数字式秒表课程设计(1)

1、课程设计报告题 目： 数字式秒表 学 院： 电气学院 专 业： 自动化 班 级： 姓 名： 学 号： 指导老师： 2015年6月29日目录摘要第1章 系统概述1.1 数字式秒表的设计要求与分析 1.2 设计方案论证 1.3 总体设计方案框图及分析第2章 单元电路的设计与分析2.1 基准脉冲的获取 2.2 控制电路的选择 2.3 计数、译码、显示单元的设计第3章 整体电路图 3.1 总体电路图 3.2 各部分工作原理第4章 体会与收获 4.1 遇到的问题及解决方案 4.2 心得体会参考文献元器件明细表摘 要 本次的设计任务是一个数字秒表，而秒表与普通的钟表不同，它的目的是对从某一时刻到另一时刻的

2、时间间隔进行计时。 在翻阅相关资料后，我们把秒表的设计分成了三大部分：基准脉冲产生部分；控制部分和计数、译码、显示部分。 基准脉冲产生部分由石英振荡器和由计数器组成的分频器构成。在石英振荡器中，石英晶体的固有频率是1M Hz，即振荡器的输出为1M Hz的矩形脉冲。而分频器将1M Hz分频为100 Hz的基准脉冲。 控制部分可由基本RS触发器和相应的开关组成。 计数、译码、显示部分中，将使用同步四位二进制加法计数器74LS161 来计数。74LS48是BCD-7段译码器/驱动器，专用于驱动LED七段共阴极显示数码管。第一章1.1 数字式秒表的设计要求与分析 设计要求如下： 秒表的最大计时值为99

3、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、暂停及继续计数等控制功能； 首先，秒表的分辨率为0.01秒，故要获得频率为100 Hz的基准毫秒脉冲；其次，分、毫秒计数器为100进制计数器，秒计数器为60进制计数器；最后，用一个控制键实现秒表的暂停/继续计数功能，用另一个控制健实现秒表的清零/启动功能。分别实现以上模块功能，即可设计出符合要求的数字秒表。1.2设计方案论证 即为数字式秒表，那么必须有数字显示。按设计要求，须用数码管来做显示器。题目要求最大记数值为99分59.99秒，那则需要六个数码管。要求计数分辨率为0.01秒，那么我们需要相应频率的信号发生器。选择信

4、号发生器时，有两种方案：一种是用晶体震荡器，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。秒表核心部分使用六个74161计数器采用串联方式构成，这种连接方式简单，使用元器件数量少。本次设计采用的是555构成的多谐振荡器，成本低，操作简便。1.3总体设计方案框图及分析 通过以上的分析，查阅相关资料后，得数字式秒表的原理方框图如图1-3所示。如图1-3 数字式秒表原理图 本电路由启动、清零复位电路、多谐振荡电路、分频计数电路、译码显示电路等组成，整体上是按照基准脉冲产生部分，控制部分和计数、译码、显示部分这三大部分来设计的。第2章 单元电路的设计与分析2.1 基准脉冲的获取 1

5、.方案一：由555构成多谐振荡器 555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件，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，因而它的输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。 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R如图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

6、电压VCC /3 和 2VCC /3。如图2-1 555多谐振荡器注明：6脚为THR，触发器输入端，低电平有效。 2脚为TRI，阀值输入端，高电平有效。4脚为RST，总复位端，低电平有效。 7脚为DIS，放电端。5脚为CON，控制端。1脚接地，8脚接电源。 3脚为输出端。TD为内部三极管。 由555定时器构成的多谐振荡器如图2-2（a）所示，图1.3(b)为其工作波形。如图2-2 555振荡器及波形矩形波的振荡周期T=T1+T2=2（R1+2R2）C»在调试电路时，调节电位器RP，使输出脉冲周期为0.01s，即可获得所需的基准脉冲。仿真图如图2-3 基准仿真图2方案二：由石英晶体构成

7、的多谐振荡器 在对频率的稳定性要求较高的电路中，应采用频率稳定性很高的石英晶体振荡器，图2-4给出了两种常见的石英晶体振荡电路。如图2-4 晶体振荡器石英晶体振荡电路的谐振频率由石英晶体的固有频率决定，故图 1.4中的两电路输出的波形的振荡频率均为1M Kz，电路中其它元器件对输出波形频率的影响极为有限。只是石英晶体振荡器产生的频率很高，要得到基准毫秒脉冲，还需要用分频电路。振荡器输出1M Kz信号，为了得到100 Hz的振荡脉冲，可以进行10 000分之一的分频。3. 两种方案的比较与选择石英晶体振荡器成本高，需要元器件多，电路比较复杂而用555多谐振荡器结构简单，成本低，易于维修，不需加分

8、频电路。因此在数字式秒表的设计中，选择了方案一。2.2控制电路的选择 1.启动和暂停控制开关 启动和暂停控制开关是由基本RS触发器构成的。基本RS触发器是由两个与非门交叉耦合而成的，是TTL触发器的最基本组成部分，其逻辑图如图2-5所示，它能够存储1位二进制信息，但存在 R+S =1的约束条件。如图2-5 与非门组成的RS触发器逻辑电路及逻辑符号基本RS触发器的用途之一是作无抖动开关。例如触发器是具有记忆功能的二进制信息存储器件，是时序逻辑电路的基本器件之一。在图2-5（a）所示的电路中通过希望在开关S闭合时，A点电压的变化是从+5V到0V的清楚跃迁，但是由于机械开关的接触抖动，往往在几十毫秒

9、内电压会出现多次抖动，相当于连续出现了几个脉冲信号。显然，用这样的开关产生的信号直接作为电路的驱动信号可能导致电路产生错误动作，这在有些情况下是不允许的。为了消除开关的接触抖动，可在机械开关与驱动电路间接入一个基本RS触发器（如图1.10所示），把带RS触发器的无抖动的开关称为逻辑开关。 在秒表的设计电路图中，启动和暂停控制开关电路如下图2-7所示。由图2-7知，当开关S1都打开时，基本RS触发器的两输入端都是1，触发器输出保持原状态不变。当开关S1向上闭合是，Q输出1，基准脉冲可以输入到计数单元，秒表起动计时；当开关S1向下闭合是，Q输出0，基准脉冲无法输入到计数单元，秒表暂停计时。若要继续

10、计时，合上开关J1即可。如图2-7 启动和暂停控制开关2.清零开关的设计 清零功能的实现相对而言比较简单。把计数单元的所有74LS161的清零控制端Rd连接在一起，通过一个开关接地，需要清零时，闭合开关就行。 2.3 计数、译码、显示单元的设计1.计数器的设计 基准脉冲经过6级计数器，分别得到“秒”十分位、百分位，“秒”个位、十位，“分”个位、十位的计时。由数字秒表的设计要求知，“毫秒”“分”计数器为100进制，“秒”计数器为60进制。秒表中的计数器是由74LS161构成的。74LS161是集成同步二进制计数器，该计数器具有同步预置、异步清零、计数和保持四种功能，且有进位信号输出端，可串接计数

11、使用。它的引脚图和逻辑功能表分别见图2-8和2-1。如图2-8 74LS161 引脚图表2-1 74LS161逻辑功能表（1）反馈清零法 反馈清零法是利用反馈电路产生一个给计数器的复位信号，使计数器各输出端为零（清零）。反馈电路是组合逻辑电路，计数器输出部分或全部作为其输入，在计数器一定的输出状态下即时产生复位信号，使计数电路同步或异步地复位。反馈清零法构成的十进制计数器如图2-9所示。如图2-9 反馈清零构成的十进制加法器（2）反馈置数法 反馈置数法是将反馈逻辑电路产生的信号送到计数电路的置位端，在滿足条件时，计数电路输出状态为给定的二进制码，否则置数端无效，电路处于计数状态。反馈置数法构成

12、的十进制计数器如图2-10所示。如图2-10 反馈置数法构成的十进制计数器（3）100进制计数器 由74161构成的100进制计数器如图2-11所示。如图2-11 100进制计数器 由图2-11 知，100进制计数器中，由74161构成的个位和十位计数器均是10进制的，即上述100进制计数器是由两个10进制计数器级联而成的。（4）60进制计数器 由74161构成的60进制计数器如图2-12所示。如图2-12 60进制计数器 由图2-12知，上述60进制计数器也是用乘数法构成的，它是由一个十进制计数器和一个六进制计数器级联而成。2译码显示电路 本设计中选用的74LS48是BCD码七段译码器兼驱动

13、器，输出端（YaYg）为高电平有效，可驱动共阴极LED显示器，其外引线排列图和功能表分别如图2-13和表1.3所示。如图2-13 74LS48的引线排列图显示器采用七段发光二极管显示器，它可直接显示出译码器输出的十进制数。七段发光显示器有共阳和共阴两种接法。与74LS48译码器配套的显示器为共阴型。七段显示器的外引线排列图和7段数码管结构分别如图2-14、图2-15所示。 如图2-14外引线排列图 如图2-15数码管结构图 计数、译码、显示部分的总电路图如下图2-16所示。如图2-16计数、译码、显示部分的总电路图第三章 整体电路图 3.1 总体电路图 如图3-1 总电路图3.2各部分工作原理

14、如下： 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。 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。 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。 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。 译码器电路：是将数码转换为一定的控制信号。在此由74LS47集成元件构成，它能将十个

15、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阳极七段LED显示器。在仿真软件上接通电源 1.合上复位电路的开关，是电路在工作之前先清零。电子秒表处于复位状态。 2.当第一次按动开关K，产生第一个单脉冲作为基本RS触发器的时钟，使三状态控制电路的输出端Q1产生高电平，经与非门后，使0.01秒脉冲进入计数器计数，并译码、显示出来。 3.当第二次按动开关K，产生第二个单脉冲使三状态控制电路输出端Q1输出低电平Q2输出高电平，关闭与非门，使计数停止。 4.当需要复位清零时，按动复位电路的开关K。电路即处于复位状态。 5.再按动

16、控制电路开关K时，电子秒表又进入计数状态。第4章 体会与收获4.1 遇到的问题及解决方案 问题1 最初设计中，在暂停/继续计时控制电路中使用了两个开关，在清零电路中又用了一个开关，未能达到设计中“控制按键不超过两个的要求”。 解决方法：在暂停/继续计时控制电路中使用一个单刀双掷开关，即所谓的乒乓开关。不过使用乒乓开关从一个接点转向另一个接点时会花费时间，就是说当你想停止计数是并不能立即停止计数。 问题2 在显示单元的调试过程中，开始时，七段数码管无显示。 解决方法：在同学的帮助下，才明白，原来是共阴极数码管的接地端不对，multisim仿真元件使用的不熟练。4.2 心得体会 两周的课程设计已经

17、结束，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。 我对这个课程设计课有着深刻的体会：要想做好这个课程设计，就必须认认真真地