电子秒表的设计与制作.docx
《电子秒表的设计与制作.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电子秒表的设计与制作.docx（19页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
电子秒表的设计与制作
目录
摘要1
1结构设计与方案选择2
1.1设计思路2
1.2具体设计步骤2
1.2.1系统框图2
1.2.2个人设计方案的选择3
1.2.3两种方案的比较5
2单元电路的设计6
2.1计数器6
2.2单元电路的设计8
2.2.1计数单元电路的设计8
2.2.2秒冲输出电路的设计8
2.2.3显示部分电路的设计8
2.3选做部分电路图的设计10
3调试与检测11
3.1调试中故障及解决办法11
结束语12
摘要
本次课程设计主要运用数字电子技术基础、模拟电子技术基础和电路原理等有关知识，设计出电子秒表电路。
该电子秒表可以实现显示00.00—99.99制时间，也能够转换为显示00.00—59.99制时间，兼备开关可启动，暂停，清零，转换进制功能，精度可达到0.01秒。
本文对电子秒表进行初步结构设计，并对两种方案进行了比较与调试，选择较好的方案。
同时，对时间脉冲发生器、计数器、译码及显示电路，进行了详细的介绍。
然后用Proteus软件对组装好的完整电路进行了仿真与调试，从而更加完善所设计的电路。
关键词：
数字电子技术 脉冲发生器 计数器电路 Proteus软件译码电路
电子秒表的设计与制作
1结构设计与方案选择
1.1设计思路
根据数字电子技术有关知识，电子秒表主体部分可以采用由555与RC组成的多谐振荡器作为频率发生器，构成脉冲发生器电路，然后将输出的脉冲作为计数器输入脉冲信号使计数器进行计数 ，然后与译码显示电路连接共同构成；控制电路清零部分可通过用开关连接四个计时器74LS90的两个清零端实现清零与继续计数功能；开关部分则可以采用门电路或直接用开关连接脉冲的输出端的方式实现开始计数与暂停功能。
1.2具体设计步骤
1.2.1系统框图
该秒表电路的工作原理：
由脉冲发生器产生稳定的方波脉冲信号，经分频电路输出标准的100Hz脉冲信号,作为0.01秒的计时脉冲；0.01秒计数器计满0.09秒后，向0.1秒计数器产生进位脉冲；0.1秒计数器计满0.9秒后，向1秒计数器产生进位脉冲；1秒计数器计满9秒后，向10秒计数器产生进位脉冲。
计数器的输出经显示译码器译码后 ,通过数码显示管显示。
清零/启动键通过控制计时器的清零端获得，暂停/继续键通过控制脉冲的进入来获得。
1.2.2个人设计方案的选择
方案一：
计时器：
74LS161
74LS161是4位二进制同步加法计数器，除了有二进制加法计数功能外，还具有异步清零、同步并行置数 、保持等功能。
74LS161的引脚排列图如下图所示所示，CR是异步清零端，LD是预置数控制端，D0 ，D1，D2，D3是预置数据输人端，P和T是计数使能端，C是进位输出端，它的设置为多片集成计数器的级联提供了方便。
图1-174LS161引脚图
图1-274LS161构成十进制计数器图
用74ls161构成十进制计数单元电路：
EP,ET都是计数时能端，都接高电平。
CP为计数输入端。
LD为预置使能端，置高电平。
Q0，Q1，Q2，Q3为输出端。
十进制即为从0-9九种状态。
RD是异步清零端，就是任何时候当RD为0时，Q0，Q1，Q,3，Q4回到0重新开始计数。
故让计数到9的时候，Q4，Q3，Q2，Q1为1001后，让RD为0，于是用一个与非门将Q0、Q3与LD相连。
当到1001时，经与非门后送到LD，清零。
重新开始计数。
暂停与继续按键单元电路的设计：
（参照下图）1号管脚接1HZ的连续脉冲，当单刀双掷开关接左边及VCC时，输出恒定为1，此时，计数器单元没有脉冲输入，停止计数，显示器为当前的值，即完成了暂停功能：
当单刀双掷开关接到右边及接地时，输出的值与接入的脉冲保持一致，计数器单元有连续脉冲输入，正常计数，显示器显示为正计数，及满足继续计数功能。
图1-3暂停与继续控制单元电路
方案二
计时器：
74LS90
图1-474LS90引脚图
图1-474LS90构成的十进制计数器图
用74LS90构成十进制计数单元单元电路：
将QD 输出接到A 输入端，并把输入计数脉冲加到B 输入端，在QA 输出端处产生对称的十分频方波。
暂停与继续按键单元的设计：
通过一个开关与555多谐振荡器输出的脉冲及0.01秒计时器的脉冲输入接口INB分别连接，当开关接通时，计时电路单元有连续脉冲输入，完成正常计数；当开关断开时，计时电路单元没有脉冲输入，停止计数，显示部分显示为当前数值，即完成暂停功能。
1.2.3两种方案的比较
方案二相比方案一相比较，连接电路较为简便一点，对比于方案一需要将输出端Q0，Q3用一个与非门连接然后接入LD端，方案二只需要将Q0端与INB端相连就能满足十进制计数功能；另外，在暂停与继续计数部分，方案一则显得比较繁杂，还需要门电路来实现，而方案二只利用了一个开关就能满足。
综上所述，方案二相比方案一而言，耗材较少，连线简单，经济节约，故本设计采用方案二。
2单元电路的设计
2.1计数器
由于需要十进制的计数器，这里选用二—五—十计数器74LS90芯片，其引脚图及功能表如下图所示。
图2-174LS90引脚图
通过不同的连接方式，74LS90可以实现四种不同的逻辑功能，而且还可借助R01、R02对计数器清零，借助S91、S92将计数器置9。
其具体功能详述如下：
（1）计数脉冲从INA输入，QA作为输出端，为二进制计数器。
（2）计数脉冲从INB输入，QDQCQB作为输出端，为异步五进制加法计数器。
（3）若将INB和QA相连，计数脉冲由INA输入，QD、QC、QB、QA作为输出端，
则构成异步8421码十进制加法计数器。
（4）若将INA与QD相连，计数脉冲由INB输入，QA、QD、QC、QB作为输出端，
则构成异步5421码十进制加法计数器。
（5）清零、置9功能。
a.异步清零
当R01、R02均为“1”，S91、S92中有“0”时，实现异步清零功能，即QDQCQBQA＝0000。
b.置9功能
当S91、S92均为“1”；R01、R02中有“0”时，实现置9功能，即QDQCQBQA＝1001。
表3-174LS90的功能表
输入
输出
功能
清0
置9
时钟
QDQCQBQA
R01、R02
R91、R92
INAINB
1
1
0
×
×
0
××
0
0
0
0
清0
0
×
×
0
1
1
××
1
0
0
1
置9
0×
×0
0×
×0
↓1
QA输出
二进制计数
1↓
QDQCQB输出
五进制计数
↓QA
QDQCQBQA输出8421BCD码
十进制计数
QD↓
QAQDQCQB输出5421BCD码
十进制计数
11
不变
保持
2.2单元电路的设计
2.2.1计数单元电路的设计
图2-2计数部分单元电路图（部分）
每个计数单元为10计数器，无需进制转换，只需将QA与INB相连即可。
最低位计数器的INA与100HZ秒输入信号相连，QD可作为进位信号与上一个计数单元的INA相连，作为上一个计数器的脉冲…依次这样连接，就初步构成了计数电路部分的主体部分。
再分别将每个74LS90芯片的R91、R92、GND端接地，R01、R02清零端连接在同一开关上。
2.2.2秒冲输出电路的设计
用555定时器构成多谐振荡器如下图
图2-3秒脉冲输出电路
本电路没有稳态，有两个暂稳态，不需要外加出发信号，利用VCC通过R21和R3向电容C1充电，使UC逐渐升高，升高到三分之二VCC时，Q跳变到低电平，放电端导通，这时，电容C通过电阻R2放电，使Uc1下降，降到三分之一VCC时，Q跳变到高电平，电源VCC又通过R2和R3向电容C1充电。
如此循环，震荡不停，电容C1在1/3VCC和2/3VCC之间充电和放电。
输出的波形Q端的震荡周期可用过渡过程公式计算：
t1:
Uc1（t1）=2VCC/3,Uc1（0）=VCC/3,Uc1（∞）=VCC，t1=0.7（R1+R2）*C1
当t=t1时，把其带入三要素方程，可解出：
t1=0.7（R1+R2）C1
t2:
Uc1（0）=2VCC/3,Uc1（∞）=0，t2=R2*c1
当t=t2时，Uc1（t2）=VCC/3带入公式，可解出：
t2=0.7R2*C1
振荡周期T=tw1+tw2=0.7（R1+2R2）*C1=0.01s
为了产生周期为0.01s的脉冲，可以使：
R1=100Ω，R2=22Ω，C1=100uF
2.2.3显示部分电路的设计
显示部分是直接由BCD码显示器四个引脚与74LS90的四个引脚连接组成。
这种类型的数码管内部含有显示译码器，可以把输入的BCD码转换成字段码。
图2-4显示部分电路图
2.3选做部分电路图的设计
图2-5转换进制部分电路图
当单刀双掷开关SW2接到下面时，电路为99.99s进制的电子秒表。
当开关SW3接地时，计数电路部分正常计数，且最高位能达到99.99s；SW3接电源时，计数器全部清零，数码显示管全部显示为0。
当单刀双掷开关SW2接到上面的接口时，电路为59.99s进制的电子秒表。
当开关SW3接地时，计数电路部分正常工作，最高能计数到59.99s;SW3接到电源端时，计数器全部强制清零，显示器显示为0.
当Q1=Q2=1时，两输出端经过与门74LS08输出为1，此时，不管SW3接地还是与VCC相连，经过或门74LS32后结果都为1。
若SW2接到下面，则为99.99s进制；若SW2接到上面，当十位计数器计数到“6”即Q2=Q1=1时，74LS90自动清零，构成59.99s进制。
3调试与检测
3.1调试中故障及解决办法
①开关接口的不定态问题：
使用单刀双掷开关实现清零，暂停等功能时，存在当开关断开时，接口的不定态问题使得计数器无法正常工作。
解决办法：
所有的单刀双掷开关均改用自由选择电位的单刀双掷开关，使得开关不管拨向哪一边都不存在电位高低不确定的情况。
②脉冲周期不确定问题：
电阻、电容的不恰当选取，使得脉冲输出电路的输出波形并非周期为0.01s的方波信号，进而导致电子秒表出现误差。
解决办法：
严格根据脉冲输出电路的周期计算公式，选取合适的电阻、电容值，尽可能的达到设计所需要的波形。
3.2调试与运行结果
图3个人原理电路图运行结果
结束语
通过本次课程设计,我深刻的明白了一个道理:
无论做什么事情,都必须养成严谨,认真的态度和善于思考的习惯。
在课设过程中遇到的问题虽然在一定程度上阻碍了我前进的步伐，但正是在解决这些问题的时候给了我重新温习和理解数字电子技术基础的基础知识，将理论与现实巧妙的联系起来，也教会了我如何去按照给定的要求设计出合适的电路，作出电路的仿真图并对电路进行调试并从中找到问题，进而获得更好的方案。
本次课程设计主要是运用本学期所学到的数字电子技术基础知识来设计一个符合要求的电子秒表，不仅要求我们要熟练掌握数字电子技术基础课程的基础知识，还要求我们对电子秒表的各个组成部分的原理，包括振荡器的原理、计数器的原理、译码驱动原理和控制部分电路的原理都有深刻的理解和掌握，并将几种单元电路组合起来，计算出电路中元器件的参数，在仿真软件中进行多次调试与验证，完善自己的方案，并能从发现的问题中深入理解基本原理。
让我印象深刻的是在设计选做部分电路中遇到的各种问题，它们让我知道了有时候门电路的运用会让电路更加稳定的运行。
在小组的共同连接和组装中，我们发现问题，共同讨论问题，找到问题发生的本质原因，然后重新思考新的方案，并从中得到启示。
有时候，小组成员的合作比一个人的冥思苦想更能发挥作用，一个人的思想是有限的，几个人的思想加在一起却能创造出无限的效果，要善于向别人请教问题，共同找到最好的解决办法，体会到共同思考的内涵与乐趣。
虽然我现在已经能够设计出电子秒表的基本电路，也能达到课设所需要的要求，但现在的我还不能灵活运用各种有关知识设计各种电路，还不能熟练的掌握所学知识，思考问题的角度也过于局限。
这次课程设计给了我重新认识数字电子技术等有关知识的机会，不仅让我体会到亲自设计制作电路的乐趣，更让我深刻的理解思考与实践的内涵，生活因这次新的体验的更加美妙起来。
参考文献
[1]康华光.电子技术基础—数字部分（第五版）.高等教育出版，2006.1
[2]周惠朝.常用电子元件及典型应用.电子工业出版社，2005
[3]毛期俭主编.数字电路与逻辑设计实验及应用.人民邮电出版社，2005
[4]赵淑范等主编.电子技术实验与课程设计.清华大学出版社，2006.8
[5]刘修文.实用电子电路设计制作300例.中国电力出版社，2005
[6]吕思忠等主编.数字电路实验与课程设计.哈尔滨工程大学出版社，2003
附录
个人原理电路图
优化电路图
小组方案实物图
升级会员 