数电课程设计数字电子秒表设计.doc

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数电课程设计

电

子

秒

表

姓名：

李同辉

专业：

电气工程及其自动化

学号：

311208002718

班级：

电气12-7班

指导老师：

王允建

摘要

秒表应用于我们生活、工作、运动等需要精确计时的方面。

它由刚开始的机械式秒表发展到今天所常用的数字式秒表。

秒表的计时精度越来越高，功能越来越多，构造也日益复杂。

本次数字电路课程设计的数字式秒表的要求为：

显示分辨率为1s；计时最长时间为99S，2位显示器，显示时间最长为99s；系统设置启／停键。

复位键用来消零，启／停键是控制秒表起停的功能键。

针对上述设计要求，我们先前往校图书馆借阅了大量的数字电路设计方面的书籍，以及一本电子元件方面的工具书，以待查阅各种设计中所需要的元件。

其次安装并学习了数字电路设计中所常用的proteus仿真软件，在课程设计过程的电路图设计与电路的仿真方面帮助我们发现了设计电路方面的不足与错误之处。

工作安排方面：

我们首先在课程设计的要求下设计出了数字式秒表的整体电路框图。

其次我们对每个单元电路进行设计分析，对其工作原理进行介绍，最后使用proteus软件画出单元电路，并在可能情况下对其进行仿真实验。

完成了单元电路设计分析之后，进行总电路的拼接与调试，最后对总电路图进行分析，写出结论。

完成总电路的设计与分析之后，对资料与设计电路进行整理、排版，完成课程设计报告。

关键字：

555定时器十进制计数器多谐振荡器

第一章引言

1.1设计目的------------------------------------------------------------------------------4

1.2设计任务---------------------------------------------------------------------------4

1.3设计要求------------------------------------------------------------------------------4

第二章数字电子秒表设计

2.1仪器设备-----------------------------------------------------------------------------5

2.2电子秒表的基本组成和工作原理-----------------------------------------------5

2.3芯片简介------------------------------------------------------------------------------5

2.4实验原理--------------------------------------------------------------------11

第三章实验结果

3.1实验结果分析-------------------------------------------------------------------------14

第四章心得体会-----------------------------------------------------------------------------14

第五章参考文献------------------------------------------------------------------------------15

第六章附录---------------------------------------------------------------------------------16

第一章引言

1.1设计目的：

1.1.1为了培养学生运用有关课程的基础理论和技能解决实际问题，并进一步提高学生专业基本技能、创新能力的重要实践教学环节。

1.1.2通过课程设计，学生受到设计写作方法的初步训练，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。

1.1.3为了培养学生正确的设计思想与方法、严谨的科学态度和良好的工作作风，树立自信心。

1.1.4为了培养学生获取信息和综合处理信息的能力,提高文字和语言表达能力。

1.1.5巩固、深化和扩展学生的理论知识与初步的专业技能。

1.1.6熟悉555方波振荡器的应用。

1.1.7熟悉计数器的级联及计数、译码、显示电路的整体配合。

1.1.8学习电子秒表的调试方法

1.2设计任务内容：

1.2.1完成数字电子秒表的设计，绘出电路原理图。

1.2.2搭接电子秒表整体试验电路。

1.2.3调节1秒信号源。

1.2.4测试电子秒表清零、开始计时、停止计时功能。

1.3设计要求

1.3.1以1秒为最小单位进行显示。

1.3.2秒表可显示1～99秒的量程。

1.3.3该秒表具有开始计时、停止计时功能。

1.3.4要求完成的电子秒表99S内误差不超过2S。

第二章数字电子秒表设计

2.1仪器设备：

+5V稳压电源一台，万用表一台，PCB板一块，排阵若干，导线若干，按键开关两个；定时器555一块，74LS00一块，74LS161两块，4511两块，4093一块，单位共阴极数码管两只，10uF电解质电容2个，发光二极管一个，电阻：

1k，4个；75k,1个；500欧，15个。

2.2电子秒表的基本组成和工作原理：

2.2.1电子秒表电路的基本组成框图如图1所示，它主要由秒脉冲发生器、触发器、计数器、译码器和数码显示器5个部分组成。

秒脉冲发生器

计数器

触发器

译码器

显示器

图1电子秒表基本结构示意图

2.3芯片简介

（1）由NE555P组成的多谐振荡器（多谐振荡器）

（A）、555时钟电路可以构成多谐振荡器，真值表如下：

表2.1

RST

THR

TRI

OUT

导通

>2\3VCC

>1\3VCC

导通

<2\3VCC

>1\3VCC

不变

<2\3VCC

<1\3VCC

截止

>2\3VCC

<1\3VCC

截止

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。

（2）74LS161（计数器）

74LS161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：

图2.174ls161引脚图

管脚图介绍：

时钟CP和四个数据输入端P0~P3

清零/MR

使能CEP，CET

置数PE

数据输出端Q0~Q3

以及进位输出TC.（TC=Q0·Q1·Q2·Q3·CET）

表2.2（74LS161功能表）

输入

输出

↑

状态码加1

从74LS161功能表功能表中可以知道，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。

二进制计数器电路简单，运算也方便，但人们最习惯的是十进制，所以在应用中常使用十进制计数器。

使用较多的十进制计数器是按照8421BCD码进行计数的电路，计数器由“0000”状态开始计数，每10个脉冲一个循环，也就是第10个脉冲到来时，由“1001”变为“0000”，就实现了“逢十进一”，同时产生一个进位信号。

（3）74LS00（与非门）

74LS00功能：

四2输入与非门D9u838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号-各种图纸

真值表：

表2.3

Inputs输入

输出

D9u838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号-各种图纸

图2.274LS00引脚图D9u838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号-各种图纸

（4）4093

4093由四个2输入端施密特触发器电路组成。

每个电路均为在两输入端具有斯密特触发功能的2输入与非门。

每个门在信号的上升和下降沿的不同点开、关。

上升电压（VP）T和下降电压（VN）之差定义为滞后电压

（△VT）。

图2.3 4093引脚图

（5）4511

图2.44511引脚图

CD4511是一个用于驱动共阴极 LED （数码管）

显示器的 BCD 码—七段码译码器，特点如下：

具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。

可直接驱动LED显示器。

（5）数码管

现在的许多电器设备上都有显示十进制字符的字符显示器，以直观的显示出电器设备的运行数据。

目前广泛使用的字符显示器是七段字符显示器，或称七段数码管。

常见的七段数码管有液晶显示数码管和半导体数码管两种。

半导体数码管是由七段发光二极管（LightEmittingDiode）组成，简称LED。

图1.6是LED的引脚及其等效电路

图2.5（a）LED的引脚及其等效电路。

LED产品的种类繁多，有图1.6（b）、（c）所示的共阴极电路，还有共阳极电路，常用的数码显示器有BS201，BS202等。

图2.6七段数字显示器发光段组

要驱动LED正常的显示十进制数的十个字符，LED前面必须接一个显示译码器。

显示译码器可实现的逻辑功能是：

将输入的8421BCD码转化成驱动LED发光的高、低电平信号，驱动LED显示出不同的十进制数字符，下面来讨论显示译码器的组成。

因显示译码器可以驱动LED显示出0～9这十个数字字符，十个数字字符对应十种高低电平的组合状态，要描述这十种高、低电平的组合状态必须用4位二进制数，根据LED发光的特点可得描述显示译码器逻辑功能的真值表如表2.4所示。

表2.4显示译码器逻辑功能真值表

2.4实验原理

（1）触发器（启动与停止）

触发器室友集成与非门构成的基本RS触发器组成，属于低电平直接触发的触发器，配合两个按钮开关，实现系统的计数启动、停止功能。

J2动作时，RS触发器有一个向高电平的跳变，则这个信号通过一个非门将计数器74LS161瞬间清零，并开始计时。

J1动作时，RS触发器输出0，并通过与非门将555秒脉冲发生电路的脉冲封锁，系统停止计数。

图2.7启动/停止电路

（2）秒脉冲发生器

（a）该单元电路由555定时器构成的多谐振荡器组成。

是一种性能较好的时钟源，其产生1HZ的矩形脉冲信号。

当基本RS触发器Q=1时，门U1C开启，此时1HZ脉冲信号通过门U1C作为计数脉冲加于计数器输入端CLK。

1Hz的555定时器构成的多谐振荡器：

图2.8555定时器构成的多谐振荡器

（b）、秒信号产生电路

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。

（c）振荡周期的计算

1.暂稳状态的脉冲宽度tp1，即uc从（1/3）Ucc充电上升到（2/3）Ucc所需的时间：

tp1≈（R1＋R2）Cln2＝0.7（R1＋R2）C

2.脉冲宽度tp2，即uc从（2/3）Ucc放电下降到（1/3）Ucc所需的时间：

3.振荡周期：

T=tp1+tp2＝0.7（R1＋2R2）C

4.由于R1=1KΩR2=75KΩC=10uf带入T中可以求得震荡周期T=1S

（3）计数单元

四位二进制加法计数器74LS161构成的电子秒表的计数单元：

图2.9由两片74LS161构成的计数单元

计数单元整体由两片74LS161分别构成一个十进制加计数器构成。

当第一个十进制同步计数器记满十个数时，通过一个与非门将计数脉冲送到第二个十进制计数器的CLK端。

两个十进制的计数器通过级联，进而构成99进制的计数器。

（4）译码显示

译码显示电路有BCD码译码器CD4511和七段LED共阴极数码管构成。

图2.10译码显示电路

第三章实验结果

3.1实验结果分析

在实现电路时，按下按钮J2，数码管从00开始显示加1计数；按下按钮J1，则计数停止，再次按下按钮J2，数码管重新回到00开始计数，一直计数到计数最大值99后返回00又进行新一轮的计数。

所要求的功能都能够正常的实现。

第四章心得体会

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。

在我们上了一个学期的数字电子技术基础课后，我们已经对数字电子技术有一定的了解，加上之前学过的电路课和模拟电子技术基础课，我们可以独立完成数字电子技术基础课程设计了，不过当中还是遇到许多不懂的问题。

通过这次自己动手的课程设计，我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。

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。

第五章参考文献

[1]杨欣.王玉凤.电子设计从零开始.清华大学出版社,2005

[2]黄仁欣.电子技术实践与训练.清华大学出版社,2004

[3]彭铭泉.通用集成电路速查手册.山东科学技术出版社，2004

[4]高志清.数字电路逻辑设计.大连理工出版社,2002

[5]张庆权.电子元器件的选用与检测.机械工业出版社,2002

[6]沈明山.常用电子元件手册.机械工业出版社,2001

[7]郭培源.电子电路及电子器件.高等教育出版社,2004

[8]杨素行.模拟电子技术基础.高等教育出版社,2005

[9]刘维恒.实用电子电路基础.电子工业出版社,2004

[10]王武江.陈树凯.常用集成电路速查手册.冶金工业出版社,2004

[11]成立.电子技术.北京理工大学出版社,2000

第六章附录

整体电路图1

整体电路图2

整体电路图3

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