1、課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目： 數(shù)字式秒表 學(xué) 院： 電氣學(xué)院 專 業(yè)： 自動(dòng)化 班 級： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)老師： 2015年6月29日目錄摘要第1章 系統(tǒng)概述1.1 數(shù)字式秒表的設(shè)計(jì)要求與分析 1.2 設(shè)計(jì)方案論證 1.3 總體設(shè)計(jì)方案框圖及分析第2章 單元電路的設(shè)計(jì)與分析2.1 基準(zhǔn)脈沖的獲取 2.2 控制電路的選擇 2.3 計(jì)數(shù)、譯碼、顯示單元的設(shè)計(jì)第3章 整體電路圖 3.1 總體電路圖 3.2 各部分工作原理第4章 體會(huì)與收獲 4.1 遇到的問題及解決方案 4.2 心得體會(huì)參考文獻(xiàn)元器件明細(xì)表摘 要 本次的設(shè)計(jì)任務(wù)是一個(gè)數(shù)字秒表，而秒表與普通的鐘表不同，它的目的是對從某一時(shí)刻到另一時(shí)刻的

2、時(shí)間間隔進(jìn)行計(jì)時(shí)。 在翻閱相關(guān)資料后，我們把秒表的設(shè)計(jì)分成了三大部分：基準(zhǔn)脈沖產(chǎn)生部分；控制部分和計(jì)數(shù)、譯碼、顯示部分。 基準(zhǔn)脈沖產(chǎn)生部分由石英振蕩器和由計(jì)數(shù)器組成的分頻器構(gòu)成。在石英振蕩器中，石英晶體的固有頻率是1M Hz，即振蕩器的輸出為1M Hz的矩形脈沖。而分頻器將1M Hz分頻為100 Hz的基準(zhǔn)脈沖。 控制部分可由基本RS觸發(fā)器和相應(yīng)的開關(guān)組成。 計(jì)數(shù)、譯碼、顯示部分中，將使用同步四位二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器74LS161 來計(jì)數(shù)。74LS48是BCD-7段譯碼器/驅(qū)動(dòng)器，專用于驅(qū)動(dòng)LED七段共陰極顯示數(shù)碼管。第一章1.1 數(shù)字式秒表的設(shè)計(jì)要求與分析 設(shè)計(jì)要求如下： 秒表的最大計(jì)時(shí)值為99

3、分59.99秒； 6位數(shù)碼管顯示，分辨率為0.01秒 具有清零、啟動(dòng)計(jì)時(shí)、暫停及繼續(xù)計(jì)數(shù)等控制功能； 首先，秒表的分辨率為0.01秒，故要獲得頻率為100 Hz的基準(zhǔn)毫秒脈沖；其次，分、毫秒計(jì)數(shù)器為100進(jìn)制計(jì)數(shù)器，秒計(jì)數(shù)器為60進(jìn)制計(jì)數(shù)器；最后，用一個(gè)控制鍵實(shí)現(xiàn)秒表的暫停/繼續(xù)計(jì)數(shù)功能，用另一個(gè)控制健實(shí)現(xiàn)秒表的清零/啟動(dòng)功能。分別實(shí)現(xiàn)以上模塊功能，即可設(shè)計(jì)出符合要求的數(shù)字秒表。1.2設(shè)計(jì)方案論證 即為數(shù)字式秒表，那么必須有數(shù)字顯示。按設(shè)計(jì)要求，須用數(shù)碼管來做顯示器。題目要求最大記數(shù)值為99分59.99秒，那則需要六個(gè)數(shù)碼管。要求計(jì)數(shù)分辨率為0.01秒，那么我們需要相應(yīng)頻率的信號(hào)發(fā)生器。選擇信

4、號(hào)發(fā)生器時(shí)，有兩種方案：一種是用晶體震蕩器，另一種方案是采用集成電路555定時(shí)器與電阻和電容組成的多諧振蕩器。秒表核心部分使用六個(gè)74161計(jì)數(shù)器采用串聯(lián)方式構(gòu)成，這種連接方式簡單，使用元器件數(shù)量少。本次設(shè)計(jì)采用的是555構(gòu)成的多諧振蕩器，成本低，操作簡便。1.3總體設(shè)計(jì)方案框圖及分析 通過以上的分析，查閱相關(guān)資料后，得數(shù)字式秒表的原理方框圖如圖1-3所示。如圖1-3 數(shù)字式秒表原理圖 本電路由啟動(dòng)、清零復(fù)位電路、多諧振蕩電路、分頻計(jì)數(shù)電路、譯碼顯示電路等組成，整體上是按照基準(zhǔn)脈沖產(chǎn)生部分，控制部分和計(jì)數(shù)、譯碼、顯示部分這三大部分來設(shè)計(jì)的。第2章 單元電路的設(shè)計(jì)與分析2.1 基準(zhǔn)脈沖的獲取 1

5、.方案一：由555構(gòu)成多諧振蕩器 555 定時(shí)器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器件，它的電源電壓范圍寬，可在 4.5V16V 工作，輸出驅(qū)動(dòng)電流大約為 200mA，因而它的輸出可與 TTL、CMOS 或者模擬電路電平兼容。 555 定時(shí)器成本低，性能可靠，只需要外接幾個(gè)電阻、電容，就可以實(shí)現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。它也常作為定時(shí)器廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、電子測量及自動(dòng)控制等方面。555 定時(shí)器的內(nèi)部電路框圖和外引腳排列R如圖1.2 所示。它內(nèi)部包括兩個(gè)電壓比較器，三個(gè)等值串聯(lián)電阻，一個(gè) RS 觸發(fā)器，一個(gè)放電管 T 及功率輸出級。它提供兩個(gè)基準(zhǔn)

6、電壓VCC /3 和 2VCC /3。如圖2-1 555多諧振蕩器注明：6腳為THR，觸發(fā)器輸入端，低電平有效。 2腳為TRI，閥值輸入端，高電平有效。4腳為RST，總復(fù)位端，低電平有效。 7腳為DIS，放電端。5腳為CON，控制端。1腳接地，8腳接電源。 3腳為輸出端。TD為內(nèi)部三極管。 由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器如圖2-2（a）所示，圖1.3(b)為其工作波形。如圖2-2 555振蕩器及波形矩形波的振蕩周期T=T1+T2=2（R1+2R2）C»在調(diào)試電路時(shí)，調(diào)節(jié)電位器RP，使輸出脈沖周期為0.01s，即可獲得所需的基準(zhǔn)脈沖。仿真圖如圖2-3 基準(zhǔn)仿真圖2方案二：由石英晶體構(gòu)成

7、的多諧振蕩器 在對頻率的穩(wěn)定性要求較高的電路中，應(yīng)采用頻率穩(wěn)定性很高的石英晶體振蕩器，圖2-4給出了兩種常見的石英晶體振蕩電路。如圖2-4 晶體振蕩器石英晶體振蕩電路的諧振頻率由石英晶體的固有頻率決定，故圖 1.4中的兩電路輸出的波形的振蕩頻率均為1M Kz，電路中其它元器件對輸出波形頻率的影響極為有限。只是石英晶體振蕩器產(chǎn)生的頻率很高，要得到基準(zhǔn)毫秒脈沖，還需要用分頻電路。振蕩器輸出1M Kz信號(hào)，為了得到100 Hz的振蕩脈沖，可以進(jìn)行10 000分之一的分頻。3. 兩種方案的比較與選擇石英晶體振蕩器成本高，需要元器件多，電路比較復(fù)雜而用555多諧振蕩器結(jié)構(gòu)簡單，成本低，易于維修，不需加分

8、頻電路。因此在數(shù)字式秒表的設(shè)計(jì)中，選擇了方案一。2.2控制電路的選擇 1.啟動(dòng)和暫?？刂崎_關(guān) 啟動(dòng)和暫?？刂崎_關(guān)是由基本RS觸發(fā)器構(gòu)成的?；綬S觸發(fā)器是由兩個(gè)與非門交叉耦合而成的，是TTL觸發(fā)器的最基本組成部分，其邏輯圖如圖2-5所示，它能夠存儲(chǔ)1位二進(jìn)制信息，但存在 R+S =1的約束條件。如圖2-5 與非門組成的RS觸發(fā)器邏輯電路及邏輯符號(hào)基本RS觸發(fā)器的用途之一是作無抖動(dòng)開關(guān)。例如觸發(fā)器是具有記憶功能的二進(jìn)制信息存儲(chǔ)器件，是時(shí)序邏輯電路的基本器件之一。在圖2-5（a）所示的電路中通過希望在開關(guān)S閉合時(shí)，A點(diǎn)電壓的變化是從+5V到0V的清楚躍遷，但是由于機(jī)械開關(guān)的接觸抖動(dòng)，往往在幾十毫秒

9、內(nèi)電壓會(huì)出現(xiàn)多次抖動(dòng)，相當(dāng)于連續(xù)出現(xiàn)了幾個(gè)脈沖信號(hào)。顯然，用這樣的開關(guān)產(chǎn)生的信號(hào)直接作為電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)可能導(dǎo)致電路產(chǎn)生錯(cuò)誤動(dòng)作，這在有些情況下是不允許的。為了消除開關(guān)的接觸抖動(dòng)，可在機(jī)械開關(guān)與驅(qū)動(dòng)電路間接入一個(gè)基本RS觸發(fā)器（如圖1.10所示），把帶RS觸發(fā)器的無抖動(dòng)的開關(guān)稱為邏輯開關(guān)。 在秒表的設(shè)計(jì)電路圖中，啟動(dòng)和暫?？刂崎_關(guān)電路如下圖2-7所示。由圖2-7知，當(dāng)開關(guān)S1都打開時(shí)，基本RS觸發(fā)器的兩輸入端都是1，觸發(fā)器輸出保持原狀態(tài)不變。當(dāng)開關(guān)S1向上閉合是，Q輸出1，基準(zhǔn)脈沖可以輸入到計(jì)數(shù)單元，秒表起動(dòng)計(jì)時(shí)；當(dāng)開關(guān)S1向下閉合是，Q輸出0，基準(zhǔn)脈沖無法輸入到計(jì)數(shù)單元，秒表暫停計(jì)時(shí)。若要繼續(xù)

10、計(jì)時(shí)，合上開關(guān)J1即可。如圖2-7 啟動(dòng)和暫?？刂崎_關(guān)2.清零開關(guān)的設(shè)計(jì) 清零功能的實(shí)現(xiàn)相對而言比較簡單。把計(jì)數(shù)單元的所有74LS161的清零控制端Rd連接在一起，通過一個(gè)開關(guān)接地，需要清零時(shí)，閉合開關(guān)就行。 2.3 計(jì)數(shù)、譯碼、顯示單元的設(shè)計(jì)1.計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì) 基準(zhǔn)脈沖經(jīng)過6級計(jì)數(shù)器，分別得到“秒”十分位、百分位，“秒”個(gè)位、十位，“分”個(gè)位、十位的計(jì)時(shí)。由數(shù)字秒表的設(shè)計(jì)要求知，“毫秒”“分”計(jì)數(shù)器為100進(jìn)制，“秒”計(jì)數(shù)器為60進(jìn)制。秒表中的計(jì)數(shù)器是由74LS161構(gòu)成的。74LS161是集成同步二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，該計(jì)數(shù)器具有同步預(yù)置、異步清零、計(jì)數(shù)和保持四種功能，且有進(jìn)位信號(hào)輸出端，可串接計(jì)數(shù)

11、使用。它的引腳圖和邏輯功能表分別見圖2-8和2-1。如圖2-8 74LS161 引腳圖表2-1 74LS161邏輯功能表（1）反饋清零法 反饋清零法是利用反饋電路產(chǎn)生一個(gè)給計(jì)數(shù)器的復(fù)位信號(hào)，使計(jì)數(shù)器各輸出端為零（清零）。反饋電路是組合邏輯電路，計(jì)數(shù)器輸出部分或全部作為其輸入，在計(jì)數(shù)器一定的輸出狀態(tài)下即時(shí)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，使計(jì)數(shù)電路同步或異步地復(fù)位。反饋清零法構(gòu)成的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器如圖2-9所示。如圖2-9 反饋清零構(gòu)成的十進(jìn)制加法器（2）反饋置數(shù)法 反饋置數(shù)法是將反饋邏輯電路產(chǎn)生的信號(hào)送到計(jì)數(shù)電路的置位端，在滿足條件時(shí)，計(jì)數(shù)電路輸出狀態(tài)為給定的二進(jìn)制碼，否則置數(shù)端無效，電路處于計(jì)數(shù)狀態(tài)。反饋置數(shù)法構(gòu)成

12、的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器如圖2-10所示。如圖2-10 反饋置數(shù)法構(gòu)成的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器（3）100進(jìn)制計(jì)數(shù)器 由74161構(gòu)成的100進(jìn)制計(jì)數(shù)器如圖2-11所示。如圖2-11 100進(jìn)制計(jì)數(shù)器 由圖2-11 知，100進(jìn)制計(jì)數(shù)器中，由74161構(gòu)成的個(gè)位和十位計(jì)數(shù)器均是10進(jìn)制的，即上述100進(jìn)制計(jì)數(shù)器是由兩個(gè)10進(jìn)制計(jì)數(shù)器級聯(lián)而成的。（4）60進(jìn)制計(jì)數(shù)器 由74161構(gòu)成的60進(jìn)制計(jì)數(shù)器如圖2-12所示。如圖2-12 60進(jìn)制計(jì)數(shù)器 由圖2-12知，上述60進(jìn)制計(jì)數(shù)器也是用乘數(shù)法構(gòu)成的，它是由一個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器和一個(gè)六進(jìn)制計(jì)數(shù)器級聯(lián)而成。2譯碼顯示電路 本設(shè)計(jì)中選用的74LS48是BCD碼七段譯碼器兼驅(qū)動(dòng)

13、器，輸出端（YaYg）為高電平有效，可驅(qū)動(dòng)共陰極LED顯示器，其外引線排列圖和功能表分別如圖2-13和表1.3所示。如圖2-13 74LS48的引線排列圖顯示器采用七段發(fā)光二極管顯示器，它可直接顯示出譯碼器輸出的十進(jìn)制數(shù)。七段發(fā)光顯示器有共陽和共陰兩種接法。與74LS48譯碼器配套的顯示器為共陰型。七段顯示器的外引線排列圖和7段數(shù)碼管結(jié)構(gòu)分別如圖2-14、圖2-15所示。 如圖2-14外引線排列圖 如圖2-15數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖 計(jì)數(shù)、譯碼、顯示部分的總電路圖如下圖2-16所示。如圖2-16計(jì)數(shù)、譯碼、顯示部分的總電路圖第三章 整體電路圖 3.1 總體電路圖 如圖3-1 總電路圖3.2各部分工作原理

14、如下： 控制電路：它是由兩個(gè)74LS00集成與非門元件構(gòu)成的基本R-S觸發(fā)器，接在機(jī)械開關(guān)K的后面，防止開關(guān)K在打開和閉合時(shí)一些假信號(hào)竄入邏輯電路。用來控制秒表的開始，暫停。 復(fù)位電路：作為清零復(fù)位用。它是由電源，開關(guān)和一個(gè)電阻組成的電路。 0.01秒脈沖發(fā)生器電路：它由555集成定時(shí)器元件和外圍的電阻和電容等元件構(gòu)成的多諧振蕩器。調(diào)節(jié)滑動(dòng)電阻的數(shù)值，可以改變脈沖發(fā)生器的輸出頻率。 計(jì)數(shù)器電路：從進(jìn)位制來分，有二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，十進(jìn)制計(jì)數(shù)器等多種形式。在此采用的74LS160十位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，即8421編碼方式。 譯碼器電路：是將數(shù)碼轉(zhuǎn)換為一定的控制信號(hào)。在此由74LS47集成元件構(gòu)成，它能將十個(gè)

15、二進(jìn)制數(shù)碼轉(zhuǎn)換為輸出端上的電平信號(hào)以控制顯示器。顯示器電路：有輝光數(shù)碼管和熒光數(shù)碼管等多種顯示電路。此次設(shè)計(jì)中采用的是共陽極七段LED顯示器。在仿真軟件上接通電源 1.合上復(fù)位電路的開關(guān)，是電路在工作之前先清零。電子秒表處于復(fù)位狀態(tài)。 2.當(dāng)?shù)谝淮伟磩?dòng)開關(guān)K，產(chǎn)生第一個(gè)單脈沖作為基本RS觸發(fā)器的時(shí)鐘，使三狀態(tài)控制電路的輸出端Q1產(chǎn)生高電平，經(jīng)與非門后，使0.01秒脈沖進(jìn)入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，并譯碼、顯示出來。 3.當(dāng)?shù)诙伟磩?dòng)開關(guān)K，產(chǎn)生第二個(gè)單脈沖使三狀態(tài)控制電路輸出端Q1輸出低電平Q2輸出高電平，關(guān)閉與非門，使計(jì)數(shù)停止。 4.當(dāng)需要復(fù)位清零時(shí)，按動(dòng)復(fù)位電路的開關(guān)K。電路即處于復(fù)位狀態(tài)。 5.再按動(dòng)

16、控制電路開關(guān)K時(shí)，電子秒表又進(jìn)入計(jì)數(shù)狀態(tài)。第4章 體會(huì)與收獲4.1 遇到的問題及解決方案 問題1 最初設(shè)計(jì)中，在暫停/繼續(xù)計(jì)時(shí)控制電路中使用了兩個(gè)開關(guān)，在清零電路中又用了一個(gè)開關(guān)，未能達(dá)到設(shè)計(jì)中“控制按鍵不超過兩個(gè)的要求”。 解決方法：在暫停/繼續(xù)計(jì)時(shí)控制電路中使用一個(gè)單刀雙擲開關(guān)，即所謂的乒乓開關(guān)。不過使用乒乓開關(guān)從一個(gè)接點(diǎn)轉(zhuǎn)向另一個(gè)接點(diǎn)時(shí)會(huì)花費(fèi)時(shí)間，就是說當(dāng)你想停止計(jì)數(shù)是并不能立即停止計(jì)數(shù)。 問題2 在顯示單元的調(diào)試過程中，開始時(shí)，七段數(shù)碼管無顯示。 解決方法：在同學(xué)的幫助下，才明白，原來是共陰極數(shù)碼管的接地端不對，multisim仿真元件使用的不熟練。4.2 心得體會(huì) 兩周的課程設(shè)計(jì)已經(jīng)

17、結(jié)束，在設(shè)計(jì)實(shí)踐的過程中，我深深的體會(huì)到必須要有扎實(shí)的知識(shí)基礎(chǔ)，要熟練地掌握課本上的知識(shí)，這樣才能對試驗(yàn)中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析解決。在整個(gè)電路的設(shè)計(jì)過程中，花費(fèi)時(shí)間最多的是利用Multisim 仿真，因?yàn)橐郧皼]有學(xué)過這個(gè)軟件，所以我們要從頭學(xué)起，自行摸索的學(xué)習(xí)。我們在各個(gè)單元電路的連接上花費(fèi)了大量時(shí)間。我們在設(shè)計(jì)時(shí)曾做出了兩套方案以及仿真電路，我們仔細(xì)比較分析其原理以及可行的原因，這才確定了我們的電路。實(shí)習(xí)過程中，我深刻的體會(huì)到在設(shè)計(jì)過程中，要考慮到各個(gè)元器件的功能和特性，要翻閱大量資料，參考別人的經(jīng)驗(yàn)，只有這樣才能把自己的電路設(shè)計(jì)的成功。 通過這次對數(shù)字式秒表的設(shè)計(jì)與制作，讓我了解了設(shè)計(jì)電路的程序，也讓我了解了關(guān)于數(shù)字秒表的原理與設(shè)計(jì)理念。在此次的數(shù)字秒表設(shè)計(jì)過程中，我更進(jìn)一步地熟悉了芯片的結(jié)構(gòu)、管腳圖、功能表及掌握了各芯片的工作原理和其具體的使用方法。而且這些知識(shí)是對我們大學(xué)生來說十分寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，是無法在課堂上獲得的，是現(xiàn)今社會(huì)最重視的同時(shí)也是我們最需要提高的部分。 我對這個(gè)課程設(shè)計(jì)課有著深刻的體會(huì)：要想做好這個(gè)課程設(shè)計(jì)，就必須認(rèn)認(rèn)真真地