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1、数字式秒表一、 课程设计的目的和任务数字式秒表从原理上讲是一种典型的数字电路，其中包括了组合逻辑电路和时序电路。本次实验所做数字式秒表由信号发生系统和计时系统构成。由于需要比较稳定的信号，所以信号发生系统555定时器与电阻和电容组成的多谐振荡器构成，信号频率为100HZ。计时系统由计数器、译码器、显示器组成。计数器由74 LS160构成，由十进制计数器组成了一百进制和六十进制计数器，采用异步进位方式。译码器由74LS48构成，显示器由数码管构成。具体过程为：由晶体震荡器产生100HZ脉冲信号，传入计数系统，先进入计数器，然后传入译码器，将4位信号转化为数码管可显示的7位信号，结果以“分”、“秒
2、”、“10毫秒”依次在数码管显示出来。该秒表最大计时值为99分59.99秒，“分”和“10毫秒”为一百进制计数器组成，“秒”为六十进制计数器组成。在本次实验中，我主要负责用555定时器产生一个频率为100Hz的脉冲信号，设计一百进制计数器和六十进制计数器。设计任务：1. 设计并制作符合要求的电子秒表。秒表最大计时值为99分59.99秒。2. 秒表由6位7段LED显示器显示，其中2位显示“min”,4位显示“s”,其中显示分辨率为“0.01s”。3. 计数器最大值到99min59.99s,计数误差不超过0.01s.4. 具有清零、启动计数、暂停计数及继续计时等控制功能。二、电路分析与设计（一）系
3、统分析数字式秒表从原理上讲是一种典型的数字电路，其中包括了组合逻辑电路和时序电路。本次实验所做数字式秒表由信号发生系统和计时系统构成。计时系统由计数器、译码器、显示器组成。计数器由74 LS160构成，由十进制计数器组成了一百进制和六十进制计数器，采用异步进位方式。译码器由74LS48构成，显示器由数码管构成。具体过程为：由晶体震荡器产生100HZ脉冲信号，传入计数系统，先进入计数器，然后传入译码器，将4位信号转化为数码管可显示的7位信号，结果以“分”、“秒”、“10毫秒”依次在数码管显示出来。该秒表最大计时值为99分59.99秒，“分”和“10毫秒”为一百进制计数器组成，“秒”为六十进制计数
4、器组成。由于数字式秒表计数的需要，故需要在电路上加一个控制电路，该控制电路清零、启动计数、暂停及继续计时等控制功能，同时100HZ的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。数字电子钟的总体图如图1所示。由图可见，数字电子钟由以下几部分组成：555振荡器和分频器组成的秒脉冲发生器；防抖开关；秒表控制开关；一百进制秒、分计数器、六十进制秒计数器；以及秒、分的译码显示部分等。数码管显示毫秒数码管显示秒数码管显示分钟排阻排阻排阻清零开关暂停计数、继续计数开关 消 抖 电 路图1 原理流程图（二）、单元电路设计与分析、秒信号发生器 555定时器的功能555定时器组成及工作原理如下
5、：图2 555定时器电路结构图如图2是555定时器电路结构的简化原理图和引脚标识。由电路原理图可见，该集成电路由下述几部分组成：串联电阻分压电路、电压比较器U1和U2、基本RS触发器、放电三极管T以及缓冲器G（U6A）组成。（U11：6引脚，U12:2引脚，输出Uo:3引脚，R，S引脚低电平有效）定时器的功能主要取决于比较器，比较器U1和U2的输出控制着RS触发器和放电三极管T的状态，RD为复位端。当RD=0时，输出U0=0,T管饱和导通。此时其他输入端状态对电路清零0状态无影响。正常工作时，应将RD接高电平。当控制电压输入端5脚悬空时，比较器U1、U2的基准电压分别是2Ucc/3和Ucc/3
6、。如果5脚Uic外接固定电压，则比较器U1、U2的基准电压为Uic和Uic/2。 由图2中可知，若5脚悬空，当U112Ucc/3,U12Ucc/3时，比较器U1、U2分别输出高电平和低电平，即R=1, S=0, 使基本RS触发器置1，放电三极管T截止，输出Uo为高电平。当U11Ucc/3时，比较器U1和U2输出均为高电平， 即R=1, S=1。RS触发器维持原状态， 使Uo输出保持不变。当U112Ucc/3，U12Ucc/3时，比较器U1输出低电平，比较器U2输出高电平，即R=0，S=1，基本RS触发器置0，放电三极管T导通，输出Uo为低电平。当U112Ucc/3，U12Ucc/3时，比较器U
7、1、U2均输出低电平，即R=0，S=0。输出Uo为高电平，同时放电三极管T截止。当U112Ucc/3，U122Ucc/3Ucc/3低导通1Ucc/3不变不变12Ucc/32Ucc/3Ucc/3高截止、555构成的多谐振荡器 当接通电源Ucc后，电容C上的初始电压为0 ，比较器U1、U2输出为1和0，使Uo=1,使放电管T截止，电源通过R1、R2向C冲电。Uc上升至2Ucc/3时，RS触发器被复位，使Uo=0,T导通，电容C通过R2到地放电，Uc开始下降，当Uc降到Ucc/3时，输出Uo又翻回到1状态，放电管T截止，电容C又开始充电。如此周而复始，就可在3脚输出矩形波信号。图3 555构成的多谐
8、振荡器电路图图4 555多谐振荡器工作波555定时器构成的多谐振荡器的振荡周期为电容的放电时间t1和电容的充电时间t2之和：（3）、多谐振荡器仿真图根据设计要求，需要产生一个频率为100HZ的信号，由于f=1/T,带入可以算出R1=R1=4.8K,在仿真软件上仿真的时候我们可以设置电阻为4.75K，加上一个100的电位器来调节脉冲信号的精确度，设置其增量为50%。就可以得到一个频率为100HZ的脉冲了图5 555构成多谐振荡器仿真图用频率计测得555定时器产生的脉冲频率为99.755Hz,如下图所示： 图6 555定时器产生的脉冲频率 消抖电路 长期在开关状态下工作的高频开关电源容易受高次谐波
9、的干扰，为了抵抗干扰，保持电路的稳定性，需要引入了消抖电路。消抖原理：具有锁存功能所致，由两个集成与非门元件构成。接在机械开关K1的后面，防止开关K1在打开和闭合时一些假信号串入逻辑电路。图7 消抖开关图、分、秒、毫秒计数器电路设计 （1）、选择计数器的方案这里我们选择用计数器74LS160芯片，通过乘数法或反馈置数法构成100进制和60进制计数器。经方案论证，本课程计数器选择方案如下： 100进制计数器乘数法：将两片74LS160计数器直接级联则可得到100进制计数器。其电路连接如图8图8 60进制计数器乘数法：将一片74LS160设置成六进制计数器，再将其与一片74LS160级联，即可得到
10、一个60进制计数器。其电路连接如图9：图974LS160是十进制计数器，设计一百进制计数器只需将两片74LS160级联即可，而74LS161是十六进制计数器，其一百进制计数器的连接相对而言较复杂。对于六十进制计数器，从电路图中我们同样可以知道74LS160 的连接比74LS161的连接简单，相对而言所需的元器件也少。综上，我们选择选择了用74LS160计数器。（2）、74LS160计数器的功能介绍计数器74LS160D的引脚如右图2-3-3所示，从图中可以看到74LS160D共有16个引脚，其中有Cp脉冲输入引脚clk（下降沿有效），LOAD为预置数控制端（低电平有效），CLR为异步清零端（低
11、电平有效），A、B、C、D为预置数输入端，ENP和ENT是计数使能端（高电平有效），RCO是进位输出端，QD、QC、QB、QA分别是计数输出位，其工作原理图如图 图10 74LS160 异步清零：当CLR端输入为低电平时候，其它输入端不管输入什么值，计数器将直接清零，也就是说输出的QD、QC、QB、QA为0000. 同步预置数：当CLR端输入高电平，LOAD端输入低电平时，且有Cp脉冲下降沿作用时完成将输入端DCBA的数据置入计数器操作，使QDQCQBQA=DCBA.由于这个操作需要CP下降沿同步，所以称其为同步预置数。 CLKRLDEPET工作状态0置0（异步）10预置数（同步）1101保持
12、（包括C）110保持（C=0）1111计数 图11 74LS160计数器工作原理图 保持：当LOAD、CLR均输入高电平时，如果ENP*ENT=0，此时计数器保持输入原状态不变，不管有没有CP脉冲作用。不过当ENT=0时，进位输出RCO=0。 计数：当CLR=LOAD=1，ENP=ENT=1时，74LS160D处于计数状态，对CP脉冲下降沿进行四位二进制加计数。（3）、计数器最终连线图一百进制和六十进制计数器之间、六十进制和一百进制之间的接法如下图12所示图12 计数器元器件明细表序号数量描述参考标识12SEVEN_SEG_DECIMAL_COM_K_BLUEU11，U1222SEVEN_SE
13、G_DECIMAL_COM_K_ORANGEU3, U2232SEVEN_SEG_DECIMAL_COM_K_GREENU18, U944RPACK_VARIABLE_2X7, 180 R5, R7, R9, R1051TD_SW1, 0.5 sec 1 sec J462RPACK_VARIABLE_2X8, 180 R4, R87174STD, 7404NU138274STD, 7401NU14, U159174LS, 74LS00DU1010674LS, 74LS160DU8, U2, U1, U7, U6, U511674LS, 74LS48DU20, U21, U24, U25, U2
14、6, U27122DIPSW1J1, J2132RESISTOR 4.7KR1, R2142RESISTOR10KR11, R6三、系统实施、 总电路图 图 13 系统总原理图开关J1控制数字秒表的启动、停止及继续计数，开关J2控制数字秒表的清零复位。开始时把J1、J2合上，由555多谐振荡器产生脉冲信号，用快捷方式F5仿真运行本电路，数字秒表正在计数。闭合J1、J2，电路处于计数状态，当给计数电路9（1001）个脉冲的时候，继续再给一个脉冲，就会产生进位，这样用输出BCD码的最高位来触发下一个计数器，由于74LS160是十进制计数器，下降沿触发，这样给电路第十个脉冲以后，电路计数结果就会成“
15、10”；再继续给脉冲，到第99个时候，继续给一个脉冲，我们同样用第二个芯片的最高位来触发下一个芯片，也就是用最高位的下降沿来作为下一个芯片的脉冲，给出第一百个脉冲的以后，电路计数器结果显示“1.00”。同理，当秒计数需向分计数进位的时候，我们都用最高位的变化来作为下一个芯片的CP信号，这样我们就完成了我们需要的计数。在消抖电路中，要设置延时开关打开与闭合的时间，要求计数最大值为99分59.99秒，所以设置延时开关的打开时间为5.99999K秒。这样在数字式秒表计数的过程中不会因为延时开关的作用而停止。还可以用延时开关来设置数字式秒表的工作时间。J1打开，脉冲不能传到上面的计数电路，整个电路暂停
16、计数，闭合J1，电路重新获得脉冲信号，开始计数。当J1开关闭合，把开关J2开关打开，将给计数电路中的74LS160的清零信号，开始计数，当J1开关闭合，J2开关打开，那将给计数器清零，于是就用两个开关实现了整个电路的清零、启动、计时、暂停及继续计数等控制功能。在本次课题设计过程中，我们遇到不少的麻烦，通过查阅资料，经过多次反复的检查和排除，最终实现了部分功能。现总结在设计中遇到的问题如下：问题1：脉冲发生器（555定时器构成的多谐振荡器）没法实现0.01s的脉冲信号。原因：参数不对。排除方法：利用f=1.44/（R1+2R2)C适当的选取定值电阻、电容的大小和可变电阻的最大阻值，其中，外加可调
17、电阻，对其进行左右微调，以提高精度，最大限度的保证输出波形不失真。在本实验中，设置电阻大小为4.75K，可调电阻为100，增量为50%，最终实现输出脉冲信号为99.755Hz。问题2：仿真时无法实现技术最大值为99分59.99秒。原因：延时开关参数设置不正确。排除方法：修改延时开关的参数，通过计算设置开关打开时间为5.99999Ksec。问题3：数码管显示后，分进位显示错误，无法正常进位原因：对原件74LS160的工作原理理解有误，其应在下降沿进位。排除方法：在分秒计数间，即60十进制和100进制之间，加一非门，保证其在下降沿触发。问题4：数码管无法显示小数点。原因：开始时选择数码管错误，后来
18、数码管接线错误。排除方法：重新换一个含有小数点的数码管，将小数点引脚接到电源VCC。保证其在通电后显示小数点。 问题5：数码管数字跳动频率不均匀。原因：使能输入信号和清零信号的脉冲方波输入波形出现抖动，排除方法：在机械开关之后，加一个防抖动开关四、总结与体会本周的课程设计中运到的知识：555定时器产生一个100HZ的脉冲信号，主要是通过改变其参数来改变脉冲信号的频率。74LS160计数器。它本身是一个10进制的计数器，在毫秒和分计数是用两个74LS160级联为一个一百进制的计数器；在秒计数器中，用异步清零的方法设计一个六十进制的计数器。74LS48D译码器。将计数器输出的数字译码，用数码管显示
19、。排阻。因为数码管的最大承受电流一般不超过25毫安，一个排阻来缓解电流。同时，还有驱动作用，是数码管的数字显示的比较清晰。在实验过程中还用到了与非门，延时开关。在本次实验中对以上用到的理论知识基本上都掌握了。掌握了Multisim软件中频率计、函数发生器、示波器的使用。掌握了数字秒表的原理。更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法。通过对滑动电阻及增量的不断修改，最终是555定时器产生了99.753HZ的脉冲信号。本次设计深刻体会到要设计一个成功的电路，必须要有扎实的知识基础，要熟练地掌握课本上的知识，这样才能对试验中出现的问题进行分析解决。同时还需要有耐心和毅力，
20、设计中要考虑到各个元器件的功能和特性，要翻阅大量资料，参考别人的经验。只有这样才能把自己的电路设计的完美。总体来说，通过这次课程设计学习，我对许多电路都有了大概的了解，也学会了Multisim的使用。在设计中，遇到问题就查阅资料，经常与同学讨论，加深了对原理图级各元件的理解。同时我们还认识到，一个人的力量永远都是有限的，一个人的知识也总是有局限性的，通过这次课程设计的团队合作，我们深深地体会到了团队的力量，也让我们体会到了团队合作的快乐！以后在遇到问题时，我一定会积极的查阅资料，与同学讨论，认真做好每一个课程设计。在课程设计中，才能把所学的知识都联系起来，综合运用，对我今后的发展特别有用。参考文献1 阎石主编，数字电子技术基础，北京：高等教育出版社，20062 林涛主编，模拟电子技术基础，重庆：重庆大学出版社，2003 3 吴慎山主编，电子线路设计与实践， 北京：电子工业出版社，20054 刘福太主编，绿版电子电路498例， 北京：科学出版社，20075 姜齐荣，赵东元，陈建业编著，有源电力滤波器结构原理控制 ，北京：科学出版社，2005