数字秒表设计与实验数字电子技术课程说明书.doc

学校代码： 10128学 号： 201031504024课程设计说明书题 目：数字秒表设计与实验 摘 要 数字秒表是一种常用的计时工具，以其价格低廉，走势准确，使用方便，功能多而广泛应用于体育比赛中。本设计所实现的数字式秒表是电子技术中最基本的设计实验之一。该数字计数系统的逻辑结构较简单，需要实现清零，启动计时，暂停计时，继续计时等功能。本实验是由显示器，控制电路，脉冲发生器构成的。其中控制电路基本由74LS160触发器，开关组成的电路部分。多谐振荡器是由555定时器以及外围电路组成的电路部分。关键词：数字秒表；74LS160触发器；555定时器AbstractDigital stopwatch is a common timing tool, with its low price, trend of accurate, convenient use, multiple functions and is widely used in sports competitions. The design realization of digital stopwatch is electronic technology in the most fundamental design experiment. The digital counting system logic structure is relatively simple, need to achieve zero, the start time, pause time, continue to timing and other functions. The experiment is composed of display, control circuit, pulse generator. The control circuit consists essentially of a 74LS160 trigger, switch circuit. The multivibrator is made up of 555timer and a peripheral circuit portion of the circuit.Keywords: Digital stopwatch; 74LS160 trigger; 555 timer目录一、设计任务概述1二、设计方案论证及方框图1三、电路组成及工作原理2四、电路元器件选择与计算9五、安装与调试101、安装 102、测试方案 103、调试过程 104、调试中发现的问题及解决措施 10六、指标测试1、单元电路功能测试 112、整体电路功能测试 123、Max Plus 仿真 12结论14参考文献15谢辞16一 设计任务概述数字秒表是日常生活中比较常见的电子产品，以其价格低廉，走时准确，使用方便，功能多而倍受广大用户的喜爱，如在很多喜庆的场合，对某一时刻进行倒计时，或者在体育比赛中进行计时等。本实验要求设计任务是秒表最大计时值为99.9秒。3位数码管显示，分辨率为0.1秒。具有清零，启动计时，暂停及继续计时等控制功能。控制操作键尽量少。二 设计方案方框图及论证综合各种报警器的优缺点，并根据本设计要求及性能指标，兼顾可行性、可靠性和经济性等各种因素，确定数字秒表主要组成部分的方框图如图1所示。由555多谐振荡器构成的脉冲发生器，由74LS160构成的计数器，还有LED显示器，以及由开关构成的具有清零，启动，暂停继续功能的控制按键电路。74LS160触发器数码管显示电路555多谐振荡器按键电路 图1 数字秒表总框图 数字式秒表，就需要显示数字。根据设计要求，要用数码管来做显示器。题目要求最大记数值为99分59.99秒，则需要一个7段数码管作为秒位（有小数点）和三个7段数码管作为分秒位。要求计数分辨率为0.0 1秒，那么我们需要相应频率的信号发生器。秒表核心部分计数器，此次选择74LS160计数器。它具有同步置数和异步清零功能。主要是利用它可以十分频的功能。选择信号发生器实现电路时可以有多种方案：方案一：采用集成电路555定时器与电阻和电容组成的多谐振荡器；方案二：一种是用晶体振荡器。石英晶振荡器精度很高，一般都需要多级分频。技术性比较：由于我们的实验设计是设计一个简易的数字秒表，分辨率为0.01，石英晶振荡器的精度较555定时器较高。经过比较，最终选择方案一。三 电路组成及工作原理数字秒表原理图如图2所示。1.控制电路控制电路如图3-1所示是由一个基本R-S触发器，机械开关，电阻以及5伏电源组成。主要实现秒表的停止和开始计数功能。开始，停止功能可以只用一个机械开关实现，之所以用此电路代替机械开关，是因为利用此电路的锁存功能，防止开关K在打开和闭合时一些假信号串入逻辑电路，影响秒表正确计数显示。 图2 数字电路工作原理图 图3-1 控制电路2.0.01秒控制电路 555定时器管脚图图(a) 555组成的占空比可调的多谐振荡器 图(b)工作波形555组成的多谐振荡器可以用作各种时钟脉冲发生器，图（a）为脉冲频率可调的矩形脉冲发生器，调节Rp可得到任意频率的脉冲信号，由于电容C充放电回路的时间常数不等，所以（a）输出波形为矩形脉冲，矩形脉冲的占空比随频率变化而变化。图3-2 0.01秒脉冲发生电路该电路是由555定时器以及外围的电阻，电容组成的。其中从555定时器构成的多谐振荡器OUT引脚出来的频率是100赫兹。3.清零电路该复位电路由机械开关，电阻，以及电源组成。输出线1接在74160的复位端。当需要复位时，合上开关，从输出线1即可输出复位信号（即清零信号），复位电路的基本功能是：提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防开关分-合过程中引起的抖动而影响复位。另外复位电路主要完成清零功能4.译码显示电路 图3-3 译码器电路1）计数器74LS160的管脚图及功能图如图3-4RD LD ET EP CP D3 D2 D1 D0 Q3 Q2 Q1 Q0 0 × × × × × × × × 0 0 0 0 1 0 × × D C B A D C B A 1 1 0 × × × × × × 保 持 1 1 × 0 × × × × × 保 持 1 1 1 1 × × × × 计 数74LS160功能表1234· 56789101112131474LS160RDCPD1GNDEPVCCD01516D2D3LDETQ3Q2Q1Q0CO图3-4 为74LS160的功能图及功能表74LS160为异步清零计数器，即端输入低电平，不受CP控制，输出端立即全部为“0”，功能表第一行。74LS160具有同步预置功能，在端无效时，端输入低电平，在时钟共同作用下，CP上跳后计数器状态等于预置输入DCBA，即所谓“同步”预置功能（第二行）。和都无效，ET或EP任意一个为低电平，计数器处于保持功能，即输出状态不变。只有四个控制输入都为高电平，计数器（161）实现模10加法计数，Q3 Q2 Q1 Q0=1001时，RCO=1。8421码加权计数器：，QD、QC、QB、QA输出见计数器工作波形图3-5： 图3-5 计数器波形图2）七段数码管（LED） 图3-6 七段数码管3）非门 图3-74）与非门图3-8总电路图各部分工作原理如下：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。0.1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。2. 电路工作原理： 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KC，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KC，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KA。电路即处于复位状态。5.再按动控制电路开关KA时，电子秒表又进入计数状态。四 电路元器件选择与计算本电路选用了三个74LS160D计数器，三个七段数码管，两个非门，一个555定时器，三个开关，一个与非门，还有一个两个电阻两个电感构成。本电路的电阻值和电感值根据f=1.44(R1+2R2)选定。元器件的选择如表1序号名称型号及使用参数数量1计数器74LS160D 3 2555定时器LM555CM1 3七段数码显示管DCD_HEX 3 4开关Key3 5电阻5欧26 非门7406N17与非门7408N18电感10F,0.022F2 表1五 安装与调试1安装（1）将电原理图画成印刷电路板的黑白图并制板。（2）认真安装焊接。2测试方案测试方案是进入实验室前，预先准备的如何验证设计内容的方案。（1）调试脉冲信号A 按图连线，检查无误后接通电源B 观察发光指示装置运行是否正确（2）调试74LS160计数器（3）调试技术显示单元3调试过程按模块调试，在每个模块的输入端加理想的调试信号，在输出端接示波器，观察输出波形，如果波形符合设计预期，则说明此模块工作正常，否则可按从输出到输入的顺序逐一排查，直到解决问题。当各模块调试无误后，将各模块连接起来，同时要注意接口的电平匹配问题。4调试中发现的问题及解决措施本次课程设计在仿真组装调试过程中曾出现以下故障：故障1：脉冲发生器（555定时器构成的多谐振荡器）没法实现0.01s的脉冲信号。原因：参数不对。排除方法：利用f=1.44/R1+2R2)C适当的选取定值电阻、电容的大小并用频率计检测。故障2：八段器的LED数码管的小数点无法显示。原因：接线错误。排除方法：此次设计选择的数码管是共阳极的。在小数点对应的管脚与地之间接一个10 欧姆的电阻。六指标测试1单元电路功能测试（1）555定时器逻辑真值表图6-1（2）74LS160计数器波形图 图6-22整体电路功能测试单元电路经静态和动态调试、测试正常后，即可对课题要求的整体电路技术指标进行测试，记录测试数据，并对测试数据进行分析，最后得出测试结论，确定电路的技术指标是否符合设计要求。如果技术指标不符合设计要求，则应仔细检查分析问题所在，提出调整和修改建议。3.MAX PLUS 仿真将已绘制的电路图再重新绘制在MAX软件上，更改输出端的名称，绘制完成后进行仿真，下图是MAX的仿真图。图6-3结 论通过此次课程设计过程。我掌握文献查阅和应用能力、提高文档制作水平、科技论文撰写格式。我还学会与老师的配合和与同学的合作。掌握电子电路的一般设计思路，具备初步的独立分析、设计能力，学会使用资料、方案制定和比较、设计计算及仿真、制作、调试等环节，学会了使用电路仿真的软件Multisim，融会数字电子技术课程的知识点，更加深入的了解了课程中各种元器件的使用，为后继的学习打下良好的基础。 一在此次课程设计中完成了下述工作：1进行了设计任务的需求分析，完成了总体结构图的设计，进行了经济性和技术性比较并确定了最终方案。2进行了Multisim的仿真电路。3查找资料，比较实现逻辑功能的几种设计方法，理解原理，比较优缺点，选出其中合理的一套方案。4. 选择可编程逻辑器件，绘制完整实验电路原理图或接线图，说明主要元件在电路中的作用，说明整体电路工作原理或工作流程。二课程设计中下述工作没能完成：1MAX Plus的仿真我因为时间关系没有完成2没有完成安装调试实测电路。三本设计可以在下述方面进行功能扩展，但是因为时间关系未能完成设计：使数字秒表倒着计是一个很好的功能拓展，但是因为时间的关系没有能设计出来。参考文献1 阎石数字电子技术基础（第五版）M北京：高等教育出版社20062 中国集成电路大全编委会中国集成电路大全TTL集成电路M北京：国防工业出版社1985：567-6003 房建东 荀延龙 王艳荣等电子技术M呼和浩特：内蒙古大学出版社20044 超星数字图书馆，中国学术期刊，根据题目自查谢辞经过一周的数字电子技术课程设计，我终于完成了老师要求的实验内容，通过查阅相关资料，询问老师，写论文，今天终于可以完成论文的谢辞了。实验得以顺利完成，我要感谢的人实在太多太多。我敬爱的雷永慧老师在我此次课程设计中不断的给予帮助，对于我的问题从来都是耐心解答，不断的询问我的设计进度，并对我提出改进意见。雷老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。我还要感谢我的同学们对我的帮助，在我遇到困难的时候，是他们对我伸出热情的双手帮助我。还要我的搭档白金同学与我的积极配合与合作，是他让我明白合作的力量是无穷的。课程设计过程中也学到了做任何事情所要有的态度和心态，首先我明白了做学问要一丝不苟，对于出现的任何问题和偏差都不要轻视，要通过正确的途径去解决，在做事情的过程中要有耐心和毅力，不要一遇到困难就打退堂鼓，只要坚持下去就可以找到思路去解决问题的。在工作中要学会与人合作的态度，认真听取别人的意见，这样做起事情来就可以事倍功半。在这里我再一次感谢雷老师和帮助我的同学们。