數(shù)電課程設(shè)計(jì)---電子秒表的設(shè)計(jì)

1、<p>　　2011~2012 學(xué)年 第 二 學(xué)期</p><p>　　《 數(shù)字電子技術(shù) 》</p><p>　　課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告</p><p>　　題 目：電子秒表的設(shè)計(jì) </p><p>　　專 業(yè)：電子信息工程 </p><p>　　班

2、 級(jí)：10信息1班 </p><p><b>　　電氣工程系</b></p><p>　　2012年 5月 25日</p><p><b>　　任務(wù)書</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　

3、　秒表應(yīng)用于我們生活、工作、運(yùn)動(dòng)等需要精確計(jì)時(shí)的方面。它由剛開始的機(jī)械式秒表發(fā)展到今天所常用的數(shù)字式秒表。秒表的計(jì)時(shí)精度越來越高，功能越來越多，構(gòu)造也日益復(fù)雜。</p><p>　　本次數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)的數(shù)字式秒表的要求為：顯示分辨率為1s/100，外接系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為100KHz；計(jì)時(shí)最長(zhǎng)時(shí)間為1h，六位顯示器，顯示時(shí)間最長(zhǎng)為59m59.99s；系統(tǒng)設(shè)置啟／停鍵和復(fù)位鍵。復(fù)位鍵用來消零，做好計(jì)時(shí)準(zhǔn)備、啟／停鍵是控

4、制秒表起停的功能鍵。</p><p>　　針對(duì)上述設(shè)計(jì)要求，我們先前往校圖書館借閱了大量的數(shù)字電路設(shè)計(jì)方面的書籍，以及一本電子元件方面的工具書，以待查閱各種設(shè) 計(jì)中所需要的元件。其次安裝并學(xué)習(xí)了數(shù)字電路設(shè)計(jì)中所常用的Multisim仿真軟件，在課程設(shè)計(jì)過程的電路圖設(shè)計(jì)與電路的仿真方面 幫助我們發(fā)現(xiàn)了設(shè)計(jì)電路方面的不足與錯(cuò)誤之處。</p><p>　　工作安排方面：我們首先在課程設(shè)計(jì)的要求下

5、設(shè)計(jì)出了數(shù)字式秒表的整體電路框圖。其次我們對(duì)每個(gè)單元電路進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，對(duì)其工作原理進(jìn)行介紹，最后使用Multisim軟件畫出單元電路，并在可能情況下對(duì)其進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。完成了單元電路設(shè)計(jì)分析之后，進(jìn)行總電路的拼接與調(diào)試，最后對(duì)總電路圖進(jìn)行分析，寫出結(jié)論。完成總電路的設(shè)計(jì)與分析之后，對(duì)資料與設(shè)計(jì)電路進(jìn)行整理、排版，完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告。</p><p>　　關(guān)鍵字：555定時(shí)器 十進(jìn)制計(jì)數(shù)器 六進(jìn)制計(jì)數(shù)器 多諧振蕩器&l

6、t;/p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第一章 方案設(shè)計(jì)與論證5</p><p>　　第二章 單元電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算6</p><p>　　2.1 時(shí)鐘脈沖發(fā)生和控制信號(hào)6</p><p>　　2.2 設(shè)計(jì)十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器7</p><p>

7、;　　2.3 設(shè)計(jì)六進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器8</p><p>　　2.4 啟動(dòng)與停止電路9</p><p>　　2.5 清零電路設(shè)計(jì)10</p><p>　　第三章 總電路工作原理及元器件清單11</p><p>　　3.1電路完整工作過程描述11</p><p>　　3.2總原理圖11</p>&l

8、t;p><b>　　第四章 仿真13</b></p><p><b>　　第五章 結(jié)論15</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)16</b></p><p><b>　　附錄17</b></p><p><b>　　插圖清單

9、</b></p><p>　　圖1-1 方案設(shè)計(jì)圖......................................................5</p><p>　　圖2-1 555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器.......................................6</p><p>　　圖2-2 異步8421碼十進(jìn)制加法

10、計(jì)數(shù)器.....................................8</p><p>　　圖2-3 六進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器................................................9</p><p>　　圖2-4 啟動(dòng)與停止電路..................................................9</p&g

11、t;<p>　　圖2-5 清零電路.......................................................10</p><p>　　圖3-1 總原理圖.......................................................12</p><p>　　圖4-1電子秒表仿真結(jié)果圖1.............

12、...............................13</p><p>　　圖4-2電子秒表仿真結(jié)果圖2............................................14</p><p><b>　　方案設(shè)計(jì)與論證</b></p><p><b>　　總體分析：</b></p&g

13、t;<p>　　圖1-1 方案設(shè)計(jì)圖</p><p>　　如圖1-1所示，該電路需要2個(gè)六進(jìn)制和4個(gè)十進(jìn)制的加計(jì)數(shù)器，一個(gè)555定時(shí)器組成的多諧振蕩器，RS觸發(fā)器啟動(dòng)停止電路。由555多諧振蕩器產(chǎn)生100Hz的時(shí)鐘脈沖作為脈沖源（即0.01s為周期），通過與啟動(dòng)停止電路的輸出與非后作為信號(hào)源輸入至第一個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器即0.01s位的計(jì)數(shù)器。然后進(jìn)位至0.1s位的十進(jìn)制加計(jì)數(shù)器，以此類推逐個(gè)進(jìn)位。以此

14、實(shí)現(xiàn)顯示分辨率為1s／100，計(jì)時(shí)最長(zhǎng)時(shí)間為1h，六位顯示器，顯示時(shí)間最長(zhǎng)為59m59.99s，最后通過6個(gè)譯碼顯示LED數(shù)碼管輸出。</p><p>　　單元電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算</p><p>　　2.1 時(shí)鐘脈沖發(fā)生和控制信號(hào)</p><p>　　由集成電路定時(shí)器555與RC組成的多諧振蕩器產(chǎn)生矩形脈沖：</p><p>　　暫穩(wěn)狀態(tài)的脈

15、沖寬度tp1，即uc從(1/3)Ucc充電上升到(2/3)Ucc所需的時(shí)間：</p><p>　　tp1≈（R1＋R2）Cln2＝0.7（R1＋R2）C</p><p>　　脈沖寬度tp2，即uc從(2/3)Ucc放電下降到(1/3)Ucc所需的時(shí)間：</p><p>　　tp2≈R2Cln2＝0.7R2C</p><p>　　振蕩周期：

16、 T=tp1+tp2＝0.7(R1＋2R2)C</p><p>　　因此，令R1=2KΩ,R2=5KΩ,輸出頻率為100Hz即T=0.01s，則可求出C=1.19μF。得下圖2-1中100Hz的555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器：</p><p>　　圖2-1 555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器</p><p>　　從3腳(OUT)輸出100Hz的脈

17、沖信號(hào)。</p><p>　　2.2 設(shè)計(jì)十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器</p><p>　　使用74LS90芯片實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器：</p><p>　　74LS90 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。通過不同的連接方式，74LS90可以實(shí)現(xiàn)四種不同的邏輯功能；而且還可借助R0(1)、R0(2)對(duì)計(jì)數(shù)器清零，借助S9

18、(1)、S9(2)將計(jì)數(shù)器置9。其具體功能詳述如下： (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)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與QD相連，計(jì)數(shù)脈沖由CP2輸入，QA、QD、QC、QB作為輸出端， 則構(gòu)成異步5421碼十

19、進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。 (5)清零、置9功能。 a) 異步清零 當(dāng)R0(1)、R0(2)均為“1”；S9(1)、S9(2)中有“0”時(shí)，實(shí)現(xiàn)異步清零功能，即QDQCQBQA＝0000。 b) 置9功能 當(dāng)S9(1)、S9(2)均為“1”；R0(1)、R0(2)中有“0”時(shí)，實(shí)現(xiàn)置9功能，即QDQCQBQA＝1001。</p><p>　　在這里我們用到的是將CP2和QA相連，計(jì)數(shù)脈沖由CP1輸入，QD、QC、

20、QB、QA作為輸出端，構(gòu)成的異步8421碼十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。如下圖2-2：</p><p>　　圖 2-2 異步8421碼十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器</p><p>　　2.3 設(shè)計(jì)六進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器</p><p>　　使用74LS92芯片實(shí)現(xiàn)六進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器：</p><p>　　74LS92是一個(gè)十二進(jìn)制的加法計(jì)數(shù)器，通過將其輸出QB，QC與非再

21、與非后輸入到芯片的清零端R01，則每當(dāng)計(jì)數(shù)器到6即二進(jìn)制0110時(shí)，時(shí)計(jì)數(shù)器清零實(shí)現(xiàn)六進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。為使其六進(jìn)制清零輸出的高電平不影響其他計(jì)數(shù)器清零，在計(jì)數(shù)器公共清零端前加上二極管（具體見總電路圖）。如下圖 2-3：</p><p>　　圖 2-3 六進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器</p><p>　　2.4 啟動(dòng)與停止電路</p><p><b>　　如圖：<

22、/b></p><p>　　圖2-4 啟動(dòng)與停止電路</p><p>　　當(dāng)開關(guān)接低電平即接地時(shí)，通過與時(shí)鐘脈沖與非，使計(jì)時(shí)器處于暫停狀態(tài)；當(dāng)開關(guān)接高電平即VCC時(shí)，通過與時(shí)鐘脈沖與非，使計(jì)時(shí)器處于啟動(dòng)狀態(tài)。因此這個(gè)開關(guān)為“啟動(dòng)/暫?！卑存I。</p><p>　　2.5 清零電路設(shè)計(jì)</p><p><b>　　如圖:<

23、/b></p><p>　　圖2-5 清零電路</p><p>　　當(dāng)開關(guān)接高電平時(shí)，所有計(jì)數(shù)器清零；當(dāng)開關(guān)接低電平時(shí)，所有計(jì)數(shù)器正常工作。</p><p>　　第三章 總電路工作原理及元器件清單</p><p>　　3.1 電路完整工作過程描述（總體工作原理）</p><p>　　電路通過555多諧振蕩器產(chǎn)生

24、的100Hz時(shí)鐘脈沖與啟動(dòng)與暫停電路與非后輸入到第一個(gè)計(jì)數(shù)器即0.01s位的74LS90十進(jìn)制計(jì)數(shù)器使其進(jìn)行頻率為100Hz的十進(jìn)制加法運(yùn)算。并進(jìn)位至下一位0.1s位的十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，頻率縮減為10Hz。以此類推依次進(jìn)位至最高位，并以6個(gè)LED數(shù)碼管將計(jì)數(shù)器輸出的信號(hào)顯示出來。當(dāng)“啟動(dòng)/停止”開關(guān)處于低電平時(shí)計(jì)數(shù)器處于保持狀態(tài)，即暫停；當(dāng)開關(guān)處于高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器繼續(xù)正常工作。而清零開關(guān)為高電平時(shí)，所有計(jì)數(shù)器清零；處于低電平時(shí)所有計(jì)數(shù)器

25、可正常工作。</p><p>　　3.2 總原理圖：（見下圖3-1）</p><p>　　圖3-1 總原理圖</p><p><b>　　仿真</b></p><p>　　按照上面的總電路圖建立仿真電路，觀察計(jì)數(shù)器上面的輸出，下面的圖就是仿真的輸出結(jié)果</p><p>　　圖 4-1電子秒表仿真

26、結(jié)果圖1</p><p>　　圖 4-2電子秒表仿真結(jié)果圖2</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)的題目是電子秒表，技術(shù)指標(biāo)為：計(jì)時(shí)最長(zhǎng)時(shí)間為1h，六位顯示器，顯示時(shí)間最長(zhǎng)為59m59.99s，可以清零、暫停。至今各項(xiàng)指標(biāo)都已實(shí)現(xiàn)。整個(gè)過程歷經(jīng)3個(gè)星期，從資料的查詢，方案的確定，以及電路板的制作。</

27、p><p>　　本電路由555振蕩器、控制、分頻、計(jì)數(shù)、譯碼顯示幾個(gè)部分組成，各電路的功能都已實(shí)現(xiàn)且運(yùn)行良好。</p><p>　　在本次設(shè)計(jì)的過程中，本組所設(shè)計(jì)和制作的電路還存在許多的不足之處。如：布線稍微凌亂，原件擺放松散，工藝有所欠缺。</p><p>　　通過這次對(duì)數(shù)字式秒表的設(shè)計(jì)與制作，讓我了解了設(shè)計(jì)電路的程序，也讓我了解了關(guān)于數(shù)字秒表的原理與設(shè)計(jì)理念。在此次

28、的數(shù)字秒表設(shè)計(jì)過程中，我更進(jìn)一步地熟悉了芯片的結(jié)構(gòu)、管腳圖、功能表及掌握了各芯片的工作原理和其具體的使用方法。而且這些知識(shí)是對(duì)我們大學(xué)生來說十分寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，是無法在課堂上獲得的，是現(xiàn)今社會(huì)最重視的同時(shí)也是我們最需要提高的部分。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]楊欣.王玉鳳.電子設(shè)計(jì)從零開始.清華大學(xué)出版社,2005</

29、p><p>　　[2]黃仁欣.電子技術(shù)實(shí)踐與訓(xùn)練.清華大學(xué)出版社,2004 </p><p>　　[3]彭銘泉.通用集成電路速查手冊(cè).山東科學(xué)技術(shù)出版社，2004</p><p>　　[4]高志清.數(shù)字電路邏輯設(shè)計(jì).大連理工出版社,2002</p><p>　　[5]張慶權(quán).電子元器件的選用與檢測(cè).機(jī)械工業(yè)出版社,2002</p&

30、gt;<p>　　[6]沈明山.常用電子元件手冊(cè).機(jī)械工業(yè)出版社,2001</p><p>　　[7]郭培源.電子電路及電子器件.高等教育出版社,2004</p><p>　　[8]楊素行.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).高等教育出版社,2005</p><p>　　[9]劉維恒.實(shí)用電子電路基礎(chǔ).電子工業(yè)出版社,2004</p><p>