电子秒表华农.docx

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电子秒表华农

一、实验目的

1.掌握电子系统的启动与停止单元电路的构成

2.掌握时钟信号的产生、计数、译码及显示电路的工作原理及电路组成方法

3.掌握不同类型芯片间接口电路的应用

4.掌握电子系统的调试与性能测试

二、实验仪器与元器件

1.双踪示波器、函数信号发生器、直流电源、IC测试仪、万用电表、数字电路实验室

2.共阴LED、CD4511、555定时器、74LS90、74LS00、电阻、电容、电位器

三、实验注意事项

1.需要注意数码管是共阴极（CK）的，公共端接地；

2.需要按照模块进行测试，方便接线的检验。

四、设计原理

1电路总体设计

写出设计思路，按模块功能简单绘制电路总体框图；

按照实验任务，将各单元电路分模块逐个进行接线和测试，①测试基本RS触发器，启动和停止秒表工作；②单稳态触发器为计数器提供清零信号；

时钟发生器及计数器的逻辑功能，由555定时器构成多谐振荡器作为时钟源，加法计数器构成电子秒表单元;④译码显示电路显示出电子秒表的内容。

测试完各单元电路正常工作后，再将有关电路连接起来进行测试。

74ls00引脚图：

功能：

四组二输入与非门

2模块1RS触发器

①RS触发器是构成其它各种功能触发器的基本组成部分。

又称为基本RS触发器。

结构是把两个与非门或者或非门G1、G2的输入、输出端交叉连接。

②接线图及74LS00引脚图：

逻辑状态表

1.当R端无效

（1），S端有效时（0），则Q=1,Q非=0,触发器置1。

2.当R端有效（0）、S端无效时

（1），则Q=0,Q非=1,触发器置0。

3.当RS端均无效时（0），触发器状态保持不变。

4.当RS端均有效时

（1），触发器状态不确定。

④基本RS触发器在电子秒表实验中的职能是启动和停止秒表工作

3模块2单稳态触发器

①单稳态触发器的特点是电路有一个稳定状态和一个暂稳状态。

在触发信号作用下，电路将由稳态翻转到暂稳态，暂稳态是一个不能长久保持的状态，由于电路中RC延时环节的作用，经过一段时间后，电路会自动返回到稳态，并在输出端获得一个脉冲宽度为tw的矩形波。

在单稳态触发器中，输出的脉冲宽度tw，就是暂稳态的维持时间，其长短取决于电路的参数值。

②由NE555构成的单稳态触发器电路及工作波形如图1所示。

图中R，C为外接定时元件，输人的触发信号ui接在低电平触发端（2脚）。

稳态时，输出uo为低电平，即无触发器信号（ui为高电平）时，电路处于稳定状态——输出低电平。

在ui负脉冲作用下，低电平触发端得到低于（1/3）Vcc，触发信号，输出uo为高电平，放电管VT截止，电路进入暂稳态，定时开始。

在暂稳态期间，电源＋Vcc→R→C→地，对电容充电，充电时间常数T＝RC，uc按指数规律上升。

当电容两端电压uc上升到（2/3）Vcc后，6端为高电平，输出uo变为低电平，放电管VT导通，定时电容C充电结束，即暂稳态结束。

电路恢复到稳态uo为低电平的状态。

当第二个触发脉冲到来时，又重复上述过程。

工作波形图如图（b）所示。

输人一个负脉冲，就可以得到一个宽度一定的正脉冲输出，其脉冲宽度tw取决于电容器由0充电到（2/3）Vcc，所需要的时间。

可得：

tw=1.1rc

单稳态触发器在电子秒表中是为计数器提供清零信号。

4.模块3555定时器构成多谐振荡器

①由555定时器和外接元件R1、R2、C构成多谐振荡器，脚2与脚6直接相连。

电路有稳态,仅存在两个暂稳态,电路亦不需要外接触发信号,利用电源通过R1、R2向C充电,以及C通过R2向放电端DC放电,使电路产生振荡。

电容C在2/3VCC和1/3VCC之间充电和放电,从而在输出端得到一系列的矩形波。

②电路图及输出波形：

多谐振荡器电路图输出信号的时间参数为：

T1=0.693（RA+RB）C,

T2=0.693RB*C.

震荡周期：

T=T1+T2=0.693（RA+2RB）C.

其中, tw1为VC由1/3VCC上升到2/3VCC所需的时间,tw2为电容C放电所需的时间。

555电路要求R1与R2均应不小于1KΩ,但两者之和应不大于3.3MΩ。

外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性,555定时器配以少量的元件即可获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输出能力。

因此,这种形式的多谐振荡器应用很广。

根据公式,用示波器观察输出电压，并测量其频率，根据T1=0.693（RA+RB）C,T2=0.693RB*C.T=T1+T2,其中C=4.7μF，令RB=30KΩ，f=50hz周期T=0.2s，则RB=1,404.31672346566Ω.

5.模块4加法计数器构成电子秒表的技术单元

①计数：

计数是一种最简单、最基本的逻辑运算，计数器的种类繁多，如按计数器中触发器翻转的次序分类，可分为同步计数器和异步计数器；按计数器计数数字的增减分类，可分为加法计数器、减法计数器和可逆计数器等。

本实验中利用了74LS90模块进行计数，该电路是由4个主从触发器和用作除2计数器及计数周期长度为除5的3位2进制计数器所用的附加选通所组成。

将B输入同QA输出连接，输入计数脉冲可加到输入A上，此时输出引脚就能如真值表要求输出。

74LS00为四组2输入端与非门。

②74LS90功能：

74LS90可以实现四种不同的逻辑功能；而且还可借助R0

（1）、R0

（2）对计数器清零，借助6、7脚将计数器置9。

6、7为置9输入端，不用时应接地。

这里我们需要用到异步8421码十进制加法计算，所以将若将1和12相连，计数脉冲由14输入，QD、QC、QB、QA作为输出端.计数脉冲从A输入时，QA作为输出端，为二进制计数器。

计数脉冲从B输入，QD、QC、QB作为输出端时，为异步五进制加法计数器。

引脚图：

真值表：

6.模块5译码显示电路显示出电子秒表的内容

①译码和显示：

十进制计数器的输出经译码后驱动数码管，可以显示0~9十个数字，CD4511是BCD~7段译码驱动集成电路。

其引脚的LT为试灯输入，BI为消隐输入，LE为锁定允许输入，A、B、C、D为BCD码输入，a~g为七段译码。

LED数码管是常用的数字显示器，分共阴和共阳两种。

而数码管的发光原理和普通发光二极管是一样的，所以可将数码管的亮段当成几个发光二极管。

根据内部发光二极管的共连接端不同，可以分为共阳极接法和共阴极接法，共阳极接法就是七个发光二极管的正极共同接电源VCC，通过控制每个发光二极管的负极是否接地来显示数字。

共阴极接法就是车个发光二极管的负极共同接地GND，通过控制每个发光二极管的正极是否接电源来显示数字。

管脚分别控制着每个发光二极管的亮暗。

CD4511真值表：

共阴极数码管接线图：

②译码器74LS47

  功能：

74LS47是BCD-7段数码管译码器驱动器，74LS47的功能用于将BCD码转化成数码块中的数字，通过它来进行解码，将每个输入的二进制代码译成对应的输出的高、低电平信号。

真值表如下：

引脚图：

7.总体电路

五、实验仿真

1.模块1RS触发器

RS触发器的一路输出Q作为单稳态触发器的输入，另一跟路输出Q作为与非门5的输入控制信号。

按动按钮开关K2（接地）,则门Q1输出1，门Q输出0，K2复位后Q、Q1状态保持不变。

再按动按钮开关K1；则Q由0变为1，为计数器启动作为准备。

Q1由1变为0，启动单稳态触发器工作。

按动按钮开关K2（接地）,则门Q1输出1，门Q输出0，K2复位后Q、Q1状态保持不变。

再按动按钮开关K1；则Q由0变为1，为计数器启动作为准备。

Q1由1变为0，启动单稳态触发器工作。

2.模块2单稳态触发器

输入端接受1KHZ的连续脉冲源，用示波器观察并记录VC和VO点的波形，因为RC的取值，输出脉冲持续时间太短，难以观察，这里选取R=1kΩ和C=1μF进行观察，待测试完毕再更换成计算值。

3.模块3555定时器构成多谐振荡器，作为时钟源

根据公式,用示波器观察输出电压，并测量其频率，根据T1=0.693（RA+RB）C,T2=0.693RB*C.T=T1+T2,其中C=4.7μF，令RB=30KΩ，f=50hz周期T=0.2s，则RB=1,404.31672346566Ω

4.模块4加法计数器

5.模块5译码显示电路显示出电子秒表的内容

5.总体电路的测试：

动按钮开关K2（接地）,则门Q1输出1，门Q输出0，K2复位后Q、Q1状态保持不变。

再按动按钮开关K1；则Q由0变为1，为计数器启动作为准备。

Q1由1变为0，启动单稳态触发器工作。

六、实验收获与体会

在本次实验过程中，我们小组按照预习仿真一步步进行接线，可是结果并不理想。

我们分模块测试的顺序是：

RS触发器模块→单稳态触发器为计数器提供清零信号→技术单元、译码显示电路→555定时器构成多谐振器。

可是在实验过程中，我们的译码显示电路测试并不成功，导致最后的综合测试不能进行。

我们对电路进行了多次检查和重连，但是未能找出问题所在。

所幸的是我们在仿真时的计算值，让我们的多谐振荡电路能够较为准确运行。

下次实验需要对接线准备得更加充分，并且检测硬件是否存在问题。