數字電子技術課程設計-數字秒表(共21頁)

1、精選優質文檔-傾情為你奉上課程設計（大作業）報告課程名稱： 數字電子技術 設計題目： 數字秒表 院 系： 信息技術學院 班 級： 設 計 者： 學 號： 指導教師： 張虹 設計時間： 2015.12.14-2015.12. 18 信息技術學院昆明學院課程設計（大作業）任務書姓 名：院（系）：信息技術學院專 業：計算機科學與技術學 號：任務起止日期：2015.12.14-2015.12. 18課程設計題目：數字秒表課程設計要求：設計一個數字秒表完成以下內容：1.設計基準脈沖信號源以滿足計時部分電路的需求。2. 計時部分的計數器由0.01s位、0.1位、s個位三個計數器組成。3. 計時器控制部分選

2、用3位環形計數器來實現。其3個輸出端分別用做清零、計時、停止3種狀態；單脈沖發生器由基本RS觸發器構成，為節拍發生器提供時鐘脈沖。每按一次開關就能產生一個單脈沖。每按一次開關就能產生一個單脈沖，用以控制3種狀態的轉換。工作計劃及安排：1、查閱資料1天。分析比較、選擇設計方案；2、總體設計2天。設計計算、元件選取、繪制電路原理圖；3、軟件仿真及調試0.5天。利用Proteus軟件構建電路，進行虛擬仿真;4、故障排除0.5天。根據調試過程中出現的問題，逐一查找原因，排除故障，使電路達到設計要求；5、撰寫課程設計報告0.5天。寫出設計思路、工作原理，畫出電路結構框圖，繪出電路原理圖，給出設計參數及調

3、試電路數據，分析設計中遇到的問題和解決方法及設計心得體會；6、答辯0.5天。指導教師簽字 年 月 日課程設計（大作業）成績學號 姓名 指導教師： 課程設計題目：數字秒表總結：在進行此次的課程設計之前，我就已經開始對此次的課程設計有了期待，于是我就為自己寫下了設計的安排和計劃：首先確定課程設計的題目然后查閱資料，擬好設計思路。等到了實訓的第一天，開始了我的課程設計，雖然我之前就設計好了電路圖，還查閱了相應的資料，但是還是遇到了問題。在我進行仿真的過程中，數碼管上的數字有些部分是缺失了的，花了很久的時間檢查各條連線之后，我終于糾正了這個錯誤。這個問題的出現讓我不得不感慨線路的作用，因為一條線路的連

4、接錯誤都會影響到整個電路的仿真。通過這幾天的實訓，我不僅完成了課程設計還更深層次的了解和掌握了數字電子技術的知識，而且提升了我用理論解決實際問題的能力，更鍛煉了我的動手能力。唯一的缺點就是不夠細心。的確，理論上分析可行的在實踐中卻無法達到預期的效果，這就需要我們能夠學會查找錯誤的原因。指導教師評語：成績：填表時間：指導教師簽名：目 錄專心-專注-專業一、設計目的1、學習數字電路中基本RS觸發器、單穩態觸發器、時鐘發生器及計數、譯碼顯示器等單元電路的綜合應用。2、學習電子秒表的調試方法。3、秒表由五位七段LED顯示器顯示，其中一位顯示“min”，四位顯示“s”，其中顯示分辨率為0.01s，計時范

5、圍為09分59秒99毫秒；具有清零、啟動計時、暫停計時及繼續計時等功能；控制開關為兩個；啟動（繼續）/暫停計時開關和復位開關。二、設計要求和設計指標制作一個數字秒表，將單個數字秒表組合設計成可以同時對多人進行計時的多人數字秒表。電子秒表的工作原理就是不斷輸出連續脈沖給加法計數器，而加法計數器通過譯碼器來顯示它所記憶的脈沖周期個數。1.時鐘發生器：利用石英震蕩555定時器構成的多諧振蕩器做時鐘源,產生脈沖。2.記數器：對時鐘信號進行記數并進位,百分之一秒和十分之一秒以及個位秒之間10進制,十位秒為六進制; 本設計采用可預置的十進制同步加法計數器74LS90構成電子秒表的計數單元。3.譯碼器：對脈

6、沖記數進行譯碼輸出到顯示單元中。4.顯示器：采用4片LED顯示器把各位的數值顯示出來，是秒表最終的輸出，共有四位，精確到百分之一秒；74LS48是BCD碼到七段碼的顯示譯碼器。5.控制器：控制電路是對秒表的工作狀態（記時開始/暫停）進行控制的單元。屬低電平直接觸發的觸發器，有直接置位、復位的功能。三、設計內容3.1電子秒表工作原理元器件清單元件名稱與規格數量NE5551個74LS909個74LS486個74ls006個數碼管6個瓷片電容2個電阻5個復位器2個導線若干表1 元器件清單3.1.1總體設計 圖1 總體工作流程圖 圖 2單獨模塊工作流程圖3.1.2 脈沖電路設計用 555 實現多諧振蕩

7、產生頻率為100Hz的方波（即周期為0.01秒的方波）。 圖 3 555管腳圖 圖 4 555內部原理圖 （1）555電路的工作原理555電路的內部電路方框圖如圖4所示。它含有兩個電壓比較器，一個基本 RS觸發器，一個放電開關管 T，比較器的參考電壓由三只5K Q的電阻器構成的分壓器提供。它們分別使高電平比較器C1的同相輸入端和低電平比較器C2的反相輸入端的參考電平為2/3Vcc和上1/3Vcc。C1與C2的輸出端控制RS觸發器狀態和放電管T的開關狀態。當輸入信號自6腳即高電平觸發輸入并超過參考電平2/3Vcc時，觸發器復位，555的輸出端3腳輸出低電平，同時放電開關管T導通：當輸入信號自2腳

8、輸入并低于1/3Vcc時，觸發器置位，555的3腳輸出高電平，同時放電開關管截止。4腳是復位端，當=0，555的3腳輸出低電平。平時端開路或接Vcc， 5腳Vco是控制電壓端，平時輸出2/3Vcc作為比較器C1的參考電平，當5腳外接一個輸人電壓，即改變了比較器的參考電平，從而實現對輸出的另一種控制，在不接外加電壓時，通常接一個0.047µf的電容器接地，起濾波作用，以消除外來的干擾，確保參考電平的穩定。T為放電管，當T導通時，將給接于腳7的電容器提供低阻值的放電通路。555定時器主要是與電阻、電容構成充放電電路，并由兩個比較器來檢測電容器上的電壓，以確定輸出電平的高低和放電開關管的通

9、斷。這就很方便地構成從微秒到數十分鐘的延時電路，可方便地構成單穩態觸發器，多諧振蕩器，施密特觸發器等脈沖產生或波形變換電路。（2）構成多諧振蕩器如 圖5（a）, 由555定時器和外接元件、構成多諧振蕩器，腳2與腳6直接相連。電路沒有穩態，僅存在兩個暫穩態，電路亦不需要外加觸發信號，利用電源通過、向充電，以及通過向7腳放電端放電，其波形如 圖5（b）所示。輸出信號的時間參數是Ttw1十tw2， tw10.7(十)， tw20.7，555電路要求和均應大于或等于1K，但十應小于或等于3.3M。 外部元件的穩定性決定了多諧振蕩器的穩定性，555定時器配以少量的元件即可獲得較高精度的振蕩頻率和具有較強

10、的功率輸出能力。因此這種形式的多諧振蕩器應用很廣。 圖5（a） 555定時器構成多諧振蕩器 圖5（b） 555定時器構成多諧振蕩器輸出波形（3）組成占空比可調的多諧振蕩器 圖6 555組成占空比可調的多諧振蕩器 電路如 圖6，它比 圖5所示電路增加了一個電位器和兩個相同的二極管。D1、D2用來決定電容充、放電電流流經電阻的途徑（充電時D1 導通，D2截止：放電時D2導通，D1截止）。占空比: Ptw1 / ( tw1十tw2) 0.7/0.7 (+) /(+)可見，若取=。電路即可輸出占空比為 50的方波信號。如圖3-7是輸出為占空比50的方波 圖7 輸出占空比為 50的方波3.1.3總清零控

11、制電路如圖8 為電路的總清零控制電路，該電路在開關合上之后會輸出低電平，作用于各個74LS90的MR端，實現異步清零功能；開關斷開之后輸出高電平，電路處于計時狀態。總清零控制電路便于實現電路的總的清零控制，同時也對時鐘脈沖起到控制作用。 圖8 電路的總清零控制電路3.1.4時間計數單元 記數器74160、74ls192、74LS90等都能實現十進制記數，本設計采用十進制加法計數器74LS90構成電子秒表的計數單元。計數器1及計數器2接成8421碼十進制形式，其輸出端與實驗裝置上譯碼顯示單元的相應輸入端連接，可顯示0.10.9秒計時，計數器2及計數器3也接成8421碼十進制形式，計數器3和計數4

12、接成60進制的形式，實現秒對分的進位。計數器2及計數器3也接成8421碼十進制形式。集成異步計數器74LS90簡介 74LS90計數器是一種中規模二一五進制計數器，管腳引線如圖，功能表如表1所示。   復位輸入輸出R1 R2 S1   S2 QD QC QB QAH H   L   ×H H   ×   L× ×   H   HX L   ×  

13、LL ×   L   ×L ×   ×   L× L   L   ×L L L LL L L LH L L H計      數計      數計      數計      數  表2 74ls90功能

14、表A 將輸出QA與輸入B相接，構成8421BCD碼計數器；B 將輸出QD與輸入A相接，構成5421BCD碼計數器；C 表中H為高電平、L為低電平、×為不定狀態。74LS90邏輯電路圖如圖3.6-1所示，它由四個主從JK觸發器和一些附加門電路組成，整個電路可分兩部分，其中FA觸發器構成一位二進制計數器；FD、FC、FB構成異步五進制計數器，在74LS90計數器電路中，設有專用置“0”端R1、R2和置位（置“9”）端S1、S2。74LS90具有如下的五種基本工作方式：（1）五分頻：即由FD、FC、和FB組成的異步五進制計數器工作方式。（2）十分頻（8421碼）：將QA與CK2聯接，可構成

15、8421碼十分頻電路。（3）六分頻：在十分頻（8421碼）的基礎上，將QB端接R1，QC端接R2。其計數順序為000101，當第六個脈沖作用后，出現狀態QCQBQA=110，利用QBQC=11反饋到R1和R2的方式使電路置“0”。 （4） 九分頻：QAR1、QDR2，構成原理同六分頻。（5）十分頻（5421碼）：將五進制計數器的輸出端QD接二進制計數器的脈沖輸入端CK1，即可構成5421碼十分頻工作方式。 此外，據功能表可知，構成上述五種工作方式時，S1、S2端最少應有一端接地；構成五分頻和十分頻時，R1、R2端亦必須有一端接地。圖9 74ls90引腳示意圖3.1.5分頻電路 通常，由555構

16、成的多謝振蕩器輸出頻率是100Hz的，是比較高，為了得到 10Hz、1Hz、0.1Hz的秒信號輸入，需要對振蕩器的輸出信號進行分頻。 須設計三個十進制計數器 ，對頻率為 100Hz 的時鐘脈沖進行十分頻得到10Hz，再對頻率為 10Hz 的時鐘脈沖進行十分頻得到1Hz，對頻率為 1Hz 的時鐘脈沖進行十分頻得到0.1Hz。一個單獨的模塊有四個74LS90組成，四塊分別控制四位，在最低位的74LS90的進位輸出端 RCO（進位時輸出有效為高電平）取得周期為 0.1S 的矩形脈沖，作為記錄十分之一秒位的使能端控制位，從而使得每十個100Hz的脈沖到來后十分之一位加一。以此內推，由十分之一秒位 可以

17、控制秒位，由秒位控制十位。 用集成74ls90 為可預置的十進制同步計數器實現，電路圖如下：如 圖10是 74LS90構成十進制計數器 圖10 74LS90構成十進制計數器如圖11是 74LS90構成0.1秒位、1秒位、十秒位計數器圖11 74LS90構成0.1秒位、1秒位、十秒位計數器3.1.6碼驅動及顯示單元 計數器實現了對時間的累計以 8421BCD碼形式輸出，用顯示譯碼電路將計數器的輸出數碼轉換為數碼顯示器件所需要的輸出邏輯和一定的電流。譯碼顯示單元:本部分由74ls48譯碼器和七段顯示共陰極數碼管構成。在其引腳當中A、B、C、D為BCD碼輸入端，QA、QB、QC、QD、QE

18、、QF、QG為譯碼輸出端，輸出“1”有效，用來驅動LED數碼管。電路如 圖12：圖12 由74ls48譯碼器和七段顯示共陰極數碼管構成的譯碼電路3.1.7多功能數字秒表電路的組合1. 由計數、分頻、譯碼組成的電路，如 圖13所示。該電路組成之后，就可以進行0：00到9：99的循環顯示過程。各顯示器從左到右依次對應的是十秒位、秒位、十分之一秒位。 圖13 由計數、分頻、譯碼組成的電路2. 一個單獨的電子秒表電路如 圖14 是單獨的電子秒表電路 。該電路可以實現單個電子秒表計數，可實現顯示器全部清零、開始計時功能。其中，為了防止現實中實物制作后，按鍵會出現抖動的情況，在時鐘發生器開始按鍵后接一個觸

19、發器防止出現抖動的情況。閉合時鐘發生器開關，觸發器輸出低電平，使時鐘發生器不能夠產生脈沖，計數停止；斷開時鐘發生器開關，觸發器輸出高電平，使時鐘發生器能夠產生脈沖，計數開始，由此可以實現電路中的計數總的控制。該電路可以實現單個電子秒表計數，因此可以測量一個運動員的成績。圖14 單獨的電子秒表電路3. 多功能數字秒表完整圖為了實現同時記住兩名運動員的短跑成績，因此電路中需要設計出記錄兩個單獨的計數電路，可以將一個單獨的計數電路經過修改之后與時鐘發生器相連接，其中脈沖和清零是總的控制電路，可實現電路中全部計數器的控制，而不影響電路的單獨控制。為了單獨控制一個單獨的電路，在每個單獨的電路的脈沖輸入端

20、接一個開關，用以控制一個運動員的計時控制。在電路需要實現兩個運動員的計時，只需將相應的開關斷開和閉合。如 圖4-15是多功能數字秒表完整圖。 圖15 多功能數字秒表完整圖3.2仿真結果與分析3.2.1 時鐘發生器的測試用示波器觀察時鐘輸出電壓波形并測量其頻率，調節RW1，使輸出波形頻率為100Hz（周期為10ms），若無波形輸出，檢查555定時器。 如 圖5-1是時鐘發生器輸出的周期為10ms的方波。 圖16 時鐘發生器輸出的周期為10ms的方波3.2.2 計數、譯碼、顯示單元的測試測量計數器功能和分頻器功能，看輸出頻率是否為10倍關系，各段測量顯示管的功能是否正常。如 圖5-2 是0.1秒、

21、1秒、10秒對應的輸入信號波形。 圖17 0.01秒、0.1秒、1秒、10秒對應的輸入信號波形3.2.3 整體測試先按按鈕清零開關，此時電子秒表不工作，再按一下清零開關，則計數器清零后變開始計時，觀察數碼管顯示計數情況是否正常。如不需要計時或暫停時，按一下開關脈沖開關，立即會出現暫停狀態。如果希望單獨的顯示器暫停計時，就把相對應的暫停開關斷開。然后再對單獨的每一個計數單元進行測試，在各個時間段分別斷開各個單獨的計時開關，模擬現實中的對2個運動員的成績計時，仿真如圖18所示。圖18 多功能數字秒表的綜合仿真3.2.4 電子秒表準確度的測試利用電子鐘或手表的計時對電子秒表進行校準，若時間不準，調節

22、RW1，使誤差在0.01s之內。四、本設計改進建議由于對proteus軟件不太熟悉，在畫電路時布線有些凌亂，不容易輕易識別、一目了然；其次因為使用了555定時器，而它的工作頻率在1MHz以內，而實驗所用的的頻率恰好為1MHz，會產生誤差0.1s左右，為了實驗更準確，我們最終換用了系統標準的頻率輸入信號。由于控制電路的連接的不是很規范，有時候達不到控制開關的作用，會出現一些誤差，還有各個元器件的選擇可能不是太合理，沒有完全實現數字秒表的所有功能，如清零的因為最后不能實現做了刪除，這也是這個課程設計中的一大缺憾。總的來說，這次課設我還是學到很多東西的。通過這次對數字秒表的設計與制作，讓我了解了設計電路的程序，也讓我了解了關于數字秒表的原理與設計理念。在此次的數字秒表設計過程中，更進一步地熟悉了芯片的結構及掌握了各芯片的工作原理和其具體的使用方法。通過這次課程設計學習，我們對許多電路都有了了解，也加深了我對Proteus軟件的使用。五、總結這次通過嘗試制作了一個數字秒表的數字課程設計的作業，我又學到了許多關于數字電路的知識。雖然這個課程設計很難，但是當我做出來之后我還是感覺很高興的。總的來說這次課程設計不是很好做