電子秒表電路的設(shè)計

1、數(shù)字電路實(shí)驗實(shí)驗名稱： 電子秒表電路的設(shè)計 院系： 自動化學(xué)院 班級：電氣 1134 班 姓名：盧應(yīng)虎 指導(dǎo)老師：居勇峰 學(xué)號： 1131201416 時間： 2015.7.21 電子秒表簡介 電子秒表是一種較先進(jìn)的電子計時器，目前國產(chǎn)的電子秒表一般都是利 用石英振蕩器的振蕩頻率作為時間基準(zhǔn)，采用 6 位液晶數(shù)字顯示時間。電子 秒表的使用功能比機(jī)械秒表要多，它不僅能顯示分、秒，還能顯示時、日、 月及星期，并且有 1l00s 的功能。本實(shí)驗設(shè)計的電子秒表電路的基本組成框圖如圖 1-1 所示，它主要由基 本 RS觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器、計數(shù)器和譯碼顯示器5 個部分組成。圖 1-1 電子秒

2、表電路的基本組成框圖2 單元電路設(shè)計及相關(guān)元器件的功能簡介2.1 基本 RS觸發(fā)器本實(shí)驗設(shè)計電路所選用的基本 RS 觸發(fā)器為用集成與非門構(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。其功能表 如表 2-1 所示。RSQnQn+1功能000不用不允許000不用0100Qn+1=0,置 0011021011Qn+1=1,置 110011111Qn+1=Qn保, 持1100表 2-1 基本 RS 觸發(fā)器如圖 2-1 所示，它的一路輸出 Q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。切換按鈕開關(guān) K1（接地），則門 1輸出Q =1； 門 2 輸出

3、 Q=0，K1復(fù)位后 Q、 Q 狀態(tài)保持不變。再切換按鈕開關(guān) K2，則 Q由 0 變?yōu)?1 ，門 5 開啟，為計數(shù)器啟動作好準(zhǔn)備； Q 由 1 變?yōu)?0，送出負(fù)脈沖， 啟動單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作。基本 RS觸發(fā)器在電子秒表中的職能是啟動和停止秒表的工作圖 2-1 基本 RS 觸發(fā)器2.2 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 本實(shí)驗設(shè)計電路所選用的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器為用集成與非門構(gòu)成的微分型單 穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，如圖 2-2 所示。3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入觸發(fā)負(fù)脈沖信號 vi 由基本 RS觸發(fā)器 Q端提供，輸出負(fù)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

4、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 。圖 2-3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器波形圖2.3 多諧振蕩器本實(shí)驗實(shí)驗設(shè)計電路所選用的時鐘發(fā)生器為用 555 定時器構(gòu)成的多諧振 蕩器，是一種性能較好的時鐘源。如圖 2-4 所示。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 2-4 多諧振蕩器NE555定時器是一種電路結(jié)構(gòu)簡單、使用

5、方便靈活、用途廣泛的多功能電路。利用閉合回路的反饋?zhàn)饔每梢援a(chǎn)生自激振蕩。 TTL電路延遲時間短，難 以控制頻率。電路接入 RC回路有助于獲得較低的振蕩頻率，由于門電路的作 用時間極短， TTL電路自有幾十納秒， 所以想獲得稍低一些的振蕩頻率式很困 難的，而且頻率不易調(diào)節(jié)。在電路中接入 RC電路可以有助于獲得較低的振蕩 頻率，而且通過改變 R， C的數(shù)值可以很容易實(shí)現(xiàn)對頻率的調(diào)節(jié)。振蕩電路是數(shù)字秒表的核心部分，電容充放電的速度決定了電路的振蕩 頻率。 R1 、R2、C 決定了多諧振蕩器的周期，即決定了形成的方波的頻率利 用閉合回路中的負(fù)反饋?zhàn)饔每梢援a(chǎn)生自激振蕩，利用閉合回路中的延遲負(fù)反 饋?zhàn)饔靡?/p>

6、能產(chǎn)生自激振蕩，只要負(fù)反饋?zhàn)饔米銐驈?qiáng)。為了得到頻率更加準(zhǔn)確 的頻率信號，加入了電容和電阻，其中電容為 0.01uf 和 0.1uf，電阻為 100K 歐姆。2.4 計數(shù)及譯碼顯示電路二五十進(jìn)制加法計數(shù)器 74LS90 構(gòu)成電子秒表的計數(shù)單元，其功能表 如表 2-2 所示，引腳圖如圖 2-5 所示。74LS90是一種較為典型的異步十進(jìn)制計數(shù)器。 它由 1 個一位二進(jìn)制和 1 個 異步五進(jìn)制計數(shù)器組成。如果計數(shù)脈沖由 CP1端輸入，輸出由 QA端引出，即 得二進(jìn)制計數(shù)器；如果計數(shù)脈沖 CP2端輸入，輸出由 QA QD端引出即得五進(jìn) 制計數(shù)器；如果將 QA與 CP2相連，計數(shù)脈沖由 CP1輸入，輸出

7、由 QA QD引 出，即得 8421 碼十進(jìn)制計數(shù)器。因此，又稱此電路為二五十進(jìn)制計 數(shù)器。輸入輸出功能清 0置 9時鐘QD QC QB QAR0(1) 、R0(2)S9(1) 、S9(2)CP1 CP2110 0 000清0 00 011 100置1 90 00 0 1QA 輸 出二進(jìn)制計數(shù)1 QDQCQB輸出五進(jìn)制計數(shù) Q AQDQCQBQA 輸 出8421BCD碼十進(jìn)制計數(shù)QDQAQDQCQB 輸 出5421BCD碼十進(jìn)制計數(shù)1 1不變保持表 2-2 74LS90 的功能表圖 2-5 74LS90 的引腳圖本實(shí)驗所設(shè)計的計數(shù)及譯碼顯示電路如圖 2-6 所示。其中計數(shù)器 1 接成 五進(jìn)制形

8、式，對頻率為 50HZ 的時鐘脈沖進(jìn)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 2、計數(shù)器 3 和計數(shù) 器 4 接成 8421 碼十進(jìn)制形式，其輸出端與實(shí)驗裝置上譯碼顯示的相應(yīng)輸入端 連接 , 可顯示 0.1-99.9S.圖 2-6 計數(shù)及譯碼顯示電路3 總電路設(shè)計圖及其原理圖 3-1 電子秒表總電路圖 根據(jù)各單元電路原理，可得總電路圖如圖 3-1 所示。 其中，基本 RS觸發(fā)器在電子秒表中的職能是啟動和停止秒表的工作，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。由 555 定時器構(gòu) 成多諧振蕩器，用來產(chǎn)生 50Hz的矩形波。第塊計數(shù)器作

9、 5分頻使用，將 555 輸來的 50Hz的脈沖變?yōu)?0.1 秒的計數(shù)脈沖，在輸出端 Qd取得，作為第 2 塊 計數(shù)器的始終輸入， 第 2、第 3、第 4塊計數(shù)器 QA與 CP2相連，都已接成 8421 碼十進(jìn)制計數(shù)電路，其輸出端與譯碼顯示器的相應(yīng)輸入端連接，可顯示0.1-0.9s,1-9s,10-90s.4 電路仿真利用電子設(shè)計軟件 multisim 對電路仿真，根據(jù)圖 3-1 所示電子秒表總電路圖 在軟件 multisim 中繪制出其仿真電路圖，如圖 4-1 所示。圖 4-1 仿真電路圖 開啟仿真器實(shí)驗電源開關(guān)，切換按鈕開關(guān) K1（接地），則 Q =1， Q=0；K1復(fù) 位后 Q、Q 狀態(tài)

10、保持不變。再切換按鈕開關(guān) K2，則 Q由 0變?yōu)?1，門 5 即圖 中 U8A開啟，為計數(shù)器啟 作好準(zhǔn)備，同時 Q由 1 變?yōu)?0 ，送出負(fù)脈沖，啟動單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作。適當(dāng)調(diào)節(jié)可變電阻，使輸出端 3 獲得頻率為 50HZ的矩形 波 信號 。雙擊 示波 器 XSC3， 觀察 示波器 的輸 出 波形 如 圖 4-2 所示 。圖 4-2 XSC3 的波形此 外 XSC1 和 XSC2 的 波 形 圖 分 別 如 圖 4-3 和 圖 4-4 所 示9圖 4-3 XSC1 的波形圖圖 4-4 XSC2 的波形圖由仿真可知，該設(shè)計電路滿足要求。5 安裝及調(diào)試由于電路中使用器件較多， 設(shè)計前必須合理安排各器

11、件在實(shí)驗裝置上的 位置，使電路邏輯清楚接線較短。應(yīng)按照設(shè)計任務(wù)的次序?qū)⒏鲉卧?電路逐個進(jìn)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 待備單元電路工作正常后， 再將有關(guān) 電路逐級連接起來進(jìn)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，保證實(shí)驗順利進(jìn)行。（ 1）測試基本 RS觸發(fā)器的邏輯功能。（ 2）對單穩(wěn)態(tài)電路進(jìn)行靜態(tài)測試：用直流數(shù)字電壓表測量 A、B、D、F10 各點(diǎn)電位值，并記錄；然后進(jìn)行動態(tài)測試：輸入端接 IKHZ連續(xù)脈沖源， 用示波器觀察并描繪 D點(diǎn) F點(diǎn)波形如嫌單穩(wěn)輸出脈沖持續(xù)時間太短 難 以觀察，可以適

12、當(dāng)加大微分電容 c（如改為 01 F待） 測試完畢再恢復(fù) 4700PF。（ 3）對時鐘發(fā)生器進(jìn)行調(diào)試：參照由 555 定時器構(gòu)成的多諧振蕩器的 測試方法來測試該部分的邏輯功能， 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：計數(shù)器接成五進(jìn)制形式記錄測試過程。 R0（ 1）、 R0（2）、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(shí)驗設(shè)備上譯碼顯示輸入端口 D、C、B、A，按表 2-2 測試其邏輯功能并記錄 ;計數(shù)器及計數(shù)器接成 8421 碼十進(jìn)制形式， 記錄測試過程 ;將計數(shù)器、級連進(jìn)行邏輯功

13、能測試，并記錄。 （5）電子秒表的整體測試 :各單元電路測試正常后 按圖 3-1 把幾個單元電 路連接起來，進(jìn)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)器清零后使開始計時， 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) K1，計時立即停止，但數(shù)碼管保留所計時之值。（6）利用電子鐘或手表的秒計時對電子秒表進(jìn)行校準(zhǔn)。116 設(shè)計心得通過這幾天對電子秒表電路的設(shè)計使我對數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程有了更深一步的了 解，同時發(fā)現(xiàn)了自己的很多不足，看到了自己的實(shí)踐經(jīng)驗還是比較缺乏，理論聯(lián)系實(shí)際的 能力還亟需提高。同時，經(jīng)過這次課程設(shè)計

14、，我們對前面的路有了更多的信心，因為在這個過程中，我 們學(xué)到了不少實(shí)用的東西，對于一些專業(yè)基礎(chǔ)課有了更深層次的掌握，并且提高了動手能 力和獨(dú)立解決問題的能力。此次的數(shù)電課設(shè)，不僅讓我加深了對數(shù)字電子電路理論知識的 理解，還加強(qiáng)和同學(xué)交流溝通的能力，在設(shè)計電路時和同組成員共同討論解決問題，同時 設(shè)計出的電路經(jīng)過 Multisim 軟件仿真達(dá)到預(yù)期的效果， 不僅讓小組所有成員共同獲得努力 后成功的欣喜，而且了解了 Multism 軟件的使用。諸多在此次學(xué)習(xí)到的知識或是能力必將 有用于之后的學(xué)習(xí)或是將來的工作，這也是此次課程設(shè)計的目的所在。總而言之，本周課程設(shè)計不但鍛煉了我們最基本的數(shù)字電路的設(shè)計能力，更重要的是 讓我們更深刻的認(rèn)識了數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程在實(shí)際中的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)1 伍時和主編 . 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) . 武漢理工大學(xué)出版社， 20092 康華光主編 . 電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分 . 高等教育出版社， 20003 羅中華等主編 .4 周新民主編 .數(shù)字電路與邏輯設(shè)計 . 清華大學(xué)出版社， 2004工程實(shí)踐與訓(xùn)練教程 武漢理工大學(xué)出版社， 2009 5 張新喜主編 . Multisim10 電路