課程設計----數(shù)字式秒表設計及進階

1、<p><b>　　電子課程設計</b></p><p>　　論文題目 數(shù)字式秒表設計及進階 </p><p>　　學 院 工學院 </p><p>　　班 級 </p><p>　　學 號

2、 </p><p>　　姓 名 </p><p>　　指導教師 </p><p><b>　　內容摘要</b></p><p>　　本設計所實現(xiàn)的數(shù)字式秒表是電子設計技術中最基本的設計實驗之一。該數(shù)字計數(shù)系統(tǒng)的邏輯結構

3、較簡單，是由微動開關、抖動消除電路、三狀態(tài)控制電路、微分及整形清零電路、上電復位電路、0·1秒脈沖發(fā)生器、閘門計數(shù)控制電路、譯碼及顯示電路組成的電子秒表，其中核心的部分為0·1秒脈沖發(fā)生器、計數(shù)、譯碼及顯示電路部分，而其它部分是為使電子秒表在0．1～9·9秒范圍內測定時間附加上的一些外圍控制電路。</p><p>　　本設計報告由內容摘要、設計任務指標、系統(tǒng)方案論證、元件清單、單元電

4、路設計、電路圖及電路工作原理、組裝調試、設計成果的評價、課程設計心得體會和參考文獻十大部分組成，力求將整個系統(tǒng)的設計過程、原理、以及心得體會完整的呈現(xiàn)出來。</p><p><b>　　設計任務及指標</b></p><p>　　通過本課程設計計算、安裝調試、資料整理、撰寫報告等環(huán)節(jié)，初步掌握電子設計方法以及完成數(shù)字秒表的電路設計。</p><p&

5、gt;　　利用基本RS觸發(fā)器、脈沖發(fā)生器及計數(shù)、譯碼、顯示等單元電路設計數(shù)字秒表。</p><p>　　由2位數(shù)碼管顯示計數(shù)時間，顯示分辨率為0.1s，計時誤差小于5%。</p><p>　　在實驗裝置上或者利用仿真軟件完成數(shù)字秒表的線路連接和調試，實現(xiàn)上電自動清零、啟動計時顯示、暫停計時顯示以及重新計時等控制功能。</p><p><b>　　系統(tǒng)設計方

6、案論證</b></p><p>　　數(shù)字式秒表，首先需要一個數(shù)字顯示。按設計要求，須用數(shù)碼管來做顯示器。題目要求最大記數(shù)值為9.9秒，則需要一個8段數(shù)碼管作為秒位（有小數(shù)點）和一個7段數(shù)碼管作為分秒位。要求計數(shù)分辨率為0. 1秒，那么我們需要相應頻率的信號發(fā)生器。選擇信號發(fā)生器時，有兩種方案：一種是用晶體震蕩器，另一種方案是采用集成電路555定時器與電阻和電容組成的多諧振蕩器。秒表核心部分——計數(shù)器，

7、使用兩個74LS390計數(shù)器構成，這種連接方式簡單，使用元器件數(shù)量少。計數(shù)脈沖是由555定時器構成的多諧振蕩器，產(chǎn)生10赫茲脈沖，如果精度要求高，也可采用石英振蕩器。在選擇譯碼器的時候，有多種選擇，如74LS46，74LS47，74LS48等4-7線譯碼器。為了減小設計的誤差，還需要設計在開關端設計消抖電路、微分電路、整形電路。為了滿足上電復位，還應該設計上點復位電路。</p><p><b>　　系統(tǒng)

8、框圖如下：</b></p><p><b>　　設計所需元器件</b></p><p><b>　　材料清單如下圖：</b></p><p><b>　　單元電路設計</b></p><p><b>　　消抖電路：</b></p>

9、<p>　　消抖原理：具有鎖存功能所致，由兩個集成與非門元件構成。接在機械開關K的后面，防止開關K在打開和閉合時一些假信號串入邏輯電路。</p><p><b>　　上電復位電路：</b></p><p>　　復位電路的基本功能是：系統(tǒng)上電時提供復位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復位信號。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時才撤銷復位信號，以防電源開關或

10、電源插頭分-合過程中引起的抖動而影響復位。</p><p><b>　　微分電路：</b></p><p>　　由0.01µ 電容和1.5K電阻構成。從電容端加入的信號，經(jīng)過電容、電阻，在電阻端輸出的信號波形相當于進行了一次微分，故稱這種電路為微分電路。</p><p>　　0.1s脈沖發(fā)生器：</p><p>

11、;　　T=0.1s，f=10Hz =1/0.695(R1+2R2)C </p><p>　　為產(chǎn)生10Hz頻率脈沖，經(jīng)過計算并實際調整，方案為電容C=2.2u，定值電阻R1=430歐R2=27.4千歐。（經(jīng)過仿真誤差不超過2%）端口OUT為0.1s脈沖發(fā)生器的輸出端口。</p><p><b>　　計數(shù)器電路：</b></p><p>

12、;　　雙二—五—十進制加法計數(shù)器74LS390芯片功能簡介：</p><p>　　如圖所示，74LS390芯片內有兩組計數(shù)器，每組計數(shù)器中有兩個計數(shù)器（一個二進制、一個五進制），共有4個計數(shù)器。它們可以單獨計數(shù)，清零信號是共用的，異步清零高電平有效，即RD=1清零。A、B為時鐘脈沖信號入端，QDQCQBQA為輸出端。該計數(shù)器可以根據(jù)不同的輸入與輸出的選擇組成三種進制的計數(shù)器。</p><p&g

13、t;　　8421碼加權計數(shù)器：QA與B連接，A端輸入脈沖信號，QD、QC、QB、QA輸出見計數(shù)器工作波形圖：</p><p><b>　　譯碼器電路：</b></p><p>　　譯碼器電路是將數(shù)碼轉換為一定的控制信號。在此由74LS48集成元件構成，它能將一個二進制數(shù)碼轉換為輸出端的電平信號以控制顯示器。</p><p>　　七段數(shù)碼管（LE

14、D）：</p><p>　　7段數(shù)碼管又分共陰和共陽兩種顯示方式。如果把7段數(shù)碼管的每一段都等效成發(fā)光二極管的正負兩個極，那共陰就是把abcdefg這7個發(fā)光二極管的負極連接在一起并接地；它們的7個正極接到7段譯碼驅動電路74LS48的相對應的驅動端上（也是abcdefg）。此時若顯示數(shù)字1，那么譯碼驅動電路輸出段bc為高電平，其他段掃描輸出端為低電平，以此類推。如果7段數(shù)碼管是共陽顯示電路，那就需要選用74LS

15、47譯碼驅動集成電路。共陽就是把abcdefg的7個發(fā)光二極管的正極連接在一起并接到5V電源上，其余的7個負極接到74LS47相應的abcdefg輸出端上。無論共陰共陽7段顯示電路，都需要加限流電阻，否則通電后就把7段譯碼管燒壞了。限流電阻的選取是：5V電源電壓減去發(fā)光二極管的工作電壓除上10ma到15ma得數(shù)即為限流電阻的值。發(fā)光二極管的工作電壓一般在1.8V--2.2V，為計算方便，通常選2V即可。發(fā)光二極管的工作電流選取在10-2

16、0ma，電流選小了，7段數(shù)碼管不太亮，選大了工作時間長了發(fā)光管易燒壞。對于大功率7段數(shù)碼管可根據(jù)實際情況來選取限流電阻及電阻的瓦數(shù)。</p><p>　　下圖是八段數(shù)碼管（LED）BS201的示意圖，圖中引腳6為VCC的為共陽數(shù)碼管，引腳6為GND的為共陰數(shù)碼管。</p><p>　　本設計采用共陰數(shù)碼管與74LS48匹配，同時并入一個四輸入內置譯碼器的7段數(shù)碼管，以驗證譯碼部分的功能（注

17、：驗證成功后，兩種組合數(shù)碼管可以只保留一個）。</p><p>　　數(shù)碼管與74ls48連接圖：</p><p>　　電路圖及電路工作原理</p><p>　　各部分工作原理如下：</p><p>　　消抖電路：它是由兩個74LS00集成與非門元件構成。接在機械開關K的后面，防止開關K在打開和閉合時一些假信號竄入邏輯電路。</p>

18、<p>　　上電復位電路：它由2.2電容和47K電阻構成。利用電容充放電可以產(chǎn)生脈沖，作為清零復位用。</p><p>　　微分電路：它是由0.01u電容和1.5K電阻構成.從電容端加入的信號，經(jīng)過電容、電阻，在電阻端輸出的信號波形相當于進行了一次微分，故稱這種電路為微分電路。</p><p>　　整形電路：它是由與門74LS08集成與門元件構成。在信號由一端輸入，起到整形的

19、作用。</p><p>　　0.1秒脈沖發(fā)生器電路：它由555集成定時器元件和外圍的電阻和電容等元件構成。調節(jié)電阻或電容的數(shù)值，可以改變脈沖發(fā)生器的輸出頻率。</p><p>　　計數(shù)器電路：從進位制來分，有二進制計數(shù)器，十進制計數(shù)器等多種形式。在此采用的是二——十進制計數(shù)器即8421編碼方式。由74LS390構成一位輸出電路。</p><p>　　譯碼器電路：是將

20、數(shù)碼轉換為一定的控制信號。在此由74LS48集成元件構成，它能將十個二進制數(shù)碼轉換為輸出端上的電平信號以控制顯示器。</p><p>　　顯示器電路：有輝光數(shù)碼管和熒光數(shù)碼管等多種顯示電路。在此采用的是共陰極七段LED顯示器。</p><p><b>　　電路工作原理：</b></p><p>　　1.上電時，上電復位電路1產(chǎn)生復位信號，經(jīng)整形

21、后，使兩個計數(shù)器清零；上電復位電路2，使三狀態(tài)控制電路復位。電子秒表處于復位狀態(tài)。</p><p>　　2.當?shù)谝淮伟磩游娱_關K，經(jīng)消抖電路后產(chǎn)生第一個單脈沖作為D觸發(fā)器的時鐘，使三狀態(tài)控制電路的輸出端Q1產(chǎn)生高電平，經(jīng)與門后，使0.1秒脈沖進入計數(shù)器計數(shù)，并譯碼、顯示出來。</p><p>　　3.當?shù)诙伟磩游娱_關K，產(chǎn)生第二個單脈沖使三狀態(tài)控制電路輸出端Q1輸出低電平Q2輸出高電

22、平，關閉與門，使計數(shù)停止。</p><p>　　4.第三次按動微動開關，產(chǎn)生第三個單脈沖，使三狀態(tài)控制電路復位，同時輸出端Q2輸出一個高電平，經(jīng)微分電路及整形，產(chǎn)生一個窄脈沖，使計數(shù)器回零。至此，電子秒表又進入復位狀態(tài)。</p><p>　　5.當再按動微動開關K時，電子秒表又進入計數(shù)狀態(tài)。</p><p><b>　　組裝調試</b><

23、/p><p>　　本設計采用EDA電路仿真對設計電路進行了調試。運用軟件Multisim。在調試的過程中遇到不少的問題，經(jīng)過多次反復的檢查和排除，最終實現(xiàn)了全部功能。</p><p>　　調試方法：按模塊調試，在每個模塊的輸入端加理想的調試信號，在輸出端接示波器，觀察輸出波形，如果波形符合設計預期，則說明此模塊工作正常，否則可按從輸出到輸入的順序逐一排查，直到解決問題。當各模塊調試無誤后，將各

24、模塊連接起來，同時要注意接口的電平匹配問題。</p><p>　　本次課程設計在仿真組裝調試過程中曾出現(xiàn)以下故障：</p><p>　　故障1：脈沖發(fā)生器（555定時器構成的多諧振蕩器）沒法實現(xiàn)0.1s的脈沖信號。</p><p><b>　　原因：參數(shù)不對。</b></p><p>　　排除方法：利用f=1.43/R1

25、+2R2)C適當?shù)倪x取定值電阻、電容的大小并用頻率計檢測。</p><p>　　故障2：數(shù)碼管顯示亂碼。</p><p>　　原因：計數(shù)器74LS390管腳接線錯誤，LED數(shù)碼管的共極性弄反（按共陽極的接線方法接線）。</p><p>　　排除方法：對計數(shù)器正確接線，調整數(shù)碼管的陰陽極接線（按共陰極接線方法接線）。</p><p>　　故障3

26、：數(shù)碼管數(shù)字跳動頻率不均勻。</p><p>　　原因：輸入信號不是規(guī)則并且穩(wěn)定的脈沖方波。</p><p>　　排除方法：用示波器觀察脈沖輸出和微分電路輸出端的波形，加入一個與門作為整形模塊，同時，這樣還能達到減小誤差的目的。</p><p>　　故障5：無法實現(xiàn)上電清零功能。</p><p>　　原因：電容參數(shù)不對。</p>

27、<p>　　排除方法：改變上電清零電路電容的大小，通過示波器觀察直到產(chǎn)生清零信號。</p><p><b>　　設計成果的評價</b></p><p>　　通過一周的實踐，電路的設計仿真圓滿的完成了設計目標中提到的幾種功能并且將誤差控制在了2%以內，但仍然有一些美中不足，主要問題是數(shù)碼管顯示不穩(wěn)定，經(jīng)過分析我認為主要原因有二：一是軟件的“虛擬時間”不穩(wěn)定，

28、軟件仿真時需要以0.00001s為單位運算，將現(xiàn)實時間拉長，CPU負荷較大使仿真的“虛擬時間”難以像現(xiàn)實時間一樣平穩(wěn)。二是各級芯片以及門電路有一定的延遲時間，有些部分還可能存在競爭冒險。在實驗的后期我們還去實驗室搭電路，但由于時間有限，我們對面包板又不夠熟悉，最終未能完全實現(xiàn)。由于一周的課程設計時間短暫，設計結果并不完善，但在以后的學習中，相信我們可以為這個設計完善現(xiàn)有功能，增加新的功能。</p><p><

29、;b>　　課程設計心得體會</b></p><p>　　一周的課程設計已經(jīng)結束，雖然很辛苦，但給我?guī)砹藦奈从羞^的體驗與喜悅。在設計實踐的過程中，我深深的體會到必須要有扎實的知識基礎，要熟練地掌握課本上的知識，這樣才能對試驗中出現(xiàn)的問題進行分析解決。在整個電路的設計過程中，花費時間最多的是利用Multisim 仿真，因為以前沒有學過這個軟件，所以我們要從頭學起，自行摸索的學習。我們在各個單元電路

30、的連接上花費了大量時間。我們在設計時曾做出了兩套方案以及仿真電路，我們仔細比較分析其原理以及可行的原因，這才確定了我們的電路。實習過程中，我深刻的體會到在設計過程中，要考慮到各個元器件的功能和特性，要翻閱大量資料，參考別人的經(jīng)驗，只有這樣才能把自己的電路設計的成功。</p><p>　　通過這次對數(shù)字式秒表的設計與制作，讓我了解了設計電路的程序，也讓我了解了關于數(shù)字秒表的原理與設計理念。在此次的數(shù)字秒表設計過程中

31、，我更進一步地熟悉了芯片的結構、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。而且這些知識是對我們大學生來說十分寶貴的實踐經(jīng)驗，是無法在課堂上獲得的，是現(xiàn)今社會最重視的同時也是我們最需要提高的部分。</p><p>　　在設計電路中,完成電路圖只是完成了設計的一小部分，更加困難的是對電路的驗證和糾錯，在這過程中我接觸到了很多未接觸過的檢查方法和思想。在電路的仿真過程中出錯的主要原因都主要是接線的錯誤所

32、引起的。接線的時候一定要細心，不要接錯，同時也要學會如何判別芯片的功能，要是芯片不具備要求的功能，或者，不匹配，即使接線再正確也出不來結果。對自己的設計要仔細考慮，是否可行，尤其是進位輸出，著重看看進位的CP脈沖是否正確等。</p><p>　　總體來說，通過這次課程設計學習，我越發(fā)感覺電子設計不是死板的東西，是有很大科學性與藝術性的。不同芯片的使用，不同的接線方法，不同的變量，不同的實現(xiàn)思路，經(jīng)過組合后幾乎可以

33、稱之為藝術。這次課程設計使我對各種電路都有了大概的了解，也學會了常用EDA軟件的使用，在平時的理論學習中遇到的問題都一一解決，加深了我對專業(yè)的了解，培養(yǎng)了我對學習的興趣，為以后的學習打下了好的開端，我受益匪淺。同時，讓我明白：電子設計容不得紙上談兵，只有自己動手實際操作才會有深刻理解，才會有收獲，所謂“千里之行，始于足下”，這次課程設計最大的意義在于讓我們邁出了通往工程師的第一步。</p><p><b&g

34、t;　　參考文獻</b></p><p>　　《數(shù)字電子技術基礎》 胡曉光主編 北京航空航天大學出版社 2007.03</p><p>　　《電子技術實訓教程》 楊碧石主編 電子工業(yè)出版社 2005.03</p><p>　　《電子技術基礎》 康華光主編 .高等教育出版社2006.01</p><p>　　《電子技術課程設