百分之一秒计时器

1、课 程 设 计 报 告设计题目：百分之一秒计时器摘 要本计时器以NE555芯片为核心，产生频率为100Hz方波作为基准时钟信号，通过6片74LS160对其计数分频，已分别产生0.1s、1s、10s、1min、10min、60min以实现计时功能。数码管选用共阴，译码器驱动选用的是74LS48。经过实验验证，可以实现0.01秒的计时，并且可以在整点进行报警。控制端可以实现清零、暂停计时的功能。关键词：计时器，NE555,74LS160,74LS48,共阴数码管AbstractThis timer is based on the NE555 timer chip which is applied

2、to produce a frequency of 100Hz square wave as the reference clock signal, and by using six 74LS160, it can produce six kinds of square wave, that is 0.1s, 1s, 10s, 1min, 10min, 60min, to achieve timing function. The decoder and driver of those nixie display indicators used in this circuit is 74LS48

3、. After being tested, it is undoubted that this system can achieved the timing of 0.01 second, and can alert efficiently when the whole point comes. Also using the control panels can realize the functions of zero clearing and pausing.Keyword：Timer, NE555, 74LS160, 74LS48, nixie display indicatorI目 录

4、摘要 I1.概述1.1计时器 11.2 555定时器 12.课程设计任务及要求2.1 设计任务 32.2 设计要求 33.理论设计3.1方案论证 43.2 系统设计 5 5 53.3 单元电路设计 7 7 10 13 154.软件仿真4.1 仿真电路图 164.2 仿真过程 174.3 仿真结果 185.安装调试5.1 安装调试过程 185.2 功能测试及照片 196.结论6.1 系统的控制面板 226.2 课程设计结论 227.使用仪器设备清单 238.参考文献 239.收获、体会和建议 24、2510.附录课程设计报告 信息电子 071 班 荣超群 20072369 百分之一秒计时器1 概

5、述1.1计时器计时器的应用可以说无处不在，各种大小规模的比赛都离不了定时器的应用。随着科技的发展，定时器的精度也越来越高，价格也越来越便宜，像我们现在随处可见的电子手表、词典、手机它们都能有6位到12位的有效计时功能。图1.1展示就是几种常见的计时器。图1.1 几种常见的计时器1.2 555定时器555定时器可以说是模拟电路与数字电路结合的典范。555是美国 Signetics公司1972年研制的用于取代机械式定时器的中规模集成电路，因输入端设计有三个5k的电阻而得名。此电路后来竟风靡世界。目前，流行的产品主要有4个：BJT两个：555，556（含有两个555）；CMOS两个：7555，755

6、6（含有两个7555）。 555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555 定时器的内部电路框图和外引脚排列图分别如图 1.2 和图 1.2 所示。它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压VCC /3 和 2VCC /3 。常见定时器555系列芯片广泛用于各种电子电路的波形发生端和前端波形整形。- 1 -课程设计报告 信息电子 071 班 荣超群 20072369 百

7、分之一秒计时器图1.2 555 定时器的内部电路框图图1.2 555 定时器的外引脚排列图本系统就是用555构成的多谐振荡器产生标准100Hz的方波作为基准频率信号，通过6片74LS160对其进行加法计数分频，已分别产生0.1s、1s、10s、1min、10min、60min，然后由74LS48将每位对应的BCD码进行译码驱动使对应的共- 2 -课程设计报告 信息电子 071 班 荣超群 20072369 百分之一秒计时器阴数码管显示对应数字。2 课程设计任务及要求2.1 设计任务设计一个计时器，能显示 1/100s 的计时精度，并且能按键实现暂停、清零、整点报警及解除报警等功能。2.2 设计

8、要求基本要求：1、用 Protel DXP设计其原理图，要求显示要求元器件布局合理整洁，连线简单有序；2、用 Protel DXP对设计其原理图经行有效仿真，得到仿真结果并分析功能实现程度；3、用 Protel DXP设计PCB图，元器件布局合理整洁，布线清晰有序；4、焊接电路板时，元器件布局合理整洁，布线清晰有序，无短路断路，无虚焊点；5、实现计时功能。发展要求：1、清零、暂停等功能有效，效果明显2、用 Multisim、Proteus、 Modelsim等其他仿真软件对方案进行仿真，以确保理论分析的真确性；3、Protel DXP 设计PCB时使用手动布线；4、实物焊接后报警有效，显示明显

9、，解除报警有效；5、报警有效时间可以无限长，并且可以人工设置是否需要开启报警功能；3.理论设计- 3 -课程设计报告 信息电子 071 班 荣超群 20072369 百分之一秒计时器3.1方案论证仔细分析设计要求，需要产生100Hz的标准方波信号，是本此设计的最大难点，也是设计的重点之一。报警模块的设计也很需要认真研究，要求长时间的报警。对此，我考虑了以下几种方案：（1）核心芯片选择：方案一：使用晶振。方案二：用555系列作为标准方波信号的发生源。即555系列组合的多谐振荡器发生标准方波信号作为基准时钟信号，然后通过加法计数器对其进行6次分频，产生0.1s、1s、10s、1min、10min、

10、60min的时钟信号。方案一的最大优点是晶振的稳定准确。但是，晶振的起振条件要求很高，而且对应于一个晶振其频率就不在可调，这使得本系统的不可再用。而555系列芯片作为多谐振荡器的使用已经极为广泛而且相当成熟。同时，555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路，只需要改变外围连接的电容综电阻参数就可以方便改变方波的频率、占空比等。综合考虑，本系统采用555系列作为标准方波信号的发生源，即555系列组合的多谐振荡器发生标准方波信号作为基准时钟信号，然后通过加法计数器对其进行6次分频，产生0.1s、1s、10s、1mi

11、n、10min、60min的时钟信号。（2）显示方案设计：方案一：同步时钟控制。即所有计数芯片，都由同一个基准时钟控制，计数器的进位作为下一级计数器的使能控制信号。方案二：异步时钟控制。即所有计数芯片，由不同一个基准时钟控制，计数器的进位作为下一级计数器的时钟信号输入。方案一在高频计数部分（100Hz）有着25%的误差，故放弃。方案二也存在问题，就是所选用的计时器74LS160是同步十进制加法计数器，因而其进位调- 4 -课程设计报告 信息电子 071 班 荣超群 20072369 百分之一秒计时器的产生和计数9（如果预置数是6则在计数6）在同一个时钟信号下同时长生，也就是会出现08下一次计数

12、结果是19而非09（具体分析见本文），为了解决这一问题在进位输出端加一与非门，使进位反相，从而达到延时效果。综合考虑，本系统选择了方案二，并精心设计了实现电路，使用了两片四输入与非门 74LS00 双运放，最终很好的完成了题目的要求。3.2 系统设计系统框图如图3.1所示图3.1 系统框图555构成的多谐振荡器产生标准100Hz的方波作为基准频率信号，通过6片74LS160对其进行加法计数分频，已分别产生0.1s、1s、10s、1min、10min、60min，然后由74LS48将每位对应的BCD码进行译码驱动使对应的共阴数码管显示对应数字。控制端可以控制以实现清零、暂停、开启（关闭）报警功能

13、。系统原理图如图3.2所示- 5 -课程设计报告 信息电子 071 班 荣超群 20072369 百分之一秒计时器图3.2 系统原理图（由于连线太多，大部分连接线我都用网络标签代替了。我用的是Altium Designer绘制的）PCB图如图3.3所示，铺铜铺地见图3.4图3.3 系统的PCB图（正面，未铺铜铺地）- 6 -课程设计报告 信息电子 071 班 荣超群 20072369 百分之一秒计时器图3.4 铺铜铺地（局部）这次的PCB图是我手动布的，花了两个晚上才布好的，当时还没有用373锁存，因为以前做过一次印刷电路板，当时是自动布线的，板子做出来后用不了，哪儿出错了都检查不了，所以意识

14、到自动布线的弊端，这次课程设计我就一条一条的手动布线了。铺铜的同时铺地，省去地的连接线。3D效果图和PCB背面图见附录一、附录二。3.3 单元电路设计1、555方波发生电路工作原理555方波发生电路是本系统最重要的部分之一，其原理图如图3.5所示。选用的芯片是NE555D，其内部电路框图在图1.2已经展示了。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 A1 的反相输入端的电压为 2VCC /3，A2 的同相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 A2 的输出为 1，可使 RS 触发器置

15、1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 A1 的输出为 1，A2 的输出为 0，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。NE555有两种主要功能波形发生和前端波形整形。如图3.6、3.7所示。- 7 -课程设计报告 信息电子 071 班 荣超群 20072369 百分之一秒计时器图3.5 555方波发生电路原理图图3.6 波形发生 图3.7前端波形整形由555定时器组成的多谐振荡器及其工作波形图如图3.8所示，其中R1、R2和电容C为外接元件。如图3.8 555定时器组成的多谐振荡器及其工作波形图- 8 -课程设

16、计报告 信息电子 071 班 荣超群 20072369 百分之一秒计时器设电容的初始电压，t时接通电源，由于电容电压不能突变，所以高、低触发端cUTHVTLV13，比较器1输出为高电平，输出为低电平，即，（1表示高电位，0表示低电位），_1DR=_0DS=RS.触发器置，定时器输出此时，定时器内部放电三极管截止，电源经，向电容充电，逐渐升高。当上升到01u=_0Q=ccV1R2Rcucu13ccV时，2A输出由翻转为，这时，触发顺保持状态不变。所以0t期间，定时器输出为高电平。_1DDRS=RS.1t0u1tt=时刻，上升到cu23ccV，比较器1A的输出由变为，这时，触发器复，定时器输出_0

17、DR=_1DS=RS.00u=。1ttt 期间，放电三极管导通，电容通过放电。按指数规律下降，当_1Q=2Rcucu23ccV时比较器1A输出由变为，触发器的，的状态不变，的状态仍为低电平。_DR=_1DS=0u2tt=时刻，下降到cu13ccV，比较器2A输出由1变为0，R-S触发器的1，0，触发器处于1，定时器输出_DR=_DS=01u=。此时电源再次向电容C放电，重复上述过程。通过上述分析可知，电容充电时，定时器输出01u=，电容放电时，0，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， 0u=其实质是将直流形式的电能变为矩形波形式的电能。2、55

18、5方波发生电路理论计算由图3.8可知，振荡周期12TTT=+。为电容充电时间，为电容放电时间。1T2T- 9 -课程设计报告 信息电子 071 班 荣超群 20072369 百分之一秒计时器充电时间 11212()ln20.7(TRRCRRC =+放电时间 222ln20.7TRCRC=矩形波的振荡周期 121212ln2(2)0.7(2)TTTRRCRRC=+=+因此改变、和电容C的值，便可改变矩形波的周期和频率。1R2R对于矩形波，除了用幅度，周期来衡量外，还有一个参数：占空比q，q=（脉宽）/（周期T），指输出一个周期内高电平所占的时间。图（C）所示电路输出矩形波的占空比wtwt1111

19、2122TTRRqTTTRR +=+。本系统所需要的基准频率是100Hz，故选取R1=R2=47K，电容C=1uF，对应的产生的时钟频率为ZHf100101)210471047(43.1633=+=.3、555方波发生电路的Multisim仿真结果555方波发生电路的Multisim仿真结果如图3.9所示图3.9 555方波发生电路的Multisim仿真结果1、74LS160计数分频电路工作原理十进制BCD码计数器74LS160具备计数分频功能，其真值表如图3.10所示；- 10 -课程设计报告 信息电子 071 班 荣超群 20072369 百分之一秒计时器74LS160工作时序图如图3.1

20、1，当CLR，LOAD，EP，ET均接高电平时，时钟CP端每来一个上升沿，计数器在原来的基数上加1，并从QA，QB，QC，QD，输出相应的十进制BCD码。利用74LS160的这个功能特点可以设计出十分频器，计数器。74LS160内部电路原理图和引脚图如图3.12、3.13所示。图3.10 74LS160真值表图3.11 74LS160工作时序图- 11 -课程设计报告 信息电子 071 班 荣超群 20072369 百分之一秒计时器图3.12 74LS160内部电路原理图图3.13 74LS160引脚图为了时钟六分频，需要对74LS160进行预置数或者清零。本系统采用清零方式实现六分频，原理如

21、下图3.14图3.14 74LS160以清零方式实现六分频如图，当到达0101状态时，与非门输出为0，是160清零端CLR清零有效，160清零。为了实现人工手动清零，所有的清零端CLR都是通过上拉电阻接高的，当需要清零时闭合开关使得所有清零端CLR为低。2、74LS160计数分频电路Multisim仿真结果74LS160计数分频电路Multisim仿真结果如图3.15所示，输出端所对应就是09的BCD码，六分频的仿真结果如图3.16，当0101时- 12 -课程设计报告 信息电子 071 班 荣超群 20072369 百分之一秒计时器160清零，0101出现的时间是相当短暂的。图3.15 74

22、LS160计数分频电路Multisim仿真结果图3.16 74LS160计数分频电路六分频的Multisim仿真结果1、74LS48的驱动显示电路电路原理由于选用七段数码管是共阴的，所以选用的译码驱动芯片是7448。74LS48的电路符号见图3.17，真值表见表3.1。图中电阻RP为限流电阻，具体阻值视- 13 -课程设计报告 信息电子 071 班 荣超群 20072369 百分之一秒计时器数码管的电流大小而定。7446是OC输出，电源电压可以达到30 V，吸收电流40mA，对于一般的驱动是可以满足需求的，但是若数码管太大，就需要更高的电压和更大的电流，这就需要在译码器与数码管之间增加高电压、

23、高电流驱动器。例如达林顿驱动电路DS2001/2/3/4，该电路由7个高增益的达林顿对组成，集电极-发射极间电压可达到50V，集电极电流350mA，输入与TTL、CMOS兼容，输出高电压50V，输出低电压1.6V.BI/RBO4RBI5LT3A7B1C2D6a13b12c11d10e9f15g14SN74LS48BIN/7-SEGT214&5CT=03G21V207112246813a 20,2112b 20,2111c 20,2110d 20,219e 20,2115f 20,2114g 20,21SN74LS48.BI/RBO4RBI5LT3A7B1C2D6a13b12c11d10e9f1

24、5g14SN74LS48BIN/7-SEGT214&5CT=03G21V207112246813a 20,2112b 20,2111c 20,2110d 20,219e 20,2115f 20,2114g 20,21SN74LS48图3.17 7448符号图表3.1 7448真值表控 制输 入输 出十进制 LT RBID C B A BIA B C D E F G RBO0123456789101 11 X1 X1 X1 X1 X1 X1 X1 X1 X1 X0 0 0 0 10 0 0 1 10 0 1 0 10 0 1 1 10 1 0 0 10 1 0 1 10 1 1 0 10 1 1

25、 1 11 0 0 0 11 0 0 1 11 0 1 0 11 1 1 1 1 1 0 10 1 1 0 0 0 0 11 1 0 1 1 0 1 11 1 1 1 0 0 1 10 1 1 0 0 1 1 11 0 1 1 0 1 1 10 0 1 1 1 1 1 11 1 1 0 0 0 0 11 1 1 1 1 1 1 11 1 1 0 0 1 1 10 0 0 1 1 0 1 1 - 14 -课程设计报告 信息电子 071 班 荣超群 20072369 百分之一秒计时器11121314151 X1 X1 X1 X1 X1 0 1 1 11 1 0 0 11 1 0 1 11 1 1

26、0 11 1 1 1 10 0 1 1 0 0 1 10 1 0 0 0 1 1 11 0 0 1 0 1 1 10 0 0 1 1 1 1 10 0 0 0 0 0 0 1 BI RBI LTX X1 00 XX X X X 00 0 0 0 XX X X X 10 0 0 0 0 0 0 X0 0 0 0 0 0 0 01 1 1 1 1 1 1 1从真值表可知，7448灭灯输入/动态灭灯输出端RBOBI/，当RBOBI/作为输入端使用时，若BI=0，则不管其它输入信号，输出各段都灭。当RBOBI/作为输出端使用时，若RBO输出0，表示各段已经熄灭。V1图3.18 7448与共阴极数码管连

27、接1、报警系统电路部分原理图依据要求，报警系统得有效的报警功能而且必须人工解除报警，所以本系统使用了一块74LS373进行锁存，并且使用一个与非门反馈以实现自锁。报警系统电路部分原理图见图3.19。开关SW5是报警开启（关闭）功能选择开关，当SW5断开时报警功能断开，当SW5闭合时报警功能开启。- 15 -课程设计报告 信息电子 071 班 荣超群 20072369 百分之一秒计时器电路上电工作后，使能LE高，373使能记录，Q0的值就是D0值。报警时钟的高电位到来时，Q0会相应为高，随之通过与非门U14-B反馈使得LE为低，373停止工作，因此Q0会一直保持高，led及蜂鸣器工作，进入报警状

28、态。此时如果断开SW5，LE再次为低，报警解除。图3.19 报警系统电路部分原理图4.软件仿真4.1 仿真电路图仿真原理图见图4.1- 16 -课程设计报告 信息电子 071 班 荣超群 20072369 百分之一秒计时器图4.1 仿真原理图（完整原理图见附录三）4.2 仿真过程由于各单元电路的仿真图及结果在上面已经讲过，在此不再赘述。我用的是Proteus （ISIS 7 Professional）仿真的，其仿真是实时仿真，即现实世界的1秒钟里该软件也让电路工作1秒钟。（关于这一点，由于Multisim 侧重于模拟数字电路原理特性级仿真分析，因而Multisim的仿真时间单元相当小了，几乎是

29、现实世界1s=仿真电路工作30ms，这样要观察100Hz下整个电路的真实的实验现象就很困难了。）首先测试555是否能正常工作并产生100Hz；然后测试160的Q0Q3的输出波形是否正常，频率是否正确；以上两步完成以后将7448以及数码管连接好，仿真，观察数码管的是否能显示正常。最后仿真测试进位和报警部分。- 17 -课程设计报告 信息电子 071 班 荣超群 20072369 百分之一秒计时器4.3 仿真结果555能正常工作并产生100Hz，仿真结果见图3.9；74LS160的Q0Q3的输出波形正常，对应分频的进位频率正确，仿真结果见图3.15、图3.16；接好7448和数码管连，仿真，数码管

30、的是可以正常显示，如图4.2所示。图4.2 仿真结果数码管正常显示进位和报警部分测试也是正常工作，报警产生解除正常。5.安装调试5.1 安装调试过程由于已经不是第一次焊板子了，所以本次课程设计的焊板子以及调试很顺利，元器件焊好后上电各个模块就能正常工作。确定好布局后开始把相应的集成电路芯片插座、各电容电阻焊好，然后开始连接线。连线的思路是首先把所有集成电路芯片对应电源引脚、接地脚都连接焊- 18 -课程设计报告 信息电子 071 班 荣超群 20072369 百分之一秒计时器好，然后开始分模块焊接调试。首先连接线的是555信号产生模块，由于用 Proteus 仿真时已经确定好R1=R2=47K

31、，电容C=1uF，认真焊接好，上电，用示波器测试3号引脚输出，为标准方波，频率为100Hz。555信号产生模块正常工作，电路测试调试完成。接下来连接线的是160与7448和七段数码管显示模块。在不考虑进制的基础上认真焊接好电路，上电，将555产生的100Hz信号接入160的2号引脚，发现数码管可以正常工作，由于频率太高，数码管闪烁显示8。至此，显示模块正常工作，电路测试调试完成。按照前面同样的连接调试方式，将剩下的5个显示模块安装好。采用异步连接。上电，6个显示模块正常工作。将进位焊接好，主要是利用74LS00 中的与非门制造清零反馈，注意所有的清零端CLR都通过上拉电阻连接。上电厕所，进位工

32、作OK，3组显示模块分别显示分、秒、1/100秒。报警模块的焊接。按照原理图连线，上电测试，整分钟四个绿色LED常亮，蜂鸣器长鸣，直到SW5断开，报警解除。最后焊接清零开关和暂停开关。测试后正常工作。至此，整个系统焊接调试完毕。5.2 功能测试及照片焊接好的电路板照片见图4.3。开启计时功能的照片见图4.4。整分到来时报警，四个绿色LED长亮，蜂鸣器长鸣直到SW5断开，报警才能解除。见图4.5。由于需要的布线太多，不适合在正面布线，所以我大部分的连接线都放在了焊板的背面，见图4.6。（更多照片见附录四）- 19 -课程设计报告 信息电子 071 班 荣超群 20072369 百分之一秒计时器图

33、4.3 焊接好的电路板照片（上电清零）图4.4 开启计时功能- 20 -课程设计报告 信息电子 071 班 荣超群 20072369 百分之一秒计时器图4.5 整分后报警，四个绿色LED长亮，蜂鸣器长鸣图4.6 焊板的背面（布线）- 21 -课程设计报告 信息电子 071 班 荣超群 20072369 百分之一秒计时器6.结论6.1 系统的控制面板图6.1所示的就是完整的系统的控制面板。功能使用说明：上电前开关的状态应是1、 6、7按下，8断开。系统接入+5V的直流电源后， 6个数码管显示为零。断开6、7，按下8后，系统1/100秒计时开始；如果需要暂停计时，则断开8即可；如需清零，同时按下6

34、、7。当计时达到1整分时，面板左侧的四个LED会长亮，同时蜂鸣器长鸣，进入报警状态，如需解除报警，则需要断开1，报警解除。图6.1 系统的控制面板如图6.2 课程设计结论至此，课程设计任务已经完全完成。原理图、PCB绘制正确无误，仿真结果正确，焊接后的系统测试完好，所有功能正常工作。总体上来说较好的完成课程设计任务要求，特别是虽然仍有不少问题和有待提高的地方（像报警系统不能实- 22 -课程设计报告 信息电子 071 班 荣超群 20072369 百分之一秒计时器现报警的自我解除），这些不足会随着本人知识的丰富和经验的积累而得到改善。7.使用仪器设备及元器件清单元器件清单见表7.1。测试仪器：

35、HD6505 万用表，示波器表7.1 元器件清单类别数值数目4.7k25.1k2电阻50014可变电阻10k21u1电容0.01u1NE555174HC16067448674HC002集成电路74HC3731七段数码管共阴6LED红5二极管LED绿4蜂鸣器1其他开关（长接）18.参考文献1李景宏，马学文.电子技术实验教程M.沈阳：东北大学出版社.20022王永军，李景华.数字逻辑与数字系统M.北京：电子工业出版社，20023赵丽红，康恩顺. 数字逻辑与数字系统习题解答与实验指导M. 北京：电子工业出版社，20024全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编M.北京：北京理

36、工大学出版社.2007.- 23 -课程设计报告 信息电子 071 班 荣超群 20072369 百分之一秒计时器9.收获、体会和建议嗯，终于做完了！挺开心的。2009年6月27日设计好电路并做了仿真，几次修改后基本确定可以实现的功能。确定我的设计没有问题后开始绘制原理图和PCB，手动布线了两个晚上，2009年6月29日结束了在实物焊接前应有的所有准备工作。2009年7月2日进实验室，7月3号上午拿到所有芯片和元器件，3号晚上8点所有子模块焊接调试结束，上电后系统就正常工作了。7月7日上午拿到了74LS373，中午将报警模块焊接调试成功。7月7日下午是第一个被验收的，通过了。总体来说，这几天进展一直挺顺利的。身边的同学有出问题的，而且很多同学都会出现各种问题。我的验收后我还在实验室待了两天，帮大家解决问题。总体来说，我接触到的同学所做的设计普遍存在一个问题：不是自己设计的，上网或者在图书馆资料上找来的。他们并没有弄明白他们要做的电路问什么会实现这样的功能，所以一旦仿真或者焊接后出现问题了就不知如何去解决。举个例子，555芯片主要