數(shù)字電子秒表設計

1、攀枝花學院綜合設計（論文）數(shù)字式電子秒表學生姓名： 陳勇 學生學號： 201210502008 院（系）： 電氣信息工程學院 年級專業(yè)： 2012級電氣工程與自動化 指導教師： 游霞 講師 二一四年五月攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 摘 要 該設計的進行使我們的動手能力、實際操作能力、綜合應用能力得到更好的提升。這次設計是基于計算機電路的時鐘脈沖信號、狀態(tài)控制等原理設計出的數(shù)字秒表。秒表在很多領(lǐng)域充當一個重要的角色。在各種比賽中對秒表的精確度要求很高，尤其是一些科學實驗。他們對時間精確度達到了幾納秒級別?，F(xiàn)實生活中電子秒表是一種很常見的裝置，應用范圍也是相當?shù)膹V泛。比如，城市的交通信號燈。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特的好處顯示直觀，內(nèi)容一目了然。本次課程設計從總體設計框圖開始，將設計任務逐步分解，直到可以用標準的集成電路部件實現(xiàn)，然后將各部件聯(lián)結(jié)成系統(tǒng)，通過Multism進行設計的分析綜合和時序仿真驗證。本文在原理簡要處，還加入了程序設計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現(xiàn)的功能。先后設計出了計秒、計分和計時電路，并完成了初步的調(diào)試與仿真。最后，在分析時序仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上，對設計電路進行進一步的修改和完善，已達到對設計電路正確運行且學會運用Multism電路設計與仿真的目的。操作步驟：（1）啟動仿真電路，可觀察到數(shù)字時鐘的秒位開始計時

3、，計數(shù)到60后復位為0，并進位到分計時電路。（2）觀察到數(shù)字時鐘的分位開始計時，計數(shù)到60后復位為0，并進位到時計時電路（3）開關(guān)J1可控制時計時電路的方式選擇。（4）控制鍵可控制秒脈沖直接引入時、分計數(shù)器。（5）出現(xiàn)整點，即時計數(shù)器發(fā)生變化。由以上的操作步驟可以完成課程設計的要求。關(guān)鍵詞 時鐘脈沖信號，狀態(tài)控制，計數(shù)器，555定時器，多諧振蕩器目 錄目錄摘 要2ABSTRACT31、實驗目的52、實驗設備53、實驗要求54、實驗原理64.1、基本RS觸發(fā)器64.2、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74.3、時鐘發(fā)生器74.4、時鐘發(fā)生器74.5、集成異步計數(shù)器74LS9075、實驗內(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、時鐘發(fā)生器的測試115.4、計數(shù)器的測試125.5、電子秒表的整體測試155.6、電子秒表準確度的測試166、實驗總結(jié)16參 考 文 獻1828攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 0.1s-9.9s電子秒表1、實驗目的1、學習數(shù)字電路中的基本RS觸發(fā)器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、時鐘發(fā)生器及計數(shù)、譯碼顯示器等單元電路的綜合運用。2、熟悉555定時器的使用以及相關(guān)電路設計，鞏固RS觸發(fā)器的功能及特性，熟悉RS觸發(fā)器的使用和設計。3、學習電子秒表的調(diào)試方法。4、學習Multisim的使用方法與調(diào)試方法。5、建立分頻的基本概念。2、實驗設備（1）+5V直流電源（2）

5、雙蹤示波器（3）數(shù)字頻率計（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、實驗要求1、利用555定時器制作一個頻率為50Hz的時鐘發(fā)生裝置。2、利用五、十、十進制計數(shù)器直說時鐘分頻電路，輸出0.1秒到9.9秒的計數(shù)脈沖。 3、通過分頻電路，輸出周期為0.1s的計數(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)，實現(xiàn)開始計數(shù)，停止并保持計數(shù)和清零重新開始計數(shù)的功能。電子秒表的原理電子秒表要求能夠?qū)r間進行

6、精確記時并顯示出來,因此要有時鐘發(fā)生器,記數(shù)及譯碼顯示.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5分頻使用，將555輸來的50Hz的脈沖變?yōu)?.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塊計數(shù)器QA與CP2相連，都已接成8421碼十進制計數(shù)電路 ，第4塊接成六進制形式，其輸出端與譯碼顯示器的相應輸入端連接，可顯示0.1-0.9s,1-9s,10-60s。 多諧振蕩器數(shù)碼顯示器計數(shù)器譯碼器圖1-1 電子秒表的原理圖1.1 時鐘信號發(fā)生單元ne555是一種應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)品中都有應用。ne5

7、55的作用是用內(nèi)部的定時器來構(gòu)成時基電路，給其他的電路提供時序脈沖。ne555時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個晶體三極管.17個電阻.兩個二極管.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)成了一個電阻分壓器.為上.下比較器提供基準電壓.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制計數(shù)

8、器。它由1個一位二進制和1個異步五進制計數(shù)器組成。如果計數(shù)脈沖由CP1端輸入，輸出由QA端引出，即得二進制計數(shù)器；如果計數(shù)脈沖CP2端輸入，輸出由QAQD端引出即得五進制計數(shù)器；如果將QA與CP2相連，計數(shù)脈沖由CP1輸入，輸出由QAQD引出，即得8421碼十進制計數(shù)器。因此，又稱此電路為二五十進制計數(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體發(fā)光二極管的顯示方式，用來顯示文字、圖形、圖像、動畫、行情、視頻、錄像信號等各種信息的顯示屏幕。1.4 控制單元1.4.1啟動/暫停記時開關(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。按動按鈕開關(guān)J1（接地），則門1輸出 =1；門2輸出Q=0，J1復位后Q、 狀態(tài)保持不變。再按動按鈕開關(guān)J2，則Q由0變?yōu)?，門5開啟，為計數(shù)器啟動作好準備。 由1變?yōu)?，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

10、動和停止秒表的工作。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。按動按鈕開關(guān)K2（接地），則門1輸出=1，門2輸出Q=0，K2復位后Q、狀態(tài)保持不變。再按動開關(guān)K1，則Q由0變到1，門5開啟，為計數(shù)器啟動做好準備；由1變?yōu)?，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。4.2

11、、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，檢驗單穩(wěn)態(tài)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)端端提供，輸出負脈沖V0通過非門加到計數(shù)器的清楚端R0。靜態(tài)時，門4應處于截止狀態(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。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數(shù)器提供清零信號。4.3、時鐘發(fā)生器圖1中單元III為555定時器構(gòu)成的多謝振蕩器，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，當基本RS觸發(fā)器Q=1時

12、，門5開啟，此時50Hz脈沖信號通過門5作為計數(shù)器脈沖駕馭計時器的計數(shù)輸入端CP2。4.4、時鐘發(fā)生器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IV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8421BCD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輸入端連接，可顯示0.19.9s計時。4.5、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2為74LS90引腳排列

13、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輸出二進制1 QD QC QB輸出五進制 QA QDQCQBQA輸出8421BCD碼十進制通過不同的連接方式，74LS90可以實現(xiàn)不同的邏輯功能；而且還可以借助R（、R（01）02）對計數(shù)器清零，借助S、S將計數(shù)器置9。其具體功能詳述如下： （91）92）（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，

14、為異步五進制加法計數(shù)器。（3） 若將CP2和QA相連，計數(shù)器脈沖由CP1輸入，QD、QC、QB、QA作為輸出端，則構(gòu)成異步8421碼十進制加法計數(shù)器。（4） 若將CP1和QD相連，計數(shù)器脈沖由CP2輸入，QA、QD、QC、QB作為輸出端，則構(gòu)成異步5421碼十進制加法計數(shù)器。（5） 清零、置9功能。1） 異步清零 （當R（、R（均為“1”；S、S中有“0”，實現(xiàn)異步清零功能，即01）02）91）92）QDQCQBQA=0000。（2）當S、S均為“1”；R（、R（中有“0”，實現(xiàn)異步置9功能，即91）92）01）02）QDQCQBQA=1001。5、實驗內(nèi)容和步驟5.1、基本RS觸發(fā)器的測試測

15、試方法為將Q端接入舉矩形示波器，運行程序后，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，實驗圖為圖3、圖4如下；圖3 單元I連接實物圖圖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各點電位置并記錄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（VF）波形，如嫌單穩(wěn)輸出脈沖持續(xù)時間太短，難以觀察，可適當增大微風電容C，待測完之后，再恢復4700pF。實驗圖為下圖；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形并測量器頻

16、率，調(diào)節(jié)RW，使輸出矩行波頻率為50Hz。其實物連接圖為；圖7 單元III時鐘發(fā)生器實物連接圖圖8 時鐘發(fā)生器波形及周期測試圖5.4、計數(shù)器的測試（1）計數(shù)器接成五進制形式，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接實驗設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）進行邏輯功能測試并記錄。 （3）將計數(shù)器、級聯(lián)，進行邏輯測試并記錄。（4）計算，按照進制分配，U3接輸入信號為50Hz，由于U3為五分頻，則它的頻率為50/5=10Hz，

17、及周期為T1=1/10=0.1sU2接U3的輸出信號，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，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。因此其實物連接圖與輸出波形為下圖；圖9 測量計數(shù)器實物連接圖圖10 測量計數(shù)器1波形圖圖11 測量計數(shù)器2波形圖圖12測量計數(shù)器3波形圖由波形圖可知，示波器顯示的周期大小與實際周期大小基本一致，因此，計數(shù)器的測試已基本合格。1.5 在MULTISIM中進行仿真 仿真結(jié)果如下：圖1-5 電子秒表總體仿真圖 圖2-1 實現(xiàn)秒計時圖 2-2 實現(xiàn)計分、秒功能 3.1 設計成果根據(jù)實驗原理設計出的實驗電路，在MULTISIM10實現(xiàn)了電路的仿真模擬，并得出了正確的仿真結(jié)果，達到了此次課程設計的基本要求，完成了本次課題的設計任務。3.2 心得與體會經(jīng)過這次的數(shù)字電子秒表課程設計后，我從中學到了好多東西。在我們上了一個學期的數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課后，我們已經(jīng)對數(shù)字電子技術(shù)有一定的了解，加上之前學過的電路課和模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課，我們可以獨立完成數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設計了，不過當中還是遇到許多不懂的問題。通過這次自己動手的課