電子測量與儀器課程設(shè)計(jì)報(bào)告.doc

安陽師范學(xué)院 電子測量與儀器課程設(shè)計(jì)報(bào)告電子測量與儀器課程設(shè)計(jì)報(bào)告 設(shè)計(jì)題目：設(shè)計(jì)題目：簡單的秒表計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)簡單的秒表計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì) 學(xué)學(xué) 生：生：趙趙 瑞瑞 云云 學(xué)學(xué) 號(hào)：號(hào)：101103084 院院 系：系：物理與電氣工程學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院 班班 級(jí)：級(jí)： 10 級(jí)自動(dòng)化級(jí)自動(dòng)化 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 劉劉 永永 順順 時(shí)時(shí) 間：間： 2013/12 /10 安陽師范學(xué)院 簡單的秒表計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)簡單的秒表計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)（安陽師范學(xué)院 物理與電氣工程學(xué)院 河南 安陽 455000）摘要：摘要：本系統(tǒng)采用振蕩器、計(jì)數(shù)器、譯碼器、顯示器組成。由 LED 七段數(shù)碼管來顯示譯碼器所輸出 的信號(hào)。采用了 74LS 系列中小規(guī)模集成芯片。其中主體電路完成秒表的基本功能。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：振蕩器；計(jì)數(shù)器；譯碼器；LED 七段數(shù)碼管1 引言在日常生活和工作中，我們常常用到定時(shí)控制，如擴(kuò)印過程中的曝光定時(shí)等。早期常用的一些時(shí)間控制單元都使用模擬電路設(shè)計(jì)制作的，其定時(shí)準(zhǔn)確性和重復(fù)精度都不是很理想，現(xiàn)在基本上都是基于數(shù)字技術(shù)的新一代產(chǎn)品，隨著數(shù)字集成電路性能價(jià)格比的不斷提高，新一代產(chǎn)品的應(yīng)用也越來越廣泛，大可構(gòu)成復(fù)雜的工業(yè)過程控制系統(tǒng)，完成復(fù)雜的控制功能。小則可以用于家電控制，甚至可以用于兒童電子玩具。它功能強(qiáng)大，體積小，質(zhì)量輕，靈活好用，配以適當(dāng)?shù)慕涌谛酒?，可以?gòu)造各種各樣、功能各異的微電子產(chǎn)品。秒表計(jì)數(shù)器在生活中經(jīng)常被用到，如：比賽記時(shí)，試驗(yàn)及記時(shí)等。2 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求2.1 基本要求首先要能直接顯示秒的計(jì)數(shù)器，要求六十、十為一計(jì)數(shù)周期。然后要求電路主要采用中規(guī)模集成電路。且電路輸入電壓為+5 伏 +10 伏。2.2 方案選擇一個(gè)基本的秒表電路主要由譯碼顯示器,“秒” ， “毫秒”計(jì)數(shù)器和定時(shí)器組成。干電路系統(tǒng)由秒信號(hào)發(fā)生器“秒” 、 “毫秒”計(jì)數(shù)器、譯碼器及顯示器電路組成。首先構(gòu)成一個(gè)NE555定時(shí)器和分頻器產(chǎn)生震蕩周期為一秒的標(biāo)準(zhǔn)“秒”脈沖信號(hào)，由74LS160采用清零法分別組成六十進(jìn)制的“秒”計(jì)數(shù)器、十進(jìn)制“毫秒”計(jì)數(shù)器。清零法適用于有異步置零輸入端的集成計(jì)數(shù)器。原理是不管輸出處于哪種狀態(tài)，只要在清零輸入端加一個(gè)有效電平電壓，輸出會(huì)立即從那個(gè)狀態(tài)回到“0000”狀態(tài)。清零信號(hào)消失后，計(jì)數(shù)器又可以從“0000”狀態(tài)開始重新計(jì)數(shù)。使用NE555定時(shí)器的輸出作為“秒”計(jì)數(shù)器的CP脈沖，把秒計(jì)數(shù)器的進(jìn)位輸出作為“分”計(jì)數(shù)器地CP脈沖，分計(jì)數(shù)器的進(jìn)位輸出作為“時(shí)”計(jì)數(shù)器的CP脈沖。使用74LS48為驅(qū)動(dòng)器，共陰極七段數(shù)碼管作為顯示器。3 設(shè)計(jì)任務(wù)分析3.1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)設(shè)計(jì)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)發(fā)生電路設(shè)計(jì) 60 進(jìn)制、十進(jìn)制計(jì)數(shù)器（秒計(jì)數(shù)電路）設(shè)計(jì)譯碼顯示電路安陽師范學(xué)院設(shè)計(jì)操作方面的校時(shí)電路3.2 原理框圖毫秒顯示器秒顯示器譯碼器譯碼器秒計(jì)數(shù)器毫秒計(jì)數(shù)器秒脈沖振蕩器圖圖 1.1.秒表計(jì)數(shù)器原理框圖秒表計(jì)數(shù)器原理框圖4 電路設(shè)計(jì)部分4.1 秒脈沖信號(hào)發(fā)生器秒脈沖信號(hào)發(fā)生器是數(shù)字電子鐘的核心部分，它的精度和穩(wěn)定度決定了數(shù)字鐘的質(zhì)量。由振蕩器與分頻器組合產(chǎn)生秒脈沖信號(hào)。4.1.1 振蕩器設(shè)計(jì)一般說來，振蕩器的頻率越高，計(jì)時(shí)精度越高。本設(shè)計(jì)中采用由集成定時(shí)器 555 與 RC 組成的多諧振蕩器，經(jīng)過調(diào)整輸出 1Hz 脈沖。電路圖如下圖所示：圖圖 2 2 555555 定時(shí)器振蕩電路定時(shí)器振蕩電路4.1.2 振蕩器參數(shù)確定 555 定時(shí)器的脈沖時(shí)間是由于 RC 充放電確定的。根據(jù)三要素公式： （1）1)( 1)0( 1)( 1)( 1RCteVcVcVctVc 充電過程的方程式：安陽師范學(xué)院 (2)11)31(32RCteVccVccVccVcc 充電時(shí)間為： (3)1)21(7 . 02ln)21(11CRRCRRt 放電過程的方程式： （4）12)032(031RCteVccVcc 放電時(shí)間為： (5)127 . 02ln221CRCRt 總時(shí)間為： （6）fttt121 頻率為： （7）121121)2(43. 1)2(7 . 011CRRCRRtf首先確定 C1=0.1uf，R2=4.1K，需要輸出頻率 f=10HZ，將充放電時(shí)間算出，確定電阻 R1。通過確定 R1=510K。4.2 秒計(jì)時(shí)器電路設(shè)計(jì)秒計(jì)數(shù)器為 60 進(jìn)制計(jì)數(shù)器。實(shí)現(xiàn)這種模數(shù)的計(jì)數(shù)器采用中規(guī)模集成計(jì)數(shù)器 74LS160D 構(gòu)成。4.2.1 秒、計(jì)數(shù)部分設(shè)計(jì)采用 60 進(jìn)制計(jì)數(shù)，本設(shè)計(jì)選 74LS160D 作為計(jì)數(shù)器，將一片 74LS160D 設(shè)計(jì)成 10 進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，另一片設(shè)置 6 進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。兩片 74LS160D 按反饋清零法串接而成。秒計(jì)數(shù)器的十位和個(gè)位，輸出脈沖除用作自身清零外，同時(shí)還作為分計(jì)數(shù)器的輸入脈沖 CP1。當(dāng)分（秒）計(jì)數(shù)部分的個(gè)位接受秒計(jì)數(shù)部分的信號(hào)（秒計(jì)數(shù)接受的信號(hào)為振蕩器經(jīng)分頻后輸出的 1HZ 的標(biāo)準(zhǔn)脈沖） ，計(jì)數(shù)滿 60 后向時(shí)計(jì)數(shù)部分的十位給出一個(gè)進(jìn)位信號(hào)。秒十位計(jì)數(shù)部分接受個(gè)位的進(jìn)位信號(hào)并進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)滿 6 就想前一級(jí)給出進(jìn)位信號(hào)。當(dāng)十位和個(gè)位計(jì)滿 60 個(gè)數(shù)后計(jì)數(shù)器清零。計(jì)數(shù)規(guī)律是從 005900。設(shè)計(jì)電路圖如圖 3。 圖圖 3 3 秒計(jì)數(shù)器秒計(jì)數(shù)器74LS48D 是 BCD-7 段譯碼器/驅(qū)動(dòng)器，輸出高電平有效，專用于驅(qū)動(dòng) LED 七段共陽極顯示數(shù)碼管。安陽師范學(xué)院若將秒、分、時(shí)計(jì)數(shù)器的每位輸出分別送到相應(yīng)七段譯碼管的輸入端，便可以進(jìn)行不同數(shù)字的顯示。在譯碼管輸出與數(shù)碼管之間串聯(lián)電阻 R=510 作為限流電阻。如圖 4 所示圖圖 4 4 譯碼顯示電路譯碼顯示電路5 元器件使用說明5.1 振蕩器5.1.1 NE555 的特點(diǎn) 只需簡單的電阻器、電容器，即可完成特定的振蕩延時(shí)作用。其延時(shí)范圍極廣，可由幾微秒至幾小時(shí)之久。 它的操作電源范圍極大，可與 TTL，CMOS 等邏輯閘配合，也就是它的輸出準(zhǔn)位及輸入觸發(fā)準(zhǔn)位，均能與這些邏輯系列的高、低態(tài)組合。 其輸出端的供給電流大，可直接推動(dòng)多種自動(dòng)控制的負(fù)載。 它的計(jì)時(shí)精確度高、溫度穩(wěn)定度佳，且價(jià)格便宜。5.1.2 NE555 引腳位配置說明如右圖 NE555 接腳圖 Pin 1 (接地) -地線(或共同接地) ，通常被連接到電路共同接地。 Pin 2 (觸發(fā)點(diǎn)) -這個(gè)腳位是觸發(fā) NE555 使其啟動(dòng)它的時(shí)間周期。觸發(fā)信號(hào)上緣電壓須大于 2/3 VCC，下緣須低于 1/3 VCC 。 Pin 3 (輸出) -當(dāng)時(shí)間周期開始 555 的輸出輸出腳位，移至比電源電壓少 1.7伏的高電位。周期的結(jié)束輸出回到 O 伏左右的低電位。于高電位時(shí)的最大輸出電流大約 200 mA 。 Pin 4 (重置) -一個(gè)低邏輯電位送至這個(gè)腳位時(shí)會(huì)重置定時(shí)器和使輸出回到一個(gè)低電位。它通常被接到正電源或忽略不用。 Pin 5 (控制) -這個(gè)接腳準(zhǔn)許由外部電壓改變觸發(fā)和閘限電壓。當(dāng)計(jì)時(shí)器經(jīng)營在穩(wěn)定或振蕩的運(yùn)作方式下,這輸入能用來改變或調(diào)整輸出頻率。 Pin 6 (重置鎖定) - Pin 6 重置鎖定并使輸出呈低態(tài)。當(dāng)這個(gè)接腳的電壓從 1/3 VCC 電壓以下移至 2/3 VCC 以上時(shí)啟動(dòng)這個(gè)動(dòng)作。 Pin 7 (放電) -這個(gè)接腳和主要的輸出接腳有相同的電流輸出能力，當(dāng)輸出為 ON 時(shí)為 LOW，對(duì)地為低阻抗，當(dāng)輸出為 OFF 時(shí)為 HIGH，對(duì)地為高阻抗。 Pin 8 (V +) -這是 555 個(gè)計(jì)時(shí)器 IC 的正電源電壓端。供應(yīng)電壓的范圍是+4.5 伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。 參數(shù)功能特性： 供應(yīng)電壓 4.5-18V 安陽師范學(xué)院供應(yīng)電3-6 mA 輸出電225mA (max) 上升/下時(shí)間 100 ns NE555 的相關(guān)應(yīng)用: NE555 的作用范圍很廣，但一般多應(yīng)用于單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器（Monostable Mutlivibrator）及無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器(Astable Multivibrator)。5.2 計(jì)數(shù)器 74LS160D74LS160D 計(jì)數(shù)器是一種中規(guī)模二一五-十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，下降沿觸發(fā)，R0(1),R0(2)是清零端，R9（1） ，R9(2)是置 9 端，CPA 和 QA 可組成一個(gè)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，CPB 和 QBQCQD 組成五進(jìn)制計(jì)數(shù)器；若把 QA 和 CPB 相連，脈沖從 CPA 輸入，則構(gòu)成 8421BCD 碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。由 74LS160D 的 truth table可以看出，選擇 74LS160D 可以在數(shù)字鐘進(jìn)位和清零上有極大的方便，不需要其他門電路輔助就能自己完成進(jìn)位和清零。表表 1 1 74LS160D74LS160D 計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)/ /復(fù)位真復(fù)位真5.3 譯碼器 74LS48 74LS48 芯片是一種常用的七段數(shù)碼管譯碼器驅(qū)動(dòng)器，下面是 74LS48 的引腳圖和功能表。圖圖 5 5 74LS4874LS48 引腳圖引腳圖 表表 2 2 74LS4874LS48 功能表功能表安陽師范學(xué)院6 電路仿真隨著科技的發(fā)展， “計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)”已成為許多設(shè)計(jì)部門重要的前期設(shè)計(jì)手段。它具有設(shè)計(jì)靈活，結(jié)果、過程的統(tǒng)一的特點(diǎn)?？墒乖O(shè)計(jì)時(shí)間大為縮短、耗資大為減少，也可降低工程制造的風(fēng)險(xiǎn)。仿真軟件有很多，multisim、protues 等都可以電路仿真。本設(shè)計(jì)仿真過程是在 multisim 平臺(tái)上完成的。課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)是學(xué)生走向就業(yè)的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)。由于 MULTISIM 提供了實(shí)驗(yàn)室無法相比的大量的元器件庫，提供了修改電路設(shè)計(jì)的靈活性、提供了實(shí)驗(yàn)室在數(shù)量、質(zhì)量上難以相比的虛擬儀器、儀表，因而也提供了培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐精神、創(chuàng)造精神的平臺(tái)。555 定時(shí)器產(chǎn)生的秒脈沖如圖 7 所示。7 總結(jié)與說明設(shè)計(jì)電路過程中，在 multisim 軟件中出現(xiàn)了許多各種各樣的錯(cuò)誤，雖然最后經(jīng)過不斷的修改以及和同學(xué)的討論得到了比較好的解決，但從中卻讓我弄明白了很多東西，很好的理解那句“失敗乃成功之母”的含義。其中有一個(gè)問題弄的我是焦頭爛額，就是連接好譯碼顯示電路后 LED 卻不能顯示出數(shù)字，最后查出原來所選用的譯碼器型號(hào)不同連接方式也不同，74LS48D 需要用共陰極接法。還有就是設(shè)計(jì)六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器和二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器是各個(gè)計(jì)數(shù)器之間的連接、秒到分間的進(jìn)位問題、分到時(shí)之間的進(jìn)位連接方式等等問題。另外在焊接好后發(fā)現(xiàn)仿真與實(shí)際還是有一定出入的。例如在仿真過程中觸發(fā) 160 時(shí)不需要經(jīng)過一個(gè)非門，而實(shí)際芯片必須有低電平觸發(fā)，在實(shí)際焊接過程需要加一個(gè)非門。這次電子電路課程設(shè)計(jì)，也對(duì)電子電路設(shè)計(jì)的知識(shí)有了更深一步的了解，熟悉了更多不同的數(shù)字芯片，比如 74LS00，74LS48，74LS160，數(shù)碼管等，這為我以后的電路設(shè)計(jì)打了一定的基礎(chǔ)。在連接六進(jìn)制,十進(jìn)制,六十進(jìn)制的進(jìn)位及二十四進(jìn)制的接法中,要求熟悉邏輯電路及其芯片各引腳的功能,那么在電路出錯(cuò)時(shí)便能準(zhǔn)確地找出錯(cuò)誤所在并及時(shí)糾正了。在這次的設(shè)計(jì)中，我考慮了許多不同的方案，做出過不同的選擇，從理論上細(xì)致的比較各個(gè)方案的好壞，同時(shí)又充分的考慮實(shí)際情況，以實(shí)際情況為主要，在此過程中學(xué)會(huì)了把理論和實(shí)際充分結(jié)合起來的思維方式。在設(shè)計(jì)的過程中我采用了 MULTISIM仿真軟件和 PROTEL 等軟件，通過這次的課程設(shè)計(jì)使我對(duì)這個(gè)仿真軟件的使用更加的熟練。安陽師范學(xué)院 參考文獻(xiàn)：參考文獻(xiàn)：1 毛期儉. 數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用. 北京: 人民郵電出版社,20052 呂思忠,施齊云. 數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì). 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué)出版社,20033 鄧勇,周鐸,鄧斌. 數(shù)字電路設(shè)計(jì)完全手冊(cè). 北京: 國防科技大學(xué)出版社,2004.64 趙淑范. 數(shù)字電子鐘的設(shè)計(jì). 長春大學(xué)學(xué)報(bào),2004.8,14,4:26-405 梁明理,鄧仁清. 電子線路. 北京: 高等教育出版社,第四版