数字式秒表课程设计.docx
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数字式秒表课程设计
数字式秒表课程设计
2012~2013学年第2学期
《数字电子技术》
课程设计报告
题目：
数字式秒表
专业：
通信工程
班级：
11级通信
（2）班
姓名：
张涛、李杨、郑文凯、李芳琪
王然、程洋洋、王国文、谢灿
指导教师：
王银花
电气工程学院
2013年6月07日
任务书
课题名称
数字式秒表
指导教师（职称）
王银花
执行时间
2012~2013学年第2学期第15周
学生姓名
学号
承担任务
张涛
1109131107
译码器显示电路设计
郑文凯
1109131110
译码器显示电路设计
李方琪
1109131080
计数器设计
李扬
1109131082
计数器设计
王然
1109131097
脉冲发生电路设计
程洋洋
1109131073
控制电路设计
王国文
1109131095
复位电路设计
谢灿
1109131101
脉冲发生电路设计
设计目的
1．熟悉集成电路的引脚安排和各芯片的逻辑功能及使用方法。
2.了解数字式秒表的组成及工作原理。
3.熟悉数字式秒表的设计。
设计要求
1、设计并制作符合要求的电子秒表。
2、秒表由4位七段LED显示器显示，显示分辨率为0.01秒。
3、计时最大值为59点99秒。
4、安装自己设计的电路。
5、运用仿真软件绘制设计电路图（Multisim）。
数字式秒表
摘要
在科技高度发展的今天，数字秒表在日常生活中是比较常见的电子产品，以其走时精确，使用方便，功用多而受广大用户所喜。
本设计所实现的数字式秒表是电子设计技术中最基本的设计实验之一。
该数字计数系统的逻辑结构较简单，是由控制电路，复位电路，0.01秒脉冲发生器，译码显示电路构成的。
其中控制电路是由基本R-S触发器以及电阻，开关组成的电路部分；复位电路是由机械开关，电阻，以及电源组成的电路部分；多谐振荡器是由555定时器以及其外围电路组成的电路分，它和分频器一起用来产生0.01秒的脉冲；译码显示电路由7448集成元件构成的电路部分；七段数码管电路由共阴极七段LED显示器，电阻和接地端组成的电路部分。
通过对各部分结构的了解，本实验从而设计出最大是为59.99秒的数字式秒表。
通过对实验了解到计数秒表的设计存在一些问题，但是这也充分说明了数字秒表还存在很大的提升空间，对计数精度可以进一步提高。
在设计实验中为了保证实验过程少走弯路，学会仿真是必要的，对本实验我们采用multism软件仿真，以便提高实验的正确性与可行性。
在平时的理论学习中遇到的问题都一一解决，加深了我对专业的了解，培养了我对学习的兴趣，为以后的学习打下了好的开端，我受益匪浅。
同时，让我明白：
电子设计容不得纸上谈兵，只有自己动手实际操作才会有深刻理解，才会有收获。
关键词译码显示电路；R-S触发器；555定时器；分频器
第一章方案讨论
1.1技术要求
1.秒表最大计时值为59.99秒；
2.7位数码管显示，分辨率为0.01秒；
3.具有清零，启动计时，暂停及继续计数等控制功能；
4.控制操作间不超过二个。
1.2方案论证与选择
1.秒表最大计时值为59.99秒；
2.7位数码管显示，分辨率为0.01秒；
3.具有清零，启动计时，暂停及继续计数等控制功能；
4.控制操作间不超过二个。
选择信号发生器时，有两种方案：
一种是用晶体振荡器，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。
秒表核心部分——计数器，此次选择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。
计数脉冲是由555定时器构成的多谐振荡器，产生100赫兹脉冲。
频率较高时可采用分频电路。
在选择译码器的时候，有多种选择，如74LS47，74LS48等4-7线译码器。
如果选择7447，则用来驱动共阳极数码管；如果选择7448，则用来驱动共阴极数码管。
在选择数码显示管时，可以利用四个数码管；也可以借鉴简易数字频率计中的四位数码管来显示后四位，再用两个数码管显示分钟的两位。
本次设计中选择后者。
第二章实验芯片
2.1计数器
74LS160的管脚图及功能表如下
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
74LS160
RD
CP
D1
GND
EP
VCC
D0
15
16
D2
D3
LD
ET
Q3
Q2
Q1
Q0
CO
RDLDETEPCPD3D2D1D0Q3Q2Q1Q0
0××××××××0000
10××↑DCBADCBA
110××××××保持
11×0×××××保持
1111↑××××计数
表2-174LS160功能表
图2-1为74LS160管脚图及功能表
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”，功能表第一行。
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DCBA，即所谓“同步”预置功能（第二行）。
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（161）实现模10加法计数Q3Q2Q1Q0=1001时，RCO=1。
8421码加权计数器：
，QD、QC、QB、QA输出见计数器工作波形图：
图2-2计数器工作波形图
2.2译码器
译码器电路是将数码转换为一定的控制信号。
在此由7448集成元件构成，它能将一个二进制数码转换为输出端的电平信号以控制显示器。
图2-37448的管脚图
LT’,RBI’接逻辑开关，D,C,B,A接8421码拨开开关，a，b，c，d，e，f，g七段分别接显示器对应的各段。
地线，电源线接好后，若线路无误后，接通电源就开始实验论证：
（1）LT’=0,其余状态为任意态，这时LET数码管全亮。
（2）再用一根导先把0电平接到BI’/RBO’端，这时数码管全灭，不显示，这说明译码器显示是好的。
（3）断开BI’/RBO’与0电平相连的导线，使BI’/RBO’悬空。
且使LT’=1，这时按动8421码拨码开关，输入D,C,B,A四位8421码二进制数，显示器就显示相应的十进制数。
（4）在（3）步骤后，仍使LT’=1,BI’/RBO’接LED发光二极管，此时若RBI’=1按动拨码开关，显示器正常显示工作。
若RBI’=0,按动拨码开关8421码输出为0000时，显示器全灭，这时BI’/RBO’端输出为低电平即LED发光二极管全灭这就是“灭零”功能。
2.3七段数码管（LED）
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abcdefg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74LS48的相对应的驱动端上（也是abcdefg）。
此时若显示数字1，那么译码驱动电路输出段bc为高电平，其他段扫描输出端为低电平，以此类推。
如果7段数码管是共阳显示电路，那就需要选用74LS48译码驱动集成电路。
共阳就是把abcdefg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74LS48相应的abcdefg输出端上。
无论共阴共阳7段显示电路，都需要加限流电阻，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--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。
下图是八段数码管（LED）的示意图，图中引脚6为VCC的为共阳数码管，引脚6为GND的为共阴数码管。
图2-4八段数码管示意图
本设计采用阴数码管与74LS48匹配，同时并入一个四输入内置译码器的7段数码管，以验证译码部分的功能（注：
验证成功后，两种组合数码管可以只保留一个）。
第三章电路设计
3.1控制电路
控制电路：
它是由两个74LS00集成与非门元件构成的基本R-S触发器，接在机械开关K的后面，防止开关K在打开和闭合时一些假信号窜入逻辑电路。
用来控制秒表的开始，暂停。
控制电路是由一个基本R-S触发器，机械开关，电阻以及5伏电源组成。
主要实现秒表的停止和开始计数功能。
开始，停止功能可以只用一个机械开关实现，之所以用此电路代替机械开关，是因为利用此电路的锁存功能，防止开关在打开和闭合时一些假信号串入逻辑电路，影响秒表正确计数显示。
图3-1控制电路
电路连接说明：
电路加入5V电压，再由R4，R5作为保护电阻，再由J1控制输出端输出电平的变化。
当开关在下端时计数器接受到脉冲，当开关在上端时计数器暂停计数。
3.20.01秒脉冲发生电路
0.01秒脉冲发生器电路，它由555集成定时器元件和外围的电阻和电容等元件构成的多谐振荡器。
调节滑动电阻的数值，可以改变脉冲发生器的输出频率。
555定时器
集成555定时器有双极性型和CMOS型两种产品。
一般双极性型产品型号的最后三位数都是555，CMOS型产品型号的最后四位数都是7555.它们的逻辑功能和外部引线排列完全相同。
器件电源电压推荐为4．5～12V，最大输出电流200mA以内，并能与TTL、CMOS逻辑电平相兼容。
其555定时器的内部电路框图及逻辑符号和管脚排列分别如图所示。
图3-3555定时器逻辑符号和引脚
图3-2555定时器内部结构
引脚功能：
Vi1（TH）：
高电平触发端，简称高触发端，又称阈值端，标志为TH。
Vi2（
）：
低电平触发端，简称低触发端，标志为
。
VCO：
控制电压端。
VO：
输出端。
Dis：
放电端。
：
复位端。
两定时器内含一个由三个阻值相同的电阻R组成的分压网络，产生
VCC和
VCC两个基准电个电压比较器C1、C2；一个由与非门G1、G2组成的基本RS触发器（低电平触发）；放电三极管T和输出反相缓冲器G3。
是复位端，低电平有效。
复位后,基本RS触发器的
端为1（高电平），经反相缓冲器后，输出为0（低电平）。
分析图1的电路：
在555定时器的VCC端和地之间加上电压，并让VCO悬空，则比较器C1的同相输入端接参考电压
VCC，比较器C2反相输入端接参考电压
VCC，为了学习方便，我们规定：
当TH端的电压>
VCC时，写为VTH=1，当TH端的电压<
VCC时，写为VTH=0。
当
端的电压>
VCC时，写为VTR=1，当
端的电压<
VCC时，写为VTR=0。
1低触发：
当输入电压Vi2<
VCC且Vi1<
VCC时，VTR=0，VTH=0，比较器C2输出为低电平，C1输出为高电平，基本RS触发器的输入端
=0、
=1，使Q＝1，
＝0，经输出反相缓冲器后，VO＝1，T截止。
这时称555定时器“低触发”；
保持：
若Vi2>
VCC且Vi1<
VCC，则VTR=1，VTH=0，
=
=1，基本RS触发器保持，VO和T状态不变，这时称555定时器“保持”。
高触发：
若Vi1>
VCC，则VTH=1，比较器C1输出为低电平，无论C2输出何种电平，基本RS触发器因
=0，使
＝1，经输出反相缓冲器后，VO＝0；T导通。
这时称555定时器“高触发”。
555定时器的“低触发”、“高触发”和“保持”三种基本状态和进入状态的条件（即VTH、VTR的“0”、“1”）必须牢牢掌握。
VCO为控制电压端，在VCO端加入电压，可改变两比较器C1、C2的参考电压。
正常工作时，要在VCO和地之间接0．01μF（电容量标记为103）电容。
放电管Tl的输出端Dis为集电极开路输出。
本设计中所用的电路为NE555。
表3-3555定时器控制功能表
输入
输出
TH
VO
Dis
×
<
VCC
<
VCC
>
VCC
×
<
VCC
>
VCC
×
L
H
H
H
L
H
不变
L
导通
截止
不变
导通
图3-4555组成的占空比可调的多谐振荡器
图3-5工作波形图3-60.01秒脉冲发生电路
电路连接说明：
555定时器要工作首先在VCC管脚接入5V电压，并GND管脚接地。
再由计算可得当R2等于2千欧姆，R3滑动变阻器为10千欧姆，R1等于5.1千欧姆，C1等于0.1微法是可产生1000赫兹脉冲信号，在经过计数器74LS160进行十分频得到100赫兹脉冲信号。
由74LS160芯片原理可知，要想驱动芯片进行十进制计数，首先将输入数据初值置零即3、4、5、6管脚接地，为低电平将1、7、9、10管脚接高电平，2管脚接输入脉冲，11管脚作为100赫兹输出脉冲，其余管脚闲置即可。
图3-7脉冲仿真电路图
555组成的多谐振荡器可以用作各种时钟脉冲发生器，图3-6为脉冲频率可调的矩形脉冲发生器，调节R3可得到任意频率的脉冲信号，由于电容C充放电回路的时间常数不等，所以图3-6输出波形为矩形脉冲，矩形脉冲的占空比随频率变化而变化。
该电路是由555定时器以及外围的电阻，电容组成的,其中从555定时器构成的多谐振荡器OUT引脚出来的频率是1000HZ，经过72LS160十分频后得100HZ。
555定时器的参数：
T=0.01s，f=100Hz =1/0.695（R1+2R2）C
在图中R2+R3=R1，R1=R2
经过计算并实际调整，方案为R2=2千欧，R1=5.1千欧，R3=10千欧，c=100微法。
在实践中，如果用示波器观察到频率不正确，可调整R3来改变频率，减小误差。
3.3复位电路
复位电路的基本功能是：
提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。
为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防开关分-合过程中引起的抖动而影响复位。
另外复位电路主要完成清零功能。
图3-8复位电路
电路连接说明
复位电路作为清零复位用它是由电源，开关和一个电阻组成的电路。
该复位电路由机械开关，电阻，以及电源组成。
输出线1接在74160的复位端。
当需要复位时，合上开关至0端，从输出线1即可输出复位信号（即清零信号）。
3.4计数器电路
从进位制来分，有二进制计数器，十进制计数器等多种形式。
在此采用的74LS160十位二进制计数器，即8421编码方式。
图3-974160的级联图
电路连接说明
对驱动74LS160计数器在前面已做过介绍。
四块芯片从左至右是由高位到低位排列。
这里先要驱动每块芯片，并且输入值始终为低电平。
100HZ的脉冲信号均由2管脚输入，当U17芯片产生进位信号时，由15管脚输出至U16芯片的7和10管脚，使U16芯片开始计数.因此当前一块芯片产生进位时均输入下一个芯片的工作控制端。
U14芯片是六进置数所以采用与非门截至同步预置端，使整个级联电路产生最大数为5999，再由每块芯片输出端输出。
3-4U14的状态转化表
CP
Q3
Q2
Q1
Q0
1
0
0
0
1
2
0
0
1
0
3
0
0
1
1
4
0
1
0
0
5
0
1
0
1
6
0
0
0
0
3.5译码显示电路
译码器电路是将数码转换为一定的控制信号。
在此由74LS48集成元件构成，它能将十个二进制数码转换为输出端上的电平信号以控制显示器。
显示器电路：
有辉光数码管和荧光数码管等多种显示电路。
此次设计中采用的是共阴极七段LED显示器。
图3-10数码管与7448连接图
电路连接说明
先驱动译码器与显示屏，分别给其提供5V电压。
由7448芯片原理可知，驱动时3、4、5管脚均接高电平，1、2、6、7管脚分别接与其相对应的计数器，再进行编码与之显示数码管相应管脚对应。
显示器选用共阴数码管，在每个数码管均接有保护电阻，以保证数码管正常显示。
图3-11电路总图
电路连接说明
总电路由控制电路、0.01秒脉冲发生电路、复位电路、计数器电路、译码显示电路几部分构成。
0.01秒脉冲发生电路产生100HZ脉冲信号，向计数器电路提供脉冲；并由控制电路控制传入信号的暂停与开始。
复位电路控制计数电路使总电路能完成清零工作。
计数器电路、译码显示电路在脉冲信号的作用下完成最大值为59.99计数。
第四章结论
做本次课程设计我们先理论上提出了几种方案，然后进行讨论分析可行性，选出最终方案。
在实验前首先应明白实验的原理，设计电路选择所需芯片，运用芯片前应明白各管脚的作用。
实验中应分模块进行，对每个模块进行测试后在进行总的连接测试，运用仿真软件Multisim进行仿真电路连接，虽然实验连线繁琐但是只要细心最终还是会成功的！
但是在各级芯片以及门电路可能有一定的延迟时间，有些部分还可能存在竞争冒险，这也在一定程度上影响实验结果的精确度。
心得体会
在设计实践的过程中，我深深的体会到必须要有扎实的知识基础，要熟练地掌握课本上的知识，这样才能对试验中出现的问题进行分析解决。
在整个电路的设计过程中，花费时间最多的是利用Multisim仿真，因为以前没有学过这个软件，所以我们要从头学起，自行摸索的学习。
我们在各个单元电路的连接上花费了大量时间。
我们在设计时曾做出了两套方案以及仿真电路，我们仔细比较分析其原理以及可行的原因，这才确定了我们的电路。
实习过程中，我深刻的体会到在设计过程中，要考虑到各个元器件的功能和特性，要翻阅大量资料，参考别人的经验，只有这样才能把自己的电路设计的成功。
通过这次对数字式秒表的设计与制作，让我了解了设计电路的程序，也让我了解了关于数字秒表的原理与设计理念。
在此次的数字秒表设计过程中，我更进一步地熟悉了芯片的结构、管脚图、功能表及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法。
而且这些知识是对我们大学生来说十分宝贵的实践经验，是无法在课堂上获得的，是现今社会最重视的同时也是我们最需要提高的部分。
在设计电路中,完成电路图只是完成了设计的一小部分，更加困难的是对电路的验证和纠错，在这过程中我接触到了很多未接触过的检查方法和思想。
在电路的仿真过程中出错的主要原因都主要是接线的错误所引起的。
接线的时候一定要细心，不要接错，同时也要学会如何判别芯片的功能，要是芯片不具备要求的功能，或者，不匹配，即使接线再正确也出不来结果。
对自己的设计要仔细考虑，是否可行，尤其是进位输出，着重看看进位的CP脉冲是否正确等。
总体来说，通过这次课程设计学习，我越发感觉电子设计不是死板的东西，是有很大科学性与艺术性的。
不同芯片的使用，不同的接线方法，不同的变量，不同的实现思路，经过组合后几乎可以称之为艺术。
这次课程设计使我对各种电路都有了大概的了解，也学会了常用EDA软件的使用，在平时的理论学习中遇到的问题都一一解决，加深了我对专业的了解，培养了我对学习的兴趣，为以后的学习打下了好的开端，我受益匪浅。
同时，让我明白：
电子设计容不得纸上谈兵，只有自己动手实际操作才会有深刻理解，才会有收获，所谓“千里之行，始于足下”，这次课程设计最大的意义在于让我们迈出了通往工程师的第一步。
答辩记录及评分表
课题名称
数字式秒表
答辩教师（职称）
王银花
答辩时间
2012-2013学年第2学期第15周
答
辩
记
录
评分表
学生姓名
学号
评分
张涛
1109131107
李方琪
1109131080
郑文凯
1109131110
李扬
1109131082
王然
1109131097
王国文
1109131095
谢灿
1109131101
陈洋洋
1109131073
附录
插图清单
图序
名称
2-1
74LS160管脚图及功能表
2-2
计数器工作波形图
2-3
7448的管脚图
2-4
八段数码管示意图
3-1
控制电路
3-2
555定时器内部结构
3-3
555定时器逻辑符号和引脚
3-4
555组成的占空比可调的多谐振荡器
3-5
工作波形
3-6
0.01秒脉冲发生电路
3-7
仿真电路图
3-8
复位电路
3-9
74160的级联图
3-10
数码管与7448连接图
插表表格
2-1
74LS160功能表
3-1
双极性型555定时器参数
3-2
CMOS型555定时器参数
3-3
555定时器控制功能表
3-4
U14的状态转化表
元器件清单
名称
规格
数量
直流电源
5V
8个
四2输入与非门
7400N
3个
多稳态触发器
555
1个
计数器
74LS160
5个
译码器
74LS248
4个
数码管
BCD-七段显示
4个
开关
单刀双掷
2个
电阻
不等
若干
参考文献
1、阎石.数字电子技术基础.北京：
高等教育出版社，1989
2、张乃国.电子测量.北京：
人民邮电出版社，1985
3、彭介华.电子技术课程设计指导.北京：
高等教育出版社，1997
4、华容茂.电工、电子技术实习与课程设计.北京：
电子工业出版社，2000
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