數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(電子秒表)

數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計報告題 目： 電子秒表的設(shè)計專 業(yè)： 班 級： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書學(xué)生班級： 學(xué)生姓名： 學(xué)號：設(shè)計名稱：電子秒表的設(shè)計起止日期： 指導(dǎo)教師：周珍艮設(shè)計要求：1、明確設(shè)計題目，確定方案。對于考慮的方案，經(jīng)過比較后，確定選擇哪個方案。2、單元電路的設(shè)計和元器件的選擇。要列出元器件清單3、畫出完整的電路原理圖和必要的波形圖，并說明主要工作原理。4、計算出各元器件的主要參數(shù)，并標(biāo)在電路圖中恰當(dāng)?shù)奈恢谩?、畫出電路圖。6、對電路性能進行測試，并分析是否滿足要求。7、按要求撰寫課程設(shè)計報告。報告內(nèi)容包括目錄、正文（概述，硬件原理圖介紹，需要的元器件清單）、結(jié)論（設(shè)計的電路性能測試及總結(jié)，設(shè)計過程中遇到的問題及解決方法，心得等）、參考文獻、附錄（可有可無）等。目 錄緒論- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4第一章、設(shè)計要求1.1設(shè)計任務(wù)及目的- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -5 1.2 系統(tǒng)總體框圖- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 51.3、設(shè)計方案分析- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -6第二章、電路工作原理及相關(guān)調(diào)試2.1 電路工作原理- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 72.1相關(guān)調(diào)試- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 11第三章、實驗總結(jié) 附錄A 電子秒表原理圖附錄B 相關(guān)波形元件清單參考文獻 緒 論 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子技術(shù)在各個領(lǐng)域的運用也越來越廣泛，滲透到人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?，掌握必要的電工電子知識已經(jīng)成為當(dāng)代大學(xué)生特別是理工類大學(xué)生必備的素質(zhì)之一。 電子秒表是日常生活中比較常見的電子產(chǎn)品，秒表的邏輯結(jié)構(gòu)主要由時基電路、分頻器、二一五一十進制異步加法記數(shù)器 、數(shù)據(jù)選擇器和顯示譯碼器等組成。整個秒表需有一個 清零/ 啟動信號和一個 停止/保持 信號 裝置，以便秒表能隨意停止及啟動，計數(shù)器的輸出全都為BCD碼輸出，方便 顯示譯碼器連接。本次設(shè)計基于簡單易行的原則，秒表顯示以0.1s為最小單位，最大量程為9.9s，采用七段數(shù)碼管作為顯示部分，以此來達到基本設(shè)計要求.我門設(shè)計的秒表，是以555定時器為核心，以分頻、計數(shù)與譯碼顯示模塊為主要構(gòu)成部分的電子秒表的設(shè)計方案，充分利用數(shù)字電路的計數(shù)、譯碼、顯示的優(yōu)良特性，使整個設(shè)計達到了比較滿意的效果。基本電路主要有時基產(chǎn)生電路、電源電路、分頻電路、計數(shù)與譯碼電路（包括顯示電路）、開關(guān)按鈕電路。所設(shè)計的電子秒表達到了設(shè)計要求的各項指標(biāo)，并且在這個基礎(chǔ)上進行了功能擴展，系統(tǒng)具有隨時啟動、停止以及清零功能。這次設(shè)計中不但對以前的知識進行鞏固，而且學(xué)會了更多的新知識，提高思維、強化動手能力，能夠更好地適應(yīng)和走上工作崗位，為以后的就業(yè)打下一定的基礎(chǔ)。 關(guān)鍵字： 時基電路、分頻器、計數(shù)器、譯碼器、BCD碼 第一章、電路設(shè)計要求1.1 設(shè)計任務(wù)及目的一、設(shè)計任務(wù)用中小規(guī)模集成電路設(shè)計一個電子秒表，基本要求如下：1能顯示兩位數(shù)10進制數(shù)，其計數(shù)范圍0.09.9。2具有清零、預(yù)置數(shù)、停止等功能。二、設(shè)計目的1、學(xué)習(xí)數(shù)字電路中基本RS觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、時鐘發(fā)生器及計數(shù)、譯碼顯示等單元電路的綜合應(yīng)用。2、學(xué)習(xí)電子秒表的調(diào)試方法。1.2 系統(tǒng)總體框圖 電子秒表主要有分頻器、計數(shù)模塊、功能控制模塊、勢能控制模塊和顯示輸出模塊組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。 系統(tǒng)功能要求：(1)具有時鐘秒表系統(tǒng)功能要求顯示功能，用4個數(shù)碼管分別顯示 秒和百分秒。(2)具有3種功能狀態(tài)：系統(tǒng)時間運行狀態(tài)，系統(tǒng)時間至零狀態(tài)，時鐘正常顯示狀態(tài)，通過輸入控制信號可以使系統(tǒng)在這3個狀態(tài)之間切換，使數(shù)碼管顯示相應(yīng)狀態(tài)的時間；(3)開啟時間設(shè)定、關(guān)閉時間設(shè)定可通過控制信號中的時間調(diào)節(jié)來設(shè)置，在秒設(shè)置方面每按一下，秒就會自動加1，采用60進制計數(shù)，當(dāng)計數(shù)到59時又會恢復(fù)為00；百分秒設(shè)置方面每按一下，百分秒會自動加1，采用100進制計數(shù)，當(dāng)計數(shù)到99時，向上進位并恢復(fù)00。系統(tǒng)時間可以同單獨的至零信號，將數(shù)碼管顯示時間直接恢復(fù)到00.00狀態(tài)。1.3 設(shè)計方案分析(1). 基準(zhǔn)脈沖器 根據(jù)設(shè)計要求，最小單位為0.1秒，為減小計時誤差，依次脈沖源產(chǎn)生100Hz信號。此信號用 555計時器構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生。根據(jù)公式頻率f=1.44/（R1+2R2）C1設(shè)置合適的阻容參數(shù)，使 脈沖源產(chǎn)生100Hz的脈沖信號。 (2). 計數(shù)及譯碼顯示 二五十進制加法計數(shù)器74LS90構(gòu)成電子秒表的計數(shù)單元，首先用一個74LS90對多諧振蕩器產(chǎn) 生的100Hz的脈沖信號進行十分頻，然后，將輸出端QD 取得周期為0.1S的矩形脈沖送入圖二中右邊 的計數(shù)器中，圖中兩計數(shù)器都接成8421碼十進制 形式，其輸出端與實驗裝置上譯碼顯示單元的相應(yīng)輸入端連接，可顯示0.10.9秒；19.9秒計時。 (3). 控制部分節(jié)拍信號發(fā)生器選用一片74LS195構(gòu)成的三位環(huán)形計數(shù)器來實現(xiàn)。74LS195為四位單向移位寄存器,環(huán)形計數(shù)器的輸出Q0、Q1、Q2分別作為計數(shù)部分的清零信號、計時信號和停止信號。CLR端外接的R、C加電清零電路，當(dāng)接通電源時，由于電容C兩端的電壓不能突變，故為低電平，環(huán)形清零。隨后UC被充電到+5V，清零信號撤消。電路中增加一個或非門使電 路具有自啟動功能。 一個開關(guān)控制三種工作態(tài)。(4).脈沖發(fā)生器 由基本RS觸發(fā)器構(gòu)成的單脈沖發(fā)生器為節(jié)拍信號發(fā)生器提供時鐘脈沖。每按動一次開關(guān)，Q端就產(chǎn)生一個單脈沖，用以控制三種工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。用集成與非門構(gòu)成的基本RS觸發(fā)器。屬低電 平直接觸發(fā)的觸發(fā)器,有直接置位、復(fù)位的功能。按動按鈕開關(guān)A（接地），則 輸出 1；B復(fù)位后Q、 狀態(tài)保持不變。再按動按鈕開關(guān)A ,則輸出由0變?yōu)?，使移位寄存器置入0001, 為計數(shù)器清零。再次按動B、A使移位寄存器向右移位，經(jīng)與多諧振蕩器產(chǎn)生的脈沖相與后開 始計時，再次按動B、A，移位寄存器的QC置1，使計數(shù)器停止計數(shù)。第二章、電路工作原理及相關(guān)調(diào)試2.1 電路工作原理圖1為電子秒表的電原理圖。按功能分成四個單元電路進行分析。1、基本RS觸發(fā)器圖1中單元I為用集成與非門構(gòu)成的基本RS觸發(fā)器。屬低電平直接觸發(fā)的觸發(fā)器，有直接置位、復(fù)位的功能。它的一路輸出作為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入，另一路輸出Q作為與非門5的輸入控制信號。圖1 電子秒表原理圖按動按鈕開關(guān)K2（接地），則門1輸出1；門2輸出Q0，K2復(fù)位后Q、狀態(tài)保持不變。再按動按鈕開關(guān)K1 ,則Q由0變?yōu)?，門5開啟, 為計數(shù)器啟動作好準(zhǔn)備。由1變0，送出負脈沖，啟動單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作?；綬S觸發(fā)器在電子秒表中的職能是啟動和停止秒表的工作。2、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器圖1中單元為用集成與非門構(gòu)成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，圖2為各點波形圖。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入觸發(fā)負脈沖信號vi 由基本RS觸發(fā)器端提供，輸出負脈沖vO 通過非門加到計數(shù)器的清除端R。靜態(tài)時，門4應(yīng)處于截止?fàn)顟B(tài)，故電阻R必須小于門的關(guān)門電阻ROff 。定時元件RC取值不同，輸出脈沖寬度也不同。當(dāng)觸發(fā)脈沖寬度小于輸出脈沖寬度時，可以省去輸入微分電路的RP 和CP 。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在電子秒表中的職能是為計數(shù)器提供清零信號。3、時鐘發(fā)生器圖1中單元為用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器，是一種性能較好的時鐘源。調(diào)節(jié)電位器 RW ，使在輸出端3獲得頻率為50HZ的矩形波信號，當(dāng)基本RS觸發(fā)器Q1時，門5開啟，此時50HZ脈沖信號通過門5作為計數(shù)脈沖加于計數(shù)器的計數(shù)輸入端CP2。 圖2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器波形圖 圖3 74LS90引腳排列4、計數(shù)及譯碼顯示二五十進制加法計數(shù)器74LS90構(gòu)成電子秒表的計數(shù)單元，如圖1中單元所示。其中計數(shù)器接成五進制形式，對頻率為50HZ的時鐘脈沖進行五分頻，在輸出端QD 取得周期為0.1S的矩形脈沖，作為計數(shù)器的時鐘輸入。計數(shù)器及計數(shù)器接成8421碼十進制形式，其輸出端與實驗裝置上譯碼顯示單元的相應(yīng)輸入端連接，可顯示0.10.9秒；19.9秒計時。注：集成異步計數(shù)器74LS9074LS90是異步二五十進制加法計數(shù)器，它既可以作二進制加法計數(shù)器，又可以作五進制和十進制加法計數(shù)器。圖3為74LS90引腳排列，表1為功能表。通過不同的連接方式，74LS90可以實現(xiàn)四種不同的邏輯功能；而且還可借助R0(1)、R0(2)對計數(shù)器清零，借助S9(1)、S9(2)將計數(shù)器置9。其具體功能詳述如下：(1)計數(shù)脈沖從CP1輸入，QA作為輸出端，為二進制計數(shù)器。(2)計數(shù)脈沖從CP2輸入，QDQCQB作為輸出端，為異步五進制加法計數(shù)器。(3)若將CP2和QA相連，計數(shù)脈沖由CP1輸入，QD、QC、QB、QA作為輸出端，則構(gòu)成異步8421碼十進制加法計數(shù)器。(4)若將CP1與QD相連，計數(shù)脈沖由CP2輸入，QA、QD、QC、QB作為輸出端，則構(gòu)成異步5421碼十進制加法計數(shù)器。(5)清零、置9功能。（a）異步清零：當(dāng)R0(1)、R0(2)均為“1”；S9(1)、S9(2)中有“0”時，實現(xiàn)異步清零功能，即QDQCQBQA0000。(b)置9功能：當(dāng)S9(1)、S9(2)均為“1”；R0(1)、R0(2)中有“0”時，實現(xiàn)置9功能，即QDQCQBQA1001。表1輸 入輸 出功 能清 0置 9時 鐘QD QC QB QAR0(1)、R0(2)S9(1)、S9(2)CP1 CP21100 0000清 00011 1001置 90 00 0 1QA 輸 出二進制計數(shù)1 QDQCQB輸出五進制計數(shù) QAQDQCQBQA輸出8421BCD碼十進制計數(shù)QD QAQDQCQB輸出5421BCD碼十進制計數(shù)1 1不 變保 持2.2相關(guān)調(diào)試由于電路中使用器件較多，必須將各單元電路逐個進行接線和調(diào)試，即分別測試基本RS觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、時鐘發(fā)生器及計數(shù)器的邏輯功能，待各單元電路工作正常后，再將有關(guān)電路逐級連接起來進行測試，直到測試電子秒表整個電路的功能。這樣的測試方法有利于檢查和排除故障，保證設(shè)計順利進行。1、 基本RS觸發(fā)器的測試2、 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的測試 (1)靜態(tài)測試 用直流數(shù)字電壓表測量A、B、D、F各點電位值。并記錄。 (2)動態(tài)測試 輸入端接1KHZ連續(xù)脈沖源，用示波器觀察并描繪D點（vD、）F點（v0）波形，如嫌單穩(wěn)輸出脈沖持續(xù)時間太短，難以觀察，可適當(dāng)加大微分電容C（如改為0.1）待測試完畢，再恢復(fù)4700P。3、 時鐘發(fā)生器的測試 測試方法參考實驗十五，用示波器觀察輸出電壓波形并測量其頻率，調(diào)節(jié)RW，使輸出矩形波頻率為50Hz。4、 計數(shù)器的測試 (1) 計數(shù)器接成五進制形式，RO(1)、RO(2)、S9(1)、S9(2)接邏輯開關(guān)輸出插口，CP2接單次脈沖源,CP1接高電平“1”，QDQA接實驗設(shè)備上譯碼顯示輸入端D、C、B、A,按表171測試其邏輯功能，記錄之。 (2) 計數(shù)器及計數(shù)器接成8421碼十進制形式，同內(nèi)容（1）進行邏輯功能測試。記錄之。 (3) 將計數(shù)器、級連，進行邏輯功能測試。記錄之。5、 電子秒表的整體測試 各單元電路測試正常后，按圖3.14.1把幾個單元電路連接起來，進行電子秒表的總體測試。 先按一下按鈕開關(guān)K2，此時電子秒表不工作，再按一下按鈕開關(guān)K1，則計數(shù)器清零后便開始計時，觀察數(shù)碼管顯示計數(shù)情況是否正常，如不需要計時或暫停計時，按一下開關(guān)K2，計時立即停止，但數(shù)碼管保留所計時之值。6、 電子秒表準(zhǔn)確度的測試?yán)秒娮隅娀蚴直淼拿胗嫊r對電子秒表進行校準(zhǔn)。第三章、實驗總結(jié)1）設(shè)計小結(jié) 本次課程設(shè)計題目是電子秒表，在選定這個題目后，我們并沒有立即開始設(shè)計，而是先參加了大量的關(guān)于電子技術(shù)設(shè)計方面的書過后才開始著手設(shè)計，我們第一步是按設(shè)計要求 來確定該題目可能需要的電子元件，再慢慢更具每個電子原件的功能及題目要求一一篩選，最終確定用哪些原件；第二不是設(shè)計方案并確定，確定后開始設(shè)計實際電路，實際電路設(shè)計好后，便開始按要求寫設(shè)計及報告。2）心得體會電子秒表同實際聯(lián)系的比較緊密，所以做起來會很有興趣。調(diào)試過程中如果結(jié)果出不來，一定要靜下心來檢查線路問題，不要急于通電，檢查過程中可以用指針萬用表依據(jù)各引腳電平特點測試以此排除和鎖定故障的位置.值得注意的是，在加電啟動完成，秒表也立刻啟動開始計時了，但不是很影響秒表的使用. 在設(shè)計的過程中，我發(fā)現(xiàn)了我理論知識上的一些漏洞，這給了我不少壓力，于是我又?jǐn)D出時間努力加深文化知識。通過這次課程設(shè)計，我也學(xué)到了很多，首先是加深了對課本基礎(chǔ)知識的理解，其次理解了做一個大的電路設(shè)計時應(yīng)該遵循的思路和方法。設(shè)計過程中，通過查閱相關(guān)書籍，上網(wǎng)搜索相關(guān)資料，拓展了自己的知識范圍，并且培養(yǎng)了自己嚴(yán)謹(jǐn)認真的習(xí)慣。附錄A 電子秒表原理圖附錄B 1、555振蕩器輸出波形：2、秒計數(shù)單元邏輯功能