数字秒表课程设计.doc

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目录

摘要…………………………………………………………………………………2

关键词………………………………………………………………………………2

引言…………………………………………………………………………………2

1、课程设计目的……………………………………………………………………2

2、课程设计和要求………………………………………………………………2

2.1、设计内容…………………………………………………………………2

2.2、设计要求…………………………………………………………………2

3、数字电路的发展历程与分类……………………………………………………3

3.1数字电路的发展……………………………………………………………3

3.2数字逻辑电路分类………………………………………………………3

4、数字电路的数制………………………………………………………4

4.1二进制定义………………………………………………………4

4.2八进制定义………………………………………………………4

4.3十六进制定义………………………………………………………4

4.4数字电路的数制应用场合…………………………………………5

5、逻辑运算的基本法则………………………………………………5

5.1逻辑运算法则………………………………………………………5

5.2逻辑问题的描述方法……………………………………………6

6、设计方案……………………………………………………………………7

6.1、设计思路………………………………………………………………7

6.2、工作原理及硬件框图…………………………………………………7

6.3、硬件电路原理图………………………………………………………8

6.4、仿真图设计……………………………………………………………10

结束语……………………………………………………………………………11

参考文献…………………………………………………………………………12

附录………………………………………………………………………………13

数字秒表的课程设计

摘要：

本文的数字秒表设计是利用数字电路，实现时、分、秒计时功能的装置。

具有较长的使用寿命，因此得到了广泛的应用。

关键词：

计时精确计数器显示器74LS160

引言：

在科技高度发展的今天，集成电路和计算机应用得到了高速发展。

尤其是计算机应用的发展。

它在人们日常生活中已逐渐崭露头角，大多数电子产品多是有计算机电路组成，如：

手机、mp3等。

而且将来的不久他们的身影将会频繁的出现在我们身边。

各种家用电器多会实现微电脑技术。

电脑各部分在工作时多是一时间为基准的。

本文就是基于计算机电路的时钟脉冲信号、状态控制等原理设计出的数字秒表。

秒表在很多领域充当一个重要角色。

在各种比赛中对秒表的精确度要求很高，尤其是一些科学实验，他们对时间精确度达到了几纳秒级别。

1、课程设计目的

①掌握电子电路的一般设计方法和设计流程；

②学习使用PROTEL软件绘制电路原理图及印刷板图；

③掌握应用EWB对所设计的电路进行仿真，通过仿真结果验证设计的正确性。

2、课程设计内容和要求：

2.1、设计内容

设计一个数字秒表，要求如下：

数字秒表的计时范围是0s～59分59.99秒，显示的最长时间为59分59秒。

1.数字秒表的计时精度是10ms。

2.复位开关可以在任何情况下使用

3.具有启/停开关。

2.2、设计要求

①电路原理图和印刷板图；

②仿真图形和仿真结果。

3、数字电路的发展历程与分类方法

3.1数字电路的发展

数字电路的发展与模拟电路一样经历了由电子管、半导体分立器件到集成电路等几个时代。

但其发展比模拟电路发展的更快。

从60年代开始，数字集成器件以双极型工艺制成了小规模逻辑器件。

随后发展到中规模逻辑器件；70年代末，微处理器的出现，使数字集成电路的性能产生质的飞跃。

　数字集成器件所用的材料以硅材料为主，在高速电路中，也使用化合物半导体材料，例如砷化镓等。

　　逻辑门是数字电路中一种重要的逻辑单元电路。

TTL逻辑门电路问世较早，其工艺经过不断改进，至今仍为主要的基本逻辑器件之一。

随着CMOS工艺的发展,TTL的主导地位受到了动摇，有被CMOS器件所取代的趋势。

近年来,可编程逻辑器件PLD特别是现场可编程门阵列FPGA的飞速进步，使数字电子技术开创了新局面，不仅规模大，而且将硬件与软件相结合，使器件的功能更加完善，使用更灵活

3.2数字逻辑电路分类

1、按功能来分：

（1）组合逻辑电路

　　简称组合电路，它由最基本的的逻辑门电路组合而成。

特点是：

输出值只与当时的输入值有关，即输出惟一地由当时的输入值决定。

电路没有记忆功能，输出状态随着输入状态的变化而变化，类似于电阻性电路，如加法器、译码器、编码器、数据选择器等都属于此类。

（2）时序逻辑电路

　简称时序电路，它是由最基本的逻辑门电路加上反馈逻辑回路（输出到输入）或器件组合而成的电路，与组合电路最本质的区别在于时序电路具有记忆功能。

时序电路的特点是：

输出不仅取决于当时的输入值，而且还与电路过去的状态有关。

它类似于含储能元件的电感或电容的电路，如触发器、锁存器、计数器、移位寄存器、储存器等电路都是时序电路的典型器件。

2、按电路有无集成元器件来

可分为分立元件数字电路和集成数字电路。

3、按集成电路的集成度进行分类

可分为小规模集成数字电路（SSI）、中规模集成数字电路（MSI）、大规模集成数字电路（LSI）和超大规模集成数字电路（VLSI）。

4、按构成电路的半导体器件来分类

可分为双极型数字电路和单极型数字电路。

4．数字电路的数制

在我们的日常生活中常用的进制主要是十进制（因为我们有十个手指，所以十进制是比较合理的选择，用手指可以表示十个数字，0的概念直到很久以后才出现，所以是1－10而不是0－9）。

例如：

在早期设计的机械计算装置中,使用的不是二进制，而是十进制或者其他进制，利用齿轮的不同位置表示不同的数值，这种计算装置可能更加接近人类的思想方式。

比如说一个计算设备有十个齿轮，它们级连起来，每一个齿轮有十格，小齿轮转一圈大齿轮走一格。

这就是一个简单的十位十进制的数据表示设备了，可以表示0到999999999的数字。

配合其他的一些机械设备，这样一个简单的基于齿轮的装置就可以实现简单的十进制加减法了。

而在如今的信息化、数字社会，十进制不能满足人们的使用要求，从而出现了不同的进制概念，如我们常说的二进制、八进制、十六进制等。

那么对于二进制、八进制、还有十六进制它们各自的定义。

4.1二进制定义

二进制数据是用0和1两个数码来表示的数。

它的基数为2，进位规则是“逢二进一”，借位规则是“借一当二”。

二进制数据也是采用位置计数法，其位权是以2为底的幂。

4.2八进制定义

八进制是以8为基数的计数体制，在八进制中，每位有0，1，2，3，4，5，6，7八个数码，它的进位进规律是逢八进一，各位的权为8的幂。

4.3十六进制定

十六进制是以16为基数的计数体制，在十六进制中，每位有0，1，2，3，4，5，6，7、8、9、A（10）、B（11）、C（12）、D（13）、E（14）、F（15）十六个不同的数码，它的进位进规律是逢十六进一，各位的权为16的幂。

4.4数字电路的数制应用场合

二进制是计算技术中广泛采用的一种数制。

计算机运算基础采用二进制。

电脑的基础是二进制，电子计算机出现以后，使用电子管来表示十种状态过于复杂，所以所有的电子计算机中只有两种基本的状态，开和关。

也就是说，电子管的两种状态决定了以电子管为基础的电子计算机采用二进制来表示数字和数据。

这种通过不同的位置上面不同的符号表示数值的方法就是进制表示方法。

一个字是电脑中的基本存储单元，根据计算长的不同,字具有不同的位数，现代电脑的字长一般是32位的，也就是说，一个字的位数是32。

字节是8位的数据单元,一个字节可以表示0－255的数据。

对于32位字长的现代电脑，一个字等于4个字节，对于早期的16位的电脑，一个字等于2个字节。

八进制的数较二进制的数书写方便，常应用在电子计算机的计算中。

十六进制常用在单片机的编程里。

数制应用领域范围之广，一时难以一一举例，未来的世界数字化，期待着。

5、逻辑运算的基本法则

逻辑运算的基本法则以及逻辑问题的描述方法

5.1逻辑运算法则

根据或运算、与运算和非运算等三种基本逻辑运算，可以推导出逻辑运算的一些法则，为逻辑代数的运算法则。

（1）0·A=0

（2）1·A=A（3）A·A=A（4）0+A=A（5）1+A=1（6）A+A=A

（8）与运算交换律AB=BA（9）或运算交换律A+B=B+A

（10）与运算满足结合律ABC=（AB）C=A（BC）（11）或运算满足结合律A+B+C=（A+B）+C=A+（B+C）

5.2逻辑问题的描述方法

表示一个逻辑函数有多种方法，常用的有：

真值表、逻辑函数式、逻辑图、卡诺图4种。

它们各有特点，又相互联系，还可以相互转换，现介绍如下。

1．真值表

真值表是根据给定的逻辑问题，把输入逻辑变量各种可能取值的组合和对应的输出函数值排列成的表格。

它表示了逻辑函数与逻辑变量各种取值之间的一一对应关系。

逻辑真值表具有唯一性。

2．逻辑函数式

逻辑函数式是用与、或、非等基本逻辑运算来表示输入变量和输出变量函数间的之间关系的逻辑函数式。

由真值表写出的逻辑式是标准的与—或逻辑式。

写标准与—或逻辑式的方法是：

（1）把任意一组变量取值中的1代以原变量，0代以反变量，由此得到一组变量的与组合，如A、B、C三个变量的取值为101时，则代换后得到的变量与组合为ABC。

（2）把逻辑函数值为1所对应的各变量的与组合进行逻辑加，便得到标准的与—或逻辑式。

3．逻辑图

逻辑图是用基本逻辑门和复合逻辑门的逻辑符号组成的对应于某一逻辑功能的电路图。

根据逻辑电路图函数式画逻辑图时，只要把逻辑函数运算用相应门电路的逻辑符号代替，就可画出和逻辑函数相对应的逻辑图。

4.卡诺图

卡诺图是图形化的真值表。

一个逻辑函数的卡诺图就是将此函数的最小项表达式中的各最小项相应地填入一个方格图内，此方格图称为卡诺图。

　　卡诺图的构造特点使卡诺图具有一个重要性质：

可以从图形上直观地找出相邻最小项。

两个相邻最小项可以合并为一个与项并消去一个变量。

用卡诺图化简逻辑函数的基本原理就是把上述逻辑依据和图形特征结合起来，通过把卡诺图上表征相邻最小项的相邻小方格“圈”在一起进行合并，达到用一个简单“与”项代替若干最小项的目的。

在数字电路中经常使用。

6、设计方案

6.1、设计思路

数字秒表具有操作方便、使用简单、计数精准等使用优点，在日常生活中的到了广泛认可和使用。

设计一个简单有效的数字秒表势在必行。

数字秒表的设计可以有2种思路，1、单片机（8051等），通过控制开关控制单片机译码输出，在数码管上输出；2、中规模集成芯片设计。

出于成本和设计复杂程度等方面综合考虑，先用第二种方案设计。

本设计中CP脉冲采用555多谐振荡方波脉冲，频率为100Hz。

如果需要更精确的计数条件，可以选择石英晶振输入。

主计时电路采用6片CT74LS160构成的同步清零计数器，毫秒计数级为100进制，即毫秒计数100次向上进1，依此类推，秒计数为60进制，分计数为60进制。

输出为6片7448芯片匹配6枚共阴极数码管。

其中最小计时精度为0.01S（即10mS），能满足一般的计时场合使用。

最大计时时长为59分59秒99，超过1小时重新从0开始计数。

暂停功能采用阻断CP脉冲输入设置，具有较高的优先级。

清零功能用与非门并联计数器同步清零（清零时控制脉冲为高，计数器内部清零脉冲为无效的高状态，计数器被强制清零），由点触式开关控制，在任意时间可以使用（不管暂停与否）。

6.2、主计数级设计原理

6.3、硬件电路原理图

本实验采用芯片CT74LS160，7448，555，2与非门等元件

上图为一个100进制计数器原理图，采用石英晶振仿真（由于仿真软件运行速度有限，采用石英晶振或CLK信号源），由开关控制CP的输入，实现暂停。

由点触式开关清零（正常工作时开关接高，清零时接地），在计数的任意时刻均有效。

上图为整体电路计时仿真（为仿真速度要求，采用时钟信号源CLOCK-VOLTAGE，5V，100Hz），请留意上图右下角显示的仿真时间与数码管输出。

表明该计时器满足计时精度要求。

结束语

课程设计对我们大学生来说是很重要的一部分,它很好的将我们所学的知识加以运用,理论与实践相结合,使我们对所学的知识了解得更深刻更透彻,激发了我们自己动手的激情，和对新知识的渴望。

同时,我们对仿真软件更加熟悉和了解了．也为我们以后的毕业设计奠定了基础。

这次课程设计中，同学们互相讨论，交换意见，表现出了很高的积极性。

把理论运用到实际中让我们学的知识“活了”，自己动手的过程是一种历练与享受。

大家一边为独立思考而废寝忘食，一边为自己动手学以致用而感到自豪。

这次设计经历不但让大家运用了知识，更激起了大家对新知识的渴望。

这只是一个开始，因为更大的挑战还在后面，我们准备好了。

由于本人水平有限，设计中难免有纰缪之处，还请各位指导老师指正润色。

最后，感谢各位老师和同学给了我支持和点拨，没有你们的帮助就没有我现在的作品。

参考文献

①谢华生.VHDL数字控制系统范例.北京：

电子工业出版社

②万高明.EDA技术试验与课程设计.长沙：

湖南大学出版社

③黄仁新.EDA技术实验教程.北京：

清华大学出版社

④康华光.电子技术基础：

数字部分第4版.北京；高等教育出版社

⑤郑家龙.集成电子技术基础教程.北京：

高等教育出版社

⑥路而红.专用集成电路设计与电子设计自动化.北京：

清华大学出版社

⑦阎石.数字电子技术基础（第五版）高等教育出版社

⑧毕满清.电子技术实验与课程设计（第3版）机械工业出版社

⑨高吉祥.电子技术基础实验与课程设计电子工业出版社

⑩JoneF.Wakerly.DigitalDesign-Principles&Practices.3rded.Beijing:

HigherEducationNorthAsiaLimited

附录

附图：

数字秒表仿真原理图

附表：

元器件清单

⑴CT74LS160——同步十进制计数器（2片）

⑵7448——七段显示译码器（2片）

⑶555——定时器（1片）

⑷与非门（2个）

⑸电阻（7个）电阻60K两个，30K一个，470K两个，27K两个

⑹电容（4个）电容22UF两个，10UF两个

⑺非门（16个）

⑻开关1个，电源6V

⑼导线若干

（备注:

有些元件买不到，因而用相似功能的芯片代替）

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