秒表的設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文.doc

湖北理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文題 目：秒表的設(shè)計(jì) 院 系： 專 業(yè)： 姓 名： 指導(dǎo)老師： 摘 要本系統(tǒng)由石英晶體振蕩器、分頻器、計(jì)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(shè)計(jì)由主體電路和擴(kuò)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(kuò)展電路完成數(shù)字計(jì)時(shí)器的擴(kuò)展功能，進(jìn)行了各單元設(shè)計(jì)，總體調(diào)試。數(shù)字計(jì)時(shí)器是由脈沖發(fā)生電路、計(jì)時(shí)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(jì)數(shù)器、譯碼器、顯示器等元件構(gòu)成。振蕩器產(chǎn)生的脈沖信號經(jīng)過分頻器分頻作用后為秒脈沖，秒脈沖送入計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)并且通過“時(shí)”、“分”、“秒”譯碼器顯示時(shí)間。本系統(tǒng)由計(jì)數(shù)器、譯碼器、LED顯示器采用了中小規(guī)模集成芯片。總體方案設(shè)計(jì)由主體電路和擴(kuò)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(kuò)展電路完成啟動停止的擴(kuò)展功能，進(jìn)行了各單元設(shè)計(jì)，總體調(diào)試。本文首先描述系統(tǒng)硬件工作原理，并附以系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(xì)闡述了程序的各個(gè)模塊和實(shí)現(xiàn)方法。本設(shè)計(jì)以數(shù)字集成電路技術(shù)為基礎(chǔ)。本文編寫的主導(dǎo)思想是以硬件為基礎(chǔ)，來進(jìn)行各功能模塊的編寫。關(guān)鍵詞：石英晶體；分頻器；計(jì)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(shè)計(jì)53.1電源部分的設(shè)計(jì)53.2時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)63.3主電路設(shè)計(jì)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(diào)試及性能分析174.1電路板的制作與安裝174.2硬件調(diào)試184.3性能分析19結(jié) 論20致 謝21參考文獻(xiàn)22附錄23湖北理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(shí)間和數(shù)值上都離散的信號，其變化在時(shí)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(qiáng)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(dǎo)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(gè)以內(nèi)，或元器件數(shù)不超過100個(gè)；中規(guī)模集成電路包含的門電路在10100個(gè)之間，或元器件數(shù)在1001000個(gè)之間；大規(guī)模集成電路包含的門電路在100個(gè)以上，或元器件數(shù)在1010個(gè)之間；超大規(guī)模集成電路包含的門電路在1萬個(gè)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(xué)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(chǎn)品朝小型化過渡的主要?jiǎng)恿κ窃骷图呻娐稩C的微型化。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，器件的速度和延遲時(shí)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?dāng)_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(gòu)成的功能電路已不能滿足高性能的要求。人們已深刻認(rèn)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(dǎo)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(hù)芯片和增強(qiáng)電熱性能的作用，而且還是溝通芯片內(nèi)部世界與外部電路的橋梁，即芯片上的接點(diǎn)用導(dǎo)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(dǎo)線與其他器件建立連接。因此，封裝對集成電路和整個(gè)電路系統(tǒng)都起著重要的作用。芯片的封裝技術(shù)已經(jīng)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(shù)更先進(jìn)，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(jì) 集成電路復(fù)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(biāo)、納米器件與電路等領(lǐng)域的研究已展開。英特爾曾于2003年11月底展示了首個(gè)能工作的65納米制程的硅片，Intel2004 年8月宣布，他們已經(jīng)采用65納米，生產(chǎn)出了70Mbit的SRAM。并計(jì)劃于2005年正式進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)階段。使用65納米制程生產(chǎn)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(shè)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(yīng)變硅技術(shù)（應(yīng)變硅技術(shù)是一種對晶體管溝道部分的硅施加應(yīng)力使其變形，以此提高載流子遷移率的技術(shù)。借由加大硅原子間彼此的距離，電子便能夠更加迅速地運(yùn)行。而電子的運(yùn)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(chǎn)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(jìn)行2.63萬億次開關(guān)轉(zhuǎn)換。Intel計(jì)劃在2009年開發(fā)出基于15納米晶體管的芯片，到時(shí)該公司開發(fā)出的處理器將達(dá)到20GHz甚至更高。80年代被譽(yù)為“電子組裝技術(shù)革命”的表面安裝技術(shù)SMT改變了電子產(chǎn)品的組裝方式。SMT已經(jīng)成為一種日益流行的印制電路板元件貼裝技術(shù)，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(diǎn)，既吸收了混合IC的先進(jìn)微組裝工藝，又以價(jià)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(lǐng)。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(yīng)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(chǔ)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(shù)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(chǎn)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(dāng)今功能強(qiáng)、尺寸小的要求，并且其互連和封裝的效應(yīng)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(zhì)、高密度布線進(jìn)行互連和封裝，尺寸遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)方式，是微電子學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)重大變革技術(shù)，對現(xiàn)代化的計(jì)算機(jī)、自動化、通訊業(yè)等領(lǐng)域?qū)a(chǎn)生重大影響。2 方案論證2.1功能要求測定運(yùn)動項(xiàng)目的速度時(shí)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(shí)刻到另一時(shí)刻的時(shí)間間隔進(jìn)行計(jì)時(shí)。利用數(shù)字電路可以很容易地制作計(jì)數(shù)器，所以對于制作鐘表來說最大的問題是如何準(zhǔn)確的標(biāo)定時(shí)間。如何能準(zhǔn)確地產(chǎn)生1/100s的脈沖是整個(gè)電路的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。為了獲得準(zhǔn)確而穩(wěn)定的振蕩，必須采用石英振蕩器。本設(shè)計(jì)采用的是頻率為6MHZ的石英振子4。1、秒表基準(zhǔn)脈沖的設(shè)計(jì)；能準(zhǔn)確地產(chǎn)生1/100s的脈沖是整個(gè)電路的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。為了獲得準(zhǔn)確而穩(wěn)定的振蕩，必須采用石英振蕩器。本設(shè)計(jì)采用的是頻率為6MHZ的石英振子。2、 秒表按鈕開關(guān)的設(shè)計(jì)。3、電路的最大計(jì)數(shù)為99.99s,并能掌握計(jì)數(shù)器位數(shù)與計(jì)數(shù)范圍之間的關(guān)系。4、分頻電路的設(shè)計(jì)。2.2方案確定 利用數(shù)字電路可以很容易地制作計(jì)數(shù)器，所以對于制作鐘表來說最大的問題是如何準(zhǔn)確地標(biāo)定時(shí)間。作為測定時(shí)間的典型工具，在制作秒表時(shí)，我們首先應(yīng)該了解鐘表的結(jié)構(gòu)。方案一：可以使用幾個(gè)專用計(jì)數(shù)器IC，盡管叫做專用IC，其實(shí)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(jìn)制計(jì)數(shù)器集成在一個(gè)管殼中的數(shù)字IC。輸出顯示是動態(tài)式的，所以只要一個(gè)7段的譯碼器驅(qū)動就夠了。但是大多專用數(shù)字IC都是外國進(jìn)口的，價(jià)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(shí)鐘功能的實(shí)現(xiàn)方法是由石英脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖,再通過分頻完成基本的時(shí)鐘任務(wù)，再通過LED模塊顯示出來。秒信號的產(chǎn)生：在方案一中是由專用數(shù)字IC5產(chǎn)生，在方案二中是由分頻完成，如果要擴(kuò)展外圍功能方案二中由分頻產(chǎn)生的其它的頻率可以使用，可使功能更加強(qiáng)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(cuò)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(shí)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(shè)計(jì)采用方案二。圖2-1 系統(tǒng)框圖3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)由于本電子旋轉(zhuǎn)圓盤系統(tǒng)以74LS系列6為主控芯片。硬件的結(jié)構(gòu)和可靠性直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。任何電子產(chǎn)品都必須有一個(gè)電源為其提供能量才能工作，故本設(shè)計(jì)先從電源部分開始，再進(jìn)行功能部分的設(shè)計(jì)。3.1電源部分的設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電源的功能是把來自電網(wǎng)的220V交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)樗璧?、穩(wěn)定的直流電壓，為其他電路提供能源。它的設(shè)計(jì)在保證滿足負(fù)載所須能量的同時(shí)，還要根據(jù)負(fù)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(jìn)行設(shè)計(jì)。必要時(shí)還要有過流、過壓、欠壓、過負(fù)載保護(hù)措施?，F(xiàn)在常用的直流穩(wěn)壓電源有變壓器式和開關(guān)式電源兩種。在本系統(tǒng)中從價(jià)格和結(jié)構(gòu)上考慮選用價(jià)格低廉和結(jié)構(gòu)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(gè)部分組成，如圖3-1所示。市電先經(jīng)電源變壓器變換成所須等級的交流電壓，而后經(jīng)整流電路將之整流成直流電，這時(shí)的直流電脈動量很大，經(jīng)濾波電路以減小其脈動量，最后經(jīng)穩(wěn)壓電路進(jìn)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(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)時(shí)的準(zhǔn)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(shí)鐘源振蕩器或由集成電路定時(shí)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(jì)時(shí)精度越高，通常選用石英晶體構(gòu)成振蕩器電路。如圖3-3所示。本設(shè)計(jì)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(jìn)行分頻，分頻器的功能只要有兩個(gè)：一是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號；二是提供功能擴(kuò)展電路所需要的信號，如電臺報(bào)時(shí)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(jì)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(shè)計(jì)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(guān)來啟動和停止。設(shè)計(jì)秒表電路的要求：1、 用7段數(shù)字表示器設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)圓盤。2、 99個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)器部分的設(shè)計(jì)。3、 顯示用的譯碼器電路的設(shè)計(jì)。3.3.1主要芯片的選擇1、74LS192主控芯片由十進(jìn)制計(jì)數(shù)器完成。目前市場上的十進(jìn)制的芯片很多種在這里我選用74LS192是同步十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器，它具有雙時(shí)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(jì)數(shù)1 0 10減計(jì)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(jì)數(shù)端，為減計(jì)數(shù)端，為非同步進(jìn)位輸出端， 為非同步借位輸出端，P0、P1、P2、P3為計(jì)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(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端（下升沿有效）5CPU加計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端（上升沿有效）8GND接地11PL預(yù)置數(shù)控制端12TCU進(jìn)位輸出端，當(dāng)計(jì)數(shù)上溢時(shí)輸出低電平脈沖13TCD錯(cuò)位輸出端，當(dāng)計(jì)數(shù)下溢時(shí)輸出低電平脈沖14MR清零端當(dāng)為高電平時(shí)，不管時(shí)鐘端（CPD、CPU）狀態(tài)如何，可清零16VCC+5V當(dāng)清除端CR9為高電平“1”時(shí)，計(jì)數(shù)器直接清零；CR置低電平則執(zhí)行其它功能。當(dāng)CR為低電平，置數(shù)端也為低電平時(shí)，數(shù)據(jù)直接從置數(shù)端D0、D1、D2、D3置入計(jì)數(shù)器。當(dāng)CR為低電平，為高電平時(shí)，執(zhí)行計(jì)數(shù)功能。執(zhí)行加計(jì)數(shù)時(shí)，減計(jì)數(shù)端CPD接高電平，計(jì)數(shù)脈沖由CPU輸入；在計(jì)數(shù)脈沖上升沿進(jìn)行8421碼十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)。執(zhí)行減計(jì)數(shù)時(shí)，加計(jì)數(shù)CPU接高電平，計(jì)數(shù)脈沖由減計(jì)數(shù)端CPD輸入，表3-2為8421碼十進(jìn)制加、減計(jì)數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)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(yīng)用最廣泛的，由于其輸入端和輸出端的結(jié)構(gòu)形式都采用了半導(dǎo)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(fù)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(gè)門電路時(shí)，在其輸入、輸出端的功能標(biāo)號前(或后)標(biāo)上相應(yīng)的序號。如74LS00為四個(gè)2輸入與非門電路，1A、1B為第一個(gè)與非門的輸入端；1Y為該門的輸出端，2A、2B為第二個(gè)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(dāng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(gè)門電路時(shí)，在其輸入、輸出端的功能標(biāo)號前(或后)標(biāo)上相應(yīng)的序號。1A為第一個(gè)與非門的輸入端；1Y為該門的輸出端，2A為第二個(gè)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(gè)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(jìn)制數(shù)顯示成對應(yīng)的十、或十六進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換功能，一般其可分為驅(qū)動LED和驅(qū)動LCD兩類。譯碼是編碼的逆過程，在編碼時(shí)，每一種二進(jìn)制代碼，都賦予了特定的含義，即都表示了一個(gè)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(shí)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(jìn)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(shè)計(jì)方法大同小異，其中二進(jìn)制譯碼器、二-十進(jìn)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(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，要求生產(chǎn)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(zhuǎn)換為另一種編碼的邏輯電路，學(xué)習(xí)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(qū)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(dāng)其為低電平時(shí)，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(dāng)其為低電平時(shí)，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(gè)復(fù)用的功能端，當(dāng)輸入為低電平時(shí)，其輸出與輸入的變量有關(guān)；當(dāng)輸入為高電平時(shí)，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(yīng)與其陰極的數(shù)碼管相對應(yīng)。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(qū)動能力強(qiáng)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(qū)動器。數(shù)碼顯示功能：按功能表輸入二進(jìn)制信號0000100114，數(shù)碼顯示器應(yīng)顯示十進(jìn)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(qū)動器15電路與LED的譯碼驅(qū)動電路不同，其輸出不是高電平或低電平，而是脈沖電壓，當(dāng)輸出有效時(shí)，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(gòu)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(shí)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(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)就是耗電相當(dāng)節(jié)省，但價(jià)格昂貴。所以廣泛使用于小型計(jì)算器等小型設(shè)備的數(shù)碼顯示。在這里選用價(jià)格低廉的LED。 圖3-7是LED數(shù)碼管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及顯示數(shù)碼的情況，LED有共陰極和共陽極兩種。其是一個(gè)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(gè)發(fā)光二極管組成，其中7個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成字型“8”的各個(gè)筆劃（段）ag，另一個(gè)小數(shù)點(diǎn)為dp發(fā)光二極管。當(dāng)在某段發(fā)光二極管施加一定的正向電壓時(shí)，該段筆劃即亮；不加電壓則暗。為了保護(hù)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(gè)發(fā)光二極管單元（多一個(gè)小數(shù)點(diǎn)顯示）；按能顯示多少個(gè)“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(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極COM接到+5V，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮。當(dāng)某一字段的陰極為高電平時(shí)，相應(yīng)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(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極COM接到地線GND上，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮。當(dāng)某一字段的陽極為低電平時(shí)，相應(yīng)字段就不亮。數(shù)碼管的驅(qū)動方式：數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動電路來驅(qū)動數(shù)碼管的各個(gè)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(qū)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(qū)動：靜態(tài)驅(qū)動也稱直流驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動是指每個(gè)數(shù)碼管的每一個(gè)段碼都由一個(gè)單片機(jī)的I/O端口進(jìn)行驅(qū)動，或者使用如BCD碼二-十進(jìn)制譯碼器譯碼進(jìn)行驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)是顯示亮度高，缺點(diǎn)是占用I/O端口多，實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須增加譯碼驅(qū)動器進(jìn)行驅(qū)動，增加了硬件電路的復(fù)雜性。 動態(tài)顯示驅(qū)動：數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的8個(gè)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(gè)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(dú)立的I/O線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個(gè)數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機(jī)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(shí)輪流控制各個(gè)數(shù)碼管的的COM端，就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r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(yīng)，盡管實(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)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(shí)，水平方向的長度；寬數(shù)碼管正放時(shí)，垂直方向上的長度；高數(shù)碼管的厚度。時(shí)鐘點(diǎn)：四位數(shù)碼管中，第二位8與第三位8字中間的二個(gè)點(diǎn)。一般用于顯示時(shí)鐘中的秒。數(shù)碼管使用的電流與電壓：電流：靜態(tài)時(shí)，推薦使用10-15mA；動態(tài)時(shí)，16/1動態(tài)掃描時(shí)，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(dāng)紅色時(shí)，使用1.9V乘以每段的芯片串聯(lián)的個(gè)數(shù)；當(dāng)綠色時(shí)，使用2.1V乘以每段的芯片串聯(lián)的個(gè)數(shù)。恒流驅(qū)動與非恒流驅(qū)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(guān)，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(dāng)溫度變化時(shí)驅(qū)動芯片還要能夠自動調(diào)節(jié)輸出電流 的大小以實(shí)現(xiàn)色差平衡溫度補(bǔ)償。安全性：即使是短時(shí)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(qū)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(shí)開關(guān)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(hù)功能，當(dāng)任何一片的溫度超過一定值時(shí)可自動關(guān)斷，并且可在控制室內(nèi)看到故障顯示。數(shù)碼管亮度不均勻：關(guān)于亮度一致性的問題是一個(gè)行業(yè)內(nèi)的常見問題。有二個(gè)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(shí)采取的控制方式。原材料-芯片的VF和亮度和波長是一個(gè)正態(tài)分布。即使篩選過芯片，VF和亮度和波長已在一個(gè)很小的范圍了，生產(chǎn)出來的產(chǎn)品還是在一個(gè)范圍內(nèi),結(jié)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(gè)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(dǎo)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(dāng)然以上二個(gè)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(gè)電源（3到5伏）和1個(gè)1K（幾百的也歐的也行）的電阻，VCC串接個(gè)電阻后和GND接在任意2個(gè)腳上，組合有很多，但總有一個(gè)LED會發(fā)光的找到一個(gè)就夠了，然后用GND不動，VCC（串電阻）逐個(gè)碰剩下的腳，如果有多個(gè)LED（一般是8個(gè)），那它就是共陰的了。相反用VCC不動，GND逐個(gè)碰剩下的腳，如果有多個(gè)LED（一般是8個(gè)），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(fù)極。從LED數(shù)碼管結(jié)構(gòu)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(gè)“8”字形字符的7段，再加上1個(gè)小數(shù)點(diǎn)位，共計(jì)8段，因此提供給LED數(shù)碼管的顯示段碼為1個(gè)字節(jié)。各段碼位與顯示段的對應(yīng)關(guān)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(shí)鐘信號的啟動與停止，當(dāng)停止輸出為1時(shí)，與與非門關(guān)閉，封鎖時(shí)鐘信號；當(dāng)啟動輸出為1時(shí)，與非門打開，放行時(shí)鐘信號。計(jì)數(shù)器電路是在計(jì)數(shù)輸入的“L”-“H”的變化點(diǎn)開始計(jì)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(diǎn)開始計(jì)數(shù)。 與非門中的計(jì)數(shù)的標(biāo)定時(shí)間有半個(gè)時(shí)鐘脈沖的偏差。不過在啟動和停止這兩個(gè)動作都產(chǎn)生這種偏差，所以并不構(gòu)成秒表的誤差。圖3-9 控制電路2、計(jì)數(shù)模塊8421BCD碼100進(jìn)制遞增計(jì)數(shù)器是由74LS192構(gòu)成的，如圖3-10所示，100進(jìn)制遞增計(jì)數(shù)器的預(yù)置數(shù)為N=（10011001）84BCD=（99）D。它的計(jì)數(shù)原理是，每當(dāng)?shù)臀挥?jì)數(shù)器的Tcv端發(fā)出正跳變借位脈沖時(shí)，高位計(jì)數(shù)器加1計(jì)數(shù)。當(dāng)高、低位計(jì)數(shù)器處于99時(shí)，計(jì)數(shù)器完成同步清零，計(jì)數(shù)器在CPV時(shí)鐘脈沖作用下，進(jìn)入下一輪加計(jì)數(shù)。3-10 8421BCD碼36進(jìn)制遞增計(jì)數(shù)器3、顯示模塊只要接通+5V電源和將十進(jìn)制數(shù)的BCD碼接至譯碼器的相應(yīng)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(qū)動一位LED數(shù)碼管CD45114 電路板制作調(diào)試及性能分析一個(gè)電路系統(tǒng)經(jīng)過總體設(shè)計(jì)，完成了設(shè)計(jì)開發(fā)。元器件安裝后，系統(tǒng)即可運(yùn)行。焊接好的線路不能按預(yù)計(jì)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(cuò)誤。像操作不當(dāng)（如布線錯(cuò)誤等）、設(shè)計(jì)不當(dāng)、元器件使用不當(dāng)、或功能不正常、儀器（主要指數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)箱）和集成器件本身出現(xiàn)故障。這就需要通過調(diào)試來發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤并加以改正。調(diào)試可分為靜態(tài)調(diào)試和動態(tài)調(diào)試。在允許的條件下，根據(jù)本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的需求性首先采用在PC機(jī)上用模擬開發(fā)軟件進(jìn)行檢測和調(diào)試，然后進(jìn)行硬件的組裝與調(diào)試。4.1電路板的制作與安裝本設(shè)計(jì)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(gè)插孔，每四個(gè)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(shí)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(shí)要受力均勻，以免發(fā)生引腳彎曲或斷裂。布線時(shí)，一般選取直徑為0.6mm的單股導(dǎo)線，長度適當(dāng)。先將兩頭絕緣皮剝?nèi)?mm8mm，然后把導(dǎo)線兩頭彎成直角，用鑷子夾住導(dǎo)線，垂直插入相應(yīng)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(yīng)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(yuǎn)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(yīng)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(dǎo)線，一般電源線用紅色，負(fù)電源線用藍(lán)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(gè)孔只允許插一根線，并且不允許導(dǎo)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(shí)互相產(chǎn)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(chǎn)生自激，故應(yīng)將各級單獨(dú)接地，然后再分別接入公共地線。4.2硬件調(diào)試1.通電觀察：通電后不要急于測量電氣指標(biāo)，而要觀察電路有無異?，F(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(yīng)立即關(guān)斷電源，待排除故障后再通電。 2.靜態(tài)調(diào)試：靜態(tài)調(diào)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(jìn)行的直流測試，可用萬用表測出電路中各點(diǎn)的電位，如檢查各芯片插座上相關(guān)引腳的電位，仔細(xì)測量相應(yīng)的輸入輸出電平是否正常。通過和理論估算值比較，結(jié)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(shí)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(diào)整電路參數(shù)，使電路直流工作狀態(tài)符合設(shè)計(jì)要求。因?yàn)榫鶠閿?shù)字邏輯電路，使用電平檢查法可首先查出邏輯設(shè)計(jì)是否正確，選用器件和連接關(guān)系是否符合要求等。 3.動態(tài)調(diào)試：動態(tài)調(diào)試是在靜態(tài)調(diào)試的基礎(chǔ)上進(jìn)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(diǎn)的輸出信號，若發(fā)現(xiàn)不正?，F(xiàn)象，應(yīng)分析其原因，并排除故障，再進(jìn)行調(diào)試，直到滿足要求。4.控制電路調(diào)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(xì)導(dǎo)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(jìn)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(diào)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(xì)導(dǎo)線分別相連，調(diào)整對應(yīng)微調(diào)電阻，使輸出電壓分別為3.6伏、5.0伏等（按指標(biāo)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(xì)導(dǎo)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(yīng)顯示17。輸出電壓應(yīng)分別為3.6伏、5.0伏等（按指標(biāo)要求?。?。如果正常，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(xì)導(dǎo)線將Q分別接地或5伏電源。當(dāng)Q接地時(shí)，74LS161的輸出端（Q1Q3）應(yīng)為111；當(dāng)Q接5伏電源時(shí)，74LS192的輸出端（Q1Q3）應(yīng)為計(jì)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(yīng)能正常工作。4.3性能分析經(jīng)過以上的調(diào)試和檢查后，終于實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)中各種功能。下面對各項(xiàng)功能進(jìn)行分析：1)、時(shí)間 時(shí)間的快慢主要取決秒電容值的大小。電容值越大振蕩時(shí)間越長，相對時(shí)鐘脈沖越慢，電容值越小振蕩時(shí)間越短，相對時(shí)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(jià)格 器件少，在市面上容易購買，成本低廉。實(shí)踐證明，這個(gè)秒表系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，結(jié)構(gòu)合理，工作可靠，性能優(yōu)越，功能強(qiáng)大等。結(jié) 論本系統(tǒng)由計(jì)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(shè)計(jì)由主體電路和擴(kuò)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(jìn)行了各單元設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行總體調(diào)試及性能分析。在做這次畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中使我學(xué)到了很多，加深了對數(shù)子電路的理解，驗(yàn)證了所學(xué)理論知識，提高了基本的解決實(shí)際問題的能力，并增加了對電子設(shè)計(jì)方面的興趣。掌握了電路方案的分析、論