电子技术综合设计与实践-电子秒表设计

课,程,设,计,课程名称,,电子技术综合设计与实践,题目名称学生学院,专业班级学,,,,号学生姓名指导教师

广东工业大学课程设计任务书

题目名称电子秒表学生学院自动化学院专业班级自动化姓,,,,名学,,,,号一、课程设计的内容1）利用各种器件设计电子秒表，电子秒表电路是一块独立构成的计时集成电路芯片。它集成了计数器、译码器和驱动等电路，能够对秒以下时间单位进行精确计时，具有清零、启动计时、暂停计时、继续计时以及简单记忆等功能；2）使用可编程逻辑器件和QUARTUS,II软件，用原理图输入方法，进行编译，仿真。利用DE2板对所设计的电路进行验证；,3）总结电路设计结果,。 二、课程设计的要求与数据1）秒表由5位七段LED显示器显示，其中一位显示“minute”,四位显示“second”，其中显示分辩率为0.01,s，计时范围是0—9分59秒99毫秒；2）具有清零、启动计时、暂停计时及继续计时等控制功能；3）控制开关为两个：启动（继续）/暂停计时开关和复位开关；4）具有简单的记忆分析功能，即：能够记忆最近3次记录的时间，并用LED显示其中最大的时间值和最小的时间值。三、课程设计应完成的工作1）秒表由5位七段LED显示器显示，其中一位显示“minute”,四位显示“second”，其中显示分辩率为0.01,s，计时范围是0—9分59秒99毫秒；2）具有清零、启动计时、暂停计时及继续计时等控制功能；3）控制开关为两个：启动（继续）/暂停计时开关和复位开关；4）具有简单的记忆分析功能，即：能够记忆最近3次记录的时间，并用LED显示其中最大的时间值和最小的时间值。四、课程设计进程安排序号设计各阶段内容地点起止日期1Quartus,II,入门学习，熟悉设计流程实2-21412.212进一步学习Quartus,II，讲解各设计任务及其要求，分配设计任务实2-21412.223通过查阅资料，独立完成电路设计，提交纸质电路原理图草稿实2-21412.234在Quartus,II和DE2板上实现设计实2-21412.24~255演示和验收实2-21412.256完成设计报告12.26~12.27五、应收集的资料及主要参考文献复习数值比较器、移位寄存器以及加/减计数器的工作原理，掌握电子秒表的工作原理及其设计方法，并对各种元器件的功能和应用有所了解。并能对其在电路中的作用进行分析。收集一些芯片的Datasheet：数值比较器74LS85、十进制同步加法计数器74LS160、四位移位寄存器74LS194、分频器74LS292、四线-七线译码器74LS47。参考文献：[1],阎石.,数字电子技术基础[M].,北京:,高等教育出版社,,2006.5：215-355[2],刘昌华.,数字逻辑EDA设计与实践——MAX+plusⅡ与QuartusⅡ双剑合璧[M].,北京:,国防工业出版社,,2006:,296-400.[3],潘松,黄继业.,EDA技术实用教程[M].,北京:,科学出版社,,2008:,13-195.[4],谢云.现代电子技术实践课程指导[M],北京：机械工业出版社，2007 发出任务书日期：,2009,年,9,月,14,日,,,,指导教师签名：计划完成日期：,,,2009,年,9,月,25,日,,,,基层教学单位责任人签章：主管院长签章：摘,,,,要电子秒表在生活中可广泛应用于对运动物体的速度、加速度的测量实验,还可用来验证牛顿第二定律、机械能守恒等物理实验,同时也适用于对时间测量精度要求较高的场合.测定短时间间隔的仪表。有机械秒表和电子秒表两类。机械秒表与机械手表相仿，但具有制动装置，可精确至百分之一秒；电子秒表用微型电池作能源，电子元件测量显示，可精确至千分之一秒。广泛应用于科学研究、体育运动及国防等方面在当今非常注重工作效率的社会环境中，定时器能给我们的工作、生活以及娱乐带来很大的方便，充分利用定时器，能有效的加强我们的工作效率。数字电子秒表是利用数字电子技术把模拟信号转换成数字信号来完成的，具有直观、准确性高的特点。关键词：电子秒表、计时、定时器、Quartus,II目,,,,录,TOC,\o,"1-3",\h,\z,\u,,HYPERLINK,\l,"_Toc241751231",1,,设计任务目的与要求 ,PAGEREF,_Toc241751231,\h,1,HYPERLINK,\l,"_Toc241751232",1.1 设计目的 ,PAGEREF,_Toc241751232,\h,1,HYPERLINK,\l,"_Toc241751233",1.2 设计要求 ,PAGEREF,_Toc241751233,\h,1,HYPERLINK,\l,"_Toc241751234",1.3 设计内容 ,PAGEREF,_Toc241751234,\h,1,HYPERLINK,\l,"_Toc241751235",2,,模块及其原理介绍 ,PAGEREF,_Toc241751235,\h,2,HYPERLINK,\l,"_Toc241751236",2.1,电路整体原理图 ,PAGEREF,_Toc241751236,\h,2,HYPERLINK,\l,"_Toc241751237",2.2,时钟脉冲模块 ,PAGEREF,_Toc241751237,\h,2,HYPERLINK,\l,"_Toc241751238",2.3,计数器模块 ,PAGEREF,_Toc241751238,\h,3,HYPERLINK,\l,"_Toc241751239",2.4,存储模块 ,PAGEREF,_Toc241751239,\h,3,HYPERLINK,\l,"_Toc241751240",2.5,显示模块 ,PAGEREF,_Toc241751240,\h,4,HYPERLINK,\l,"_Toc241751241",3,,设计方案 ,PAGEREF,_Toc241751241,\h,4,HYPERLINK,\l,"_Toc241751242",3.1方案论证 ,PAGEREF,_Toc241751242,\h,4,HYPERLINK,\l,"_Toc241751243",3.2,设计总体框图 ,PAGEREF,_Toc241751243,\h,5,HYPERLINK,\l,"_Toc241751244",4,,实验结果与数据分析 ,PAGEREF,_Toc241751244,\h,8,HYPERLINK,\l,"_Toc241751245",4.1,电子秒表的整体测试 ,PAGEREF,_Toc241751245,\h,8,HYPERLINK,\l,"_Toc241751246",4.2,电子秒表准确度的调整 ,PAGEREF,_Toc241751246,\h,9,HYPERLINK,\l,"_Toc241751247",5,,结论与问题讨论 ,PAGEREF,_Toc241751247,\h,9,HYPERLINK,\l,"_Toc241751248",5.1,完成设计要求的程度 ,PAGEREF,_Toc241751248,\h,9,HYPERLINK,\l,"_Toc241751249",5.1设计可改进的地方和方法 ,PAGEREF,_Toc241751249,\h,9,HYPERLINK,\l,"_Toc241751250",6,,设计心得 ,PAGEREF,_Toc241751250,\h,10,HYPERLINK,\l,"_Toc241751251",参考文献 ,PAGEREF,_Toc241751251,\h,101,,设计任务目的与要求设计目的1.建立数字电子电路系统的基本概念；2.熟悉FPGA的应用，计数器的级联及其计数、译码、显示电路的整体配合；3.建立分频的基本概念。设计要求1）利用各种器件设计电子秒表，电子秒表电路是一块独立构成的计时集成电路芯片。它集成了计数器、译码器和驱动等电路，能够对秒以下时间单位进行精确计时，具有清零、启动计时、暂停计时、继续计时以及简单记忆等功能；2）使用可编程逻辑器件和QUARTUS,II软件，用原理图输入方法，进行编译，仿真。利用DE2板对所设计的电路进行验证；3）总结电路设计结果,。设计内容1）秒表由5位七段LED显示器显示，其中一位显示“minute”,四位显示“second”，其中显示分辩率为0.01,s，计时范围是0—9分59秒99毫秒；2）具有清零、启动计时、暂停计时及继续计时等控制功能；3）控制开关为两个：启动（继续）/暂停计时开关和复位开关；4）具有简单的记忆分析功能，即：能够记忆最近3次记录的时间，并用LED显示其中最大的时间值和最小的时间值。2,,模块及其原理介绍2.1,电路整体原理图图1图1是电子秒表完全的电路原理图，按功能可以分成四个单元电路进行分析，由时钟脉冲发生器、计数器、译码器和数码管等组成。2.2,时钟脉冲模块如图所示为电子秒表的时钟脉冲发生电路，系统通过CLK输入50MHz的时钟脉冲，经过74LS194分频后得到我们所需要的100Hz的时钟信号，由Q端引出。2.3,计数器模块图中所示为计数器的部分电路，系统要求我们设计的电子秒表计数范围是0-9分59秒99毫秒，因此我们用5片同步十进制计数器74LS160予以实现，把低三位74LS160接成十进制计数器作为毫秒和秒的个位，把次高位接成六进制计数器作为秒的十位，而最高位用十进制表示分。除最高位外，其余四个74LS160都是用置数法来实现计数器清零的。2.4,存储模块如图所示为秒表存储数据的部分电路，我们运用30片74LS194四位移位寄存器和15片74LS85比较器进行比较存储，储存的是最后秒表暂停或清零前记录的三组数据，通过比较存储输出最大值和最小值。2.5,显示模块显示模块的电路通过4线-7线译码器74LS47把计数模块的数据及存储模块的数据进行编码输入到数码管最终显示出来，图中为部分显示模块电路。3,,设计方案3.1方案论证方案一,采用8051IP核设计。用FPGA构成一个8051单片应用系统具有如下优缺点：1、拥有标准8051完全兼容的指令系统的CPU；2、256字节内部RAM；3、4K字节程序ROM；4、每一此编译下载后都能根据需要更新ROM中的程序，所以该单片机的实现和使用如同89C51/52一样方便。缺点：设计烦琐可以直接用8051单片机代替。程序复杂。方案二,采用芯片CycloneⅡEP2C35F672C6、共阴七段数码管、按键、开关、设计。EP2C35F672C6是Cyclone器件,Cyclone可以最多支持129个通道的LVDS和RSDS。Cyclone器件的LVDS缓冲器可以支持最高达640Mbps的数据传输速度。与单端的I/O口标准相比，这些内显置于Cyclone器件内部的LVDS缓冲器保持了信号的完整性，并且有更低的电磁干扰、更好的电磁兼容性（EMI）及更低的电源功耗。采用此芯片设计简单,不需要用汇编语言编写程序,直接用VHDL编写即可以.,缺点：与8051IP核相比精确度不是很高。但是对于秒表系统设计可以满足要求。我们采用这种方法进行设计。3.2,设计总体框图3.4,原理方框图其原理方框图如图2所示图23.5,编译仿真下面使用Quartus,II7.2对本设计进行编译和仿真。首先创建工程,把本设计中的所有设计文件添加进工程后,先对每个模块进行编译纠错,通过之后就可以进行仿真。先进行软件仿真每一部分的仿真从略,下面只说明系统的整体仿真波形。系统工作时的仿真波形如图所示。确定准确无误后然后开始锁定管脚,执行菜单命令assignments→pins出现如下：锁定后的管脚结果如下:NodeNameDirectionLocationA[7]OutputPIN_V13A[6]OutputPIN_V14A[5]OutputPIN_AE11A[4]OutputPIN_AD11A[3]OutputPIN_AC12A[2]OutputPIN_AB12A[1]OutputPIN_AF10B[7]OutputPIN_AB24B[6]OutputPIN_AA23B[5]OutputPIN_AA24B[4]OutputPIN_Y22B[3]OutputPIN_W21B[2]OutputPIN_V21B[1]OutputPIN_V20C[7]OutputPIN_Y24C[6]OutputPIN_AB25C[5]OutputPIN_AB26C[4]OutputPIN_AC26C[3]OutputPIN_AC25C[2]OutputPIN_V22C[1]OutputPIN_AB23clkInputPIN_N2D[7]OutputPIN_W24D[6]OutputPIN_U22D[5]OutputPIN_Y25D[4]OutputPIN_Y26D[3]OutputPIN_AA26D[2]OutputPIN_AA25D[1]OutputPIN_Y23E[7]OutputPIN_T3E[6]OutputPIN_R6E[5]OutputPIN_R7E[4]OutputPIN_T4E[3]OutputPIN_U2E[2]OutputPIN_U1E[1]OutputPIN_U9KEY0InputPIN_G26SW0InputPIN_N25sw1InputPIN_N26sw2InputPIN_P25管脚锁定好以后再重新编译一次编译通过后执行Tools→Progammer命令出现如下：单击"start"按钮,开始硬件仿真.如果不能实现还需要重新调试程序直到实现秒表功能为止.4,,实验结果与数据分析4.1,电子秒表的整体测试 各单元电路测试正常后，按图把几个单元电路连接起来，进行电子秒表的总体测试。把编译好的电路程序下载到ED2板后数码管显示全0，按一下按钮开关SW0，则计数器便开始计时，观察数码管显示计数情况是否正常，如不需要计时或暂停计时，再按一下开关SW0，计时立即停止，但数码管保留所计时之值，如需继续计时，可再按一次SW0。要在秒表计数中或者停止后进行复位，可按一下按键KEY0，则数码管立即显示全零。需要显示最后纪录的三组数据的最大值，可在复位后按一下开关SW1，而按一下开关SW2则显示最小值。4.2,电子秒表准确度的调整,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,利用电子钟或手表的秒计时对电子秒表进行校准。可通过与手表计时一分钟的时间与设计的电子秒表进行误差分析，通过调整分频电路的分频输出时钟信号来校正电子秒表的精确度。5,,结论与问题讨论5.1,完成设计要求的程度本设计基本上按要求实现了所有功能，虽然我们所用到的芯片多了点，但是电路运行却很可靠，在设计过程中我们遇到了很多问题。一开始画好电路原理图进行编译并下载到硬件电路里面后，我们发现数码管显示数字出现进位错误，多次修改电路方案后仍然出错，经过仔细检查后我们才发现，是原理图复位端没有跟计数器芯片的清零端连住，这一问题解决后，我们的秒表计数就准确了。接下来事进行秒表的功能扩展，即实现秒表最大值和最小值的显示。一开始我们动用了30个移位寄存器74LS194和15个四线-七线译码器74LS47，但是在硬件电路上检验后我们发现，经过四线-七线译码器74LS47输出的信号只能输进数码管一次，此时，我们把15个四线-七线译码器74LS47先经过或门的连接，再与计数器输出端用或门连接，最后公用一个数码管，但是此时数码管的输入端只有一个信号，因此顺利得完成了秒表的数值显示和最大最小值的记录。5.1设计可改进的地方和方法在显示最大值和最小值的时候，我们的设计结果是只能通过复位后才能进行显示。可改进的地方就是对原理图中存储电路时钟信号的修改。可以在数值比较器比较后得出的结果用或门结成所需要的时钟脉冲，然后用做存储数据显示的触发脉冲。总的来说，我们的设计已经是符合要求的了。6,,设计心得经过了一周的课程设计,现在终于有了一点的心得,原本以为我对数字电子技术还是比较了解的,所以一向以为数字电子技术的课程设计应该不会觉得很难,可是事实并不是我所想的那样,刚开始的几天我们虽然很快就画好了电路原理图，可是在实践检验中却不断碰壁，好多