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1、数字电子技术课程设计秒表的制作任务书 摘要：随着电子技术的发展，电子技术在各个领域的运用也越来越广泛，渗透到人们日常生活的方方面面，,掌握必要的电工电子知识已经成为当代大学生特别是理工类大学生必备的素质之一。 而我们这次设计的是秒表，现代秒表的设计上功能不断完善，在时间的设计上不断的精确，人们也利用了电子技术以及相关的知识解决了一些实际问题。秒表的设计是由555芯片提供的，秒表时间由相关的电阻与电容的大小决定。除了时间的设计精确外，秒表还在功能上有所改变，如实现倒计时。电子秒表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
2、度要求较高的场合，如测定短时间间隔的仪表。秒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。 本次我门设计的秒表，是以555定时器为核心，以分频、计数与译码显示模块为主要构成部分的电子秒表的设计方案，充分利用数字电路的计数、译码、显示的优良特性，使整个设计达到了比较满意的效果。基本电路主要有时基产生电路、电源电路、分频电路
3、、计数与译码电路（包括显示电路）、开关按钮电路。所设计的电子秒表达到了设计要求的各项指标，并且在这个基础上进行了功能扩展，系统具有随时启动、停止以及清零功能。这次设计中不但对以前的知识进行巩固，而且学会了更多的新知识，提高思维、强化动手能力，能够更好地适应和走上工作岗位，为以后的就业打下一定的基础。关键词：电子秒表，555定时器，分频，计数，译码目录绪论5第一章：设计要求.6 1.1设计说明.6 1.2 设计要求.6第二章：方案设计7 2.1 方案一.7 2.2 方案二.7第三章：原理设计8 3.1基本RS触发器的设计8 3.2 单稳态触发器设计.9 3.3 时钟发生器设计.9 3.4 计数及
4、译码显示设计.10第四章：硬件设计.12 4.1 PCB设计12 4.2 打印与压制.13 4.3 腐蚀铜板及钻孔.14 4.4 焊接与装配.14 4.5 电路调试.14 4.6 测试.15第五章：秒表组成及使用说明17 5.1 秒表框图，各部分组成.17 5.2 使用说明.17设计总结.18参考文献.19附录.19 原理图.20 PCB图.21 元件清单22绪论目前数字电子技术已经广泛地应用于计算机、自动控制、电子测量仪表、电视、雷达、通信等各个领域。例如在现代测量技术中，数字测量仪表不仅比模拟测量仪表精度高、功能强，而且容易实现测量的自动化和智能化。随着集成技术的发展，尤其是中、大规模和超
5、大规模集成电路的发展，数字电子技术的应用范围将会更广泛地渗透到国民经济的各个部门，并将产生越来越深刻的影响。随着现代社会的电子科技的迅速发展，要求我们要理论联系实际，数字电路课题设计的进行使我们有了这个非常好的机会，通过这种综合性训练，我们的动手能力、实际操作能力、综合知识应用能力得到了更好的提升。 我们作为电子信息工程技术的专业的学生，更需要去越来越多的去接触、认识和掌握高速发展的精端数字电子技术，进而去培养自己把理论知识运用于实际操作的素养，真正的把自己打造成为电子信息人才。而本次课程设计对于我们来说十分的珍贵，我们小组设计的是电子秒表。这次秒表设计是以555定时器为核心，以分频、计数与译
6、码显示模块为主要构成部分的电子秒表的设计方案。充分利用数字电路的计数、译码、显示的优良特性，使整个设计达到了比较满意的效果。系统具有随时启动、停止以及清零功能，达到了设计要求。做完这次设计中不但对以前的数电知识进行巩固，而且学会了更多的新知识，提高了思维活跃性、强化了动手能力，并且为我们掌握数字逻辑控制技术、单片机中的数字逻辑的应用技术、可编程逻辑器件的应用奠定了操作基础，这种动手能力的强化更为以后工作奠定了基础。第一章 设计的要求1.1 设计说明本次设计的电子秒表是以中规模TTL集成电路、CMOS集成电路和LED数码显示器为主要部件的电子秒表。主要有时基产生电路、电源电路、分频电路、计数与译
7、码电路（包括显示电路）、开关按钮电路。本设计主要是以模拟电子技术和数字电子技术控制为主。1.2 设计要求1制作一个频率为50Hz时钟发生装置。2通过分频电路，输出周期为0.1秒的计数脉冲。3利用计数器接受分频电路输出的计数脉冲，并通过数码显示器显示出来，完成0.1秒9.9秒的秒表计时。4使用触发器及其它外围电路制作电子秒表的控制开关，实现“开始计数”，“停止并保持计数”和“清零并准备重新开始计数”的功能，在秒表计数期间应使“开始计数”和“清零并准备重新开始计数”无效。第二章 设计方案2.1 方案一：用数字电路实现秒表（分四个模块）（1）555时钟发生模块利用555定时器实现的多谐振荡电路能够完
8、成时钟信号发生器的功能，通过调节电路中的可变电阻使多谐振荡器的输出信号频率为50HZ。（2）分频电路模块利用74LS290将输入为50Hz频率的时钟脉冲进行分频变为10Hz的信号输出，即周期为0.1秒。（3）输出及显示模块两个74LS290分别连接成十进制计数器，一个输出十分之一秒，一个输出整秒，并通过两个数码显示器显示0.19.9秒的秒表数值。（4）控制电路利用基本RS触发器生成控制电路：S有效，则Q端输出高电平，控制时钟信号输出到分频电路，实现“开始计数”；同时Q非端输出的低电平使“清零并准备重新开始计数”无效；R有效，则时钟信号被屏蔽，电子秒表保持当前数值不变，同时允许“清零并准备重新开
9、始计数”信号输入。注意，设计时要避免基本RS触发器出现不定态。2.2 方案二： 用单片机设计秒表利用单片机的定时器/计数器定时和记数的原理，结合显示电路、LED数码管以及按键来设计计时器。将软、硬件有机地结合起来，使得系统能够正确地进行加、减（倒）计时，数码管能够正确地显示时间。方案选用：单片机以其强大灵活的指令处理功能，可设计出功能多、易修改的秒表。在增加功能时，不必变动硬件电路，但是由于我们现在还没有正式接触和学习单片机知识，所以这次采用第一种方案来完成课程设计。第三章 原理设计3.1 基本RS触发器设计（如图一）本设计为用集成与非门构成的基本RS触发器。属低电平直接触发的触发器，有直接置
10、位、复位的功能。它的一路输出Q作为单稳太触发器的输入，另一跟路输出Q作为与非门5的输入控制信号。按动按钮开关K2（接地），则门1输出=1；门2输出Q=0，K2复位后Q、状态保持不变。再按动按钮开关K1；则Q由0变为1，门5开启，为计数器启动作为准备。由1变0，启动单稳态触发器工作。基本RS触发器在电子秒表中的职能是启动和停止秒表的工作。图1电子秒表部分的电路图3.2 单稳态触发器设计图1中单元为用集成与非门构成的微分型单稳态触发器，图2为各点波形图。单稳态触发器的输入触发负脉冲信号Vi 由基本RS触发器Q非端提供，输出负脉冲Vo 通过非门加到计数器的清除端R。静态时，门4应处于截止状态，故电阻
11、R必须小于门的关门电阻Roff。定时元件RC取值不同，输出脉冲宽度也不同。当触发脉冲宽度小于输出脉冲宽度时，可以省去输入微分电路的Rp和Cp。单稳态触发器在电子秒表中的职能是为计数器提供清零信号。3.3 时钟发生器设计图1中单元为用555定时器构成的多谐振荡器，是一种性能较好的时钟源。调节电位器 RW ，使在输出端3获得频率为50HZ的矩形波信号，当基本RS触发器Q1时，门5开启，此时50HZ脉冲信号通过门5作为计数脉冲加于计数器的计数输入端CP2。 图2 单稳态触发器波形图 图3 74LS90引脚排列3.4 计数及译码显示设计二五十进制加法计数器74LS90构成电子秒表的计数单元，如图1中单
12、元所示。其中计数器接成五进制形式，对频率为50HZ的时钟脉冲进行五分频，在输出端QD 取得周期为0.1S的矩形脉冲，作为计数器的时钟输入。计数器及计数器接成8421码十进制形式，其输出端与实验装置上译码显示单元的相应输入端连接，可显示0.10.9秒；19.9秒计时。注：集成异步计数器74LS9074LS90是异步二五十进制加法计数器，它既可以作二进制加法计数器，又可以作五进制和十进制加法计数器。图3为74LS90引脚排列，表4为功能表。通过不同的连接方式，74LS90可以实现四种不同的逻辑功能；而且还可借助R0(1)、R0(2)对计数器清零，借助S9(1)、S9(2)将计数器置9。其具体功能详
13、述如下：(1)计数脉冲从CP1输入，QA作为输出端，为二进制计数器。(2) 计数脉冲从CP2输入，QDQCQB作为输出端，为异步五进制加法计数器。(3) 若将CP2和QA相连，计数脉冲由CP1输入，QD、QC、QB、QA作为输出端，则构成异步8421码十进制加法计数器。(4) 若将CP1与QD相连，计数脉冲由CP2输入，QA、QD、QC、QB作为输出端，则构成异步5421码十进制加法计数器。(5) 清零、置9功能。a）异步清零当R0(1)、R0(2)均为“1”；S9(1)、S9(2)中有“0”时，实现异步清零功能，即QDQCQBQA0000。b）置9功能当S9(1)、S9(2)均为“1”；R0
14、(1)、R0(2)中有“0”时，实现置9功能，即QDQCQBQA1001。输 入输 出功 能清 0置 9时 钟QD QC QB QAR0(1)R0(2)S9(1)S9(2)CP1 CP21100 0000清 00011 1001置 90 00 0 1QA 输 出二进制计数1 QD QC QB输出五进制计数 QAQD QC QB QA输出8421BCD码十进制计数QD QA QD QC QB输出5421BCD码十进制计数1 1不 变保 持图4第四章 硬件的设计4.1 PCB的设计绘制电路PCB一波三折，花去了我们好多时间。让我感触最深的就是在用PROTEL绘制电路原理图时，你一定要搞清楚元件放在
15、哪个元件库，要知道它的封装，不然做起来很麻烦。在我们绘制原理图的过程中，发现了好多要用的元件和PROTEL上元件库上的元件根本不一样，这过程中最复杂的就是画PCB了，因为封装的问题，我们画时都有错误，无法导入网络表。在和同组的同学经过努力细心的找课本，上网查资料，最后终于把错误一一解决，最终画出的原理图和PCB图如附录1、附录图2。下面是通过通过尝试和查资料总结华PCB的一些方法规则：在任何设计中，PCB板的物理设计都是最后一个环节,此过程非常重要，关系到整个设计的外观是否好看。如果设计方法不当，PCB可能会造成电子秒表参数的精确性，比如数码管显示有缺损段码、读数不正确等。以下针对各个步骤中所
16、需注意的事项进行分析：从原理图到PCB的设计流程：建立元件参数导入原理网络表-设计参数设置-手工布局-手工布线-验证设计复查-CAM输出。参数设置相邻导线间距必须能满足电气安全要求，而且为了便于操作和生产，间距也应尽量宽些。最小间距至少要能适合承受的电压,在布线密度较低时，信号线的间距可适当地加大，对高、低电平悬殊的信号线应尽可能地短且加大间距，一般情况下将走线间距设为8mil。焊盘内孔边缘到印制板边的距离要大于1mm，这样可以避免加工时导致焊盘缺损。当与焊盘连接的走线较细时，要将焊盘与走线之间的连接设计成水滴状，这样的好处是焊盘不容易翘皮，而且走线与焊盘不易断开。 元器件布局实践证明，即使电
17、路原理图设计正确，印制电路板设计不当，也会对电子设备的可靠性产生不利影响。例如,如果印制板两条细平行线靠得很近，则会形成信号波形的延迟，在传输线的终端形成反射噪声；由于电源、地线的考虑不周到而引起的干扰，会使产品的性能下降，因此，在设计印制电路板的时候，应注意采用正确的方法。布局时要符合的原则： 首先要考虑PCB尺寸大小，本设计的电路板形状为矩形,长宽比为3：2，位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于2mm。放置器件时要考虑以后的焊接，不要太密集。以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局，易受干扰的元器件不能相互挨得太近，输入和输出元件尽量远离。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在
18、PCB上，尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接，稳定芯片性能的电容尽量靠近芯片。在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列。按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号可能保持尽一致的方向。布局的首要原则是保证布线的布通率，移动器件时，注意飞线的连接，把有连线关系的器件放在一起。尽可能地减小环路面积。进行全局布线的时候,还须遵循以下原则：（1）布线方向：从焊接面看,元件的排列方位尽可能保持与原理图相一致,布线方向最好与电路图走线方向相一致。（2）设计布线图时走线尽量少拐弯,印刷弧上的线宽不要突变,导线拐角不能90度,力求线条简单
19、明了。（3）印刷电路中不允许有交叉电路,对于可能交叉的线条,可以用“钻”、“绕”两种办法解决。（4）跳线应为红色，焊盘大小横坐标、纵坐标都为100mil，否则钻的孔不够大，跳线接不上，跳线尽可能短而且为直线。4.2 打印与压制PCB板制好后进行打印,打印要求是黑白激光打印机,选择搽纸能力强打印速度相对较慢的机型,因打印介质是转印纸,着墨面是光滑的,搽纸能力不强的机可能无法打印。因为转印纸着墨面附着碳粉不是很牢,打印速度快的机型打印在转印纸上的碳粉容易脱落。打印好以后就是转印,转印就是将转印纸上附着的碳粉转印到铜板上.该布骤一定要小心,否者容易引起脱落移位断线,导致制作的线路板性能不良.敷铜板处
20、理.用细砂只打磨掉铜板表面上的污迹,特别的手指纹等,并打磨敷铜板边沿四周,以便碳粉良好的附在敷铜板上。将转印上有碳粉走线的地方紧贴在敷铜板的铜铂上,务必要紧贴且不能左右移动,否则转印纸时容易出现走线移位断线的情况。将转印纸的敷铜板送到转印机,转印机事先欲热130度左右,为保证所有的碳粉全部敷到板上可同一走向转印几次。待敷铜板冷却后,再轻轻的撕掉转印纸。4.3 腐蚀铜板及钻孔将工业用三氯化铁放进容器中,按1:2到入热,不断的摇晃容器,待融化后放入敷铜板,铜箔面向上,以避免碳粉因和容器底摩擦而脱落,待未被碳粉腐蚀的铜箔被腐蚀完后,取出铜板用清水洗干净擦，并用砂纸打磨掉导线上的黑色杂质。根据焊盘的孔
21、径选择合适的钻头。孔径1.5mm以下的可以用高速钻床。钻头钻入线路的瞬间不能移动，否则极易导致钻头折断。1.5以上的孔可以用高速钻床钻孔，钻完用小刀除去孔的边缘。4.4 焊接与装配净化元件引脚和焊点表面，加热焊件，使其温度到达焊锡融化温度，把已净化的引线置与焊点上，用电烙铁头接触两者加热，用焊锡接触焊接点，待焊锡融化后，立即移开焊锡，再移开烙铁。在焊接重要注意焊接方法，并且检查防止虚焊和漏焊，焊点相近及焊点与导线相近的防止短路，到现有短路的用焊锡补上。4.5 电路调试电路的调试是一个重大的过程，调试的好坏就直接关系了作品的成功与否。在设计电子秒表的过程中，我不断地调试，不断地改进，从一个发现问
22、题到解决问题的过程。避免重做，浪费时间和精力，节省开销。（1）先从电源开始调试。电源是整个设计首先要解决的问题，主要 是看电源电路的输入输出是否正常，是否是+5V，当电压的波动较大时，要看整流电路是否正确，否则电压过大电路元件可能会烧坏。（2）时基产生电路的调试。555定时器是否起振关系到整个电路的 功能，用示波器探头，正极接555定时器的3脚，负极接地，起振则在3脚有方波输出。（3）分频电路的调试。SN74LS90本设计是按五分频来接的，由于 555定时器产生0.02S的时钟信号，通过SN74LS90的分频产生0.1S的脉冲信号。SN74LS90的输出信号关系到电子秒表的精确度，所以此部分的
23、设计很关键。（4）计数部分与译码电路的调试。CD4518计数通过CD4511译码转化为共阴数码管段码，然后显示。（5）开关按钮电路的调试。这部分的调试工作有两方面，第一是要调试启动、停止按钮是否能实现，第二要调试CD4518能否正常受开关控制，要达到清零功能则要先按停止键再按清零键。4.6 测试1基本RS触发器的测试2单稳态触发器的测试(1) 静态测试用直流数字电压表测量A、B、D、F各点电位值。记录之。(2) 动态测试输入端接IKHZ连续脉冲源，用示波器观察并描绘D点F点波形如嫌单稳输出脉冲持续时间太短难以观察，可以适当加大微分电容c(如改为01 u)待测试完毕再恢复4700P。3、时钟发生
24、器的测试用示波器观察输出电压波形并测量其频率调节R4，使输出矩形波频率为50Hz。4、计数器的测试(1) 计数器接成五进制形式记录测试过程。(2) 计数器及计数器接成8421码十进制形式记录测试过程。(3)将计数器、级连进行逻辑功能测试。记录之 第五章 秒表组成及使用说明5.1 秒表的组成框图本设计的总思路是利用一个振荡器，产生一个时钟脉冲，信号经过分频之后分两步计数，一路低位计数0.00.9秒，另一路是高位计数09秒，然后，将产生的信号通过译码电路，将位计数0.00.9秒和高位计数09秒利用显示器来显示。5.2 使用说明 先按一下按钮开关K2，此时电子秒表不工作，再按一下按钮开关K1，则计数
25、器表零后便开始计时，观察数码管显示计数情况是否正常，如不需要计时或暂停计时，按一下开关K2，计时立即停止，但数码管保留所计时之值。利用电子钟或手表的秒计时对电子秒表进行校准。设计总结（1）通过两个周的忙碌，我们小组终于将电子秒表的课程设计以及实验报告完成了。这次设计的电子秒表具有随时停止、启动的功能，最大读数为9.9秒，为了提高电子秒表的功能扩展、性能优化、智能化设计，还添加了清零功能。（2）在制作计的过程中学到了很多东西，锻炼了我我们理论联系实际和动手实践的能力。通过把应用到的一些数电理论知识运用于实际物件的制作中，极大的激发了我们对专业知识学习的兴趣，更热衷于对在实际生活中运用到的数字电子
26、物件实例进行原理的分析和功能的思考。（3）这次设计中我用到了模拟电路、数字电路、逻辑电路、Protel99等课程学到的知识，加强了知识的系统性、完整性学习。在整个设计中我进一步了解了PCB板的制作，更多的熟悉Protel软件的功能以及对原理图和PCB的特出处理方法；了解和掌握了像555芯片、74LS90芯片 等的功能和在电路中的应用：学习了RS触发器、单稳态触发器、时钟脉冲发生器、计数器、分频器和显示器的基本知识及相关知识。（4）由于时间较短，工作量大较大，在这次设计中，我们小组三人密切合作，分工协作，互相帮助，互相督促，如期完成。极大的锻炼了我们集体的团队合作精神，细心、端正，搞笑的做事态度
27、，为以后的工作积累了经验。（5）在设计前，当设计好合适的原理图时，一定要分析，其原理，是否能实现其功能，并通过V-ELEQ软件的仿真检测。看其是否可行，然后决定是否采用该电路，避免做无用功。（6）在设计过程中，一定要熟悉各芯片引脚功能，查找元件是否容易购买，价格方面是否合理，当购买不到或价格较贵，要考虑用其他近似功能的原件代替实现其在电路中的功能。（7）设计好电路图之后，购买元器件时一定要注意不要买错了元器件，必须了解各元件名称及参数，拿到元器件时认真校队，否则，设计难以成功。（8）由于电路复杂，导线较多，一定要注意布线合理，焊盘的设置大小要合适，一方钻孔时把焊盘铜箔完全钻掉，导致电路性能较差。焊接时，连接可靠，防止虚焊、假焊。（9）实物安装完成后，注意调试，在调试时一项一项调试，出现问题，通过分析查资料自己想办法解决，解决不了及时向老师请教。参考资料 参考文献1、电子电路设计与实践，姚福安编著。山东科学技术出版社2、电子技术基础课程设计 ，粱宗善 。华中理工大学出版社3、数字逻辑电路设计与实验，绳广基编著。上海交通大学出版社4、黄继昌等主编，数字集成电路应用300例，人民邮电出版社附录18