数字秒表的设计与制作

电子技术综合课程设计课程：电子技术综合课程设计题目：数字式秒所属院(系)电气工程专业班级姓名学号：指导老师完成地点2011年07月5日任务书数字式秒表任务和要求：设计并制作一个数字式秒表，要求如下：1、用三位数码管及一个LED发光二极管显示秒表计时，格式如下：开机时数码管显示000，LED灯灭；当计时超过59秒时，LED灯亮；计到1分59秒时，过一秒，LED灯灭，同时数码管重新计时显示。计时最小单位为秒。2、具有如下功能键：开始/清零键：按第一下时计时开始，同时显示；按第二下，停止计时，恢复到初始状态；固定显示键：按第一下时，显示固定，但计时仍继续；再按下时，显示从新时间开始。3、要求自制秒信号源。4、设计并制作本电路所用直流电源。提示和参考文献直流稳压电源见参考资料P23《数字电子技术实验任务书》实验六目录一前言………………………………………………………3二方案论证与对比选择……………………………………4总体框图…………………………………………………………5方案一…………………………………………………………5方案二………………………………………………………6三单元电路与总体电路设计………………………………6+5v电源设计…………………………………………………7秒信号源设计……………………………………………8加法计数器电路设计………………………………………9译码锁存电路设计…………………………………………10显示电路设计………………………………………………11手动复位开关设计…………………………………………12四软件仿真………………………………………………12Proteus软件的介绍…………………………………………12电源仿真………………………………………………………13秒的信号源的仿真………………………………………13总体电路图……………………………………………………14五实验的装调和数据分析………………………………………15电源的装调…………………………………………………15整体电路的装调……………………………………………15数据分析……………………………………………………16六总结与体会………………………………………………16七附录：……………………………………………………17整体电路图…………………………………………………17集成电路芯片管脚图及其功能……………………………18元器件清单…………………………………………………21参考文献……………………………………………………22一前言电子技术综合课程设计是集电路分析、模拟电子技术、数字电子技术以及电路实验、模拟电子技术实验、数字电子技术实验等课程之后的一门理论与实践相结合的综合设计性课程，目的在于提高和增强学生对电子技术知识的综合分析与应用能力。它包括选择课程、电子电路设计、组装、调试和编写总结等实践内容。通过课程设计实现以下三个目标:第一，让学生初步掌握电子线路的试验、设计，即学生根据设计要求和性能参数，查阅文献资料，收集、分析类似电路的性能，并通过组装调试等实践活动，使电路达到性能指标；第二，课程设计为后续的毕业设计打好基础。毕业设计是系统的工程设计实践，而课程设计的着眼点是让学生开始从理论学习的轨道上逐渐引向实际运用，从已学过的定性分析、定量计算的方法，逐步掌握工程设计的步骤和方法，了解科学实验的程序和实施方法。第三，培养学生勤于思考的习惯，同时通过设计并制作电子产类品，增强学生这方面的自信心及兴趣。本课程设计介绍的是数字逻辑电路中以计数器集成电路为基础的数字式秒表，以电路的基本理论为基础，着重介绍电路的设计装调及性能参数的调试方法。本课程设计应达到如下基本要求：（1）综合运用电子技术课程中所学的理论知识独立完成一个数字式秒表的设计。（2）通过查阅手册和参考文献资料，培养分析和解决实际问题的能力。（3）熟悉常用电子元器件的型号和特性，并掌握合理选用的原则。（4）能熟练掌握一种当前流行的EDA软件（电子电路设计分析自动化软件），例如：protues软件。（5）掌握电子电路的安装和调试技能。（6）熟悉各类数字电子仪器的使用方法。（7）学会撰写课程设计论文。（8）培养严肃认真的工作作风和严谨的科学态度，培养团结合作的精神。在数字式秒表电路的课程设计中，不仅得到了指导老师的关心和鼓励，而且得到了许多同学的无私帮助，在此表示衷心的感谢。同时，因设计者水平有限，设计论文中错误在所难免，恳请不吝指教。二方案论证与对比选择这次我们组设计的数字秒表实际上是一个计数及其一些简单的控制电路，对10HZ频率的信号进行计数、锁存、清零及其显示。对10HZ时间信号必须做到准确稳定，通常使用石英晶体振荡器电路构成数字钟。但是在要求不高的情况下也可用555定时器构成的信号源。再对该信号进行分频使之成为有用信号及10Hz信号，再用计数器对其进行计数，用译码显示电路进行显示，即可完成。该系统是否能满足最终要求最重要的是信号源产生的信号是否稳定，所以方案有以下两种：显示数码管译码锁存器计数器信号源分频器5v直流电源图1数字式秒表组成框图方案一74LS16055574LS16074LS160CD4511CD4511CD451174LS76方案二55574LS16074LS16074LS16074LS16074LS37374LS4774LS4774LS37374LS4774LS373方案一与方案二的区别在于方案一的进位输出信号先通过74LS48进行译码，译码输出信号再经过74LS373锁存后送达数码管，而方案二则是将进位信号先通过74LS373锁存器，再进行译码最后送到数码管显示。单从设计角度来看，两者并无多大区别，但由于74LS373锁存器是8输入、8输出的，因此按照方案一的做法，就需要使用三只锁存器，而且有两只都只用了7个输入、输出端，不但线路连接复杂，而且所需芯片较多；第二种方案则不同，进位输出信号先经锁存时，一只74LS160只需要使用74LS373的4个输入、输出端，因此只需两只锁存器就可以完成这一功能，而且连线较方案一简单明了，因而选用方案二。由于实验室没有CD4511，因此我们采用第二方案三单元电路与总体电路设计电源电源是最基本的也是比较重要的一部分电路，它的好坏直接影响整个电路的正常工作与否。它一般设计步骤如下：用变压器得到可用的交流电。经过整流二极管对其进行整流。再用电容对其滤波。4.最后用7805稳压系统对其进行稳压信号源其接法和电路图如图所示：555定时器是一种多用途的数字-模拟混合集成电路，用它能方便的构成施密特触发器、单稳态触器和多谐振荡器。由于使用灵活方便，所以它在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域得到广泛的应用。由555定时器构成的多谐振荡器电路如图所示。图中的电阻与电容为定时器件，决定工作频率。刚接通电源时，电容上的电压为零，由555定时器的结构得知，这是内部触发器Q=0，Vo=1；电源通过电阻给电容充电，Vc不断上升，电路处于暂稳态。当它继续上升时，Vo变成低电平，电容放电，电路处于另一个暂稳态。在不同的环境及不同的技术指标下所选用的电路原理一般是不同的。在此次课设及其技术指标的要求下，由于石英振荡器产生的信号必须经过大量芯片进行分频，电路相当复杂，而且石英器件价格贵。所以综合考虑应选用555定时器构成的多谐振荡器图555定时器内部结构Vi1（TH）：高电平触发端，简称高触发端，又称阈值端，标志为TH。Vi2（）：低电平触发端，简称低触发端，标志为。VCO：控制电压端。VO：输出端。Dis：放电端。：复位端。555定时器内含一个由三个阻值相同的电阻R组成的分压网络，产生VCC和VCC两个基准电压；两个电压比较器C1、C2；一个由与非门G1、G2组成的基本RS触发器（低电平触发）；放电三极管T和输出反相缓冲器G3。是复位端，低电平有效。复位后,基本RS触发器的端为1（高电平），经反相缓冲器后，输出为0（低电平）。为了使其输出较稳定的脉冲可以在7-2之间接一个二极管。图555定时器逻辑符号和引脚因我们需要秒的信号源，占空比为1/2。由充电时间T1=R1CLn2而放电时间T2=R2CLn2输出脉冲的占空比为Q=R1/（R1+R2）当Q=1/2时，R1=R2电路的振荡周期为：T=T1+T2=（R1+R2）CLn2=1/2电容C=1uF代入数值得:R1=R2=。加法计数器电路设计：计数器是数字系统中使用最多的时序电路。它是由触发器和控制门组成。它不仅可以用来计数，还可以用于数字系统的定时、分频执行数字运算等。计数器的种类繁多，分类方法也有多种。按计数器中的触发器翻转次序可分为异步和同步计数器；按计数器的编码方法分为二进制、十进制和其它进制计数器；按计数过程中的数字增减分为加法与减法计数器。十进制电路图六进制计数器译码锁存电路设计在数字系统中常常需要将测量或处理的结果直接显示成十进制数.为此，首先将BCD码表示的结果送到译码器进行译码，用它的输出去驱动显示器件，由于显示器的工作方式不同，对译码器的要求也就不同，译码器的电路也不同。显示电路设计：就是三个七段共阳数码管。手动复位开关通过接入脉冲式开关及其上拉电阻来产生脉冲，再将JK触发器接成T触发器，这样保证了有单脉冲，之后电路状态必翻。如图所示，J和K都必须接高电平保证触发器成为一个T触发器使之成为必翻电路。当脉冲开关没按下时时钟信号是一个低电平;当脉冲开关按下时时钟信号由低电平变成高电平，导致Q也有相应的变化。这样就可以手动控制电路状态。电路图如下图所示：四软件仿真Proteus软件的介绍软件是英国Labcenterelectronics公司出版的工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上着名的EDA工具()，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。5V电源仿真秒信号源的仿真总体电路图仿真计数电路部分要求计数器从000状态开始计数直到计数到599后，计数器清零。因此要用三片74LS160构成一个600进制的计数器。我们先用两片74LS160构成100进制的计数器，这部分分别作为十分位和百分位。把充当百分位的计数器的进位位接到十分位的EP和ET位，这样当最低位开始正常从0开始计数到9时，进位端会产生进位信号，这个进位信号的下跳沿使十分位的EP和ET位有效，则十分位也开始正常工作。对于最高位的个位，用异步清零法构成一个六进制计数器。当计数器正常工作时，计数器从0开始计数，当计数到6时，对应的Q3Q2Q1Q0为0110状态，由与非门反馈给MR置零端，使MR有效，使0110状态迅速变为0000状态。因此计数器从0到5构成一个六进制的计数器。整体的三片74LS160就构成了一个600进制的计数器。对于74LS373的LE管脚来说，当LE=1时，译码器锁存；当LE=0时，译码器正常译码。用74LS76构成T撇触发器控制计数器从而实现锁存/译码的功能。将74LS76的时钟信号端通过开关接地。当开关按动后，会迅速产生一个上升沿，使得触发器工作，在输出端产生一个高电平，从而使CD4511的LE管脚为高电平，74LS373锁存。当开关再次按动后，使得触发器产生一个低电平，从而使74LS373的LE管脚为低电平，CD4511正常译码。将两个74LS373的LE管脚同时接在一起，通过开关来控制其锁存功能。用74LS76构成T撇触发器控制计数器从而实现开始计数/清零的功能。将74LS76的时钟信号端通过开关接地。将触发器的Q端分别接给三个计数器中最高位的置数端和低两位的置零端。对于计数器来说，置数端和置零端都为低电平有效，在计数器正常工作时都应为1。若想使计数器置零，在此只许使高位计数器通过使置数端有效而置入0，后两片计数器通过使置零端有效直接使计数器清零。当开关按动后，会迅速产生一个上升沿，使得触发器工作，在输出端产生一个高电平，从而使三个计数器正常计数。当开关再次按动后，使得触发器产生一个低电平，从而使三个计数器均清零。五实验的装调和数据分析电源的装调在进行电源仿真时，我们用的电容是两个3300uF和两个47nF，但在领器件时由于实验室没有这两种电容，因此我们实际只领到了六个1000nF的电容，尽管我们对电路进行了适当调整，但在接线完成后，接通电源，实际所测得的电压为，比要求中的5V稍大，进而产生了不可避免的误差。整体电路图的装调在经过单元电路的测试后，我们把各自的单元电路连接到一起进行调试，在此过程中出现了不少问题。起初虽然数码管显示正常，但却与实际秒表相差太大，因此我们不得不寻找原因，在经过反复的测试后最终我们才发现实际电路中信号源的周期过大，因此我们对电位器进行了调节，当调到70K到75K之间的时候，数码管的显示才与秒表的误差不到1秒；在面对接通电源数码管显示不是三个0的问题上，通过大家的仔细考虑，最终决定在JK触发器上加上RC振荡回路，同时我们对布线情况也进行了调整，在大家的不断努力下，我们最终还是取得了成功。数据分析数据调试过程终，我们所面对的问题是电路运行时间与实际时间误差较大，而我们的误差允许范围是不超过6秒，最后我们通过调节电位器，使最终误差不到1秒；此外，我们信号源的实际周期小于秒，这是由于器件间的连线的不合理及元器件在实际电路中的性能所导致的误差。六总结与体会在这次课程设计过程中，由于我们是第一次进行实践，没有太多的经验，加之理论知识掌握不牢固，因此在设计过程中出现了许多问题，例如：在对选择74LS160的进位及连接方式、CD4511的工作原理及管脚图等问题上混淆不清；其次，在确定设计方案时，我们不知道如何选择触发器，大家对这方面的知识比较缺乏，幸好得到了老师的指点才使问题得以解决；再次，在控制电路的设计中我们也遇到了一些问题，比如：如何才能实现任务书上的功能，怎样用7476来实现控制电路，这些问题在通过我们向其他同学请教及查阅相关资料才顺利逐步解决。以上问题充分暴露出了我对这方面知识的欠缺和实践经验上的不足，对于我来说，此次课程设计的最大收获是培养了我分析问题和解决问题的能力。在整个课程设计的过程中，我发现我们的实践能力十分缺乏，空有理论知识，在实际应用过程中很难做到理论与实践相结合，。总体来说，我觉得课程设计对我们有很大的帮助，它需要我们将学过的相关知识系统的联系起来，同时也从中暴露出了自身的不足，使我们认识到了自己学习过程中的不足与知识的欠缺。通过这次对数字秒表的设计，让我了解了关于数字秒表的工作原理与设计步骤，同时我也简单了解了电路设计的基本步骤，尽管设计一个电路必须先进行软件仿真再进行实际电路制作，但是这也不能保证最后的成品和仿真时完全一样，因为在实际接线中有着各种各样的制约条件及随时可能出现的差错，同时在仿真中无法成功的电路在实际中也可能因为芯片本身的特性而成功，所以在设计时应充分考虑两者的差异，从而找出最适合的设计电路。通过这次的学习，让我对相关电路有了大概的了解，明白了任何电路只有自己亲身实践才会有深刻的了解和认识。本次课程设计，加强了我对课本上相关的理解，培养了理论联系实践的能力，进一步加强了自己的动手能力；此外，在设计的过程中还培养了我们的团队协作精神，在大家的共同努力下我们解决了许多个人无法解决的问题，在今后的学习过程中我们会更加努力和团结，互相学习，争取有更大的进步。七附录整体电路图集成电路芯片管脚图及其功能7805其中1脚是输入，2脚是接地，3脚是输出。74LS4774LS37374LS00123456789101112131474LS001A1B2A2B2YGND3Y3A3B4A4BVCC1Y4Y74LS00是四二输入与非门。555定时器图1555定时器内部结构74LS160123456789101112131474LS160RDCPD1GNDEPVCCD01516D2D3LDETQ3Q2Q1Q0CORDLDETEPCPD3D2D1D0Q3Q2Q1Q00××××××××000010××↑DCBADCBA110××××××保持11×0×××××保持1111↑××××计数74LS160功能表七段数码管元器件清单元器件清单器件名称所需数量备注74LS160474LS47374LS373274LS00174LS081555定时器178051数码显示管3八段共阳数码管3个变压器1所需为220V到9V电阻475K2个，1K2个电容5其中101个，472个，11个，个（电解电容）二极管2导通二极管1个，发光二极管1个开关2应为脉冲开关整流桥1代替IN4007导线若干电源线1参考文献1.李中发主编数字电子计时第一版中国水利水电出版社2002.章忠全主编电子技术基础实验与课程设计第一版北京：中国电力出版社19973.华中理工大学电子教研室编康华光主编;电子技术基础（数字部分）北京：高等教育出版社，20004.清华大学电子学教研室编，余孟尝主编，数字电子技术基础简明教程第二版5.西安交通大学电子学教研室编何金茂主编电子技术基础实验。第二版6.长安大学信息工程学院电工及电子技术试验中心编。电子及电子技术试验2003，第一版