计数器和一百进制的计数器， 采用异步进位方式。译码器由74LS48D勾成。显示器由数码管构成，这样就可以显示出不 同的数字变化。本次实验要求设计的计时器最大计时值为 99分59.99秒。具体过程为将大小100Hz 脉冲信号传入计数系统，先进入计数器，将“分”和“10毫秒”设为为一百进制，“秒”为六十进制。将74IS160的对应的输出接入到译码器的输入端。然后通过缓冲后再进入数 码管。将4位信号转化为数码管可显示的7位信号，将分秒计数器中的输出信号转化为可 视化的

4、数字显示。本课程设计报告主要有六部分组成。包括概述、方案论证、电路的设计、性能的测试、 性价比、结论及设计体会。二、方案论证万案一：用石英振荡器产生一个大小为100Hz的时钟脉冲信号。计数器采用 74ls置数法。对 于分和毫秒信号进行百分制进位，秒是六十进制进位。所设计的计时器最大计时值为 分59.99秒，所以用到六个数码管。用一个 SR锁存器和与非门构成控制电路的暂停和继 续。原理图如图1所示：因为题目要求分辨率为0.01秒，故用一个555与与电阻、电容构成555多谐振荡器 来产生大小为100Hz的基准毫秒脉冲信号。题目要求最大计时数是99分59.99秒，对于毫秒以及分钟采取百进制进位，对于

5、秒采取六十进制进位，通过将六个个74IS160计数器 采用串联方式构成。之后再将74IS160的对应的输出接入到译码器的输入端。计时器是必须有一个数字显示。按设计要求，所以须用六个七段数码管来做显示器。最后，用两个控 制键分别来实现计时器的启动、暂停、继续、清零的功能。其中用一个控制健实现计时器的清零功能。再用一个控制键实现计时器的启动、暂停、继续计数功能，分别实现以上模块功能，即可设计出符合要求的计时器。原理图如图2所示：图2方案二原理图通过比较，决定用第二种方案。虽然两种方案都可以实现所要求的功能。 但是第一种 方案所需要的石英振荡器价格昂贵。所以我选择第二种方案。三、电路设计1 基准脉冲

6、电路设计脉冲信号发生电路是由555定时器和电阻以及电容组合而成。555集成时基电路称为 集成定时器，是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，它的电源电压范围宽，可在 4.5V16V工作，输出驱动电流大约为 200mA。555定时器是由两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关T,比较器的参 考电压由三个电阻为5KQ的构成分压，它们分别使高电平比较器 A1同相比较端和低电平 比较器A2的反相输入端的参考电平为和。A1和A2的输出端控制RS触发器状态和放电管 开关状态。当输入信号输入并超过时，触发器复位， 555的输出端3脚输出低电平，同时 放电，开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于时，触

7、发器置位，555的3脚输出高电 平，同时放电，开关管截止。 T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低 阻放电电路。555定时器构成多谐振荡器如图3,波形图如图4所示：VCC55S_VIRTUA图3多谐振荡器Vcf图4工作波形图电容充电时，定时器输出U0,电容放电时，uo=o,电容不断地进行充、放电，输出端便 获得矩形波。多谐振荡器无外部信号输入，却能输出矩形波，其实质是将直流形式的电能 变为矩形波形式的电能。振荡周期T二TT2。Ti为电容充电时间，T2为电容放电时间。充电时间 T=(R+&)CIn2 吒0.7(R+R2)C放电时间 T2 二 R2C ln 2 0.7R2C矩形波的振荡

8、周期T订T2 = In 2侃2R2)C 0.7侃2R2)C要改变矩形波的周期以及频率，只要改变电阻和电容就可以了。矩形波的频率是100Hz则振荡周期T=1/100=0.01s。当取 C=0.1 F,R仁45千欧，若使 T=0.01s,那么，R2音0 千欧。为了使获得的图形更精确，所以将 R2设为可调节的电阻。取一固定电阻 46千欧与 一个5千欧的可调节电位器串联代替电阻 R2。要使输出脉冲周期为0.01s,则调节电位器。 这样就可以得到我们所要的基准脉冲信号。2 分、秒、毫秒计数器电路设计74LS160D共有16个引脚，其中有Cp脉冲输入引脚CLK（下降沿有效），LOAD为预 置数控制端（低电

9、平有效），CLR为异步清零端（低电平有效），A、B、C、D为预置数输 入端，ENP和ENT是计数使能端（高电平有效），RCO是进位输出端，QD QC QB QA分 别是计数输出位，它的真值表如下表：表一 74LS160真值表CLKRDLDEPET工作状态XOXXX置零（异步）10XX预置数（冋步）X1101保持X11X0保持（C=0）1111计数74LS160D的引脚如图6所示:U14 74LS160D图5 74LS160D引脚图这里我们选择用计数器74LS160芯片，通过乘数法或反馈置数法构成100进制和60进制计数器乘数法：将两片74LS160计数器直接级联则可得到100进制计数器。其电路

10、连接如图7所示:S3 - INH3u g74LS160D二弋二二L974I图7100进制计数器反馈置数法：将一片74LS160设置成六进制计数器，再将其与一片74LS160级联,即可得到一个60进制计数器。其电路连接如图8所示：U1QA 74LSO-6r iDU6：74LS160D:娄PTB my 0屋.dice|0T74LS16(图8 60进制计数器3 译码部分译码部分最主要的组成器件就是译码器了，译码器是将二进制码转变成特定输出的电 路，译码是编码的逆过程。译码器也是一种多输出的组合逻辑电路。从原理上讲，它是把 N个输入变量变换为它所对应的 M个输出状态。每输入一组二进制代码，在 M个输出

11、状 态中最多有一个为“T（其余为“0）或者有一个为“0”（其余为“ 1）74LS48输出高电平 有效，专用于驱动LED七段共阴极显示数码管。其管脚功能如图 9所示：VCC f1&12 1条 13. f n 图14 计数器继续计数4.闭合J1J3,电路处于计数状态，当给计数电路9（ 1001）个脉冲的时候，继续再给一个脉冲，就会产生进位，这样我们用输出 BCD码的最高位来触发下一个计数器，这样给 电路第十个脉冲以后，电路计数结果就会成“ 10,继续给脉冲，到第99个时候，继续给一个脉冲，我们同样用第二个芯片的最高位来触发下一个芯片，也就是用最高位的下降沿来当做下一个芯片的脉冲。具体结果如图下图所

12、示：图15毫秒即将进位5.同理，当秒计数需向分计数进位的时候，我们都用最高位的变化来当做下一个芯片的 CP信号，这样我们就完成了我们需要的计数。图14 计时器进位计数的实现6.当J1开关闭合，把开关J3开关打开，那将给计数电路中的74LS160的清零信号，开始计数。当 J1开关闭合，J3开关打开，那将给计数器清零，于是我们就用两个开关实现了整个电路的清零、启动、计时、暂停及继续计数控制功能。具体结果如图15所示:m.limn图15 计时器清零四、结论此次课程设计的作品，通过仿真电路的调试和综合的分析，能够正常的工作，显示 出时间并具有设计所要求的暂停、继续、清零功能，达到了设计的目的。通过此次

13、设计， 对数码管和74LS160芯片的接法的熟练掌握，以及对仿真软件的有了深入了解。所以此 次的设计很成功。五、性价比根据电路实现的功能来看，计时器的性价比还是比较不错的。本设计电路主要应用 了计数器和显示器这两部分，尽量节省元器件实现所要求的功能，各个元件间紧密联系， 原理清楚简洁，思路清晰，并且效率较高，接法简单，可以用于实际操作。所用元器件种 类较少，性价比较高。七、课设体会及合理化建议数电课程设计是培养学生综合运用所学知识 ，发现,提出,分析和解决实际问题，锻炼 实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程 回顾起此次课程设 计，至今我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从

14、理论到实践，在短短的两个星期的日子 里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所 学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次数电课程设计使我 懂得了理论与实际相结合是很重要的， 只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知 识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能 力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做数电课程设计，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。这次数电课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很

15、多问题。但是经过查阅资料， 请教同学，请教老师让我学到了很多实用的知识。 总体来说,这次实习我受益匪浅在摸索 该如何设计程序使之实现所需功能的过程中，特别有趣,培养了我的设计思维，增加了实际 操作能力在让我体会到了设计的艰辛的同时，更让我体会到成功的喜悦和快乐这次数 电课程设计，虽然短暂但是让我得到多方面的提高。首先，提高了我们的逻辑思维能力， 使我们在逻辑电路的分析与设计上有了很大的进步。 加深了我们对组合逻辑电路与时序逻 辑电路的认识， 进一步增进了对一些常见逻辑器件的了解。 另外，我们还更加充分的认识 到，数字电路这门课程在科学发展中的至关重要性。 最后，查阅参考书的独立思考的能力 以及

16、培养非常重要， 我们在设计电路时， 遇到很多不理解的东西， 有的我们通过查阅参考 书弄明白，有的通过网络查到， 但由于时间和资料有限，我们更多的还是独立思考。从而 让我们的能力得到了进一步的提高。参考文献1 . 童诗白，华成英主编模拟电子技术基础 . M 北京：高等教育出版社， 2006 年2 . 阎石主编数字电子技术基础 .M 北京：高等教育出版社， 2008 年3 . 戴伏生主编基础电子电路设计与实践 .M 北京：国防工业出版社， 2002年4 . 谭博学主编集成电路原理与应用 .M 北京：电子工业出版社， 2003 年5 . 南新志、刘计训主编 . 数字电路实验教程 .M 济南：山东大学

17、出版社， 2003 年6 .谢自美主编电子线路设计实验测试.M武汉：华中科技大学出版社，2006年7 . 吴慎山主编 . 电子线路设计与实践 . M 北京：电子工业出版社， 2005 年8 . 康华光. 电子技术基础 . 数字部分 北京:高等教育出版社 ,2000 年9 . 林涛主编 . 数字电子技术基础 . M 北京：清华大学出版社， 2006 年10 .宋春荣 . 通用集成电路速查手册 . 山东科学技术出版社 ,1995 年11 .吕思忠 . 数子电路实验与课程设计 . 哈尔滨工业大学出版社 ,2001 年12 . 付家才主编 . 电子实验与实践 . 4 年 M 北京：高等教育出版社， 20013 . 杨兴瑶主编 . 新编实用电子电路 500例 .M 北京：化学工业出版社， 2006年附录I总电路