秒表 数字电子技术课程设计

沈 阳 工 程 学 院课 程 设 计 设计题目： 秒表 系 别 电力学院 班级 学生姓名 学号 指导教师 张玉梅 职称 讲师 起止日期： 2014年 7月7日起至2014年7月11日止沈阳工程学院课程设计任务书课程设计题目： 秒表 系 别 电力学院 班级 学生姓名 学号 指导教师 张玉梅 职称 讲师 课程设计进行地点： F座 任 务 下 达 时 间： 2014年 7 月 02日起止日期：2014 年 7月7日起至 2014年7月11日止教研室主任 曲延华 2014年 5月25日批准 秒表 1设计主要内容及要求1.1设计目的 （1）掌握秒表的构成、原理与设计方法；（2）熟悉集成电路的使用方法。1.2基本要求 （1）能进行秒、0.1秒、0.01秒计时； （2）有独立的时间显示电路。1.3发挥部分 （1）预置定时报警（例如1分钟跑等项目） （2）显示完毕后清零并发出响声。2设计过程的基本要求：2.1基本部分必须完成，发挥部分可以在已给的或自己寻找的资料范围内任选1-2 个方向：2.2符合设计要求的报告一份，其中包括逻辑电路仿真运行图；2.3设计过程的资料、草稿要求保留并随设计报告一起上交；3报告的基本要求：3.1报告打印（不少于3000字）、电子版刻盘上交。3.2装订顺序：封面、任务书、成绩评定表、中文摘要、关键词、目录、正文（正文的具体要求按老师讲课要求）、致谢、参考文献、附录（逻辑原理图）。4.时间进度安排：顺序阶段日期计 划 完 成 内 容备注1 2013.12.16内容讲解，绘制流程图打分22013.12.17原理图绘制打分32013.12.18软件介绍打分42013.12.19虚拟电路绘制及仿真打分52013.12.20报告书写及上交打分 2014-7-2沈 阳 工 程 学 院 数字电子技术 课程设计成绩评定表系（部）： 电力学院 班级： 学生姓名： 指 导 教 师 评 审 意 见评价内容具 体 要 求权重评 分加权分调研论证能独立查阅文献,收集资料；能制定课程设计方案和日程安排。0.15432工作能力态度工作态度认真，遵守纪律，出勤情况是否良好，能够独立完成设计工作， 0.25432工作量按期圆满完成规定的设计任务，工作量饱满，难度适宜。0.25432说明书的质量说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。0.55432指导教师评审成绩（加权分合计乘以12） 分加权分合计指 导 教 师 签 名： 年 月 日评 阅 教 师 评 审 意 见评价内容具 体 要 求权重评 分加权分查阅文献查阅文献有一定广泛性；有综合归纳资料的能力0.25432工作量工作量饱满，难度适中。0.55432说明书的质量说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。0.35432评阅教师评审成绩（加权分合计乘以8）分加权分合计评 阅 教 师 签 名： 年 月 日课 程 设 计 总 评 成 绩分中 文 摘 要本小组设计的是多组记忆秒表电路。数字式秒表是电子设计技术中最基本的设计实验之一。电子秒表在生活中的应用,它可广泛应用于对运动物体的速度、加速度的测量实验,还可用来验证牛顿第二定律、机械能守恒等物理实验,同时也适用于对时间测量精度要求较高的场合.测定短时间间隔的仪表。有机械秒表和电子秒表两类。机械秒表与机械手表相仿，但具有制动装置，可精确至百分之一秒；电子秒表用微型电池作能源，电子元件测量显示，可精确至千分之一秒。广泛应用于科学研究、体育运动及国防等方面在当今非常注重工作效率的社会环境中，定时器能给我们的工作、生活以及娱乐带来很大的方便，充分利用定时器，能有效的加强我们的工作效率。秒表重要的性能指标好与坏，应该是准确地测定时间，因此产生精确的脉冲是本设计中的重中之重。555多谐振荡器，是一种性能较好的时钟源。所以用它来输出1000HZ的频率，然后通过分频来获得100HZ的矩形波信号。另外，由集成与非门构成的RS触发器用来赢动和停止秒表的工作，由与非门构成的微分单稳态触发器的职能是为计数器提供清零信号。四个十进制和二个六进制的计数器构成秒表的计数单元，而后，运用锁存器实现对数据的记忆存储功能，最后，通过LED七段显示器来显示出要记录的数据。关键词 牛顿第二定律，机械能守恒，555多谐振荡器，计数器（关键词3-5个）目 录1 设计任务描述11.1 设计题目：秒表11.2 设计要求11.2.1 设计目的11.2.2 基本要求11.2.3 发挥部分12 设计思路22.1 设计功能与应用22.2秒表设计23 设计方框图34 各部分电路设计及参数计算44.1 RS触发器44.2单稳态触发器电路44.3计数器54.4 555多谐震荡器电路64.5 555多谐震荡器构成的10分频电路75 工作过程分析96 元器件清单107 主要元器件介绍117.1脉冲源电路117.2时间计数127.3锁存器137.4七段显示译码器7448137.5 数据分配器74138157.6 LED显示器（七段数码管）16小 结18致 谢19参考文献20附 录 A1 逻辑接线图21附 录 A2 印刷电路板图221 设计任务描述1.1 设计题目：秒表1.2 设计要求1.2.1 设计目的(1) 掌握秒表的构成、原理与设计方法；(2) 熟悉集成电路的使用方法。1.2.2 基本要求(1) 能进行分、秒、0.1秒、0.01秒计时，有独立的时间显示电路；(2) 显示完毕后清零并发出响声。1.2.3 发挥部分 2 设计思路2.1 设计功能与应用记忆秒表是体育运动中常用的计时仪器，它通过按键来控制计时的起点和终点。测定运动项目时需要用秒表，秒表与普通钟表（包括手表）不同，它的目的是对某一时刻到另一时刻的时间间隔进行计时。这种秒表能进行分，秒和毫秒的计时有独立的时间显示，并且能对数据进行记忆存储。然后在记忆存储的基础上，能够实现在需要的情况下，显示最短时间。即运动员的最好成绩2.2秒表设计秒表的最基本的组成部分就是显示，译码，计数组成，但是需要设计的是可以记录多组数据的记忆秒表，就需要寄存器对数据存储。1 设计开关，可以启动及清零。其中需要接入脉冲整形电路，为整个电路提供清零信号。2 设计脉冲源，555多谐振荡电路产生脉冲，作为计数。由于555直接输出100HZ不不稳定，就需要将555输出的HZ调高，经过分频再进行输出100HZ。3 设计0.01秒到分的计数器电路。将计数器接成6进制，10进制的不同进制，进行计数，才会实现秒，分。4 设计可以存储多组数据的寄存器或者琐存器。将每一组数据寸入不同的锁存器，实现对数据的寄存。5 设计译码器，向LED显示起输出。6 设计开关，可是实现对数据的存储和显示。通过开关将数据存入琐存器中，当记录完数据后，还可以通过开关将数据调动出来，在显示器显示。 3 设计方框图LED显示器译码器琐存器555振荡器控制门4 各部分电路设计及参数计算4.1 RS触发器（1）RS触发器 图4.1.1 RS触发器 表4.1.2 RS触发器功能表（2）工作原理： 用集成与非门构成的基本RS触发器，属低电平有效的触发器，有直接置位、复位的功能，其中R称为置0端，S称为置1端，它的一路输出作为单稳态触发器的输入，另一路输出Q作为与非门的输入控制信号，按动按钮开关，则S2复位，再按开关S1，则Q端由0变1，下面的与非门开启，为计数启动作好准备。用集成与非门构成的RS触发器有直接置位，复位的功能，作为启动和停止秒表工作的电路。42单稳态触发器电路（1）电路 波形 图4.2.1单稳态触发器电路 图4.2.2单稳态触发器波形（2）原理介绍将启动和停止电路输出的不规则脉冲整形为具有一定幅度和一定宽度的脉冲，为计数器提供清零信号。启动和停止电路单元的按钮按下, 则此电路输出一个持续时间一定的有效信号( 负脉冲 )。在此期间, 即使按钮有几个连续的负脉冲 , 但电路输出仍保持低电平 , 从而将按钮的抖动屏蔽掉。4.3计数器（1）计数0.01秒脉冲的计数器图4.3.1 计数0.01秒脉冲（2）计数分和秒的计数单元图4.3.2 计数分秒（2）工作原理：0.01计数器是十进制的计数器，从第1片的输出作为第二片的输入，当第一片计为1001时，CP变为1，下一 个CP信号到达时，第二片计数工作状态计为1，而第一片计为0，它的CP计为低电平，第1片的工作状态控制端恒为0，使计数器始终处于工作状态。 秒的计数器是60进制的计数器，它的个为是十进制计数器，十位是六进制计数器。表4.3.3 74LS290功能表4.4 555多谐震荡器电路（1）555多谐震荡器 555多谐振荡器是一种时钟源，它没有稳定状态，同时不需要外加触发器。多谐振荡器输出波形由于555内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，它的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小 图4.41 555多谐震荡器电路 图4.42 555工作波形(2)工作原理 接通电源后，电容被C充电，Vc上升，当Vc上升到2/3Vcc时，触发器被复位，同时放电BJT导通，此时Vo为低电平，电容C通过R2和T放电，使Vc下降。当Vc下降到1/3Vcc时，触发器又被置位，Vo翻转为高电平。电容器放电需要一定的时间，放电时间为,如（4.4.2）所示tPL=R2Cln20.7R2C (4.4.2) 当电容放电结束时，T截止，Vcc将通过R1，R2向电容器C充电，Vc由1/3Vcc上升到2/3Vcc，所需的时间为，如（4.4.3）所示 tHP=(R1+R2)Cln20.7(R1+R2)C (4.4.3) 当Vc上升到2/3Vcc时，触发器又发生翻转，如此周而复始，在输出端就得到一个周期性的方波，其频率为，如（4.4.4）所示f=1/(tPL+tPH)1.43/(R1+2R2)C (4.4.4) 555内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，它的振荡频率受电源电压和温度的变化的影响很小。 4.5 555多谐震荡器构成的10分频电路 4.5.1 555构成的10分频电路 （2）原理介绍 通常555振荡器输出的频率都会很高，电路中555输出的频率为1000HZ，但是计数器需要的是的100HZ的信号输入，这就需要对555振荡器的输出信号进行分频。就须设计一个10进制的计数器，对频率1000HZ的的脉冲进行10分频，在输出端得到周期为0.01秒的脉冲，作为时间的计数单元的输入，这用74LS290就可以实现计数。5 工作过程分析本设计的记忆秒表按功能来分，主要能分成部分。基本RS触发器和单稳态触发器都是由集成与非门构成的，他们分别用来制动和停止秒表的工作，提供清零信号。时钟发生器视用555定时器构成的多谐振荡器，它为计数器产生100HZ的脉冲信号，存储器用来暂存秒表记录的数据，计数及译码显示中，74LS290构成表的计数单元。然后将结果通过共阳极七段译码器显示器显示出来。 （1）首先，用基本RS触发器的按纽开关启动秒表。通过控制R.S与非门触发器来控制多组记忆秒表的启动和停止。当R，S触发器接地 时，使Q=1，Q=O。但稳态触发器有一个稳态和暂稳态，无外加触发信号时，电路处于稳态，在外加触发脉冲作用下，它由稳态进入暂稳态，暂稳态维持一段时间后，电路又自动返回到稳态。（2）通过555振荡器进行脉冲分频。 输出100HZ脉冲作为时钟计数信号；555多谐振荡器发出1000HZ的信号，经过十进制计数器74290分频输出100HZ的脉冲信号。当Q=1，555振荡器发出信号时，信号经过与非门接到74290计数器的低位CP0脉冲输入端，是秒表启动。（3）信号通过计数器74290进行计数。信号经过74290计数器,即计数器最大能计60分。计数器输出信号接到74F543。74F543对测的数据进行保存。按动开关至高电平端。当CP=1时，数据就被存入各触发器中，当CP=0时，数据被锁存在各触发器中。要是被锁存数据输出，可按动开关对其进行控制。（4）秒表停止工作与清零。当RS触发器S接地，即Q=0、Q=1 当Q=0时与非门清零，555振荡器发出信号，计数器74290计数。Q=0时Q=1接到计数器的清零端，使显示器清零6 元器件清单序 号器 件 名 称型 号数 量单 位1显 示 器6片2译 码 器74486片3数据选择器741382片4存 储 器74F5439片5计数器74LS2909片6多谐振荡器5551片7电 阻若干个8电 容若干个9控 制 开 关若干个7 主要元器件介绍7.1脉冲源电路 （1）555多谐震荡器 图7.1.1 555多谐震荡器电路 图7.1.2 555工作波形 图7.1.3 555引脚图(2)工作原理 接通电源后，电容被C充电，Vc上升，当Vc上升到2/3Vcc时，触发器被复位，同时放电BJT导通，此时Vo为低电平，电容C通过R2和T放电，使Vc下降。当Vc下降到1/3Vcc时，触发器又被置位，Vo翻转为高电平。电容器放电需要一定的时间，当电容放电结束时，T截止，Vcc将通过R1，R2向电容器C充电，Vc由1/3Vcc上升到2/3Vcc，当Vc上升到2/3Vcc时，触发器又发生翻转，如此周而复始，在输出端就得到一个周期性的方波.其频率公式为f=1.43/(R1+2R2)C7.2时间计数 （1）74LS290构成的6、10进制电路 图7.2.1 构成10进制计数器 图7.2.2 构成2进制计数器图7.2.3 74LS290管脚图 （2）74LS290原理表7.1.3 74LS290功能表它由1个1位二进制计数器和1个异步五进制计数器组成。如果计数脉冲由CPA端输入，输出由QA端引出，即得二进制计数器；如果计数脉冲由CPB端输入，输出由QBQD引出，即是五进制计数器；如果将QA与CPB相连，计数脉冲由CPA输入，输出由QAQD引出，即得8421码十进制计数器。因此,它又称为二-五-十进制计数器。7.3 锁存器 7.3.1 8接收发送双向锁存器 7.3.2 引角图 7.3.3 表74F543功能表7.4七段显示译码器7448（1）译码器7448 图 7.4.1 7448译码器 图7.4.2 7448引角图（2）原理介绍 表7.4.3 7448功能表 7448是七段显示译码器，它是分段数码管利用不同发光段组合的方式显示不同数码的。为了使数码管能够将数码所代表的数显示出来，必须将数码经译码器译出，然后经过驱动器点亮所对应的段。7448输出高电平有效，用以驱动共阴极显示器。该集成显示器设有多个辅助控制端，以增强器件的功能。它有3个辅助控制端LT、RBI、BI/RBO，现分别简要说明如下： 灭灯输入BI/RBOBI/RBO是特殊控制端，有时作为输入，有时作为输出。当BI/RBO作输入使用且BI=0时，无论其他输入端是什么电平，所有各段输出ag均为0，所以字形熄灭。 试灯输入LT当LT=0时，BI/RBO是输出端，且RBO=1，此时无论其他输入端是什么状态，所有各段输出ag均为1，显示字形。该输入端常用于检查7448本身及显示器的好坏。 动态灭零输入RBI当LT=1，RBI=0且输入代码DCBA=0000时各段输出ag均为低电平，与BCD码相应的字形熄灭，故称“灭零”。利用LT=1与RBI=0可以实现某一位0的“消隐”。此时BI/RBO是输出端，且RBO=0。 动态灭零输入RBOBI/RBO作为输出使用时受控于LT和RBI。当LT=1且RBI=0，输出代码DCBA=0000时，RBO=0；若LT=1且RBI=1，则RBO=1。该端主要用于显示多位数字时，多个译码之间的连接。 由功能表还可以看出，对输入代码0000，译码条件是：LT和RBI同时等于1，而对其他输入代码则仅要求LT=1，这时候，译码器各段ag输出的电平是由输入BCD码决定的，并且满足显示字形的要求。7.5 数据分配器74138（1）74138数据分配器 图7.5.1 74138数据分配器 图7.5.2 74138引角图（2）功能介绍 表7.5.3 74138功能表数据分配器的作用相当于多个输出的多掷开关，其示意图如7.5.4。这样我通过一个开关，外加一个分频器，数据分配器，构成一个电路，就可以实现一个开关对多组数据的存储及调动。 图7.5.4 数据分配器示意图7.6 LED显示器（七段数码管）（1）LED显示器 图6.9.1 LED显示器(2)功能介绍表7.9.2 7段LED显示器字符段码LED显示器在许多的数字系统中作为显示输出设备，使用非常广泛。它的结构是由发光二极管构成如图所示的a、b、c、d、e、f和g七段，并由此得名，实际上每个LED还有一个发光段，一般用于表示小数点，所以也有少数的资料将LED称为八码管。LED内部的所有发光二极管有共阴极接法和共阳极接法两种，即将LED内部所有二极管阴极或阳极接在一起并通过com引脚引出，并将每一发光段的另一端分别引出到对应的引脚，LED的引脚排列一般如图所示，使用时以具体型号的LED资料为依据。通过点亮不同的LED字段，可显示数字0，1,，9和A，b，C，d，E，F等不同的字符及自定义一些段发光代表简单符号。com端接5V电压，其它引脚端通过限流电阻接到锁存器74ACT11373的输出，当各段输入端为逻辑“1”，对应的LED不亮；各段输入端为逻辑“0”时，对应LED才发亮。使用时要根据LED正常发光需要的电流参数估算限流电阻取值。电阻取值越小，电流大，LED会更亮，但要注意长时间过热使用烧坏LED。LED多数情况用于显示十进制数字，要将09的数字用7段显示，必须将数字转换为LED对应七段码的信息，比如，要显示“0”，就是让a、b、c、d、e和f段发光，显示“1”，让b和c段发光，等等如表3.2.1所示。然后根据LED是共阴极还是共阳极接法确定LED各输入端应接逻辑1还是逻辑0，如果是共阳接法，要显示“0” 时，a、b、c、d、e和f段就要输入逻辑0，共阴极接法则恰巧相反。也就是说，对于共阴极和共阳极两种不同的接法，显示同一个字符时，对应的显示段码是不同的，互为反码。下表列出了这两种接法下的字形段码关系表。表中的段码数字是以LED的8段与二进制字节数以下列对应关系为前提得到的：比如为了显示“0”，对应共阴极应该使D7D6D5D4D3D2D1D0 = 00111111B，即3FH；对共阳极应该使D7D6D5D4D3D2D1D0 = 11000000B，即C0H。如表所示，从表中可以看出，对于同一个显示字符，共阴极和共阳极的七段码互为反码。小 结时间过得真快，转眼间为期一个星期的电子课程设计就要结束了。在这短短的一周时间里,我却收获很多东西，同时也深刻的体会到了自己知识的匮乏。在掌握课本知识的基础上，通过这次学习，充分的锻炼了自己的动手能力,让我懂得了理论与实践相结合的重要性。电子课程设计从一开始我就感觉到了难度，所以认真的对待了这次课程设计，一直没有松懈，还好的就是顺利的完成老师交代的任务，但是还是感觉到了一些压力，时间对于我来说，有些紧张，在这一周内完成这一系列的任务，真的感觉到了压力。对秒表这个任务，多少还能从实际的秒表得到一些启发，所以基本思路很快就定下了。并且在图书馆里我还找到了一些关于秒表，以及时钟的一些介绍，这对于我再画秒表这个电路图，还是有很大的帮助。但是真正到画草图，选择适当的元器件时，还是感到了些许的难度，当我看到无数的器件，想找一个最适当的，很难，但是在向老师的请教，同学的探讨中，确定了一些合适的器件，但是到电路中运用的时候还会发现在这些器件中还会有不会合适的，但是都由于在对电路越来越深的了解，功能的熟悉中，逐渐的换掉了。在老师的耐心指导下，同学的热心帮助下，我终于顺利地完成了任务。尽管如此，但是我仍觉得在本次设计中还存在着许多不足的地方。我在以后学习中应该改进。通过这次对数字式秒表的设计与制作，让我了解了设计电路的程序，也让我了解了关于数字秒表的原理与设计理念。在此次的数字秒表设计过程中，我更进一步地熟悉了芯片的结构、管脚图、功能表及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法。而且这些知识是对我们大学生来说十分宝贵的实践经验，是无法在课堂上获得的，是现今社会最重视的同时也是我们最需要提高的部分。电子课程设计对学到的知识很好的加以联系，一些看上象是很独立的知识点都会在设计电路中出现，并且要和其他的器件加以联系，使整个电路发挥到需要的作用，这就对整个电子的知识点都起到了重新的学习，更深的了解，对学习，理解电子课有很大的帮助。这次课程设计，对我自己来说是深有体会，发现了自己许多的不足之处，知识的储备还是不够，导致自己有一些想法没有在电路中体现出来，这也是我这次课程设计的遗憾之一。在以后的学习中，我会更加努力的学习知识，增加知识量，使自己在以后的实习、课程设计等等的动手实践中，更好、更出色的完成任务。致 谢电子课程设计结束了。在这次设计的过程中，我首先要感谢的就是我们的指导教师，因为在整个过程中如果没有她的耐心指导，我们不会那么顺利地完成任务。为了帮我们修改图稿和调试，从不吝啬自己的时间，即使是耽误了自己的休息时间也不在乎。对于同学提出的问题，更是有问必答，耐心讲解。就算我们的提问不够睿智，她也从不介意，这些都让我深深地感动。对于老师，每天看到你一大早就来到教室答疑，对于每个学生提出的问题都毫不厌烦地进行解答，你不仅将书本的知识教给了我们，还将实际运用中出现的问题也一一地告诉了我们，让我们发现这比从书本上学知识有意思得多，也让我们对模电这门课程有了更浓厚的兴趣。每天晚上，走得最晚的也是你，看着围在身边的同学一个个带着满意的答案离去时，你的脸上浮现出从来没有的笑容，教书育人，这是你们的一种生活态度，春蚕到死丝方尽，蜡炬成灰泪始干，这一句诗歌形容你们再贴切不过了，你们燃烧了自己点亮了他人，在我们看来，您就是世界上最可爱的人。另外，我要感谢我亲爱的同学们，是他们一直陪在我身边，和我并肩奋斗，使我有信心完成自己的工作。在课设的过程中，每个人都尽自己的最大努力去做好每一件事。当时在分组设计时，我们都想挑个简单的模块做，早点做完早点完事，但是后来发现每个模块都不是很简单的时候，我们才意识到团结一致才是克服困难的最大动力。当遇到一个完全没有头绪的问题时，是你们帮我上网查找资料，网上没有的还去图书馆里找专业书查信息，每当得到你们的帮助时，我感觉到家其实离我并不遥远，你们就是我最温暖的家。通过这次课程设计，拉近了我们同学们之间的距离，让我们感受到了家的温暖。最后，我要再次感谢老师和那些给予我帮助的同学们，是你们让我顺利完成了课程设计，增长了许多实践的经验，更体验到了大家团结互助的温暖，将理论和实践有机地结合在一起，在学到了知识的同时又团结了同学，通过这次模电课程设计，让我感受到了大学生活给我们带来的乐趣，还要感谢一下学校给了我们这次课程设计的机会，希望学校以后能多给我们几次这样锻炼自己的机会，这不仅仅时一次简单的实训，更是将书本和实践结合起来的一次好机会，再一次对帮助过我的老师同学进行感谢！参考文献1 陈梓城等，实用电子电路，北京：中国电力出版社，20062 梅开乡.数字逻辑电路学习与实训指导.北京：电子工业出版社，20043 汤山俊夫.数字电路设计与制作.北京：科学出版社，19844 卓郑安.电路与电子实验教程及计算机仿真.北京：北京机械出版社，20005 赵负国.数字逻辑集成电路.北京：化学工业出版社，19996 江一鸣.数字电子技术实验指导.苏州：苏州大学出版社，19967 www.21IC.com 附 录 A1 逻辑接线图附 录 A2 印刷电路板图