秒表的設計畢業(yè)設計論文.doc

湖北理工學院畢業(yè)設計論文題 目：秒表的設計 院 系： 專 業(yè)： 姓 名： 指導老師： 摘 要本系統(tǒng)由石英晶體振蕩器、分頻器、計數(shù)器、譯碼器、LED顯示器組成，采用了中小規(guī)模集成芯片。總體方案設計由主體電路和擴展電路兩大部分組成。其中主體電路完成數(shù)字鐘的基本功能，擴展電路完成數(shù)字計時器的擴展功能，進行了各單元設計，總體調試。數(shù)字計時器是由脈沖發(fā)生電路、計時和顯示電路、清零電路、幾部分組成的，電路由振蕩器、分頻器、計數(shù)器、譯碼器、顯示器等元件構成。振蕩器產生的脈沖信號經過分頻器分頻作用后為秒脈沖，秒脈沖送入計數(shù)器，計數(shù)器計數(shù)并且通過“時”、“分”、“秒”譯碼器顯示時間。本系統(tǒng)由計數(shù)器、譯碼器、LED顯示器采用了中小規(guī)模集成芯片?？傮w方案設計由主體電路和擴展電路兩大部分組成。其中主體電路完成循環(huán)顯示的基本功能，擴展電路完成啟動停止的擴展功能，進行了各單元設計，總體調試。本文首先描述系統(tǒng)硬件工作原理，并附以系統(tǒng)結構框圖加以說明，著重介紹了本系統(tǒng)模塊的功能及工作過程,其次，詳細闡述了程序的各個模塊和實現(xiàn)方法。本設計以數(shù)字集成電路技術為基礎。本文編寫的主導思想是以硬件為基礎，來進行各功能模塊的編寫。關鍵詞：石英晶體；分頻器；計數(shù)器；譯碼器；脈沖AbstractSystem has been composed of crystal oscillator , frequency divisionimplement , counter , decoder , LED display , has adopted to be hit by the small-scale integration chip. Two major part designing from main body circuit and expanding a circuit are composed of an overall plan. Main body circuits among them accomplish fundamental digital clock function , expand a circuit accomplishing the figure calculagraph expansion function, the element having carried out every designs that , population debugs.Figure calculagraph is to be composed of pulse generating circuit , circuit , zero clearing circuit , several parts reckoning by time and showing , the circuit is composed of components such as oscillator , frequency division implement , counter , decoder , display. The pulse signal that the oscillator produces counts and demonstrates time by time, mark, second decoder by that the frequency division implement frequency division effect queen being second of pulse , second of pulse sending in the counter , the counter.This system has adopt the middle small-scale integration chip from the counter , decoder , LED display. Two major part designing from main body circuit and expanding a circuit are composed of anoverall plan. Main body circuits among them accomplish the fundamental function that circulation demonstrates , expand a circuit accomplishing the starting stop expansion function, the element having carried out every designs that , population debugs. System hardware operating principle the main body of a book is described first, and attach the block diagram gives explanation with system structure , emphasize the module and realization method having introduced system module function and course of work , having set forth the procedure each secondly, detailedly. Design that the technology is a basis with figure IC originally. The dominant ideas the main body of a book is compiled and composed is to take hardware as basis, write coming to carry out every function module.Keywords: Quartz crystal；frequency division implement ；counter ；decoder；pulse目 錄1 緒論12 方案論證32.1功能要求32.2方案確定33 系統(tǒng)設計53.1電源部分的設計53.2時鐘電路的設計63.3主電路設計63.3.1主要芯片的選擇73.3.2模塊原理分析154電路板制作調試及性能分析174.1電路板的制作與安裝174.2硬件調試184.3性能分析19結 論20致 謝21參考文獻22附錄23湖北理工學院 畢業(yè)設計（論文）1 緒論以數(shù)字信號為工作信號的控制電路。數(shù)字信號指所有在時間和數(shù)值上都離散的信號，其變化在時間上不連續(xù)，數(shù)值的增減都取數(shù)字形式。數(shù)字控制電路具有很高的控制精度和很強的抗干擾性，可以解決模擬控制電路所解決不了的問題。數(shù)字集成電路是將元器件和連線集成于同一半導體芯片上而制成的數(shù)字邏輯電路或系統(tǒng)。根據(jù)數(shù)字集成電路中包含的門電路或元、器件數(shù)量，可將數(shù)字集成電路分為小規(guī)模集成（SSI）電路1、中規(guī)模集成MSI電路、大規(guī)模集成（LSI）電路、超大規(guī)模集成VLSI電路和特大規(guī)模集成（ULSI）電路。小規(guī)模集成電路包含的門電路在10個以內，或元器件數(shù)不超過100個；中規(guī)模集成電路包含的門電路在10100個之間，或元器件數(shù)在1001000個之間；大規(guī)模集成電路包含的門電路在100個以上，或元器件數(shù)在1010個之間；超大規(guī)模集成電路包含的門電路在1萬個以上，或元器件數(shù)在1010之間；特大規(guī)模集成電路的元器件數(shù)在1010之間。電子學近幾十年的歷史可以看作是逐漸小型化的歷史，推動電子產品朝小型化過渡的主要動力是元器件和集成電路IC的微型化。隨著微電子技術的發(fā)展，器件的速度和延遲時間等性能對器件之間的互連提出了更高的要求，由于互連信號延遲、串擾噪聲、電感電容耦合以及電磁輻射等影響越來越大，由高密度封裝的IC和其他電路元件構成的功能電路已不能滿足高性能的要求。人們已深刻認識到，無論是分立元件還是IC，封裝已成為限制其性能提高的主要因素之一。目前電子封裝的趨勢正朝著小尺寸、高性能、高可靠性和低成本方面發(fā)展。 所謂封裝是指將半導體集成電路芯片可靠地安裝到一定的外殼上，封裝用的外殼不僅起著安放、固定、密封、保護芯片和增強電熱性能的作用，而且還是溝通芯片內部世界與外部電路的橋梁，即芯片上的接點用導線連接到封裝外殼的引腳上，這些引腳又通過印制板上的導線與其他器件建立連接。因此，封裝對集成電路和整個電路系統(tǒng)都起著重要的作用。芯片的封裝技術已經歷了幾代的變遷，從雙列直插式封裝(DIP)、塑料方型扁平式封裝(POFP)、插針網(wǎng)格陣列封裝(PGA)、球柵陣列封裝(BGA)、芯片尺寸封裝(CSP)到多芯片組件(MCM)2，技術更先進，芯片面積與封裝面積之比越來越趨近于1，適用頻率更高，耐溫性能更好，引腳數(shù)增多， 引腳間距減小，可靠性提高，使用更加方便。21世紀 集成電路復雜度不斷增加，系統(tǒng)芯片或稱芯片系統(tǒng)SoC (System-on-Chip)成為開發(fā)目標、納米器件與電路等領域的研究已展開。英特爾曾于2003年11月底展示了首個能工作的65納米制程的硅片，Intel2004 年8月宣布，他們已經采用65納米，生產出了70Mbit的SRAM。并計劃于2005年正式進入商業(yè)化生產階段。使用65納米制程生產的芯片中門電路的數(shù)目是90納米制程的1/3。SRAM（靜態(tài)存儲器）將用于高速的存儲設備，處理器中非常重要的緩存就是采用SRAM。 Intel表示，通過采用第二代應變硅技術（應變硅技術是一種對晶體管溝道部分的硅施加應力使其變形，以此提高載流子遷移率的技術。借由加大硅原子間彼此的距離，電子便能夠更加迅速地運行。而電子的運行速度越快，處理器的性能就越好。）可以將晶體管的性能提升了10%15%，與90納米工藝制造的晶體管相比，65納米制程晶體管可以在同樣的性能下減少4倍的漏電電流。未來將會有越來越多的產品采用65納米工藝 Intel公司2004年底宣布首次成功開發(fā)出15納米的晶體管。Intel的15納米晶體管基于CMOS工藝，工作電壓為0.8伏，每秒可進行2.63萬億次開關轉換。Intel計劃在2009年開發(fā)出基于15納米晶體管的芯片，到時該公司開發(fā)出的處理器將達到20GHz甚至更高。80年代被譽為“電子組裝技術革命”的表面安裝技術SMT改變了電子產品的組裝方式。SMT已經成為一種日益流行的印制電路板元件貼裝技術，其具有接觸面積大、組裝密度高、體積小、重量輕、可靠性高等優(yōu)點，既吸收了混合IC的先進微組裝工藝，又以價格便宜的PCB代替了常規(guī)混合IC的多層陶瓷基板3，許多混合IC市場已被SMT占領。隨著IC的飛速發(fā)展，IO數(shù)急劇增加，要求封裝的引腳數(shù)相應增多， 出現(xiàn)了“高密度封裝”。90年代，在高密度、單芯片封裝的基礎上，將高集成度、高性能、高可靠的通用集成電路芯片和專用集成電路芯片ASIC在高密度多層互連基板上用表面安裝技術組裝成為多種多樣的電子組件、子系統(tǒng)或系統(tǒng)，由此而產生了多芯片組件MCM1。在通常的芯片印刷電路板PCB和SMT中，芯片工藝要求過高，影響其成品率和成本；印刷電路板尺寸偏大，不符合當今功能強、尺寸小的要求，并且其互連和封裝的效應明顯，影響了系統(tǒng)的特性；多芯片組件將多塊未封裝的裸芯片通過多層介質、高密度布線進行互連和封裝，尺寸遠比印刷電路板緊湊，工藝難度又比芯片小，成本適中。因此，MCM是現(xiàn)今較有發(fā)展前途的系統(tǒng)實現(xiàn)方式，是微電子學領域的一項重大變革技術，對現(xiàn)代化的計算機、自動化、通訊業(yè)等領域將產生重大影響。2 方案論證2.1功能要求測定運動項目的速度時需要使用秒表。秒表與普通的鐘表（包括手表）不同，它的目的是對從某一時刻到另一時刻的時間間隔進行計時。利用數(shù)字電路可以很容易地制作計數(shù)器，所以對于制作鐘表來說最大的問題是如何準確的標定時間。如何能準確地產生1/100s的脈沖是整個電路的設計要點。為了獲得準確而穩(wěn)定的振蕩，必須采用石英振蕩器。本設計采用的是頻率為6MHZ的石英振子4。1、秒表基準脈沖的設計；能準確地產生1/100s的脈沖是整個電路的設計要點。為了獲得準確而穩(wěn)定的振蕩，必須采用石英振蕩器。本設計采用的是頻率為6MHZ的石英振子。2、 秒表按鈕開關的設計。3、電路的最大計數(shù)為99.99s,并能掌握計數(shù)器位數(shù)與計數(shù)范圍之間的關系。4、分頻電路的設計。2.2方案確定 利用數(shù)字電路可以很容易地制作計數(shù)器，所以對于制作鐘表來說最大的問題是如何準確地標定時間。作為測定時間的典型工具，在制作秒表時，我們首先應該了解鐘表的結構。方案一：可以使用幾個專用計數(shù)器IC，盡管叫做專用IC，其實采用不同的使用方法還是能夠用于各種不同用途的。它把幾位十進制計數(shù)器集成在一個管殼中的數(shù)字IC。輸出顯示是動態(tài)式的，所以只要一個7段的譯碼器驅動就夠了。但是大多專用數(shù)字IC都是外國進口的，價格較高，并且在市面上不容易買到。方案二：如圖2-1所示，系統(tǒng)以數(shù)字芯片為主控制器。時鐘功能的實現(xiàn)方法是由石英脈沖發(fā)生器產生脈沖,再通過分頻完成基本的時鐘任務，再通過LED模塊顯示出來。秒信號的產生：在方案一中是由專用數(shù)字IC5產生，在方案二中是由分頻完成，如果要擴展外圍功能方案二中由分頻產生的其它的頻率可以使用，可使功能更加強大。數(shù)字顯示：在方案一中LED的顯示是使用動態(tài)的顯示，動態(tài)的顯示對于秒表來說不是很好的選擇，很容易出現(xiàn)顯示不清晰或錯誤的亂碼。在方案二中采用LED的靜態(tài)顯示，顯示清晰穩(wěn)定。由以上的比較知，在實現(xiàn)相同功能的情況下，方案二比方案一明顯地具有優(yōu)越性，成本較低，本設計采用方案二。圖2-1 系統(tǒng)框圖3 系統(tǒng)設計由于本電子旋轉圓盤系統(tǒng)以74LS系列6為主控芯片。硬件的結構和可靠性直接影響著整個系統(tǒng)的可靠性。任何電子產品都必須有一個電源為其提供能量才能工作，故本設計先從電源部分開始，再進行功能部分的設計。3.1電源部分的設計穩(wěn)壓電源的功能是把來自電網(wǎng)的220V交流電壓轉變?yōu)樗璧?、穩(wěn)定的直流電壓，為其他電路提供能源。它的設計在保證滿足負載所須能量的同時，還要根據(jù)負載的特性及其對電源的要求（如穩(wěn)壓范圍、紋波系數(shù)等），進行設計。必要時還要有過流、過壓、欠壓、過負載保護措施?，F(xiàn)在常用的直流穩(wěn)壓電源有變壓器式和開關式電源兩種。在本系統(tǒng)中從價格和結構上考慮選用價格低廉和結構簡單的直流穩(wěn)壓電源。變壓器式直流穩(wěn)壓源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四個部分組成，如圖3-1所示。市電先經電源變壓器變換成所須等級的交流電壓，而后經整流電路將之整流成直流電，這時的直流電脈動量很大，經濾波電路以減小其脈動量，最后經穩(wěn)壓電路進行穩(wěn)壓，從而得出符合要求的電壓。圖3-1 變壓器式直流穩(wěn)壓電源233.2時鐘電路的設計時鐘脈沖的的精度取決于振蕩器，就是說振蕩器是秒表的核心。振蕩器的穩(wěn)定度及頻率的精確度決定了秒表計時的準確程度，如果精度要求不要可以采用由邏輯門與RC組成的時鐘源振蕩器或由集成電路定時器555與RC組成的多諧振蕩器7。振蕩頻率=103Hz，如圖3-2所示。一般來說，振蕩器的頻率越高，計時精度越高，通常選用石英晶體構成振蕩器電路。如圖3-3所示。本設計中需要精度高的脈沖，選用石英晶體振蕩器電路。圖3-2 555振蕩器電路 圖3-3 晶體振蕩器電路由于得到的頻率較高，要進行分頻，分頻器的功能只要有兩個：一是產生標準秒脈沖信號；二是提供功能擴展電路所需要的信號，如電臺報時用的1kHz的高音頻信號和500Hz的低音頻信號等。選用6片中規(guī)模集成電路計數(shù)器74LS192可以完成上述功能。因每片為1/10分頻，5片級聯(lián)則可獲得所需要的頻率信號，即第1片的輸出頻率為600kHz，第二片的輸出為60kHz，以此類推。3.3主電路設計主電路的功能是完成0-99循環(huán)顯示，再送往LED顯示，使用輕觸開關來啟動和停止。設計秒表電路的要求：1、 用7段數(shù)字表示器設計旋轉圓盤。2、 99個數(shù)的計數(shù)器部分的設計。3、 顯示用的譯碼器電路的設計。3.3.1主要芯片的選擇1、74LS192主控芯片由十進制計數(shù)器完成。目前市場上的十進制的芯片很多種在這里我選用74LS192是同步十進制可逆計數(shù)器，它具有雙時鐘輸入8，并具有清除和置數(shù)等功能。如圖3-4、表3-1。CPUCPDLDCR操作X X X 1 清零X X 0 0 置數(shù)1 1 1 0 加計數(shù)1 0 10減計數(shù)11 1 0保持表3-1 74LS192真值表 圖3-4 74LS192引腳圖 圖中：為置數(shù)端，為加計數(shù)端，為減計數(shù)端，為非同步進位輸出端， 為非同步借位輸出端，P0、P1、P2、P3為計數(shù)器輸入端，為清除端，Q0、Q1、Q2、Q3為數(shù)據(jù)輸出端。表3-2 74LS192模塊引腳功能引腳號符號功能1,9,10,15P0P3數(shù)據(jù)輸入端2,3,6,7Q0Q3數(shù)據(jù)輸出端4CPD減計數(shù)時鐘輸入端（下升沿有效）5CPU加計數(shù)時鐘輸入端（上升沿有效）8GND接地11PL預置數(shù)控制端12TCU進位輸出端，當計數(shù)上溢時輸出低電平脈沖13TCD錯位輸出端，當計數(shù)下溢時輸出低電平脈沖14MR清零端當為高電平時，不管時鐘端（CPD、CPU）狀態(tài)如何，可清零16VCC+5V當清除端CR9為高電平“1”時，計數(shù)器直接清零；CR置低電平則執(zhí)行其它功能。當CR為低電平，置數(shù)端也為低電平時，數(shù)據(jù)直接從置數(shù)端D0、D1、D2、D3置入計數(shù)器。當CR為低電平，為高電平時，執(zhí)行計數(shù)功能。執(zhí)行加計數(shù)時，減計數(shù)端CPD接高電平，計數(shù)脈沖由CPU輸入；在計數(shù)脈沖上升沿進行8421碼十進制加法計數(shù)。執(zhí)行減計數(shù)時，加計數(shù)CPU接高電平，計數(shù)脈沖由減計數(shù)端CPD輸入，表3-2為8421碼十進制加、減計數(shù)器的狀態(tài)轉換表。其功能表如表3-2所示。2、與非門74LS00TTL門電路是數(shù)字集成電路中應用最廣泛的，由于其輸入端和輸出端的結構形式都采用了半導體三極管，所以一般稱它為晶體管-晶體管邏輯電路，或稱為TTL電路。這種電路的電源電壓為+5V，高電平典型值為3.6V（2.4V合格）；低電平典型值為0.3V（0.45合格）。常見的復合門有與非門、或非門、與或非門和異或門。74LS00為四-2輸入與非門10，為14腳芯片，14腳為Vcc，7腳為GND。在門電路芯片中，輸入端一般用A，B，C，D，表示，輸出端用Y表示。如一塊集成芯片有幾個門電路時，在其輸入、輸出端的功能標號前(或后)標上相應的序號。如74LS00為四個2輸入與非門電路，1A、1B為第一個與非門的輸入端；1Y為該門的輸出端，2A、2B為第二個與非門的輸入端，2Y為其輸出端，依此類推。其引腳圖如圖3-4所示。圖3-4 74LS00引腳圖與非門相當于與門+反相器，它與與門和反相器一樣也可以作為門使用，只是各自的輸出是反轉的。所以作為控制信號，與門和與非門是相同的，只是輸出的極性是反轉的。門IC本來就是作為邏輯器件而制作的，與非門的邏輯真值表如表3-3。表3-3 74LS00真值表輸入輸出ABYLLH3、74LS0474LS04為六輸入非門，為14腳芯片，14腳為Vcc，7腳為GND。在非門電路芯片中，輸入端一般用A，B，C，D，表示，輸出端用Y表示。如一塊集成芯片有幾個門電路時，在其輸入、輸出端的功能標號前(或后)標上相應的序號。1A為第一個與非門的輸入端；1Y為該門的輸出端，2A為第二個與非門的輸入端，2Y為其輸出端，依此類推。其引腳圖如圖3-5所示。圖3-5 74LS04引腳圖4、CD4511譯碼器譯碼器是組合邏輯電路的一個重要的器件，其可以分為：變量譯碼11和顯示譯碼兩類。變量譯碼一般是一種較少輸入變?yōu)檩^多輸出的器件，一般分為2n譯碼和8421BCD碼譯碼兩類。顯示譯碼主要解決二進制數(shù)顯示成對應的十、或十六進制數(shù)的轉換功能，一般其可分為驅動LED和驅動LCD兩類。譯碼是編碼的逆過程，在編碼時，每一種二進制代碼，都賦予了特定的含義，即都表示了一個確定的信號或者對象。把代碼狀態(tài)的特定含義“翻譯”出來的過程叫做譯碼，實現(xiàn)譯碼操作的電路稱為譯碼器?；蛘哒f，譯碼器是可以將輸入二進制代碼的狀態(tài)翻譯成輸出信號，以表示其原來含義的電路。根據(jù)需要，輸出信號可以是脈沖，也可以是高電平或者低電平。譯碼器的種類很多，但它們的工作原理和分析設計方法大同小異，其中二進制譯碼器、二-十進制譯碼器和顯示譯碼器是三種最典型，使用十分廣泛的譯碼電路。應用領域的不斷擴大，要求生產更直接更方便的LED顯示器件。因而出了數(shù)碼管、字符管、電平管12等多種LED顯示器。譯碼器是典型的組合數(shù)字電路，譯碼器是將一種編碼轉換為另一種編碼的邏輯電路，學習譯碼器必須與各種編碼打交道。從CD4511是BCD鎖存段碼譯碼共陰LED驅動集成電路，CD4511是輸出高電平有效的CMOS顯示譯碼器，其輸入為8421BCD碼，圖3-6和表3-4分別CD4511的引腳圖和邏輯功能表。圖3-6 CD4511引腳圖LT:試燈極，低電平有效，當其為低電平時，所有筆劃全部亮，如不亮表示該筆劃有問題。BL:滅燈極，低電平有效，當其為低電平時，不管輸入的數(shù)據(jù)狀態(tài)如何，其輸出全為低電平，即所有筆劃熄滅。STLE:選通/鎖存極，其是一個復用的功能端，當輸入為低電平時，其輸出與輸入的變量有關；當輸入為高電平時，其輸出僅與該端為高電平前的狀態(tài)，并且輸入DCBA端不管如何變化，其顯示數(shù)值保持不變。D,C,B,A:8421BCD碼輸入，其D位為最位。ag:輸出端，為高電平有效13，故其輸出應與其陰極的數(shù)碼管相對應。其引腳如圖3-6所示，各引腳功能如下：cd4511是常用的七段數(shù)碼管顯示譯碼芯片，他的驅動能力強穩(wěn)定性高。表3-4 CD4511模塊引腳功能引腳號符號功能12,67A1A4BCD碼輸入端915ag 譯碼輸出端（高電平有效）3LT測試輸入端 L：ag全部輸出高電平七段均發(fā)亮，顯示“8” 4BI消隱輸入控制端 H：可顯示數(shù)字 L：數(shù)碼管均處于熄滅不顯示數(shù)字5LE鎖定控制端 H：鎖定保持狀態(tài) L：允許譯碼輸出8GND接地16VCC+5V主要功能：BCD鎖存,7段譯碼,驅動器。數(shù)碼顯示功能：按功能表輸入二進制信號0000100114，數(shù)碼顯示器應顯示十進制數(shù)09，如表3-5所示。表3-5 CD4511真值表輸 入輸 出LEBILIDCBAabcdefg顯示XX0XXXX11111118X01XXXX0000000消隱01100001111110001100010110000101100101101101201100111111001301101000110011401101011011011501101100011111601101111110000701110001111111801110011110011901110100000000消隱01110110000000消隱01111000000000消隱01111010000000消隱01111100000000消隱01111110000000消隱111XXXX鎖存鎖存5、LED數(shù)碼管在數(shù)字系統(tǒng)中常見的數(shù)碼顯示器通常有：發(fā)光二極管數(shù)碼管(LED數(shù)碼管)和液晶顯示數(shù)碼管(LCD數(shù)碼管)兩種。LCD譯碼驅動器15電路與LED的譯碼驅動電路不同，其輸出不是高電平或低電平，而是脈沖電壓，當輸出有效時，其輸出為交變的脈沖電壓，否則為高電平或低電平。發(fā)光二極管數(shù)碼管是用發(fā)光二極管構成顯示數(shù)碼的筆劃來顯示數(shù)字，由于發(fā)二極管會發(fā)光，故LED數(shù)碼管適用于各種場合。液晶顯示數(shù)碼管是利用液晶材料在交變電壓的作用下晶體材料會吸收光線，而沒有交變電場作用下有筆劃不會聽吸光，這樣就可以來顯示數(shù)碼，但由于液晶材料須有光時才能使用，故不能用于無外界光的場合（現(xiàn)在便攜式電腦的液晶顯示器16是用背光燈的作用下可以在夜間使用），但液晶顯示器有一個最大的優(yōu)點就是耗電相當節(jié)省，但價格昂貴。所以廣泛使用于小型計算器等小型設備的數(shù)碼顯示。在這里選用價格低廉的LED。 圖3-7是LED數(shù)碼管的內部結構及顯示數(shù)碼的情況，LED有共陰極和共陽極兩種。其是一個陽極連在一體的一種LED數(shù)碼管，我們通常稱為共陽極數(shù)碼管。另外一種陰極連在一體的一種LED數(shù)碼管，我們通常稱為共陰極數(shù)碼管。圖3-7 共陽、共陰極數(shù)碼管原理圖二極管的陰極連接在一起，通常此公共陰極接地，而共陽極則將發(fā)光二極管的陽極連接在一起，接入+5V的電壓。一位顯示器由8個發(fā)光二極管組成，其中7個發(fā)光二極管構成字型“8”的各個筆劃（段）ag，另一個小數(shù)點為dp發(fā)光二極管。當在某段發(fā)光二極管施加一定的正向電壓時，該段筆劃即亮；不加電壓則暗。為了保護各段LED不被損壞，需外加限流電阻。LED數(shù)碼管引腳圖見圖3-8所示。圖3-8 LED數(shù)碼管引腳圖數(shù)碼管的分類：數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個發(fā)光二極管單元（多一個小數(shù)點顯示）；按能顯示多少個“8”可分為1位、2位、4位等等數(shù)碼管；按發(fā)光二極管單元連接方式分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極(COM)的數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管在應用時應將公共極COM接到+5V，當某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時，相應字段就點亮。當某一字段的陰極為高電平時，相應字段就不亮。共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極(COM)的數(shù)碼管。共陰數(shù)碼管在應用時應將公共極COM接到地線GND上，當某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時，相應字段就點亮。當某一字段的陽極為低電平時，相應字段就不亮。數(shù)碼管的驅動方式：數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅動電路來驅動數(shù)碼管的各個段碼，從而顯示出我們要的數(shù)字，因此根據(jù)數(shù)碼管的驅動方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。 靜態(tài)顯示驅動：靜態(tài)驅動也稱直流驅動。靜態(tài)驅動是指每個數(shù)碼管的每一個段碼都由一個單片機的I/O端口進行驅動，或者使用如BCD碼二-十進制譯碼器譯碼進行驅動。靜態(tài)驅動的優(yōu)點是顯示亮度高，缺點是占用I/O端口多，實際應用時必須增加譯碼驅動器進行驅動，增加了硬件電路的復雜性。 動態(tài)顯示驅動：數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是單片機中應用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅動是將所有數(shù)碼管的8個顯示筆劃a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的I/O線控制，當單片機輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機對位選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的的COM端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅動。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點亮時間為12ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應，盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O端口，而且功耗更低。數(shù)碼管參數(shù)：8字高度：8字上沿與下沿的距離。比外型高度小。通常用英寸來表示。范圍一般為0.25-20英寸。長*寬*高：長數(shù)碼管正放時，水平方向的長度；寬數(shù)碼管正放時，垂直方向上的長度；高數(shù)碼管的厚度。時鐘點：四位數(shù)碼管中，第二位8與第三位8字中間的二個點。一般用于顯示時鐘中的秒。數(shù)碼管使用的電流與電壓：電流：靜態(tài)時，推薦使用10-15mA；動態(tài)時，16/1動態(tài)掃描時，平均電流為4-5mA，峰值電流50-60mA。電壓：查引腳排布圖，看一下每段的芯片數(shù)量是多少？當紅色時，使用1.9V乘以每段的芯片串聯(lián)的個數(shù)；當綠色時，使用2.1V乘以每段的芯片串聯(lián)的個數(shù)。恒流驅動與非恒流驅動對數(shù)碼管的影響：1、顯示效果：由于發(fā)光二極管基本上屬于電流敏感器件，其正向壓降的分散性很大， 并且還與溫度有關，為了保證數(shù)碼管具有良好的亮度均勻度，就需要使其具有恒定的工作電流，且不能受溫度及其它因素的影響。另外，當溫度變化時驅動芯片還要能夠自動調節(jié)輸出電流 的大小以實現(xiàn)色差平衡溫度補償。安全性：即使是短時間的電流過載也可能對發(fā)光管造成永久性的損壞，采用恒流驅動電路后可防止，由于電流故障所引起的數(shù)碼管的大面積損壞。另外，我們所采用的超大規(guī)模集成電路還具有級聯(lián)延時開關特性，可防止反向尖峰電壓對發(fā)光二極管的損害。超大規(guī)模集成電路還具有熱保護功能，當任何一片的溫度超過一定值時可自動關斷，并且可在控制室內看到故障顯示。數(shù)碼管亮度不均勻：關于亮度一致性的問題是一個行業(yè)內的常見問題。有二個大的因素影響到亮度一致性。一是使用原材料芯片的選取，一是使用數(shù)碼管時采取的控制方式。原材料-芯片的VF和亮度和波長是一個正態(tài)分布。即使篩選過芯片，VF和亮度和波長已在一個很小的范圍了，生產出來的產品還是在一個范圍內,結果就是亮度不一致。2、要保證數(shù)碼管亮度一樣，在控制方式選取上也有差別，最好的辦法是恒流控制，流過每一個發(fā)光二極管的電流都是相同的，這樣發(fā)光二極管看起來亮度就是一樣的了。如恒壓控制，則導致VF不相同的發(fā)光二極管分到的電流不相同，所以亮度也不同。當然以上二個條件是相輔相成的。測量數(shù)碼管引腳，分共陰和共陽：找公共共陰和公共共陽首先，我們找個電源（3到5伏）和1個1K（幾百的也歐的也行）的電阻，VCC串接個電阻后和GND接在任意2個腳上，組合有很多，但總有一個LED會發(fā)光的找到一個就夠了，然后用GND不動，VCC（串電阻）逐個碰剩下的腳，如果有多個LED（一般是8個），那它就是共陰的了。相反用VCC不動，GND逐個碰剩下的腳，如果有多個LED（一般是8個），那它就是共陽的。也可以直接用數(shù)字萬用表，紅表筆是電源的正極，黑表筆是電源的負極。從LED數(shù)碼管結構原理圖可知，為了顯示字符，要為LED顯示數(shù)碼管提供顯示段碼，組成一個“8”字形字符的7段，再加上1個小數(shù)點位，共計8段，因此提供給LED數(shù)碼管的顯示段碼為1個字節(jié)。各段碼位與顯示段的對應關系如表3-6所示。表3-6 數(shù)碼管真值表段碼位D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0顯示段dpgfedcba3.3.2模塊原理分析1、控制模塊控制電路如圖3-9所示，圖中與非門的作用是控制時鐘信號的啟動與停止，當停止輸出為1時，與與非門關閉，封鎖時鐘信號；當啟動輸出為1時，與非門打開，放行時鐘信號。計數(shù)器電路是在計數(shù)輸入的“L”-“H”的變化點開始計數(shù)，所以如果使用與非門，那么1/100s振蕩器的輸出就變化成在“H”-“L”的變化點開始計數(shù)。 與非門中的計數(shù)的標定時間有半個時鐘脈沖的偏差。不過在啟動和停止這兩個動作都產生這種偏差，所以并不構成秒表的誤差。圖3-9 控制電路2、計數(shù)模塊8421BCD碼100進制遞增計數(shù)器是由74LS192構成的，如圖3-10所示，100進制遞增計數(shù)器的預置數(shù)為N=（10011001）84BCD=（99）D。它的計數(shù)原理是，每當?shù)臀挥嫈?shù)器的Tcv端發(fā)出正跳變借位脈沖時，高位計數(shù)器加1計數(shù)。當高、低位計數(shù)器處于99時，計數(shù)器完成同步清零，計數(shù)器在CPV時鐘脈沖作用下，進入下一輪加計數(shù)。3-10 8421BCD碼36進制遞增計數(shù)器3、顯示模塊只要接通+5V電源和將十進制數(shù)的BCD碼接至譯碼器的相應輸入端A、B、C、D即可顯示09的數(shù)字。四位數(shù)碼管可接受四組BCD碼輸入。CD4511與LED數(shù)碼管的連接如圖3-11所示。圖3-11 CD4511驅動一位LED數(shù)碼管CD45114 電路板制作調試及性能分析一個電路系統(tǒng)經過總體設計，完成了設計開發(fā)。元器件安裝后，系統(tǒng)即可運行。焊接好的線路不能按預計的那樣正常工作是常見的事，多少會出現(xiàn)一些硬件上的錯誤。像操作不當（如布線錯誤等）、設計不當、元器件使用不當、或功能不正常、儀器（主要指數(shù)字電路實驗箱）和集成器件本身出現(xiàn)故障。這就需要通過調試來發(fā)現(xiàn)錯誤并加以改正。調試可分為靜態(tài)調試和動態(tài)調試。在允許的條件下，根據(jù)本設計系統(tǒng)的需求性首先采用在PC機上用模擬開發(fā)軟件進行檢測和調試，然后進行硬件的組裝與調試。4.1電路板的制作與安裝本設計選用萬用板制作而成，每塊萬用板中央有一凹槽，凹槽兩邊各有50X4個插孔，每四個為一組，它們是相通的，另有兩條電路線在凹槽中可用作電源線和地線。集成電路引腳必須插在萬用板中央凹槽兩邊的孔中，插入時先安裝芯片底座，使引腳與芯片底座中的彈簧片接觸良好，所有的集成芯片的方向要一致，缺口朝左。這樣便于正確的布線和查線，集成芯片在插入與拔出時要受力均勻，以免發(fā)生引腳彎曲或斷裂。布線時，一般選取直徑為0.6mm的單股導線，長度適當。先將兩頭絕緣皮剝去7mm8mm，然后把導線兩頭彎成直角，用鑷子夾住導線，垂直插入相應的孔中。為了避免或減少故障，萬用板上的電路布局與布線必須合理而且美觀。1.集成塊和晶體管的布局，一般按主電路信號流向的順序在萬用板上直線排列。各級元器件圍繞各級的集成塊或晶體管布置，各元器件之間的距離應視周圍元件多少而決定。2第一級的輸入線與末級的輸出線、高頻線與低頻線要遠離，以免形成空間交叉耦合，尤其在高頻電路中，元器件插腳和連線應盡量短而直，以免分布參數(shù)影響電路性能。3為了使布線整潔和便于檢查，盡可能采用不同顏色的導線，一般電源線用紅色，負電源線用藍色，地線用黑色。要求連線緊貼萬用板，注意盡量在器件周圍走線，一個孔只允許插一根線，并且不允許導線在集成塊上方跨過。4合理布置地線，為了避免各級電流通過地線時互相產生干擾，特別要避免末級電流通過地線對某一級形成正反饋而產生自激，故應將各級單獨接地，然后再分別接入公共地線。4.2硬件調試1.通電觀察：通電后不要急于測量電氣指標，而要觀察電路有無異常現(xiàn)象，例如有無冒煙現(xiàn)象，有無異常氣味，手摸集成電路外封裝，是否發(fā)燙等。如果出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，應立即關斷電源，待排除故障后再通電。 2.靜態(tài)調試：靜態(tài)調試一般是指在不加輸入信號，或只加固定的電平信號的條件下所進行的直流測試，可用萬用表測出電路中各點的電位，如檢查各芯片插座上相關引腳的電位，仔細測量相應的輸入輸出電平是否正常。通過和理論估算值比較，結合電路原理的分析，判斷電路直流工作狀態(tài)是否正常，及時發(fā)現(xiàn)電路中已損壞或處于臨界工作狀態(tài)的元器件。通過更換器件或調整電路參數(shù)，使電路直流工作狀態(tài)符合設計要求。因為均為數(shù)字邏輯電路，使用電平檢查法可首先查出邏輯設計是否正確，選用器件和連接關系是否符合要求等。 3.動態(tài)調試：動態(tài)調試是在靜態(tài)調試的基礎上進行的，在電路的輸入端加入合適的信號，按信號的流向，順序檢測各測試點的輸出信號，若發(fā)現(xiàn)不正?，F(xiàn)象，應分析其原因，并排除故障，再進行調試，直到滿足要求。4.控制電路調試(1)把所有集成塊拔掉，用數(shù)字萬用表檢查電路是否有短路，如果有，先排除（特別是7805）。(2)插上74LS192，開通電源，在74LS192管腳插座的輸出端（Q1Q3）處用細導線將Q1Q3分別接地或5伏電源，即令Q1Q3分別為001、010、011等，看數(shù)碼管是否顯示17。如果正常，這步完成，否則進一步檢查連線和CD4511。(3)不開電源，把控制板控制端與主電源板調整電位器處相連（不要電位器了），開通主電路板電源，測輸出電壓，在CD4511管腳插座的XX1；XX2；XX3處用細導線分別相連，調整對應微調電阻，使輸出電壓分別為3.6伏、5.0伏等（按指標要求?。?。(4)不開電源，插上CD4511。 打開電源（主、副電源都開），在74LS192管腳插座的輸出端（Q1Q3）處用細導線將Q1Q3分別接地或5伏電源，即令Q1Q3分別為001、010、011等，數(shù)碼管應顯示17。輸出電壓應分別為3.6伏、5.0伏等（按指標要求?。Ｈ绻?，這步完成，否則CD4511有問題，要更換。(5)不開電源，插上74LS192。打開電源（主、副電源都開），在74LS00管腳插座的與非門輸出端（Q）處用細導線將Q分別接地或5伏電源。當Q接地時，74LS161的輸出端（Q1Q3）應為111；當Q接5伏電源時，74LS192的輸出端（Q1Q3）應為計數(shù)。否則74LS192有問題或電路連線不對，要檢查。(6)不開電源，插上74LS192。打開電源（主、副電源都開），電路應能正常工作。4.3性能分析經過以上的調試和檢查后，終于實現(xiàn)了設計中各種功能。下面對各項功能進行分析：1)、時間 時間的快慢主要取決秒電容值的大小。電容值越大振蕩時間越長，相對時鐘脈沖越慢，電容值越小振蕩時間越短，相對時鐘脈沖越快。2)、顯示 LED顯示數(shù)字清晰明了，直接給出秒數(shù)，讓使用者易懂，直觀。3)、價格 器件少，在市面上容易購買，成本低廉。實踐證明，這個秒表系統(tǒng)設計方案，結構合理，工作可靠，性能優(yōu)越，功能強大等。結 論本系統(tǒng)由計數(shù)器、譯碼器、LED顯示器采用了中小規(guī)模集成芯片?？傮w方案設計由主體電路和擴展電路兩大部分組成。其中主體電路完成啟動停止，循環(huán)顯示的基本功能，進行了各單元設計，最后進行總體調試及性能分析。在做這次畢業(yè)設計過程中使我學到了很多，加深了對數(shù)子電路的理解，驗證了所學理論知識，提高了基本的解決實際問題的能力，并增加了對電子設計方面的興趣。掌握了電路方案的分析、論