數(shù)字電子秒表設(shè)計(jì)

1、攀枝花學(xué)院綜合設(shè)計(jì)（論文）數(shù)字式電子秒表學(xué)生姓名： 陳勇 學(xué)生學(xué)號(hào)： 201210502008 院（系）： 電氣信息工程學(xué)院 年級(jí)專業(yè)： 2012級(jí)電氣工程與自動(dòng)化 指導(dǎo)教師： 游霞 講師 二一四年五月攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摘 要 該設(shè)計(jì)的進(jìn)行使我們的動(dòng)手能力、實(shí)際操作能力、綜合應(yīng)用能力得到更好的提升。這次設(shè)計(jì)是基于計(jì)算機(jī)電路的時(shí)鐘脈沖信號(hào)、狀態(tài)控制等原理設(shè)計(jì)出的數(shù)字秒表。秒表在很多領(lǐng)域充當(dāng)一個(gè)重要的角色。在各種比賽中對(duì)秒表的精確度要求很高，尤其是一些科學(xué)實(shí)驗(yàn)。他們對(duì)時(shí)間精確度達(dá)到了幾納秒級(jí)別。現(xiàn)實(shí)生活中電子秒表是一種很常見的裝置，應(yīng)用范圍也是相當(dāng)?shù)膹V泛。比如，城市的交通信號(hào)燈。是我

2、們最常見的一種電子秒表。數(shù)字式電子秒表由他獨(dú)特的好處顯示直觀，內(nèi)容一目了然。本次課程設(shè)計(jì)從總體設(shè)計(jì)框圖開始，將設(shè)計(jì)任務(wù)逐步分解，直到可以用標(biāo)準(zhǔn)的集成電路部件實(shí)現(xiàn)，然后將各部件聯(lián)結(jié)成系統(tǒng)，通過Multism進(jìn)行設(shè)計(jì)的分析綜合和時(shí)序仿真驗(yàn)證。本文在原理簡要處，還加入了程序設(shè)計(jì)中用到的幾種集成元件的管腳圖，以及簡單介紹了這些元器件所能實(shí)現(xiàn)的功能。先后設(shè)計(jì)出了計(jì)秒、計(jì)分和計(jì)時(shí)電路，并完成了初步的調(diào)試與仿真。最后，在分析時(shí)序仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行進(jìn)一步的修改和完善，已達(dá)到對(duì)設(shè)計(jì)電路正確運(yùn)行且學(xué)會(huì)運(yùn)用Multism電路設(shè)計(jì)與仿真的目的。操作步驟：（1）啟動(dòng)仿真電路，可觀察到數(shù)字時(shí)鐘的秒位開始計(jì)時(shí)

3、，計(jì)數(shù)到60后復(fù)位為0，并進(jìn)位到分計(jì)時(shí)電路。（2）觀察到數(shù)字時(shí)鐘的分位開始計(jì)時(shí)，計(jì)數(shù)到60后復(fù)位為0，并進(jìn)位到時(shí)計(jì)時(shí)電路（3）開關(guān)J1可控制時(shí)計(jì)時(shí)電路的方式選擇。（4）控制鍵可控制秒脈沖直接引入時(shí)、分計(jì)數(shù)器。（5）出現(xiàn)整點(diǎn)，即時(shí)計(jì)數(shù)器發(fā)生變化。由以上的操作步驟可以完成課程設(shè)計(jì)的要求。關(guān)鍵詞 時(shí)鐘脈沖信號(hào)，狀態(tài)控制，計(jì)數(shù)器，555定時(shí)器，多諧振蕩器目 錄目錄摘 要2ABSTRACT31、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?2、實(shí)驗(yàn)設(shè)備53、實(shí)驗(yàn)要求54、實(shí)驗(yàn)原理64.1、基本RS觸發(fā)器64.2、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74.3、時(shí)鐘發(fā)生器74.4、時(shí)鐘發(fā)生器74.5、集成異步計(jì)數(shù)器74LS9075、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟95.1、基本RS觸

4、發(fā)器的測試95.2、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的測試105.3、時(shí)鐘發(fā)生器的測試115.4、計(jì)數(shù)器的測試125.5、電子秒表的整體測試155.6、電子秒表準(zhǔn)確度的測試166、實(shí)驗(yàn)總結(jié)16參 考 文 獻(xiàn)1828攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 0.1s-9.9s電子秒表1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、學(xué)習(xí)數(shù)字電路中的基本RS觸發(fā)器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、時(shí)鐘發(fā)生器及計(jì)數(shù)、譯碼顯示器等單元電路的綜合運(yùn)用。2、熟悉555定時(shí)器的使用以及相關(guān)電路設(shè)計(jì)，鞏固RS觸發(fā)器的功能及特性，熟悉RS觸發(fā)器的使用和設(shè)計(jì)。3、學(xué)習(xí)電子秒表的調(diào)試方法。4、學(xué)習(xí)Multisim的使用方法與調(diào)試方法。5、建立分頻的基本概念。2、實(shí)驗(yàn)設(shè)備（1）+5V直流電源（2）

5、雙蹤示波器（3）數(shù)字頻率計(jì)（4）單次脈沖源（5）連續(xù)脈沖源（6）邏輯電平開關(guān)（7）邏輯電平顯示器（8）譯碼顯示器（9）74LS00*2、555*1、74LS90*3、電位器、電阻、電容。3、實(shí)驗(yàn)要求1、利用555定時(shí)器制作一個(gè)頻率為50Hz的時(shí)鐘發(fā)生裝置。2、利用五、十、十進(jìn)制計(jì)數(shù)器直說時(shí)鐘分頻電路，輸出0.1秒到9.9秒的計(jì)數(shù)脈沖。 3、通過分頻電路，輸出周期為0.1s的計(jì)數(shù)脈沖。4、利用74LS248和數(shù)碼顯示器接受分頻電路輸出的計(jì)數(shù)脈沖，并顯示出來。5、使用基本RS觸發(fā)器制作電子秒表的控制開關(guān)，實(shí)現(xiàn)開始計(jì)數(shù)，停止并保持計(jì)數(shù)和清零重新開始計(jì)數(shù)的功能。電子秒表的原理電子秒表要求能夠?qū)r(shí)間進(jìn)行

6、精確記時(shí)并顯示出來,因此要有時(shí)鐘發(fā)生器,記數(shù)及譯碼顯示.由555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器，用來產(chǎn)生50Hz的矩形波。第塊計(jì)數(shù)器作5分頻使用，將555輸來的50Hz的脈沖變?yōu)?.1秒的計(jì)數(shù)脈沖，在輸出端Qd取得，作為第2塊計(jì)數(shù)器的始終輸入，第2、第3塊計(jì)數(shù)器QA與CP2相連，都已接成8421碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)電路 ，第4塊接成六進(jìn)制形式，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,10-60s。 多諧振蕩器數(shù)碼顯示器計(jì)數(shù)器譯碼器圖1-1 電子秒表的原理圖1.1 時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生單元ne555是一種應(yīng)用特別廣泛作用很大的的集成電路，屬于小規(guī)模集成電路，在很多電子產(chǎn)品中都有應(yīng)用。ne5

7、55的作用是用內(nèi)部的定時(shí)器來構(gòu)成時(shí)基電路，給其他的電路提供時(shí)序脈沖。ne555時(shí)基電路有兩種封裝形式有，一是dip雙列直插 8腳封裝，另一種是sop-8小型（smd）封裝形式。其他ha17555、lm555、ca555分屬不同的公司生產(chǎn)的產(chǎn)品。內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理都相同。ne555的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可等效成23個(gè)晶體三極管.17個(gè)電阻.兩個(gè)二極管.組成了比較器.RS觸發(fā)器.等多組單元電路.特別是由三只精度較高5k電阻構(gòu)成了一個(gè)電阻分壓器.為上.下比較器提供基準(zhǔn)電壓.所以稱之為555。555內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳如下圖所示： 圖1-2 555內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳圖1.2記數(shù)單元74LS90是一種較為典型的異步十進(jìn)制計(jì)數(shù)

8、器。它由1個(gè)一位二進(jìn)制和1個(gè)異步五進(jìn)制計(jì)數(shù)器組成。如果計(jì)數(shù)脈沖由CP1端輸入，輸出由QA端引出，即得二進(jìn)制計(jì)數(shù)器；如果計(jì)數(shù)脈沖CP2端輸入，輸出由QAQD端引出即得五進(jìn)制計(jì)數(shù)器；如果將QA與CP2相連，計(jì)數(shù)脈沖由CP1輸入，輸出由QAQD引出，即得8421碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。因此，又稱此電路為二五十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。它的引腳功能如下： 圖1-3 74LS90引腳圖 圖1-4 電子表秒計(jì)數(shù)單元電路1.3 .譯碼顯示單元74HC160N是BCD碼到七段碼的顯示譯碼器，它可以直接驅(qū)動(dòng)共陰極數(shù)碼管。它的管腳圖如圖5所示。 顯示器用DCD_HEX共陰極LED顯示器。圖1-4 DCD_HEX共陰極LED顯示器引腳功

9、能圖LED顯示屏（LED panel），是一種通過控制半導(dǎo)體發(fā)光二極管的顯示方式，用來顯示文字、圖形、圖像、動(dòng)畫、行情、視頻、錄像信號(hào)等各種信息的顯示屏幕。1.4 控制單元1.4.1啟動(dòng)/暫停記時(shí)開關(guān) 用集成與非門構(gòu)成基本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，另一路輸出作為與非門的輸入控制信號(hào)。按動(dòng)按鈕開關(guān)J1（接地），則門1輸出 =1；門2輸出Q=0，J1復(fù)位后Q、 狀態(tài)保持不變。再按動(dòng)按鈕開關(guān)J2，則Q由0變?yōu)?，門5開啟，為計(jì)數(shù)器啟動(dòng)作好準(zhǔn)備。 由1變?yōu)?，送出負(fù)脈沖，啟動(dòng)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

10、動(dòng)和停止秒表的工作。1.4.2異步清零開關(guān)只要S9（1）×S9（2）=0，R0（1）=R0（2）=1，就可使QAQBQCQD=0000，即異步清0。4.1、基本RS觸發(fā)器圖1中單元I為用集成器與非門構(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，另一端從輸出Q作為與非門5的輸出控制信號(hào)。按動(dòng)按鈕開關(guān)K2（接地），則門1輸出=1，門2輸出Q=0，K2復(fù)位后Q、狀態(tài)保持不變。再按動(dòng)開關(guān)K1，則Q由0變到1，門5開啟，為計(jì)數(shù)器啟動(dòng)做好準(zhǔn)備；由1變?yōu)?，送出負(fù)脈沖，啟動(dòng)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(dòng)和停止秒表的

11、工作。4.2、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器圖1中單元II為用集成與非門構(gòu)成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，檢驗(yàn)單穩(wěn)態(tài)各點(diǎn)波形圖。 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入觸發(fā)負(fù)脈沖信號(hào)Vi由基本RS觸發(fā)端端提供，輸出負(fù)脈沖V0通過非門加到計(jì)數(shù)器的清楚端R0。靜態(tài)時(shí)，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(shí)元件RC取值不同，輸出脈沖寬度也不同。單觸發(fā)脈沖寬度小于輸出脈沖寬度，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(jì)數(shù)器提供清零信號(hào)。4.3、時(shí)鐘發(fā)生器圖1中單元III為555定時(shí)器構(gòu)成的多謝振蕩器，是一種性能較好的時(shí)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(hào)，當(dāng)基本RS觸

12、發(fā)器Q=1時(shí)，門5開啟，此時(shí)50Hz脈沖信號(hào)通過門5作為計(jì)數(shù)器脈沖駕馭計(jì)時(shí)器的計(jì)數(shù)輸入端CP2。4.4、時(shí)鐘發(fā)生器二-五-十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器74LS90構(gòu)成電子秒表的計(jì)數(shù)單元，如圖1中單元IV所示。其中計(jì)數(shù)器接成五進(jìn)制形式，對(duì)頻率為50Hz的時(shí)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(jì)數(shù)器的時(shí)鐘輸入。計(jì)數(shù)器及計(jì)數(shù)器接成8421BCD碼十進(jìn)制形式，其輸出端與實(shí)驗(yàn)裝置上譯碼顯示單元的相應(yīng)輸入端連接，可顯示0.19.9s計(jì)時(shí)。4.5、集成異步計(jì)數(shù)器74LS9074LS90是異步二-五-十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，它既可以作二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，又可以作五進(jìn)制和十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。圖2為74LS

13、90引腳排列圖74LS90引腳排列圖表1為其功能表表1輸入輸出功能清0置9時(shí)鐘 QD QC QB QAR0(1),R0(2)R9(1) .R9(2)110XX0X X0000清00XX011X X1001置90 XX 00 XX 0 1QA輸出二進(jìn)制1 QD QC QB輸出五進(jìn)制 QA QDQCQBQA輸出8421BCD碼十進(jìn)制通過不同的連接方式，74LS90可以實(shí)現(xiàn)不同的邏輯功能；而且還可以借助R（、R（01）02）對(duì)計(jì)數(shù)器清零，借助S、S將計(jì)數(shù)器置9。其具體功能詳述如下： （91）92）（1） 計(jì)數(shù)脈沖從CP1輸入，QA作為輸出端，為二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。（2） 計(jì)數(shù)脈沖從CP2輸入，QDQCQB

14、作為輸出端，為異步五進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。（3） 若將CP2和QA相連，計(jì)數(shù)器脈沖由CP1輸入，QD、QC、QB、QA作為輸出端，則構(gòu)成異步8421碼十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。（4） 若將CP1和QD相連，計(jì)數(shù)器脈沖由CP2輸入，QA、QD、QC、QB作為輸出端，則構(gòu)成異步5421碼十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。（5） 清零、置9功能。1） 異步清零 （當(dāng)R（、R（均為“1”；S、S中有“0”，實(shí)現(xiàn)異步清零功能，即01）02）91）92）QDQCQBQA=0000。（2）當(dāng)S、S均為“1”；R（、R（中有“0”，實(shí)現(xiàn)異步置9功能，即91）92）01）02）QDQCQBQA=1001。5、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟5.1、基本RS觸

15、發(fā)器的測試測試方法為將Q端接入舉矩形示波器，運(yùn)行程序后，不斷變更開關(guān)K1、K2的位置，在示波器上顯示器波形看是否滿足要求，實(shí)驗(yàn)圖為圖3、圖4如下；圖3 單元I連接實(shí)物圖圖4 單元I RS觸發(fā)器波形圖5.2、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(diǎn)電位置并記錄2）動(dòng)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(diǎn)（VD）、F點(diǎn)（VF）波形，如嫌單穩(wěn)輸出脈沖持續(xù)時(shí)間太短，難以觀察，可適當(dāng)增大微風(fēng)電容C，待測完之后，再恢復(fù)4700pF。實(shí)驗(yàn)圖為下圖；圖5 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器測試圖測試波形為圖6；5.3、時(shí)鐘發(fā)生器的測試測試方法為，用示波器觀察555多諧振蕩器輸出電壓的波

16、形并測量器頻率，調(diào)節(jié)RW，使輸出矩行波頻率為50Hz。其實(shí)物連接圖為；圖7 單元III時(shí)鐘發(fā)生器實(shí)物連接圖圖8 時(shí)鐘發(fā)生器波形及周期測試圖5.4、計(jì)數(shù)器的測試（1）計(jì)數(shù)器接成五進(jìn)制形式，R（、R（、S、S接邏輯開關(guān)輸出插口，CP2（01）02）91）92）接單次脈沖源，CP1接高電平“1”，QD、QC、QB、QA接實(shí)驗(yàn)設(shè)備上譯碼顯示輸入端D、C、B、A，安表1測試其邏輯功能并記錄。（2）計(jì)數(shù)器及計(jì)數(shù)器接成8421碼十進(jìn)制形式，同內(nèi)容（1）進(jìn)行邏輯功能測試并記錄。 （3）將計(jì)數(shù)器、級(jí)聯(lián)，進(jìn)行邏輯測試并記錄。（4）計(jì)算，按照進(jìn)制分配，U3接輸入信號(hào)為50Hz，由于U3為五分頻，則它的頻率為50/5

17、=10Hz，及周期為T1=1/10=0.1sU2接U3的輸出信號(hào)，又是十分頻輸出，則U2輸出頻率為10/10=1Hz，其周期為T1=1/1=1s。U1接U2的輸出信號(hào)，又是十分頻輸出，則U1輸出頻率為1/10=0.1Hz，其周期為T1=1/0.1=10s。因此其實(shí)物連接圖與輸出波形為下圖；圖9 測量計(jì)數(shù)器實(shí)物連接圖圖10 測量計(jì)數(shù)器1波形圖圖11 測量計(jì)數(shù)器2波形圖圖12測量計(jì)數(shù)器3波形圖由波形圖可知，示波器顯示的周期大小與實(shí)際周期大小基本一致，因此，計(jì)數(shù)器的測試已基本合格。1.5 在MULTISIM中進(jìn)行仿真 仿真結(jié)果如下：圖1-5 電子秒表總體仿真圖 圖2-1 實(shí)現(xiàn)秒計(jì)時(shí)圖 2-2 實(shí)現(xiàn)計(jì)分、秒功能 3.1 設(shè)計(jì)成果根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理設(shè)計(jì)出的實(shí)驗(yàn)電路，在MULTISIM10實(shí)現(xiàn)了電路的仿真模擬，并得出了正確的仿真結(jié)果，達(dá)到了此次課程設(shè)計(jì)的基本要求，完成了本次課題的設(shè)計(jì)任務(wù)。3.2 心得與體會(huì)經(jīng)過這次的數(shù)字電子秒表課程設(shè)計(jì)后，我從中學(xué)到了好多東西。在我們上了一個(gè)學(xué)期的數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課后，我們已經(jīng)對(duì)數(shù)字電子技術(shù)有一定的了解，加上之前學(xué)過的電路課和模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課，我們可以獨(dú)立完成數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)了，不過當(dāng)中還是遇到許多不懂的問題。通過這次自己動(dòng)手的課