数字电子秒表设计2

数字电子秒表设计
1. 引言
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。

数字电子秒表是利用数字电子技术把模拟信号转换成数字信号来完成的，具有直观、准确性高的特点。

1.1 设计目的
1.建立数字电子电路系统的基本概念；
2.熟悉555方波振荡器的应用，计数器的级联及其计数、译码、显示电路的整体配合；
1.2 设计要求
设计一个数字电子秒表，该秒表具有显示功能和清零、开始计时、停止计时等功能。

设计的要求如下：
1.以0.01秒为最小单位进行显示；
2.秒表可显示0.01秒～99分的量程；
3.该秒表具有清零、开始计时、停止计时功能；
4．除了以上功能，个人可根据具体情况进行电路功能扩展。

1.3 设计内容
1.搭接电子秒表的整体设计电路；
2.校准0.1秒信号源；
3.测试电子秒表清零、开始计时、停止计时功能。

2.电路分析
2.1设计电路图
图2.1.1 电子秒表电路图
2.2 电路分析
图2.1.1是电子秒表完全的电路图，按功能可以分成六个单元电路进行分析，由单稳态触发器、时钟脉冲发生器、控制电路、计数器、译码器和数码管组成。

2.2.1 时钟脉冲发生器
555 定时器是模拟 — 数字混合式集成电路，利用它可以方便地构成脉冲产生、整形电路和定时、延时电路。

用555定时器构成的自激式多谐振荡器，是一种性能较好的时钟源。

调节电位器 R p ，使在输出端3获得频率为1HZ 的矩形波信号。

（一）555 定时器的电路结构及其功能
图2.2.2为 555 定时器的内部逻辑电路和外引脚图，从结构上看， 555 电路由 2 个比较器、 1 个基本 RS 触发器、 1 个反相缓冲器、 1 个集电极开路的放电晶体管和 3 个 5k Ω 电阻组成分压器组成。

（二）555定时器的逻辑功能 TH
OUT DIS × × 0 0 导通 ＞ ＞ 1 0
导通
＜ ＞ 1 保持 保持 ×
＜
1
1
截止
多谐振荡器如图2.2.3所示。

当电路刚接通电源时，由于C (C1//C2)来不及充电，555电路的2脚处于零电平，导致其输出3脚为高电平。

当电源通过R1、Rp 向C 充电到Vc≥Vcc 时，输出端3脚由高电路平变为低电平，电容C 经R1和内部电路的放电开关管放电。

当放电到Vc≤Vcc 时，输出端又由低电平转变为高电平。

此时电容再次充电，这种过程可周而复始地进行下去，形成自激振荡。

图2.2.4是输出端及电容器C 上电压的波形。

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图 2.2.3 多谐振荡器电路
图 2.2.4 波形图图 2.2.5多谐振荡器电路
振荡频率的估算：（为了电路更直观，见图2.2.5）
（1）电容充电时间T1。

电容充电时，时间常数τ1=（R1+R2）C，起始值v C（0+）=，终了值v C（∞）=V CC，转换值v C（T1）=，带入RC过渡过程计算公式进行计算：
（2.2.1）（2.2.4）
（2）电容放电时间T2
电容放电时，时间常数τ2=R2C，起始值v C（0+）=，终了值v C（∞）=0，转换值v C（T2）=，带入RC过渡过程计算公式进行计算：
（3）电路振荡周期T
T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C （2.2.2）
（4）电路振荡频率f
（2.2.3）
（5）输出波形占空比q
定义：q=T1/T，即脉冲宽度与脉冲周期之比，称为占空比。

2.2.2 计数器
利用74LS161的计数器功能实现六
进制和十进制的计算。

原理图真值表
以及逻辑电路图如下图所示：
2.2.3 译码器
译码器是一个多输入，多输出的组合逻辑电路.它的作用是把给定的代码进行"翻译"，成相应的状态,使输出通道中相应的一路有信号输出。

译码器在数字系统中有广泛的用途，不仅用于代码的转换,终端的数字显示,还用于数据分配，存贮器寻址和组合控制信号等。

不同的功能可选用不同种类的译码器。

译码器可分为通用译码器和显示译码器两
大类。

前者又分为变量译码器和代码变换译码器。

计数器实现了对时间的累计以8421BCD码形式输出，译码器电路采用74LS48集成块，其功能表如下：
2.2.4 数码管
一个LED数码管可用来显示一位0～9十进制数和一个小数点.小型数码管(0.5寸和
0.36寸)每段发光二极管的正向压降,随显示光(通常为红,绿,黄,橙色)的颜色不同略有差别,
通常约为2～2.5V,每个发光二极管的点亮电流在5～10mA.LED数码管要显示BCD码所表示的十进制数字就需要有一个专门的译码器,该译码器不但要完成译码功能,还要有相当的驱动能力。

这个设计的数码管采用共阳型数码管。

一个LED数码管可用来显示一位0～9十进制数和一个小数点。

本电路中的四个数码管自左至右分别显示分、秒、百分之一秒。

2.25 单稳态触发器
微分单稳态触发器
微分单稳态触发器的输出波形
微分单稳态触发器产生一个脉冲触发74LS161的清零端，使秒表回零。

2.26 RS触发器
RS触发器由与非门搭建构成，它属于低电平直接触发的触发器，有直接和复位的功能。

他的一条输出端Q非为单稳态触发器的输入，另一条输出Q作为与非门U24A的输入控制信号。

按动按钮开关S2到接地，产生清零信号，使74LS161统统清零，为下一次计数做准备。

按钮S1起暂停和开始的作用，按一下按钮S1产生触发电平于与非门5一起控制555产生的CP脉冲的输出。

3. 设计步骤
3.1 设备与元件
定时器555 74ls161 译码器74LS48 RS触发器
共阴数码管电阻电位器电容器
与非门或非门按钮开关 LM7805
单稳态触发器
3.2 测试调整
按照设计原理图进行连接实际元件连接，依次对各部分进行测试：
3.2.1 时钟发生器的测试
用示波器观察时钟发生器输出电压波形并测量其频率，调节器节Rp，使输出矩形波频为100Hz。

若无波形输出，检查555线路连接是否良好，555定时器构成的多谐振荡是否起振。

3.2.2 计数器的测试
(1) U24 U25 U27 U28 U29采用十进制接法，U26采用六进制接法
(2) 按下对应开关，看看计数是否连续；若不连续调整电路。

3.2.3 单稳态触发器的测试
按一下S1，看显示器是否清零。

3.2.4 RS触发器的测试
按下S2看秒表是否计数或暂停计数。

3.2.4电子秒表的整体测试
各单元电路测试正常后，按总图把几个单元电路连接起来，进行电子秒表的总体测试。

先按一下停止按钮，此时电子秒表不工作，再按一下启动按钮，则计数器清零后便开始计时，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，按一下停止按钮，计时立即停止，但数码管保留所计时之值。

3.2.4 电子秒表准确度的测试
利用电子钟或手表的秒计时对电子秒表进行校准。

4. 参考文献
1.模拟与数字电子技术实验教程，徐国华著
2.数字电路设计与制作，科学出版社
3.数字电子技术（第三版），西安电子科技大学出版社
4.参考网页：。