百分之一秒計時器課程設(shè)計報告

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　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。人們對它的認識也逐步加深。在秒表的設(shè)計上功能不斷完善，在時間的設(shè)計上不斷的精確。</p><p>　　電子秒表廣泛應(yīng)用于對運動物體的速度、加速度的測量實驗，還可用來驗證牛頓第二定律、機械能守恒等物理實驗，同時也適用于對時間測量精度要求較高的場合，如

2、測定短時間間隔的儀表。秒表有機械秒表和電子秒表兩類。機械秒表與機械手表相仿，但具有制動裝置，可精確至百分之一秒。</p><p>　　本次的設(shè)計任務(wù)是一個數(shù)字秒表，而秒表與普通的鐘表不同，它的目的是對從某一時刻到另一時刻的時間間隔進行計時?？刂撇糠挚捎苫綬S觸發(fā)器和相應(yīng)的開關(guān)組成。計數(shù)、譯碼、顯示部分中，將使用同步四位二進制加法計數(shù)器74LS161 來計數(shù)。74LS48是BCD-7段譯碼器/驅(qū)動器，專用于驅(qū)動L

3、ED七段共陰極顯示數(shù)碼管。最后通過仿真調(diào)試，在proteus環(huán)境下建立了仿真模型，仿真結(jié)果表明本設(shè)計是正確的。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：基準脈沖 秒表 計數(shù)器 </p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　摘要 …………………………………………………………………………………I </p><p>

4、;　　1 課題內(nèi)容要求及目的………………………………………………………1</p><p>　　1.1課題內(nèi)容………………………………………………………………………1</p><p>　　1.2課題目的及意義……………………………………………………1</p><p>　　1.3 設(shè)計思路………………………………………………………………………1</p>&

5、lt;p>　　1.4 總體設(shè)計方案 ………………………………………………………………2</p><p>　　2單元電路的設(shè)計與分析設(shè)計……………………………………………2</p><p>　　2.1 基準脈沖電路設(shè)計……………………………………………………2 </p><p>　　2.2控制電路設(shè)計…………………………………………………………………4<

6、;/p><p>　　2.3顯示單元電路設(shè)計…………………………………………………………8</p><p>　　3主體電路設(shè)計…………………………………………………………………11</p><p>　　4系統(tǒng)調(diào)試與仿真…………………………………………………………11</p><p>　　4.1 proteus簡介………………………………………………

7、………………11</p><p>　　4.2仿真調(diào)試………………………………………………………………………11</p><p>　　5總結(jié)………………………………………………………………………………14</p><p>　　參考文獻…………………………………………………………………………15</p><p>　　元器件單 …………………………

8、……………………………………………… 16 </p><p>　　致謝…………………………………………………………………………………17</p><p>　　1 課題內(nèi)容要求及目的</p><p><b>　　1.1課題內(nèi)容</b></p><p>　　(1) 秒表的最大計時值為99分59.99秒；</p>

9、<p>　　(2) 6位數(shù)碼管顯示，分辨率為0.01秒；</p><p>　　(3) 具有清零、啟動計時、暫停及繼續(xù)計數(shù)等控制功能；</p><p>　　(4) 控制操作鍵不超過三個數(shù)字式秒表的設(shè)計意義；</p><p>　　(5) 用proteus仿真。</p><p>　　1.2課題目的及意義</p><p

10、>　　秒表的數(shù)字化常給人們的生活帶來極大的方便，它廣泛應(yīng)用于社會的各個領(lǐng)域。通過對數(shù)字式秒表的設(shè)計，我們可以清楚的了解到它的工作原理，進而也了解了數(shù)字鐘表的工作原理。在秒表的設(shè)計中，我們對《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》中所學到的知識有了更深刻的認識。比如：555多諧振蕩器的應(yīng)用、計數(shù)器、譯碼及顯示器的應(yīng)用。</p><p>　　通過課程設(shè)計，使學生加鞏固和加深對電子電路基本知識的理解，學會查尋資料、方案設(shè)計、方案比較

11、，以及單元電路設(shè)計計算等環(huán)節(jié)，進一步提高學生綜合運用所學知識的能力，提高分析解決實際問題的能力。鍛煉分析、解決電子電路問題的實際本領(lǐng)，通過此綜合訓練,為以后畢業(yè)設(shè)計打下一定的基礎(chǔ)。</p><p><b>　　1.3設(shè)計思路</b></p><p>　　首先，秒表的分辨率為0.01秒，故要獲得頻率為100 Hz的基準毫秒脈沖；其次，分、毫秒計數(shù)器為100進制計數(shù)器，秒

12、計數(shù)器為60進制計數(shù)器；最后，用一個控制鍵實現(xiàn)秒表的啟動/暫停/繼續(xù)計數(shù)功能，用另一個控制健實現(xiàn)秒表的清零功能。分別實現(xiàn)以上模塊功能，即可設(shè)計出符合要求的數(shù)字秒表。</p><p>　　題目要求最大記數(shù)值為99分59.99秒，那則需要六個數(shù)碼管。要求計數(shù)分辨率為0.01秒，那么我們需要相應(yīng)頻率的信號發(fā)生器?？刹捎眉呻娐?55定時器與電阻和電容組成的多諧振蕩器。秒表核心部分使用六個74161計數(shù)器采用串聯(lián)方式構(gòu)成

13、，這種連接方式簡單，使用元器件數(shù)量少。</p><p>　　1.4總體設(shè)計方案框圖</p><p>　　通過以上的分析，查閱相關(guān)資料后，得數(shù)字式秒表的原理方框圖如圖1.1所示。</p><p>　　圖1.1 數(shù)字秒表的原理方框圖</p><p>　　本電路由啟動、清零復位電路、多諧振蕩電路、分頻計數(shù)電路、譯碼顯示電路等組成，整體上是按照基準

14、脈沖產(chǎn)生部分，控制部分和計數(shù)、譯碼、顯示部分這三大部分來設(shè)計的。</p><p>　　2單元電路的設(shè)計與分析設(shè)計</p><p>　　2.1 基準脈沖電路設(shè)計</p><p>　?。?）555 定時器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器件，它的電源電壓范圍寬，可在 4.5V~16V 工作，輸出驅(qū)動電流大約為 200mA，因而它的輸出可與 TTL、CMOS 或者模

15、擬電路電平兼容。 </p><p>　　555 定時器成本低，性能可靠，只需要外接幾個電阻、電容，就可以實現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。它也常作為定時器廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、電子測量及自動控制等方面。555 定時器的內(nèi)部電路框圖和外引腳排列R如圖2.1 所示。它內(nèi)部包括兩個電壓比較器，三個等值串聯(lián)電阻，一個 RS 觸發(fā)器，一個放電管 T 及功率輸出級。它提供兩個基準電壓VC

16、C /3 和 2VCC /3。</p><p>　　圖2.1 555定時器電路結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　由圖2.1知，555 定時器的功能主要由兩個比較器決定。兩個比較器的輸出電壓控制 RS 觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當 5 腳懸空時，則電壓比較器 C1 的同相輸入端的電壓為 2VCC /3，C2 的反相輸入端的電壓為VCC /3。若觸發(fā)輸入端 TR 的電壓小于VCC

17、 /3，則比較器 C2 的輸出為 0，可使 RS 觸發(fā)器置 1，使輸出端 OUT=1。如果閾值輸入端 TH 的電壓大于 2VCC/3，同時 TR 端的電壓大于VCC /3，則C1的輸出為0，C2 的輸出為1，可將 RS 觸發(fā)器置0使輸出為0電平。</p><p>　?、朴?55定時器構(gòu)成的多諧振蕩器如圖2.2（a）所示，圖2.2(b)為其工作波形。</p><p>　?。╝）

18、 （b）</p><p>　　圖2.2 555構(gòu)成的多諧振蕩器</p><p>　　其工作原理如下：接通電源后，VCC經(jīng)R1、 R2給電容C充電。由于電容上電壓不能突變，電源剛接通時υC<VCC／3，所以555內(nèi)部比較器A1輸出高電平，A2輸出低電平，即RD=1，SD=0，基本RS觸發(fā)器置1，輸出端Q為高電平。此時Q=O，使內(nèi)部放電管截止

19、。</p><p>　　當υC上升到大于Vcc／3時，RD=1，SD=1，基本RS觸發(fā)器狀態(tài)不變，即輸出端Q仍為高電平，當VC上升到略大于2VCC／3時，RD =0，SD=1，基本RS觸發(fā)器置0，輸出端Q為低電平。這時Q=1，使內(nèi)部放電管飽合導通。于是電容C經(jīng)R2和內(nèi)部放電管放電，υc按指數(shù)規(guī)律減小。</p><p>　　當υC下降略小于Vcc／3時，內(nèi)部比較器A1輸出高電平，A2輸出低電

20、平，基本RS觸發(fā)器置1，輸出高電平。這時，Q=0，內(nèi)部放電管截止。于是C結(jié)束放電并重新開始充電。如此循環(huán)不止，輸出端就得到一系列矩形脈沖，如圖2.2（b）所示。</p><p>　　由圖2.2（b）可見，υC將在Vcc／3和2VCC／3之間變化，因而可求得電容C上的充電時間和放電時間</p><p>　　充電時間 </p><p&g

21、t;<b>　　放電時間 </b></p><p>　　矩形的振蕩周期………………①</p><p>　　因此改變、和電容C的值，便可改變矩形波的周期和頻率。</p><p>　　當矩形波的頻率f=100 Hz時，振蕩周期T=0.01s。當取C=0.1µF,R1=40千歐，若使T=0.01s，那么，R2≈51千歐。</p>

22、<p>　　取一固定電阻47千歐與一5千歐的電位器相串聯(lián)代替電阻R2。在調(diào)試電路時，調(diào)節(jié)電位器RP，使輸出脈沖周期為0.01s，即可獲得所需的基準脈沖。</p><p><b>　　2.2控制電路設(shè)計</b></p><p>　　1.啟動和暫停及清零控制開關(guān)</p><p>　　啟動和暫?？刂崎_關(guān)是由基本RS觸發(fā)器構(gòu)成的?；綬S

23、觸發(fā)器是由兩個與非門交叉耦合而成的，是TTL觸發(fā)器的最基本組成部分，其邏輯圖如圖2.3所示，它能夠存儲1位二進制信息，但存在 R+S =1的約束條件，如圖2.3所示。</p><p><b>　　圖2.3</b></p><p>　　基本RS觸發(fā)器的用途之一是作無抖動開關(guān)。例如觸發(fā)器是具有記憶功能的二進制信息存儲器件，是時序邏輯電路的基本器件之一。在圖2.2（a）所示

24、的電路中通過希望在開關(guān)S閉合時，A點電壓的變化是從+5V到0V的清楚躍遷，但是由于機械開關(guān)的接觸抖動，往往在幾十毫秒內(nèi)電壓會出現(xiàn)多次抖動，相當于連續(xù)出現(xiàn)了幾個脈沖信號。顯然，用這樣的開關(guān)產(chǎn)生的信號直接作為電路的驅(qū)動信號可能導致電路產(chǎn)生錯誤動作，這在有些情況下是不允許的。為了消除開關(guān)的接觸抖動，可在機械開關(guān)與驅(qū)動電路間接入一個基本RS觸發(fā)器，把帶RS觸發(fā)器的無抖動的開關(guān)稱為邏輯開關(guān)。</p><p>　　在秒表的設(shè)

25、計電路圖中，啟動和暫?？刂崎_關(guān)電路如下圖2.4所示。</p><p><b>　　圖2.4 控制電路</b></p><p>　　由圖2.4知，當未按下按鈕時，基本RS觸發(fā)器的兩輸入端都是1，觸發(fā)器輸出保持原狀態(tài)不變。當按下按鈕時，Q輸出1，基準脈沖可以輸入到計數(shù)單元，秒表起動計時；當按下按鈕，Q輸出0，基準脈沖無法輸入到計數(shù)單元，秒表暫停計時。若要繼續(xù)計時，按下另一

26、按鈕即可。清零功能的實現(xiàn)相對而言比較簡單。把計數(shù)單元的所有74LS161的清零控制端Rd連接在一起，通過一個開關(guān)接地，需要清零時，閉合開關(guān)就行。</p><p>　　2.3顯示單元電路設(shè)計</p><p>　　2.3.1計數(shù)器的設(shè)計</p><p>　　基準脈沖經(jīng)過6級計數(shù)器，分別得到“秒”十分位、百分位，“秒”個位、十位，“分” 個位、十位的計時。由數(shù)字秒表的設(shè)計

27、要求知，“毫秒”“分”計數(shù)器為100進制，“秒”計數(shù)器為60進制。秒表中的計數(shù)器是由74LS161構(gòu)成的。74LS161是集成同步二進制計數(shù)器，該計數(shù)器具有同步預置、異步清零、計數(shù)和保持四種功能，且有進位信號輸出端，可串接計數(shù)使用。它的引腳圖和邏輯功能表分別見圖2.5和表2.1。</p><p>　　圖2.5 74LS161引腳圖</p><p>　　表2.1 74LS161邏輯功能表&

28、lt;/p><p>　　反饋清零法是利用反饋電路產(chǎn)生一個給計數(shù)器的復位信號，使計數(shù)器各輸出端為零。反饋電路是組合邏輯電路，計數(shù)器輸出部分或全部作為其輸入，在計數(shù)器一定的輸出狀態(tài)下即時產(chǎn)生復位信號，使計數(shù)電路同步或異步地復位。反饋清零法構(gòu)成的十進制計數(shù)器如圖2.6所示。</p><p>　　圖2.6 反饋清零法構(gòu)成的十進制計數(shù)器</p><p>　　反饋置數(shù)法是將反饋邏輯

29、電路產(chǎn)生的信號送到計數(shù)電路的置位端，在滿足條件時，計數(shù)電路輸出狀態(tài)為給定的二進制碼，否則置數(shù)端無效，電路處于計數(shù)狀態(tài)。反饋置數(shù)法構(gòu)成的十進制計數(shù)器如圖2.7所示。</p><p>　　圖2.7反饋置數(shù)法構(gòu)成的十進制計數(shù)器</p><p>　　由74161構(gòu)成的100進制計數(shù)器如圖2.8所示。</p><p>　　圖2.8 100進制計數(shù)器</p>&l

30、t;p>　　由圖2.8 知，100進制計數(shù)器中，由74161構(gòu)成的個位和十位計數(shù)器均是10進制的，即上述100進制計數(shù)器是由兩個10進制計數(shù)器級聯(lián)而成的。</p><p><b>　　60進制計數(shù)器</b></p><p>　　由74161構(gòu)成的60進制計數(shù)器如圖2.9所示。</p><p>　　圖2.9 60進制計數(shù)器</p&g

31、t;<p>　　由圖2.9知，上述60進制計數(shù)器也是用乘數(shù)法構(gòu)成的，它是由一個十進制計數(shù)器和一個六進制計數(shù)器級聯(lián)而成。</p><p>　　2.3.2顯示單元電路</p><p>　　本設(shè)計中選用的74LS48是BCD碼七段譯碼器兼驅(qū)動器，輸出端（Ya－Yg）為高電平有效，可驅(qū)動共陰極LED顯示器，其外引線排列圖和功能表分別如圖2.10和表2.2所示。</p>

32、<p>　　圖2.10 74LS48 外引線排列圖 </p><p>　　表2.2 74LS48功能表</p><p>　　顯示器采用七段發(fā)光二極管顯示器，它可直接顯示出譯碼器輸出的十進制數(shù)。七段發(fā)光顯示器有共陽和共陰兩種接法。與74LS48譯碼器配套的顯示器為共陰型。七段顯示器的外引線排列圖和7段數(shù)碼管結(jié)構(gòu)分別如圖2.11、圖2.12所示。</p>

33、<p>　　圖2.11七段顯示器的外引線排列圖 圖2.12 7段數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　顯示部分如圖2.13所示。</p><p>　　圖2.13 顯示部分電路圖</p><p><b>　　3主體電路設(shè)計</b></p><p>　　總體實際圖如圖3.1</p><p

34、><b>　　4系統(tǒng)調(diào)試與仿真</b></p><p><b>　　4.1仿真軟件簡介</b></p><p>　　(1)Proteus是英國Labcenter electronics公司出版的仿真軟件。它不僅具有其它仿真軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件，它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。受到單片機愛好者、從事單片機教學的教

35、師、致力于單片機開發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。</p><p>　　(2)在Proteus繪制好原理圖后，可以在Proteus的原理圖中看到模擬的實物運行狀態(tài)和過程?？稍谙喈敵潭壬系玫綄嵨镅菔緦嶒灥男Ч脑骷N類豐富，可實現(xiàn)多種設(shè)計。

36、 </p><p><b>　　4.2仿真調(diào)試</b></p><p>　　（1）準備就緒后，點擊開始仿真圖標可出現(xiàn)如下狀態(tài)如圖4.1。</p><p>　　

37、圖 4.1 開始之前狀態(tài)圖</p><p>　　（2） 當按下“開始”秒表開始計時，秒表開始計時，其狀態(tài)如圖4.2所示。</p><p>　　圖4.2 開始計時圖</p><p>　　由圖4.2可以看到，開始計時后，數(shù)碼管數(shù)字在變化，圖中為十分之一秒位和百分之一秒的數(shù)碼管顯示情況。</p><p>　　（3） 當按下“暫?！睍r秒表停止計時，

38、數(shù)碼管顯示的數(shù)字不再變化，如圖4.3所示。</p><p>　　圖4.3 暫停狀態(tài)圖</p><p>　　由圖4.3可以看到按下“暫停”按鈕后各個數(shù)碼管的數(shù)字不再變化。</p><p>　?。?） 當按下“清零”時秒表無論是在計時還是在停止狀態(tài)都一律清零各數(shù)碼管全為零，回到初始狀態(tài)。</p><p><b>　　5總結(jié)</b&

39、gt;</p><p>　　在這次課程設(shè)計中，我深深體會到了設(shè)計過程的辛苦與甘甜。首先，我花了一兩天時間在圖書館里翻閱相關(guān)資料；其次，我經(jīng)常在網(wǎng)上搜閱資料，網(wǎng)上的資料浩如煙海，找到自己需要的東西也不易；最后，我們隊友之間還要經(jīng)常在一起討論設(shè)計方案。這一過程真的好辛苦，以前可沒有這種感受，不過，這一過程同時也是甘甜的，因為我學到了好多知識，感到很充實，將自己所學知識用于實物制作也感到很自豪。</p>

40、<p>　　總之，這次的課程設(shè)計，它鍛煉了我找尋資料的能力，鍛煉了我自主解決問題的能力，更鍛煉了我的動手能力。它讓我體會到了隊友合作的重要性，更讓我真實的體會到了學與用的不可分割性。學習知識是一個長期的過程，這個過程也就是我們不斷的遇到問題、解決問題。通過我們解決問題，就可掌握新的知識。</p><p>　　這次設(shè)計對我來說是一個難得的歷練機會，盡管它很短暫，但我收獲頗多，讓我明白了以后怎樣學習知識，也

41、為以后設(shè)計制作打下了基礎(chǔ)。由于所學知識有限，我所設(shè)計的電路部分還存在很多問題，調(diào)試結(jié)果未能達到要求。</p><p>　　最后還要感謝在本次設(shè)計中我的隊友和給予我?guī)椭睦蠋熀屯瑢W，他們的幫助讓我很快能找到問題的關(guān)鍵，讓我事半功倍。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高

42、等教育出版社，2001:53-69 .</p><p>　　[2]湯山俊夫.數(shù)字電路設(shè)計與制作[M]. 科學出版社，2001 </p><p>　　[3]林濤.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].清華大學出版社，2003 </p><p>　　[4]姚福安.電子電路設(shè)計與實踐[M].山東科學技術(shù)出版社,2004 </p><p>　

43、　[5]鄒延引.數(shù)字電路設(shè)計與實用電路[M].廣州：華南理工大學出版社，1989</p><p>　　[6]王有緒.數(shù)字電路與邏輯設(shè)計[M].西北工業(yè)大學出版社，2003</p><p>　　[7]彭介華主編.電子技術(shù)課程設(shè)計指導第一版[M].北京：高等教育出版社，1997</p><p><b>　　元器件單</b></p>&

44、lt;p><b>　　致謝</b></p><p>　　在論文完成之際，我要特別感謝老師的熱情關(guān)懷和悉心指導。在我撰寫論文的過程中，老師傾注了大量的心血和汗水，無論是在論文的選題、構(gòu)思和資料的收集方面，還是在論文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了老師悉心細致的教誨和無私的幫助，特別是他廣博的學識、深厚的學術(shù)素養(yǎng)、嚴謹?shù)闹螌W精神和一絲不茍的工作作風使我終生受益，在此表示真誠地感謝和深