数字跑表设计.docx
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数字跑表设计
数字跑表设计
武汉理工大学《电工电子综合》课程设计说明书
1设计意义及要求
1.1设计意义
随着社会的发展，在一些竞技比赛中，尤其是体育运动中，数字跑表的精度已经越来越高了，数字跑表扮演着越来越重要的角色，而通过一学期对数字电子技术的学习，学校安排了这次的课程设计，而我们小组的课题是数字跑表的简单设计，目的在与让学生综合运用所学的知识，对各基本器件的运用更加熟练，也更好的锻炼学生的设计思维和动手设计能力，而这也是我们作为电气专业学生的必备技能。
1.2设计要求
1）设计一个具有、‘分’、‘秒’、‘1/100秒’的十进制数字显示的计时器。
2）要有外部开关，控制计数器的直接清零、启动和暂停/连续计时功能;
3）严格按照课程设计说明书要求撰写课程设计说明书。
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2方案设计
2.1设计思路
电路主要由秒脉冲发生器，计数器，译码器显示电路和控制电路四个
部分组成。
其中计数器为系统的主要部分，计数器完成计数功能;秒脉冲发生器提供脉冲信号;译码显示器显示当前数字，控制电路完成计数的启动，暂停和清零功能。
设计框图如图2—1。
图2—1设计思路框图
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2.2设计方案
2.2.1设计方案一电路图
在设计过程中，为了满足设计的要求，应正确处理各个信号间的关系。
该电路是由秒脉冲电路，计数器，译码器显示电路和控制电路组成。
其中计数器和控制电路是系统的主要模块，计数器是由6个74LS90构成。
控制电路完成计数器的直接清零、启动计数、暂停/连续计数、译码显示电路的显示等功能。
当启动开关闭合时，555振荡器将产生的信号送至计数器的CP信号输入端，计数器开始计时功能。
当清零//置数端处于置数端时，启动开关闭合，控制电路应封锁时钟信号CP，同时计数器完成置数功能，译码显示电路显示“00”字样;当启动开关断开时，计数器开始计数;将暂停与连续的控制开关放在555电路模块中，通过控制脉冲信号的传送来达到相应的目的。
当计数器R0端输入高电平时则全部计数器清零，进而实现整个课程设计的要求。
原理图如图2—2所示。
图2—2方案一电路原理图
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2.2.2设计方案二电路图
方案二和方案一的原理大同小异，该电路同样由秒脉冲电路，计数器，译码器显示电路和控制电路组成。
计数器和控制电路为系统的主要模块，不同的方案二采用的是74LS160芯片，控制电路同样完成计数器的直接清零、启动计数、暂停/连续计数、译码显示电路的显示等功能。
当启动开关闭合时，555振荡器将产生的信号送至计数器的CP信号输入端，计数器开始计时功能。
160为可预置的同步十进制计数器，置数与计时功能是同步的，但其清除端是异步的。
当清除端/MR为低电平时，不管时钟端CP如何，即可完成清除功能。
原理图如2—3所示。
图2—3方案二电路原理图
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2.3方案比较
两种方案都可完成设计所要求的功能。
方案一采用的是74LS90芯片，方案二采用的是74LS160芯片，从成本和本着最简原则，方案二采用了过多的与非门，同时考虑到实验室的芯片问题，我们小组将方案一（同时也是我的个人方案）作为小组方案。
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3部分电路设计
3.1秒脉冲信号发生电路
我的方案是用555定时器构成一个多谐振荡器，为电路提供芯片工作的脉冲信号。
设计中采用555来产生一秒的脉冲信号。
555集成定时器是一种模拟和数字电路相混合的集成电路。
它结构简单，使用灵活，用途广泛，可以组成多种波形发生器）多谐振荡器）定时延时电路）单稳触发电路）双稳态触发器）报警电路）检测电路）频率变换电路等。
其引脚图如图3—1所示和功能表如表3—2所示。
GNDTIRGQRVCCDISTHRCI
图3—1555定时器引脚图
表3—2555定时器功能表
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秒脉冲信号发生器的工作原理。
如图3—3，由555构成的多谐振振荡器，接通电源后，电容C1被充电，VC上升，当VC上升到2/3VCC时，触发器被复位，此时V0为低电平，电容C通过R2和T放电，使VC下降，当下降至1/3VCC时，触发器又被置位，V0翻转为高电平。
当C放电结束时，VCC将通过R2和R3向电容器充电，VC由1/3VCC上升到2/3VCC。
当VC上升到2/3VCC时，触发器又发生翻转，如此周而复始，在输出端就得到一个周期性的方波，其频率为:
f=1.43/[（R3+2R2）C1]。
在这里我们选择R2=R7=24KΩ，C1=10uf，C2=0.1uf，即可输出1Hz，达到要求。
图3—3555定时器原理图
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3.2计时电路
3.2.1计数器
在数字系统中使用的最多的时序电路要算是计数器了。
计数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。
计数器的种类非常多。
如果按计数器中的触发器是否同时翻转分类，可以将计数器分为同步式和异步式两种。
在同步计数器中，当时钟脉冲输入时触发器的翻转是同时发生的。
而在异步计数器中，触发器的翻转由先有后，不是同时发生的。
在设计中我们选择的是异步计数器74LS90。
74LS90是二，五，十进制异步计数器。
异步计数器如果设定初态，在每个脉冲的作用下是按顺序变化的。
二进制计数器的每一状态相当一最小项，当最后一个脉冲到来后，电路返回原状态。
其详细引脚图如图3—4所示及功能表如表3—5所示。
图3—474LS90引脚图
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表3—574LS90功能表
3.3.2计数器工作原理
设计中通过六片74LS90的级联来实现一个具有‘分’、‘秒’、‘1/100秒’的十进制数字显示的计时器。
当清零/置数端处于低电平接通，CP信
号触发芯片时，此时R9端处于低电平，RO端不全为高电平时，计数器开始工作。
当低位片从0跳到9时，高位片进位加一，实现0到9十进制计数功能。
当计数到99时，秒计数器的十位和个位的输出脉冲将自动反馈清零，同时Q3产生进位信号作为分计数器的输入脉冲CP，触发右端第二个74LS90芯片开始工作。
这样便完成了‘1/100’秒的100进制计数。
在‘分’和‘秒’60进制计数中，将一片74LS90设计成10进制加法计数器，另一片设置6进制加法计数器，两片74LS90同样按反馈清零法串接而成。
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100进制‘1/100’秒和60进制‘分’‘秒’原理图如下。
100进制‘1/100’秒原理图如3—6所示。
图3—6100进制‘1/100’秒原理图
60进制‘分’‘秒’原理图如图3—7所示。
图3—760进制‘分’‘秒’原理图
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3.3译码显示电路
译码电路的功能是将秒、分、时计数器的输出代码进行翻译，变成相应的数字。
用与驱动LED七段数码管的译码器常用的有74LS48。
74LS48是BCD-7段译码器/驱动器，输出高电平有效，专用于驱动LED七段共阴极显示数码管。
若将秒、分、时计数器的每位输出分别送到相应七段译吗管的输入端，便可以进行不同数字的显示。
在译码管输出与数码管之间串联
电阻R作为限流电阻。
由于在仿真过程中，我是直接接4段数显管完成译码过程，在此，我就不详细介绍译码显示电路了。
3.4控制电路
3.4.1启动，暂停/连续电路
电路中通过外部操作开关控制脉冲信号的连续与暂停来实现整个电路的连续与暂停功能。
将555振荡器和开关控制电路引入与门共同形成CP信号端，若将开关闭合，CP信号被禁行，实现暂停功能;将开关打开，CP信号被放行，实现连续计数功能。
原理图如3—8所示。
图3—8555振荡器和CP信号端控制电路原理图
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3.4.2清零电路
当74LS90芯片的R0端全接高电平时，R9任一端为低电平时实现清零功能。
但由于4个十进制74LS90芯片的R0端已经接地，如果将其直接接高电平则直接短路，无法实现清零功能。
因此我在此引入一个数显开关控制其计数时处于低电平，清零时则处于高电平。
另2个六进制74LS90芯片的R0端则引入或门，使其在能实现清零功能时不影响其进制关系。
在仿真过程中发现两个或门的电位没有任何变化，因此在高电平下上拉一个电阻，使其能正常工作。
当数显开关处于ON端时则R0端处于低电平，正常计数，处于OFF端时则进行清零。
原理图如3—9所示。
图3—9清零电路原理图
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4调试与检测
4.1调试与检测
尽管设计思路清晰，但通过PROTEUS仿真软件进行仿真，在调试过程中遇到了很多问题，比如六进制的R0端如何清零，十进制的R0端口如何在低电平时转变为高电平，经过我个人的不断调试和修改，终于设计出了电路并得到了完善。
在这两周的课程设计中，通过查找资料、比较各种方案、讨论，最终确立了比较简单又比较完善的方案，并用仿真软件仿真出了结果。
领取组件后，组长负责计数部分和控制部分的连线，我负责译码部分的接线，其他两个人员负责电路的检查。
但由于没有经验，导致出现了很严重的问题。
通电后，数码管前三个没有显示，后三个显示为080，由于手中没有电表，且电线太多，而且出现的问题经部分修改后也不见起色，所以我们决定重新连线，但由于第二天老师要初步检验，因此我们重新连接暂时搁浅。
在7月9号老师初步检验之后，我们小组听取老师意见，将电路拆分单元，以此来重新接线，在这次的接线过程中，我们小组人员秉着每一条线路都不接错、极度细心的原则，不放过一条错误的线路。
所以，在这次接线完成后，我们先测试了555振荡器是否有脉冲输出，在键入发光二极管后，二极管闪烁，这一重大成果另我们小组成员相当高兴，像注入一剂兴奋剂般，于是我们乘胜追击，将计时电路和译码显示电路连接完成后，我们兴奋的等待数码管的数显。
在接通电源后，数码管开始计数，这一成果顿时另我们心头的一块石头落地。
最重要的计数部分已经完成，至于控制电路，只须将与非门和或门接入即可完成任务。
4.2调试中故障及解决办法
1）555脉冲发生电路检查
我们将555的输出端3接到示波器上观察到的波形为一脉冲波，其频率近似为一秒。
基本符合课程设计中所需秒信号的要求。
2）显示电路检查
当将显示电路中的两个数码管接好后，接入直流电源，发现数码管不亮，说明显示电
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路连接不正确。
解决方法:
检查引脚图是否接错;
检查芯片VCC和GND是否已连接。
3）计数电路检查
将本课设中所选计数器74LS192与显示电路相连，接入直流电源，用信号发生器给计数器一个1s的脉冲信号，观察计数器的计数功能，发现数码管最左端的数码管e、d端没有显示。
解决方法:
检查两片74LS192的数据输出端所连的置数电路，看是否有连线错误。
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5仿真操作步骤及使用说明
数字跑表仿真操作步骤及使用说明
一（各部件说明:
1）开关1控制CP信号的放行，实现启动，暂停/连续功能。
2）数显开关控制电路的清零功能。
二（操作说明:
1）开始时，数显开关处于ON端，可以计数;开关1处于闭合状态。
2.）打开开关1，电路开始计数。
此时若闭合开关1，则计数器将暂停;若将数显开关置于OFF端，则计数器清零。
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结束语
通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。
也增强了我们团队协作的能力。
具体而言，这两周的课程设计的收获如下。
加强了对已学知识的掌握，做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。
通过此次设计，我发现自己可以的将课本上的知识可以应用于实际，使得理论与实际相结合，加深了自己对课本知识的更好理解。
此次实习锻练了我个人的自主学习能力。
在实验中，我们运用到了新的软件——PROTEUS仿真软件，对于这种不熟悉的软件，我们能够充分利用图书馆以及计算机网络去查阅和学习相关资料，增加了许多课本以外的知识，也对PROTEUS仿真软件能够基本操作了，此外这种学习能力还包括根据课题需要选择参考书籍，查阅手册、图表等有关文献资料的能力
此次实习也充分锻炼了我的分析能力和动手能力，加强了我实验的耐力，尤其增强了我调试电路的能力，因为在连接电路时，繁杂的线路总是会让人心烦意燥，并且团队协作能力是这次实习的最大收获。
在这次课程设计中，我们小组碰到了很多的困难。
尤其是初检时我们小组连电路错在哪里都不清楚，这反映了我们的浮躁心理。
在接下来的时间里，我们对每一部分电路进行仔细研究，终于在小组成员的共同努力下，我们完成了课程设计的任务。
总而言之，这次课程设计让我受益匪浅。
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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]高吉祥.电子技术基础实验与课程设计.电子工业出版社，2002
[3]祈存荣编.《电子技术基础实验（数字部分）》，武汉理工大学出版社，2004.11
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附录
附表一:
总电路图原理图
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本科生课程设计成绩评定表
指导教师签字:
2010年7月
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