数字式秒表课程设计报告.doc

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1、 2012 2013学年 第 2 学期 数字电子技术 课 程 设 计 报 告题 目： 数字式秒表 专 业： 通信工程 班 级： 11级通信二班 姓 名： 张涛 、李杨、郑文凯、李芳琪 王然、程洋洋、王国文、谢灿 指导教师： 王银花 电气工程学院2013年6月04日1、任务书课题名称数字式秒表指导教师（职称）执行时间20122013 学年 第2学期 第15 周学生姓名学号承担任务张涛1109131107电路图汇总郑文凯1109131110原理汇总李方琪1109131080四片计数器级联电路设计李扬1109131082多谐振荡器工作与原理王然1109131097驱动数码管显示电路设计程洋洋1109

2、131073复位电路设计及原理王国文1109131095所用芯片功能及原理谢灿1109131101控制电路设计及原理设计目的 1熟悉集成电路的引脚安排和各芯片的逻辑功能及使用方法。2. 了解数字式秒表的组成及工作原理。 3. 熟悉数字式秒表的设计。设计要求1、设计并制作符合要求的电子秒表。2、秒表由4位七段LED显示器显示，显示分辨率为0.01秒。3、计时最大值为59点99秒。4、安装自己设计的电路。5、运用仿真软件绘制设计电路图（Multisim）。 摘 要 关键词 译码显示电路；R-S触发器；555定时器 分频器 在科技高度发展的今天，数字秒表在日常生活中是比较常见的电子产品，以其走时精确

3、，使用方便，功用多而受广大用户所喜。 本设计所实现的数字式秒表是电子设计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，是由控制电路，复位电路，0.01秒脉冲发生器，译码显示电路构成的。其中控制电路是由基本R-S触发器以及电阻，开关组成的电路部分；复位电路是由机械开关，电阻，以及电源组成的电路部分；多谐振荡器是由555定时器以及其外围电路组成的电路分，它和分频器一起用来产生0.01秒的脉冲；译码显示电路由7448集成元件构成的电路部分；七段数码管电路由共阴极七段LED显示器，电阻和接地端组成的电路部分。 通过对各部分结构的了解，本实验从而设计出最大是为59.99秒的数字式秒表。通过

4、对实验了解到计数秒表的设计存在一些问题，但是这也充分说明了数字秒表还存在很大的提升空间，对计数精度可以进一步提高。在设计实验中为了保证实验过程少走弯路，学会仿真是必要的，对本实验我们采用multism软件仿真，以便提高实验的正确性与可行性。 在平时的理论学习中遇到的问题都一一解决，加深了我对专业的了解，培养了我对学习的兴趣，为以后的学习打下了好的开端，我受益匪浅。同时，让我明白：电子设计容不得纸上谈兵，只有自己动手实际操作才会有深刻理解，才会有收获。 目录第一章 方案讨论111技术要求11.2方案论证与选择1第二章 电路设计22.1控制电路22.2 0.01秒脉冲发生电路22.3复位电路6第三

5、章 实验芯片73.1计数器73.2译码器电路83.3七段数码管（LED）9第四章 结论12第五章 参考文献12第六章 心得体会13七、答辩记录及评分表14附录15第一章 方案讨论11技术要求 1.秒表最大计时值为59.99秒；2. 7位数码管显示，分辨率为0.01秒；3 .具有清零，启动计时，暂停及继续计数等控制功能； 4.控制操作间不超过二个。1.2方案论证与选择1. 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59.99秒，则需要一个8段数码管作为秒位（有小数点）和五个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

6、器。选择信号发生器时，有两种方案：一种是用晶体振荡器，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。计数脉冲是由555定时器构成的多谐振荡器，产生100赫兹脉冲。频率较高时可采用分频电路。在选择译码器的时候，有多种选择，如74LS47，74LS48等4-7线译码器。如果选择7447，则用来驱动共阳极数码管；如果选择7448，则用来驱动共阴极数码管。在选择数码显示管时，可以利用四个数码管；也可以借鉴简易数字频率计中的四位数码管来显示后四位，再用两个数码管显示分钟的两位

7、。本次设计中选择前一种方法。第二章 电路设计2.1控制电路 图1-1 控制电路控制电路是由一个基本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。2.2 0.01秒脉冲发生电路 555定时器 图1-2双极性型5G555的主要性能参数参数名称符号单位参数电源电压VCCV516电源电流ICCmA10阈值电压VTHVVCC触发电压VTRVVCC输出低电平VOLV1输出高电平VOHV13.3最大输出电流IO

8、MAXmA200最高振荡频率fMAXKHz300时间误差tnS5 VTH即Vi1 ,VTR即Vi2 。 图1-3 CMOS型7555的主要性能参数参数名称符号单位参数电源电压VCCV318电源电流ICCA60阈值电压VTHVVDD触发电压VTRVVDD输出低电平VV0.1输出高电平VV14.8最大输出电流IOMAXmA200最高振荡频率fMAXKHz500时间误差tnS集成555定时器有双极性型和CMOS型两种产品。一般双极性型产品型号的最后三位数都是555，CMOS型产品型号的最后四位数都是7555.它们的逻辑功能和外部引线排列完全相同。器件电源电压推荐为4512V，最大输出电流200mA以

9、内，并能与TTL、CMOS逻辑电平相兼容。其555定时器的内部电路框图及逻辑符号和管脚排列分别如图所示。引脚功能：图1-4 555定时器内部结构图1-5 555定时器逻辑符号和引脚Vi1（TH）：高电平触发端，简称高触发端，又称阈值端，标志为TH。Vi2（）：低电平触发端，简称低触发端，标志为。VCO：控制电压端。VO：输出端。Dis：放电端。：复位端。两定时器内含一个由三个阻值相同的电阻R组成的分压网络，产生VCC和VCC两个基准电个电压比较器C1、C2；一个由与非门G1、G2组成的基本RS触发器（低电平触发）；放电三极管T和输出反相缓冲器G3。是复位端，低电平有效。复位后, 基本RS触发器

10、的端为1（高电平），经反相缓冲器后，输出为0（低电平）。分析图1的电路：在555定时器的VCC端和地之间加上电压，并让VCO悬空，则比较器C1的同相输入端接参考电压VCC，比较器C2反相输入端接参考电压VCC ，为了学习方便，我们规定：当TH端的电压VCC时，写为VTH=1，当TH端的电压VCC时，写为VTR=1，当端的电压VCC时，写为VTR=0。 低触发：当输入电压Vi2VCC 且Vi1VCC 且Vi1VCC，则VTH=1，比较器C1输出为低电平，无论C2输出何种电平，基本RS触发器因=0，使1，经输出反相缓冲器后，VO0；T导通。这时称555定时器“高触发”。555定时器的“低触发”、“

11、高触发”和“保持”三种基本状态和进入状态的条件（即VTH、VTR的“0”、“1”）必须牢牢掌握。VCO为控制电压端，在VCO端加入电压，可改变两比较器C1、C2的参考电压。正常工作时，要在VCO和地之间接001F（电容量标记为103）电容。放电管Tl的输出端Dis为集电极开路输出。 本设计中所用的电路为NE555。 图1-6 555定时器控制功能表输 入输 出THVODisVCCVCCVCCLHHHLH不变L导通截止不变导通 图1-7 555组成的占空比可调的多谐振荡器图1-8工作波形 图1-9 0.01秒脉冲发生电路 图1-10 仿真电路图555组成的多谐振荡器可以用作各种时钟脉冲发生器，图

12、（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。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1000HZ，经过72LS160十分频后得100HZ。555定时器的参数：T=0.01s，f=100Hz=1/0.695(R1+ 2R2)C 在图中R3+Rp=R1，R5=R2经过计算并实际调整，方案为R2=2千欧，R1=5.1千欧，R3=10千欧，c=100微法。在实践中，如果用示波器观察到频率不正确，可调整Rp来改变

13、频率，减小误差。2.3复位电路 图1-11 复位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，合上开关至0端，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.2.4译码显示电路 图 1-12显示电路图中从下往上依次是6个计数器74LS1600，4线-7线译码器/驱动器74LS47，共阴数码管。第三章 实验芯片3.1计数器RD LD ET EP CP D3 D2

14、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 56789101112131474LS160RDCPD1GNDEPVCCD01516D2D3LDETQ3Q2Q1Q0CO74LS160的管脚图及功能表如下: 图1-13 为74LS160管脚图及功能表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DC

15、BA，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： 图1-14 计数器工作波形图 图1-15 74160的级联图3.2译码器电路译码器电路是将数码转换为一定的控制信号。在此由7448集成元件构成，它能将一个二进制数码转换为输出端的电平信号以控制显示器。图1-16 7448的管脚图LT,RBI接逻辑开关，D,C,B,A接8421码拨开开关，a，b，c，d

16、，e，f，g七段分别接显示器对应的各段。地线，电源线接好后，若线路无误后，接通电源就开始实验论证：（1） LT=0,其余状态为任意态，这时LET数码管全亮。（2） 再用一根导先把0电平接到BI/RBO端，这时数码管全灭，不显示，这说明译码器显示是好的。（3） 断开BI/RBO与0电平相连的导线，使BI/RBO悬空。且使LT=1，这时按动8421码拨码开关，输入D,C,B,A四位8421码二进制数，显示器就显示相应的十进制数。（4） 在（3）步骤后，仍使LT=1,BI/RBO接LED发光二极管，此时若RBI=1按动拨码开关，显示器正常显示工作。若RBI=0,按动拨码开关8421码输出为0000时

17、，显示器全灭，这时BI/RBO端输出为低电平即LED发光二极管全灭这就是“灭零”功能。3.3七段数码管（LED）7段数码管又分共阴和共阳两种显示方式。如果把7段数码管的每一段都等效成发光二极管的正负两个极，那共阴就是把abcdefg这7个发光二极管的负极连接在一起并接地；它们的7个正极接到7段译码驱动电路74LS48的相对应的驱动端上（也是abcdefg）。此时若显示数字1，那么译码驱动电路输出段bc为高电平，其他段扫描输出端为低电平，以此类推。如果7段数码管是共阳显示电路，那就需要选用74LS48译码驱动集成电路。共阳就是把abcdefg的7个发光二极管的正极连接在一起并接到5V电源上，其余

18、的7个负极接到74LS48相应的abcdefg输出端上。无论共阴共阳7段显示电路，都需要加限流电阻，否则通电后就把7段译码管烧坏了。限流电阻的选取是：5V电源电压减去发光二极管的工作电压除上10ma到15ma得数即为限流电阻的值。发光二极管的工作电压一般在1.8V-2.2V，为计算方便，通常选2V即可。发光二极管的工作电流选取在10-20ma，电流选小了，7段数码管不太亮，选大了工作时间长了发光管易烧坏。对于大功率7段数码管可根据实际情况来选取限流电阻及电阻的瓦数。下图是八段数码管（LED）的示意图，图中引脚6为VCC的为共阳数码管，引脚6为GND的为共阴数码管。 图1-17 八段数码管示意图

19、本设计采用阴数码管与74LS48匹配，同时并入一个四输入内置译码器的7段数码管，以验证译码部分的功能（注：验证成功后，两种组合数码管可以只保留一个）。 图1-18 数码管与7448连接图 图1-19 电路总图1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。0.01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

20、。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74LS48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阴极七段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

21、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.再按动控制电路开关K时，电子秒表又进入计数状态。 第四章 结论做本次课程设计我们先理论上提出了几种方案，然后进行讨论分析可行性，选出最终方案。在实验前首先应明白实验的原理，设计电路选择所需芯片，运用芯片前应明白各管脚的作用。实验中应分模块进行，对每个模块进行测试后在进行总的连接测试，运用仿真软件Multisim进行仿真电路连接，虽然实验连线繁琐但是只要细心最终还是会成功的！

22、但是在各级芯片以及门电路可能有一定的延迟时间，有些部分还可能存在竞争冒险，这也在一定程度上影响实验结果的精确度。第五章 参考文献1、阎石.数字电子技术基础.北京：高等教育出版社，19892、张乃国.电子测量.北京：人民邮电出版社，19853、彭介华.电子技术课程设计指导.北京：高等教育出版社，19974、华容茂.电工、电子技术实习与课程设计.北京：电子工业出版社，2000 第六章 心得体会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

23、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

24、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。在设计电路中,完成电路图只是完成了设计的一小部分，更加困难的是对电路的验证和纠错，在这过程中我接触到了很多未接触过的检查方法和思想。在电路的仿真过程中出错的主要原因都主要是接线的错误所引起的。接线的时候一定要细心，不要接错，同时也要学会如何判别芯片的功能，要是芯片不具备要求的功能，或者，不匹配，即使接线再正确也出不来结果。对自己的设计要仔细考虑，是否可行，尤其是进位输出，着重看看进位的CP脉冲是否正确等。总体来说，通过这次课程设计学习，我越发感觉电子设计不是死板的东西，是有很大科学性与艺术性的。不同芯片的使用，不同的接线方法，

25、不同的变量，不同的实现思路，经过组合后几乎可以称之为艺术。这次课程设计使我对各种电路都有了大概的了解，也学会了常用EDA软件的使用，在平时的理论学习中遇到的问题都一一解决，加深了我对专业的了解，培养了我对学习的兴趣，为以后的学习打下了好的开端，我受益匪浅。同时，让我明白：电子设计容不得纸上谈兵，只有自己动手实际操作才会有深刻理解，才会有收获，所谓“千里之行，始于足下”，这次课程设计最大的意义在于让我们迈出了通往工程师的第一步。再次感谢课设指导老师的指导和帮助过我的同学们。七、答辩记录及评分表 课题名称答辩教师（职称） 答辩时间 学年第 学期 第 周答辩记录 评 分 表学生姓名学号评分张涛110

26、9131107李方琪1109131080郑文凯1109131110李扬1109131082王然1109131097王国文1109131095谢灿1109131101陈洋洋1109131073 附录插图清单图序名称1-1控制电路1-2双极性型555定时器参数1-3CMOS型555定时器参数1-4555定时器内部结构1-5555定时器逻辑符号和引脚1-6555定时器控制功能表1-7555组成的占空比可调的多谐振荡器1-8工作波形1-90.01秒脉冲发生电路1-10仿真电路图1-11复位电路1-12显示电路1-1374LS160管脚图及功能表1-14计数器工作波形图1-1574160的级联图1-16

27、7448的管脚图1-17八段数码管示意图1-18数码管与7448连接图1-19电路总图元器件清单名称规格数量直流电源5V8个四2输入与非门7400N3个多稳态触发器5551个计数器74LS1605个译码器74LS2484个数码管BCD-七段显示4个开关单刀双掷2个电阻不等若干问题 问题1：选择信号发生器时，有两种方案：一种是用晶体振荡器，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，为什么用了555定时器与电阻和电容组成的多谐振荡器？因为石英晶振荡器精度很高，一般都需要多级分频，这样电路可能比较复杂，而这里产生100赫兹脉冲，精度不是很高，完全可以用555定时器与电阻和电容

28、组成的多谐振荡器更好。问题2：为什么在控制开关中我们不直接选用机械开关来控制，而使用了一个基本R-S触发器？因为开关K在打开和闭合时会有一些假信号串入逻辑电路，从而来影响秒表正确计数显示，而利用R-S触发器电路的锁存功能，就可以避免此影响。问题3：为什么秒表核心部分计数器，此次选择74LS160计数器？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”，可以有清零功能；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，具有同步预置功能； 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

29、个控制输入都为高电平，计数器（161）实现模10加法计数，；。这样能满足计数器计时要求。问题4：设计7段显示电路要注意什么问题？限流电阻选取问题，因为发光二极管的工作电流应在一定范围之内，电流选小了，7段数码管不太亮，选大了工作时间长了发光管易烧坏。故限流电阻选取很重要。问题5：电路制作过程采用的是怎样的调试方法？先按模块调试，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。最后再进行整体的调试。问题6：555定时

30、器与电阻和电容组成的多谐振荡器是否一开始就能产生100赫兹脉冲？不是，刚开始设计的电路，甚至无法产生脉冲，后经过计算并实际调整，才定下方案为R3=130千欧，R5=5.1千欧，Rp=10千欧，c=100微法的电路，后来发现其实在仿真软件 tool栏里有可以自己设定555定时器与电阻和电容组成的多谐振荡器要求然后软件会自动实现要求。问题7：设计的复位电路功能是什么？ 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。问题8：电路制作完成后，数码管显示出现过什么问题？什么原因？怎么处理的？数码管无显示：计

31、数器接线和限流电阻过大，对计数器正确接线，减小限流电阻阻值；数码管显示乱码：LED数码管的共极性弄反，调整数码管的阴阳极接线。故障9：八段器的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。问题10 数码管显示乱码。原因：计数器74LS390管脚接线错误，LED数码管的共极性弄反（按共阳极的接线方法接线）。排除方法：对计数器正确接线，调整数码管的阴阳极接线（按共阳极接线方法接线）。问题11 计数器虽然是6进制计数，但数码管上出现6。原因：我们的74LS160用的是异步置数，但我们没有将秒的各位和十分位接入

32、与非门，而导致数码管上出现6，最后我们换了一个74LS20的四端与非门，将秒的十位的2和4，还有秒个位和十分位的进位引脚接入与非门，这样就真正实现了6进制计数，达到了我们预期的结果。问题12 数码管数字跳动频率不均匀。原因：使能输入信号和清零信号的波形不是规则的脉冲方波。排除方法：用示波器观察脉冲输出电路输出端的波形，如果不规则就加以个反相器（用74LS00代替）整形，同时，这样还能达到减小误差的目的。问题13 数码管不能按顺序进行显示，只能显示2、4、6、8、0。原因：计数器芯片74LS160管脚与74LS248管脚接线错误，还有就是LED数码管的共极性弄反（原理是接共阴极数码管，但领的器材是共阳极的）。排除方法：对计数器74LS160和74LS248进行正确接线，我们用发光二极管对74LS160和74LS248的管脚进行测试，在其输入端输入高低电平，观察发光二极管的亮灭顺序，最终发现74LS248的管脚图不是按顺序排列的，导致76LS160不能用以往的方法与74LS248进行接线，因此导致错误。还有就是调整数码管的阴阳极接线（按共阴极的接线方法接线）。问题14 脉冲仿真未出现波形原因 伏值刻度太大方法 调小刻度问题15 控制开关未能作用原因 与非门器件选择错误方法 选用7400N 问题16 译码器显示电路为工作原因 芯片未接地方法 接地