电子秒表的设计讲解.docx
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电子秒表的设计讲解
电子秒表的设计
一、设计要求…………………………………………………2
二、设计的目的与作用………………………………………2
三、设计的具体体现………………………………………2
1.电子秒表的基本组成………………………………3
2.电子秒表的工作原理…………………………………3
3.电子秒表的原理图……………………………………4
4.单元电路设计…………………………………………4
5.设计仿真与PCB制版…………………………………12
四、心得体会…………………………………………………17
五、附录………………………………………………………18
六、参考文献…………………………………………………20
一、设计要求
1.以0.01秒为最小单位进行显示。
2.秒表可显示0.01～59:
59:
99秒的量程。
3.该秒表具有清零、开始计时、停止计时功能。
二、设计方案
方案一：
通过单片机来实现电子秒表
基于51单片机电子秒表，设计简单，而且技术准确，缺点是价格相比于数字电路实现的秒表技术要昂贵。
方案二：
采用数字电路来实现秒表计数，优点是价格便宜，计数精确，反应较快，缺点是，电路芯片较多，设计电路复杂。
经过比较选择了较为经济适用的数字电路。
二、设计的目的与作用
1.培养我们运用有关课程的基础理论和技能解决实际问题，并进一步提高专业基本技能、创新能力。
通过课程设计，学习到设计写作方法，能用文字、图形和现代设计写作方法系统地、正确地表达课程设计和研究成果。
2.熟悉555方波振荡器的应用。
3.熟悉计数器的级联及计数、译码、显示电路的整体配合。
4.建立分频的基本概念。
三、设计的具体体现
1.电子秒表的基本组成
电子秒表电路的基本组成框图如图所示，它主要由基本RS触发器、多谐振荡器、计数器和数码显示器4个部分组成。
电子秒表电路的基本组成（方框图）如下：
图
（1）电子秒表基本组成方框图
2.电子秒表的工作原理
由555定时器构成多谐振荡器，用来产生50Hz的矩形波。
第Ⅰ块计数器作5分频使用，将555输来的50Hz的脉冲变为0.1秒的计数脉冲，在输出端Qd取得，作为第2块计数器的始终输入，第2、第3块计数器QA与CP2相连，都已接成8421码十进制计数电路，第4块接成六进制形式，其输出端与译码显示器的相应输入端连接，可显示00:
00：
00——59:
59:
99s
3.电子秒表的原理图
图
（2）原理图
4.单元电路设计
（1）由NE555P组成的多谐振荡器（多谐振荡器）
ne555是一种应用特别广泛作用很大的的集成电路，属于小规模集成电路，在很多电子产品中都有应用。
ne555的作用是用内部的定时器来构成时基电路，给其他的电路提供时序脉冲。
ne555时基电路有两种封装形式有，一是dip双列直插8脚封装，另一种是sop-8小型（smd）封装形式。
其他ha17555、lm555、ca555分属不同的公司生产的产品。
内部结构和工作原理都相同。
ne555的内部结构可等效成23个晶体三极管.17个电
阻.两个二极管.组成了比较器.RS触发器.等多组单元电路.特别是由三只精度较高5k电阻构成了一个电阻分压器.为上.下比较器提供基准电压.所以称之为555。
555内部结构及引脚如下图所示：
图（3）555内部结构及引脚图
（A）、555时钟电路可以构成多谐振荡器，真值表如下：
RST
THR
TRI
OUT
TD
0
X
X
0
导通
1
>2\3VCC
>1\3VCC
0
导通
1
<2\3VCC
>1\3VCC
不变
不变
1
<2\3VCC
<1\3VCC
1
截止
1
>2\3VCC
<1\3VCC
1
截止
表
（1）555功能真值表
注明：
6脚为THR，触发器输入端，低电平有效。
2脚为TRI，阀值输入端，高电平有效。
4脚为RST，总复位端，低电平有效。
7脚为DIS，放电端。
5脚为CON，控制端。
1脚接地，8脚接电源。
3脚为输出端。
TD为内部三极管。
（B）时钟信号产生电路
图（4）555组成的多谐振荡器
NE555定时器是一种电路结构简单、使用方便灵活、用途广泛的多功能电路。
利用闭合回路的反馈作用可以产生自激振荡。
TTL电路延迟时间短，难以控制频率。
电路接入RC回路有助于获得较低的振荡频率，由于门电路的作用时间极短，TTL电路自有几十纳秒，所以想获得稍低一些的振荡频率式很困难的，而且频率不易调节。
在电路中接入RC电路可以有助于获得较低的振荡频率，而且通过改变R，C的数值可以很容易实现对频率的调节。
振荡电路是数字秒表的核心部分，电容充放电的速度决定了电路的振荡频率R1.R2.C决定了多谐振荡器的周期，即决定了形成的方波的频率利用闭合回路中的负反馈作用可以产生自激振荡，利用闭合回路中的延迟负反馈作用也能产生自激振荡，只要负反馈作用足够强。
为了得到频率更加准确的频率信号，加入了电容和电阻，其中电容为0.01uf和0.1uf，电阻为100K欧姆。
（2）基本RS触发器
图（5）RS触发器电路
用集成与非门构成基本RS触发器，属低电平直接触发的触发器，有直接置位、复位的功能。
它的一路输出作为单稳态触发器的输入，另一路输出作为与非门的输入控制信号。
按动按钮开关J1（接地），则门1输出=1；门2输出Q=0，J1复位后Q、状态保持不变。
再按动按钮开关J2，则Q由0变
为1，门5开启，为计数器启动作好准备。
由1变为0，送出负脉冲，启动单稳态触发器工作。
基本RS触发器在电子秒表中的职能是启动和停止秒表的工作.
（3）单稳态触发器
图（6）单稳态触发器电路
用集成与非门构成的微分型单稳态触发器。
单稳态触发器的输入触发负脉冲信号Vi由基本RS触发器端提供，输出负脉冲Vo通过非门加到计数器的清除端R。
静态时，门4应处于截止状态，故电阻R必须小于们的关门电阻Roff。
定时元件RC取值不同，输出脉冲宽度也不同。
当触发脉冲宽度小于输出脉冲宽度时，可以省去输入微分电路的Rp和Cp。
单稳态触发器在电子秒表中的职能是为计数器提供清零信号。
（4）计数及译码显示
（A）74L160（计数器）简介
74LS160是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器，他可以灵活的运用在各种数字电路，以及单片机系统种实现分频器等很多重要的功能
它的引脚功能如下：
图（7）74LS160引脚图
功能表如下：
当清零端CR=“0”，计数器输出Q3、Q2、Q1、Q0立即为全“0”，这个时候为异步复位功能。
当CR=“1”且LD=“0”时，在CP信号上升沿作用后，74LS161输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与并行数据输入端D3，D2，D1，D0的状态一样，为同步置数功能。
而只有当CR=LD=EP=ET=“1”、CP脉冲上升沿作用后，计数器加1。
74LS161还有一个进位输出端CO，其逻辑关系是CO= Q0·Q1·Q2·Q3·CET。
合理应用计数器的清零功能和置数功能，一片74LS161可以组成16进制以下的任意进制分频器。
（B）十进制加法计数器74LS160与译码显示器构成电子秒表的计数单元
图（8）电子表秒计数单元电路
5.设计仿真与PCB制版
1.、将各部分电路在MULTISIM11中连接并进行仿真
（1）时钟发生器的仿真
用示波器观察输出电压波形并测量其频率，调节滑动变阻器，使输出100Hz矩形波。
仿真结果如下：
图（9）多谐振荡器信号波形图
（2）与非门基本RS触发器的仿真
用示波器观察基本RS触发器的波形图如下（先闭合J1后再打开J1，再闭合J2后再打开）。
仿真结果如下：
图（10）RS触发器仿真图
（3）单稳态触发器的仿真
将启停电路单元的按钮按下,则此电路输出一个有效信号（负脉冲），但持续时间很短。
仿真结果如下：
图（11）单稳态触发器波形
（4）计数电路的仿真
仿真结果如下:
图（12）计数单元的仿真
2.电子秒表的整体测试
各单元电路测试正常后，按总图把几个单元电路连接起来，进行电子秒表的总体仿真。
仿真结果如下：
图（13）电子秒表总体仿真图
3.PCB版电路电路制作
在MULTISIM11画好电路图，仿真成功以后，设置个原件封装，直接导出网络表。
在protell99se中导入生成的网络表截图可见
电子秒表网络表
（2）PCB制版
PCB制版图
四.心得体会
经过这次的数字电子秒表课程设计后，我从中学到了好多东西。
综合我们上一个学期的数字电子技术基础课，我们已经对数字电子技术有一定的了解，主要是我们熟悉了protell99se软件和multisim11两个软件。
加上之前学过的电路课和模拟电子技术基础课，我们可以独立完成电路CAD基础课程设计了。
不过，在课设当中还是遇到许多不懂的问题，都积极向老师同学请教，基本都攻克了难题。
学会了设计数字电子电路的一般方法，还进一步熟悉数字电子器件的使用。
课设过程中遇到的问题:
1、在绘制电路图的过程中对数电中学习过的555芯片不是很熟悉，通过上网查找，发现555产生方波的参数方程为T=1.1RC，这是一个很关键的方程，调节RC可以改变方波周期，使我能够顺利的得到100HZ的方波。
2、在生成网络表后，在protel99se中导入网络表，产生许多问题，例如：
multisim中的封装名跟protel中的不一样，或者是封装原件没有，最关键的问题是在pcb板上有好几个74ls160，考虑怎么能减少，将各个与非门合并到一个74ls160中，进过向老师请教，修改了原来的电路原理图，找到了解决办法，从新生成网络表，在pcb中减少了4个74ls160，感觉原件减少了许多。
这个课程设计课我还不是很熟悉，第一次做难免会感到陌生，而且对很多基本的东西都不是很清楚，在一定程度上影响了我们的课程设计的质量，希望能在以后的时间里认真学习好这些基础的东西。
我对这个课程设计课有着深刻的体会：
要想做好这个课程设计，就必须认认真真地去做，不要怕麻烦，遇到不懂的问题就要主动去问同学或者老师。
最后我希望课程设计课能够再多一点给我们提供动手的机会，并让我们多点发挥主观能动性和创造能力，这样可以在学到东西的同时又能发散大家的思维。
总之，通过这次练习我有了很多收获。
在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，特别有趣，培养了我的设计思维，增强了动手能力。
五.附录
元器件清单：
序号
名称
型号
数量
备注
1
计数器
74LS90
4
——
2
555定时器
LM555CN
1
——
3
与非门
74ALS00M
5
——
4
或非门
4001BP
1
——
5
反相器
4009BCP
1
——
6
与门
74ALS08M
1
——
7
或门
74ALS32M
1
——
8
开关
SPST
2
——
9
电阻
RESISTOR
2
3KΩ
10
1
1KΩ
11
2
470Ω
12
1
100KΩ
13
POTENTIOMETE
1
100KΩ
14
七段译码显示器
DCD-HEX
4
——
15
发光二极管
LED
1
——
16
电容
电容
CAP
CAP
1
510pF
17
1
4.7nF
18
1
100nF
19
1
10nF
六.参考文献
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