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1、 电子技术综合课程设 计 课 程： 电子技术综合课程设计 题 目： 数字式秒表 所属院(系) ： 物电学院 专业班级 ：电子1102 姓 名 ： 韩建双 学 号：1113014058 指导老师 ： 何伟 完成地点 ： 501# 2013年 09月 数字式秒表任务书一、 任务和要求：设计并制作一个数字式秒表，要求如下：1、用三位数码管及一个LED发光二极管显示秒表计时，格式如下： 开机时数码管显示000，LED灯灭；当计时超过59秒时，LED灯亮；计到1分59秒时，过一秒，LED灯灭，同时数码管重新计时显示。计时最小单位为0.1秒。2、具有如下功能键：开始/清零键：按第一下时计时开始，同时显示；
2、按第二下，停止计时，恢复到初始状态； 固定显示键：按第一下时，显示固定，但计时仍继续；再按下时，显示从新时间开始。 3、要求自制0.1秒信号源。4、设计并制作本电路所用直流电源。二、 提示和参考文献直流稳压电源见参考资料P23 数字电子技术实验任务书实验六前言电子设计综合课程设计的重点是以模拟电子技术和数字电子技术为基础，通过电子技术的综合设计,熟悉一般电子电路综合设计过程、设计要求、应完成的工作内容和具体的设计方法。通过设计也有助于复习、巩固以往学习的模电、数电内容，达到灵活应用的目的。在仿真设计完成后，还要将设计的电路进行安装、调试以加强同学们的动手能力，在此过程中培养同学们从事设计工作的
3、整体观念。 本次课程设计我们组所做的是数字式秒表，它是利用不同功能的芯片和一些简单的数字逻辑电路外加控制电路构建而成的。其中所需芯片如计数器、译码器、锁存器等，它与我们的数字电子技术密切相关。模拟电子技术和数字电子技术是电子、通信专业的重要基础课，其特点之一就是实践性强，而电子技术综合课程设计就是强调熟练运用书本理论解决实际应用问题的综合能力，掌握中小规模电路的设计仿真和装调测试的方法。通过课程设计我们应达到如下基本要求：1） 综合运用电子技术课程中所学的理论知识独立完成一个实际应用电路的设计。2）通过查阅手册和参考文献资料，培养独立分析和解决实际问题的能力。3）熟悉常用电子元器件的类型和特性
4、，并掌握合理选用的原则。 4）掌握电子电路的安装和调试技能。5）熟悉的使用各类数字电子仪器。6）学会撰写课程设计论文。7）培养严肃认真的工作作风和严谨的科学态度。通过实践，我们能够进一步熟悉并掌握电子器件的性能、参数和组成电子电路的规律，掌握各种不同功能的电路间的联系与影响，掌握电源电路的装配与测试，掌握电路系统结的分析方法等，并且促使我们从中发现新的问题，产生新的思路，推动电子技术的发展。参与我组数字秒表的设计仿真及制作工作的成员有陕西理工学院物理与电信工程学院电子1102班的韩建双、周霄、陈娇、张连连，同时还要特别感谢老师对我们的指导及各位同学的大力帮助。由于我们对教材的理解有限，又缺乏一
5、些实际电路的设计与制作，在数字秒表的课程设计中，得到指导老师的关心与鼓励，并且得到了许多同学得无私帮助，在这里表示感谢。同时，因设计者水平有限，设计论文中错误在所难免，恳请各位不吝指正。 作者 2013年9月目录摘要11 方案论证21.1整体设计分析21.2总体设计框图21.3方案论证42单元电路的理论设计42.1 5v直流稳压电源的设计42.2 0.1秒信号源62.3 控制电路的设计72.4 计数锁存译码显示电路的设计82.5数字式秒表的系统总图113 系统电路的安装与调试114 小结12附录一：元器件清单13附录二：芯片管脚图及功能表14附录三：数字式秒表总图17附录四：数字式秒表实物装配
6、图18参考文献19摘要数字式秒表是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，无机械装置，因具有较长的使用寿命，所以得到了广泛的使用。本次设计所实现的数字式式秒表是电子设计技术中最基本的基于模数电知识所设计的实验之一。该数字秒表系统的逻辑结构比较简单，主要由以下几部分构成：锁存控制电路、 复位清零电路、0.1秒脉冲信号源、计数装置和译码显示电路等。利用555构成多谐振荡器，用来产生0.1秒的脉冲信号。关键字：脉冲信号源、计数装置、译码显示 、锁存控制1 方案论证1.1整体设计分析根据任务书的设计要求，我们需要做一个最大计数值为59.9秒的数字秒表，故我们可以选用三个数码管。此时有两种数码管供我
7、们选择：一种是共阴极七段数码管、另一种是共阳极七段数码管。要求技术分辨率为0.1秒，因此我们需要制作一个频率为10Hz的脉冲信号源。同样我们还有两种方案：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。此次数字秒表的核心是制作一个六百进制的计数器，此次选择3片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。此外分位要求是一个二进制的计数装置，这时我们可以选取用74LS160来做一个二进制计数器，当然还可以用74ls76来做一个二进制计数装置。在做锁存译码电路时，我们可以根据需要选取74ls373 8D锁存器加上74ls47
8、、74LS48等4-7线译码器；当然还可以选取CD4511来取代它们，它具有锁存译码加驱动的功能。此外我们还需要利用J-K触发器74ls76来做一个开始/清零控制电路和一个固定显示控制电路，由此即可完成所需的实际功能。1.2总体设计框图（如图1.2.1）计数器锁存电路译码电路显示电路控制电路5V稳压电源0.1秒信号源图1.2.1数字秒表总体设计图根据以上分析我们可以选取的方案有很多种，在这里就以下两种方案来论证：方案一：如图1.2.2所示LED显示器（共阴极数码管）74LS4874LS4874LS48图1.2.274LS37374LS0074LS16074LS16074LS7655574LS3
9、7374LS37374LS16074LS16074LS37374LS0074LS7655574LS16074LS16074LS160CD4511CD4511CD4511显示器（共阴极数码管）LED74LS16074LS373方案二：如图1.2.3所示图1.2.31.3方案论证方案一与方案二相比方案二中用CD4511取代了74LS373和74LS48直接进行译码锁存驱动数码管，看似方案二比较简单，但由于CD4511是一个CMOS芯片，且极易受静电的影响，此外其驱动电压为V，因此我们需要制作一个可调直流稳压可调电源，在制作调试时，通过调解其驱动电压来达到我们所需要的效果。相比对于方案一来说，它是一
10、个TTL电路，我们不需要考虑电路的驱动电压问题，因此，通过对比我选择方案一来制作数字式秒表。2单元电路的理论设计2.1 5v直流稳压电源的设计在电子电路及设备中，一般都需要稳定的直流电源供电。而直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要经过电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路四个环节才能完成。其方框图及各电路的输出电压波形如图2.1.1所示。 图2.1.1 直流稳压电源的方框图220V50H电源变压器整流电路滤波电路稳压电路其中：1）电源变压器：是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确
11、定。2）整流电路：整流电路将交流电压变换成脉动的直流电压。再经滤波电路滤除较大的纹波成分，输出纹波较小的直流电压。常用的整流滤波电路有半波整流滤波、桥式整流滤波等。3）滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。各滤波电容C满足RC（35）T/2，式中T为输入交流信号周期，R为整流滤波电路的等效负载电阻。4）稳压电路：稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。常用的集成稳压器有固定式三端稳压器与可调式三端稳压器。元器件的选取根据任务书我们续作一个输出电流为300mA，输出电压为5V的直流稳压电源。1）稳压电路输入电压根
12、据经验，一般选取=（23）。根据任务书得=5V，取=2，则=25V=10V。当电路满足时，故。故选取变压器为220V/9V。2） 滤波电容的选取电容的容量为电容的耐压值为实际可选取容量为2200F、耐压为25V的电容作为本电路的滤波电容。为减小纹波的影响，在稳压管后加一个容量为100F、耐压值为25V的电容再次滤波，使输出波形趋于平缓。为消除电路的自激影响，在两个滤波电容后分别加一个0.33F和0.1F的小电容。3） 整流二极管的选择考虑到电网电压的波动范围为10%，在实际选用二极管时，应至少有10%的余量，选择最大整流电流和最高反向工作电压 分别为 根据以上计算可得5v直流稳压电源电路图及仿
13、真结果见图2.1.2图2.1.2 5V稳压直流电源2.2 0.1秒信号源时钟脉冲发生器可有很多构成方式。例如：利用石英晶体振荡器配合分频器即可得到相应的脉冲信号。还可以利用电压比较器得到时钟脉冲电路。相比之下，利用555构建多谐振荡器来得到时钟脉冲信号比较便利，信号的精度较电压比较器要高，更符合本设计的要求。555定时器时一种多用途的数字-模拟混合电路，利用它能极方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。由于使用灵活、方便，所以555定时器在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到了应用。如图2.2.1所示，是一种用555定时器组成的占空比可调的多谐振荡器。为
14、了得到小于或等于50%的占空比，于是接入了二极管和，使得电容的充电电流和放电电流流经不同的路径，充电电流只流经，放电电流只流经，因此电容C的充电时间为而放电时间为故得输出脉冲的占空比为图2.2.1 用555定时器组成的占空比可调的多谐振荡器（2.2.1）若取，则q=50%。因此图2.2.1电路的振荡周期为（2.2.2）根据任务书得T=0.1s，取C=10F。为了得到占空比为50%的脉冲，令则根据式2.2.2可得故取两个10K的电位器来取代7.2K的电阻。为了提高比较器参考电压和的稳定性，图2.2.2 555的电路结构图通常在端接有0.01F左右的滤波电容。（、的位置参考图2.2.2）根据以上理
15、论计算可得0.1秒信号源的电路图及仿真结果见图2.2.3（1）0.1秒信号源 （2）0.1秒信号源仿真 图2.2.32.3 控制电路的设计 1） 开始/清零控制利用J-K触发器构成一个触发器，然后通过接入脉冲式开关及其上拉电阻来产生脉冲。触发器的特性方程为,即每次CP脉冲作用后触发器必然翻转成与原来状态相反的状态。如图2.3.1所示，将J-K触发器的J和K端均接高电平构成一个触发器，当脉冲开关没被按下时时钟信号为高电平，当脉冲开关按下时，时钟信号由高电平变为低电平，于是便产生一个下降沿脉冲送给J-K触发器，使其翻转，达到控制电路开始或清零控制的控制。图中和构成一个开机复位电路。当给整个系统加电
16、时，电容会迅速充电，此时R管脚相当于接低电平，具有最高的优先级，不受任何信号的控制，因此会将输出端Q置为0。由于充电图2.3.2 固定显示控制图2.3.1 开始/清零控制时间很短，达到稳态后，电容在直流电路中相当于开路，所以此时R管脚为高电平，在时钟脉冲的作用下，它会按触发器的特性方程进行翻转，以达到对电路的开始、清零控制。2） 固定显示控制固定显示控制电路，我们可以在开始、清零控制电路的基础之上略作修改即可。如图2.3.2所示，只需将图2.3.1的开机复位电路去掉，将R端直接接高电平即可。2.4 计数锁存译码显示电路的设计1） 计数器的设计在数字电路中使用的最多的时序电路要算是计数器了。计数
17、器不仅能用于对时钟脉冲计数，还可以用于分频、定时、产生节拍脉冲和脉冲序列以及进行数字运算等。根据任务书要求我们需要做一个600进制的计数器，在此我选择用十进制计数器74LS160。74LS160的管脚图及功能表见附录二。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”。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，即所谓“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。只有四个控制输入都为高电平，计数器实现模10加法计数，Q3 Q2 Q1 Q0=1001
18、时，RCO=1。如图2.4.1所示是整体置零方式的接法。首先将三片74LS160以并行进位方式连接成一个600进制的计数器。当计数器从全零状态开始计数，计入600个脉冲时，经门译码产生低电平信号立刻将三片74LS160同时置零，于是便得到了600进制计数器。图2.4.1 600进制整体置零方式2） 译码显示电路的设计在数字电路中我们常常需要将需要测量或处理的结果以十进制的方式表达出来，然而数码管不能直接识别计数器直接输出的二进制数码，因此我们需要将二进制数码表示的结果先送到译码器进行译码，然后用它的输出去驱动显示数码管。由于显示数码管的不同，我们所选取的译码芯片也不相同。本设计我选择四线七线B
19、CD译码器74LS48（管脚图及功能表见附录二）和共阴极七段数码管来做译码显示电路，电路图如图2.4.2所示。74LS48简介图2.4.2 译码显示电路7段显示译码器74LS48是输出高电平有效的译码器,通常可以直接驱动共阴极的半导体数码管，如果电流过小时，我们需要在它的输入端加一个2K的上拉电阻，电流由经2K上拉电阻提供。74LS48除了有实现7段显示译码器基本功能的输入（DCBA）和输出（QAQG）端外，74LS48还引入了灯测试输入端（LT）和动态灭零输入端（RBI），以及既有输入功能又有输出功能的消隐输入/动态灭零输出（BI/RBO）端。由74LS48真值表（见附录二）可获知74LS4
20、8所具有的逻辑功能： 7段译码功能（LT=1，RBI=1）在灯测试输入端（LT）和动态灭零输入端（RBI）都接无效电平时，输入DCBA经74LS48译码，输出高电平有效的7段字符显示器的驱动信号，显示相应字符。除DCBA=0000外，RBI也可以接低电平，见表1中116行。 消隐功能（BI=0）此时BI/RBO端作为输入端，该端输入低电平信号时，表1倒数第3行，无论LT和RBI输入什么电平信号，不管输入DCBA为什么状态，输出全为“0”，7段显示器熄灭。该功能主要用于多显示器的动态显示。 灯测试功能（LT=0）此时BI/RBO端作为输出端，端输入低电平信号时，表1最后一行，与及DCBA输入无关
21、，输出全为“1”，显示器7个字段都点亮。该功能用于7段显示器测试，判别是否有损坏的字段。 动态灭零功能（LT=1，RBI=1）此时BI/RBO端也作为输出端，LT端输入高电平信号，RBI端输入低电平信号，若此时DCBA=0000，表1倒数第2行，输出全为“0”，显示器熄灭，不显示这个零。DCBA0000，则对显示无影响。该功能主要用于多个7段显示器同时显示时熄灭高位的零。七段数码管简介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a、b、c、d、e、f、g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74L
22、S48的相对应的驱动端上（也是a、b、c、d、e、f、g）。此时若显示数字1，那么译码驱动电路输出段b、c为高电平，其他段扫描输出端为低电平，其他情况以此类推。如果7段数码管是共阳显示电路，那就需要选用74LS47译码驱动集成电路。共阳就是把a、b、c、d、e、f、g的7个发光二极管的正极连接在一起并接到5V电源上，其余的7个负极接到74LS47相应的a、b、c、d、e、f、g输出端上。无论共阴共阳7段显示电路，都需要外加限流电阻，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
23、-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。半导体数码管的外形图和等效电路图（见图2.4.3）。5（b)5(a)(c)图2.4.3 （a）数码管外形图 （b）共阴极等效电路 (c)共阳极等效电路数码管显示与8421BCD码的关系如下图2.4.3所示：BCD码显示数码发光管BCD码显示数码发光管00000abcdef01015acdfg00011bc01106cdefg00102abdeg01117abc00113abdg10008ab
24、cdefg01004befg10019abefg图2.4.3 BCD码与显示发光管的关系3）锁存电路的设计根据任务书的要求，此系统须具有固定显示的功能，因此我们需要在译码显示电路的前边加一个锁存器来控制计数信号的送入与否。我选择用74LS373（管脚图及功能表见附录二）来做锁存电路。芯片介绍：74LS373是带有三态门的八D锁存器，当使能信号线OE为低电平时，三态门处于导通状态，允许输出到，当OE端为高电平时，输出三态门断开，输出线处于浮空状态。G称为数据打入线，当74LS373用作地址锁存器时，首先应使三态门的使能信号OE为低电平，这时，当G端输入端为高电平时，锁存器输出（）状态和输入端（）
25、状态相同；当G端从高电平返回到低电平（下降沿）时，输入端（）的数据锁入的八位锁存器中。当用74LS373作为地址锁存器时，它们的G端可直接与单片机的锁存控制信号端ALE相连，在ALE下降沿进行地址锁存。引脚说明如下：锁存器8位数据输入线 ：锁存器8位数据输出线 GND：接地引脚 Vcc：电源引脚，5V有效 OE ：片选信号引脚 G：锁存控制信号输入引脚。2.5数字式秒表的系统总图由以上各个单元电路的设计最终我们得到数字式秒表的系统总图（见附录三）工作原理：1）給电路供电使电路在工作之前先清零。电子秒表处于复位状态。2）当第一次按动开始清零键，产生第一个单脉冲作为J-K触发器的时钟信号，使其输出
26、端Q产生一个高电平，然后将其送入74LS160的并行置数端，使计数器伴随着0.1秒脉冲信号的送入而进行译码显示。3）当第二次按动开关开始清零键，产生第二个单脉冲使得J-K触发器的输出端Q输出低电平，此时并行置数端为有效状态使得计数器清零。4）当需要进行锁存操作时，我们只需按动固定显示键即可，其原理和开始清零基本相同，在此不再累述。3 系统电路的安装与调试本次设计采用电路设计仿真软件proteus先对设计电路进行仿真调试，最后才在面包板上插装实物电路图，排线要求横平竖直。过程：1）根据最终的设计结果，按图2.1.2先做一个5V的直流稳压电源，用万用表的直流档测量其输出电压。因题目中没对它做过多的
27、要求，因此可以认为只要最终输出电压接近5V即可。若输出电压过大或过小，可以根据电路图按变压、整流、滤波、稳压的顺序依次检查各点的电位，元件及导线即可。2）利用刚做好的5V稳压电源为555定时器提供能量，按2.2.3（1）正确连接线路，将555的信号输出端3管脚与示波器连接，用示波器观察其输出的波形，频率及占空比。调节10K的电位器，将频率调为10Hz即可。然后断开电源，用万用表的欧姆档测量两个电位器间的阻值并将其平分即可得到占空比为50%的方波信号。若发现在调试的过程中，不管怎样调节电位器频率始终变化不大，则需检查电位器或电容是否损坏。3）我们先用一片74LS160、一片74LS373、一片7
28、4LS48和一个共阴极七段数码管组成一个十进制的计数译码显示电路，用已做好的5V稳压电源为该电路提供能源，利用555产生的0.1秒脉冲信号源作为74LS160的时钟信号，若电路可以正常译码显示，我们还可以用来检查其余芯片是否有损坏，若没有，则可以按照附录三（数字式秒表总图）将600进制显示译码电路组装好即可。4）在除控制电路外都调试好的前提下，我们可以将控制电路接入，此处切记与脉冲式开关相连的电阻是觉不可少的，不然当我们按下开关时会造成电源的短路。小结为期三周的电子综合课程设计已经结束，是我感触良多。在这次的课设中我们所用到的知识全部来自我们的课本模数电。因此，要想成功的设计一个好的电路，首先
29、我们要有扎实的苦工，能熟练掌握课本上的知识；其次还要具有实际电路中解决问题的能力。只有理论与实践的完美结合，才能造出上好的产品。例如此次课设用到的555多谐振荡器、74LS160计数器、74LS373八D锁存器、74LS48 BCD-七段显示译码器、7段数码管等等。对于这些器件的使用，让我各进一步的了解到它作用及基本功能。从应用我们不仅中很好的掌握器件功能及应用，其次还有助于我们对知识点的理解和应用。 这次课设是我第一次亲身体验的一次设计，虽然时间很快就过去了，但是一切改变都要一个开始，通过这次设计，我会在以后的时间里，来找新的课题来练习，以提高自己的综合动手能力。通过此次课设也让我学会了pr
30、oteus的基本应用方法，了解到仿真软件对于电路设计的重要性，因此在以后的学习中应多注意这方面的锻炼，为以后打下坚实的基础。在这次课程设计中非常感谢我的指导老师和我们组的同学及其他对我们有过帮助的人，在此由衷的感谢。附录一元器件清单十进制计数器74LS16048D锁存器74LS3732四线-七线译码器74LS483数码管共阴极3二输入四与非门74LS001双J-K触发器74LS761555定时器NE5551变压器220V/9V1整流桥1稳压管LM78051电阻1K32001电位器10K2电容220011001101110.3310.110.011整流二极管2LED1导线附录二芯片管脚图及功能表
31、7805为三个管脚从左到右为1、2、3，分别是1脚是输入，2脚是接地，3脚是输出。图一：稳压管表一：74LS功能表1234 56789101112131474LS160RDCPD1GNDEPVCCD01516D2D3LDETQ3Q2Q1Q0CORD 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 数图二：74LS160管脚图 123456789101112131474LS001A1B2A2B2YGND3Y3A3B4A4BVCC1Y4Y表二：74LS00
32、真值表ABY()001011101110图三：74LS00管脚图表三：74LS373真值表DnLEOEOn11010100001高阻态图四：74LS373管脚图表三：555定时器功能表清零端高触发端TH低触发端放电管T功能00导通直接清零101x保持上一状态保持上一状态1101截止置11001截止置11110导通清零 图五：555管脚图表四：74LS76真值表（)输入输出JKQ0011011010011100保持01置010置111翻转图六：74LS76管脚图图七：74LS48管脚图表五：74LS48引脚功能表七段译码驱动器功能表十进制数或功能输入BI/RBO输出备注LTRBIDCBAabcd
33、efg0HH0000H111111011H0001H01100002H0010H1111013H0011H11110014H0100H1100115H0101H10110116H0110H0111117H0111H1110008H1000H11111119H1001H111001110H1010H000110111H1011H001100112H1100H010001113H1101H100101114H1110H000111115H1111H0000000BIL00000002RBIHL0000L00000003LTLH11111114图八：共阴极数码管附录三数字式秒表总图附录数字秒表总图附录数字秒表总图附录四数字秒表安装实物图参考文献1 阎石等.数字电子技术基础（第五版）M.北京.高等教育出版社，20062 童诗白、华成英主编. 模拟电子技术基础（第四版）M.北京.高等教育出版社.2006
