数字秒表的设计与制作[共30页]

30 南昌航空大学14数字秒表的设计与制作南昌航空大学测光学院110812班魏铄岩课程设计论文题目：数字秒表的设计与制作学院：测试与光电工程学院专业名称：测控技术与仪器学生姓名：魏铄岩班级学号：11081211指导教师：金信鸿二一四年六月数字秒表的设计与制作学生姓名：魏铄岩班级：11081211指导老师：金信鸿摘要：通过本电路掌握rs触发器，单稳态触发器，时针发生器及计时器，译码显示单元电路的应用，u1a，u1b构成基本rs触发器，其作用是启动和停止秒表工作，按动k2，u1a-3为高电平，u1b-6为低电平，计数停止。按动k1，计数器清零并开始计数。U2a，u2b构成微分型单稳态触发器，其输入触发负脉冲加到计时器的清除端mr。其职能是为计数器提供清零信号。Ne555构成多谐振荡器，调节rl可以使得555输出100hz的矩形波，u6，u7,u8构成计数器及分屏器。74ls160为同步十进制加法计数器.u8作为十分频器，对100hz信号进行十分频，得10hz矩形波，即在其进位输出端tc取得0.1秒矩形脉冲信号，计数器u6，u7接成8421码十进制形式。同时计数器u7又经十分频得到1秒的矩形脉冲信号作为u6的时针信号.计数器u6，u7分别作为秒表和0.1秒位数器他们的输出端与译码单元的对应输入端连接，可现实0.1-9.9秒数字。U4，u5和数码管形成显示单元，74ls247为bcd码输入的四线-七段译码器，数码管采用共阳数码管.关键词：rs触发器，单稳态触发器，时针发生器及计时器，译码显示单元电路指导老师签名：课程设计任务书数字式秒表的设计（一）、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：秒十位秒个位秒十分位 分开机时数码管显示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0.1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0.1秒信号源。4、设计并制作本电路所用直流电源。（二）、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前言 课程设计是针对某一理论课程的要求，对学生进行综合性实践训练的实践教学环节，可以培养学生运用课程中所学的理论知识与时间紧密结合，独立地解决实际问题的能力。本次课程设计的数字式秒表的电路是利用不同功能的芯片和逻辑电路构成的数字电路，其中所需的芯片如计数器、译码器、锁存器等，它与我们所学的数电、模电密切相关。数字、模拟电子技术是电子、通信专业的重要基础课程，其特点之一是实践性强，因此电子电路课程设计也是其教学过程的重要组成部分。课程设计的目的及意义： 1、基础知识更深层次的理解和掌握；2、逻辑思维的培养和锻炼；3、各学科之间的联系与整合；4、培养严谨的治学态度和优良的学习作风；5、培养各小组成员之间的团结协作精神。电子技术综合课程设计应达到如下基本要求：1、综合运用所学到的理论知识（比如数、模电）去独立完成一个设计课题；2、通过查阅手册和文献资料，培养学生独立分析和解决实际问题的能力；3、进一步熟悉需用电子器件的类型和特性，并掌握合理选用元器件的原则；4、学会电子电路的安装与调试技能；5、进一步熟悉各种电子仪器（如示波器）的正确使用方法；6、学会撰写课程设计总结报告；7、培养严肃认真的工作作风和严谨的科学态度。做课程设计的我们也应该做到以上基本要求，努力完成此次课程设计，以达到此次课程设计的意义。在此非常感谢指导老师的耐心教导，以及组员们的竭力协作。目录课程设计任务书1前言21、方案的论证和选择51.1整体结构框图51.2设计方案51.3 方案的选择72、单元电路的设计72.1电源的设计72.2 信号源的设计（0.1s）82.3 控制电路的设计82.3.1 开始/暂停计时开关82.3.2 清零开关92.4 显示电路的设计92.4.1 六进制计数器的设计102.4.2 十进制计数器的设计112.4.3译码锁存电路设计123、软件仿真123.1 仿真软件的介绍123.1.1 multisim简介123.1.2 proteus 7简介123.2 电源的仿真133.3 信号源仿真143.4显示和控制电路的仿真143.5 总体电路图初稿164、电路的装调和数据分析174.1电源的装调174.2信号源的装调174.3 显示译码锁存电路的装调174.4 控制电路的装调174.5整体电路装调184.6数据处理184.7 改进措施185、总结196、附录：216.1 总体电路图216.2 元器件清单226.3 芯片管脚图23参考文献：261、方案的论证和选择1.1整体结构框图根据任务书的要求，我们的整体思路框图如图1所示：图1 数字秒表组成框图1.2设计方案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：方案一使用具有译码、锁存功能CD4511，计数器74LS160来设计显示控制部分74LS16055574LS16074LS160CD4511CD4511CD451174LS76方案二使用单独的芯片，译码驱动器74LS47,锁存器74LS373,计数器74LS160设计的显示控制部分55574LS16074LS16074LS16074LS16074LS37374LS4774LS4774LS37374LS4774LS3731.3 方案的选择方案一和方案二的不同主要是译码和锁存部分。方案一是用CD4511，该芯片集译码和锁存于一体，使用的芯片少，使电路大大的简化，总体的设计比较合理。方案二使用了译码器和锁存器独立的设计，即译码器用74LS48，而锁存器用74LS373组合起来对计数器进行操作，而且方案二多了一片74LS160，这片74LS160主要使用其清零端对二极管进行清零操作。方案二总体来说使用芯片较多，布线较麻烦。最终考虑到实验室没有CD4511，于是只好采用方案二。2、单元电路的设计2.1电源的设计根据实验要求必须接入是220v的交流电，而实验所用电源都使直流，所以需要一个的变压器，变压器只能转化成交流电，故此处可使用整流电路加上滤波和稳压就可以得到所需电压。它的一般设计步骤如下：1. 变压器得到可用交流电；2. 经过整流二极管对其整流；3. 再用电容对其滤波；4. 最后用7805稳压系统对其进行稳压。其电源的总电路图如图2所示：图2 电源电路图2.2 信号源的设计（0.1s）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。实验所需信号时频率为10Hz的信号，故用555定时器做一个占空比为1/2，周期为0.1s的信号源，具体电路图如图3所示：图3 0.1s信号源2.3 控制电路的设计2.3.1 开始/暂停计时开关本设计使用的是双JK触发器，属下降沿触发的触发器。它的1Q输出端接8D锁存器74LS373的LE端来对译码器74LS47进行锁存, 当下降沿到来的时候，从而达到固定显示的目的。2.3.2 清零开关JK触发器的2Q输出端接计数器74LS160的RD非端，当下降沿到来的时候，从而使计数器清零。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4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。图4 控制电路2.4 显示电路的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。本次课设所用的74LS160就是同步置数、异步清零的。因为74LS160兼有异步清零和同步置数功能，所以置零法和置数发均可采用。由于置零法信号随着计数器被置零而立即消失，所以置零信号持续时间极短，如果触发器的复位速度有快有慢，则可能动作慢的触发器还未来得及复位，置零信号已经消失导致电路误动作，因此这种接法的电路可靠性不高。为了克服这一缺点在本次设计中采用置数法来设计电路。2.4.1 六进制计数器的设计这部分是由74LS160N、74LS00N、74LS48、4205共阴数码管和74LS373组成。由于74LS160N计数器是一个十进制的、异步清零的，当其第六个状态到达时必须清零。设计时将74LS160的置数端全部接地，输出端Q2,Q3端经与非门接到LOAD端，使其第六个状态到达时整体置零。具体电路图如图5所示：图5 六进制电路图2.4.2 十进制计数器的设计这部分是由74LS160N、74LS48、4205共阴数码管和74LS373组成。设计时将74LS160的置数端全部接地，由于74LS160是一个十进制计数器所以可以直接连接，LOAD接高电平。故电路如图6所示：图6 十进制电路2.4.3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。具体接法在十进制计数器设计跟六进制计数器设计中都已连接好。根据74LS373所能实现的功能，在74LS373的OE端接地，LE端接控制端，受开关的控制，当触动开关使下降沿到来，74LS373工作在锁存状态下，从而达到锁存的的功能。当74LS373的LE端接高电平的话，芯片为直通的，输入跟输出保持一致。译码驱动器74LS48驱动的是共阴数码管，所以接共阴数码管。将芯片悬空的控制引脚统一接高电平以免引起误差。具体图形参照图5、图6。3、软件仿真3.1 仿真软件的介绍3.1.1 multisim简介仿真软件NI Circuit Design Suite(NI电路设计套件)是美国国家仪器有限公司(National Instrument简称NI公司)下属的Electronics Workbench Group推出的以Windows为基础的仿真工具，它可以实现对电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式、电路分析、电路仿真、仿真仪器测试、射频分析、单片机分析、PCB布局布线、基本机械CAD设计等应用。NI电路设计套件包含下列Electronics Workbench软件产品：NI Multisim、NI Ultiboard和NI Multisim MCU Module（以前被称为MultiMCU）。NI Multisim 10.1特点：丰富的元器件，提供了世界主流元件提供商的超过16000多种元件，同时能方便的对元件各种参数进行编辑修改，能利用模型生成器以及代码模式创建模型等功能。强大的仿真能力，以SPICE3F5和Xspice的内核作为仿真的引擎，通过Electronic workbench 带有的增强设计功能将数字和混合模式的仿真性能进行优化。包括SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真、电路向导等功能。3.1.2 proteus 7简介Proteus ISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51 uVision2等软件。具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。3.2 电源的仿真图7 电源仿真图电源仿真用multisim10.1进行，可以稳定输出直流5v电压，如图7所示。3.3 信号源仿真图8 信号源仿真图图9 信号源波形图信号源仿真要求得到10Hz矩形波，用图8所示电路在multisim10.1中仿真，就得到如图9所示的矩形波。3.4显示和控制电路的仿真由于显示部分跟控制电路仿真时很难单独来完成，所以将显示控制部分一起仿真图10显示控制电路图显示控制电路图是在Proteus 7中仿真，可得到实验要求显示的电路如图10，也可通过开关控制电路的开始、清零和锁存。3.5 总体电路图初稿 仿真软件中的空间有限，由于我们所使用的元器件比较多，在proteus 7中很难清楚的表示出来，所以将电源部分省略。图11总体电路草图4、电路的装调和数据分析4.1电源的装调做电源时，因为当时设计时使用的是IN4007，在领器件时，考虑到使用整流桥方便，便更改为整流桥。但连接时，对整流桥不熟，便采用逐脚测试，试出了正确引脚接法。4.2信号源的装调接好信号源纸都一直没有输出信号，我们检查了连线没有问题之后，加发光二极管测试输出信号，结果没有显示，经过大家的分析，调整最后才发现原来是二极管接反了，改正之后信号源正常工作。在信号源的输出过程中测得信号源的输出脉冲比0.1秒稍慢，这是由于在领元器件的时候我们需要使用的72.15 K的电阻没有，结果我们领到得是75 K的电阻，导致信号源的输出稍有误差。4.3 显示译码锁存电路的装调在调试显示部分的时候，我们设计仿真的时候用的是74LS48共阴驱动译码器，在元器件清单上写的是共阴数码管，结果领器件时没有74LS48只好用74LS47代替，在测试时数码管一直不亮，在检查连线没有问题之后，一致认为是数码管出现问题，经过查阅资料跟请教同学，才知道数码管应该选用共阳的，在替换了数码管之后显示部分才有所显示。在连线部分也出现了一些问题，将74LS47的输出与BCD数码管的输入接错，导致我们的数字显示为乱码，经过仔细的检查，我们将接错的线纠正了之后数码管才正常显示。4.4 控制电路的装调我们连好电路图并检查无误，但是开关部分却不起作用，经过排查才发现时面包板的问题，在移动电路重新插好之后电路正常工作。在控制电路部分我们刚开始给JK触发器的CLR直接接高电平，结果在测试的时候我们设置的开始开关不起作用，插上电源后计数器就直接开始计数，而且初始状态并非000而是一个随机的数字，说明计数器刚一开始没有达到一个稳定的状态。经过老师和同学的指点，我们在CLR端加电阻接高电平加电容接地，使得初始状态达到一个稳定的状态000。4.5整体电路装调在整体电路的装调过程中，将之前独立的部分连接起来，将电源与信号源首先连接起来，然后将显示及控制部分的接高电平和低电平的地方跟电源连接好。再将信号源的输出信号加在74LS160的CLK端，控制电路中JK触发器的Q1端接74LS373的LE端从而达到锁存的目的，Q2端接端，做为清零信号。在整体电路的链接过程中，由于刚开始的时候各个模块是相对独立的，并且各部分的连线比较复杂，连线时要仔细认真，各部分的连接线一定要接在对应位置，布线要合理，面包板的空间比较有限，尽量使得布局看起来整齐简洁。当我们把各自的单元电路图连接在一起时，就产生了问题，数码管虽然显示正常，但与实际的秒表误差太大，因此我们就想办法，最后我们知道那是信号源的问题，信号源的周期有点大，因此我们就调电位器，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，最后一个问题就是接通电源好数码管显示不是三个0，最后通过大家的意见，在JK触发器上加了个RC振荡回路后，再试以后，终于成功了。4.6数据处理因为我们需要0.1秒的信号源，占空比为1/2。由公式充电时间：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=72.15K。4.7 改进措施开始设计的控制电路给端直接加高电平，结果使得初始状态不稳定，最后在端加电阻接高电平并且加电容接地，使得初始状态达到稳定值，再将Q2加到74LS160的端。电路图如图12所示：图12清零改进图5、总结通过这次对数字电子钟的设计作，让我了解了电路设计的基本步骤，也让我了解了关于数字钟的原理与设计理念。在这次课程设计作业的过程中由于在设计方面我们没有经验，理论基础知识掌握得不牢固，在设计中难免会出现这样那样的问题：在选则74LS160的进位及连接方式时，还有74LS373和74LS47的工作原理及管脚图的诸多方面；其次在确定设计方案时，拖了好久，比如所开关运用触发器的选择上面等，同学们在这方面的知识比较缺乏，幸好得到了同学的帮助，找到了方法，把问题解决了；再次，在控制电路中也遇到了很多问题，比如说，如何实现任务书上的要求的功能如何实现，怎样用7476来实现控制电路，在同学的帮助下逐步解决了。这些都暴露出了前期我在这些方面知识的欠缺和经验的不足，对于我来说，收获最大的是方法和能力。这次课设是我们第一次使用仿真软件进行设计的，从这次的仿真中，我发现仿真和实际的电路也有不少差别，仿真的电路图放在实际中不一定就可以用，因为仿真软件会帮你把一些细小部分自动完善，但实际连接的电路就不能按照预定目标实现，比如我们设计的显示电路在仿真软件中正常运行着，但实际连好后，却不能实现开机清零功能，最后我们在同学的帮助之下把电路进行了完善，才得到我们预期的电路。在整个课程设计的过程中，我发现我们在经验方面十分缺乏，空有理论知识，没有理性的知识，有些东西可能与实际脱节。我们最初的设计就因为器材的限制而无法实现，而且通过对此课程的设计，我不但知道了以前不知道的理论知识，也巩固了以前知道的知识。最重要的是在实践中理解了书本上的知识，明白了学以致用的真谛。也明白老师要求我们做好这个课程设计的原因。教会我们如何运用所学的知识去解决实际的问题，提高我们的动手能力。总体来说，我觉得像课程设计这种类型的作业对我们的帮助还是很大的，它需要我们将学过的相关知识系统地联系起来，从中暴露出自身的不足，以待改进！6、附录：6.1 总体电路图6.2 元器件清单元器件名称型号数量JK触发器74LS76 1片与非门74LS00 1片BCD七段数码管SM4105 3片电阻75K、1个电阻1K2个面包板2个发光二极管1个导通二极管1个开关2个555定时器1个整流桥1个计数器74LS1604片译码驱动器74LS473片锁存器74LS3732片稳压管78051个陶瓷电容1F 2个陶瓷电容0.047F1个陶瓷电容0.01F1个电解电容2200F2个电解电容1000F1个电位器100K2个变压器次级线圈的电压为9v1个电源线1条导线若干6.3 芯片管脚图74LS4774LS373123456789101112131474LS001A1B2A2B2YGND3Y3A3B4A4BVCC1Y4Y74LS0074LS00是四二输入与非门。74LS160123456789101112131474LS160RDCPD1GNDEPVCCD01516D2D3LDETQ3Q2Q1Q0CORD LD ET EP CP D3 D2 D1 D0 Q3 Q2 Q1 Q0 0 0 0 0 0 1 0 D C B A D C B A 1 1 0 保 持 1 1 0 保 持 1 1 1 1 计 数74LS160功能表74LS76 74LS76芯片管脚图74LS76真值表7805 其中1脚是输入，2脚是接地，3脚是输出。BCD七段显示数码管参考文献：1 华成英，童诗白.模拟电子技术基础.四版.北京：高等教育出版社，2006.2 阎石.数字电子技术基础.五版.北京：高等教育出版社，2006.3 何碧华.数字电子技术实验指导书.电工电子实验指导中心，2009.