电子秒表综合设计

攀枝花学院综合设计（论文）电子秒表设计
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二〇一二年12月
摘要
本次课程主要设计从0.1s—9.9s之间的电子秒表。

电子秒表的设计原理就是不断输出连续脉冲给计数器，而计数器通过翻译机来显示它记忆的脉冲周期个数。

该设计由多谢振荡器、分频器电路、时间技术党员，数码显示期几部分组成，通过555定时器构成的多谢振荡器来产生时钟脉冲，脉冲直接输入，74LS90清零端直接由逻辑开关来控制。

这一时钟脉冲直接送入计数器中进行计数，而对应的数码显示管上显示出时间。

而电子秒表设计最主要的就是对各元件的检测，只要各元件检测合格，则电子秒表的设计算是成功了一大半，其中最主要检测元件有基本RS触发器的测试、单稳态触发器的测试、时钟发生器的测试、计数器的测试，电子秒表的整体测试以及电子秒表的准确度测试。

关键词单稳态触发器，RS触发器，时钟发生器，计数器，电子秒表
目录
实验课程——设计从0.1s—9.9s之间的电子秒表------------------------------------------ 1
一、实验目的 ------------------------------------------------------------------------------------------- 1
二、实验设备 ------------------------------------------------------------------------------------------- 1
三、实验要求 ------------------------------------------------------------------------------------------- 2
四、实验原理 ------------------------------------------------------------------------------------------- 2
1、基本RS触发器 ------------------------------------------------------------------------------------------------ 3
2、单稳态触发器--------------------------------------------------------------------------------------------------- 3
3、时钟发生器------------------------------------------------------------------------------------------------------ 3
4、时钟发生器------------------------------------------------------------------------------------------------------ 4
5、集成异步计数器74LS90 ------------------------------------------------------------------------------------- 4
四、实验内容和步骤 ---------------------------------------------------------------------------------- 5
1、基本RS触发器的测试 --------------------------------------------------------------------------------------- 6
2、单稳态触发器的测试 ----------------------------------------------------------------------------------------- 7
3、时钟发生器的测试 ------------------------------------------------------------------------------------------- 10
4、计数器的测试-------------------------------------------------------------------------------------------------- 11
5、电子秒表的整体测试 ---------------------------------------------------------------------------------------- 14
6、电子秒表准确度的测试 ------------------------------------------------------------------------------------- 17
五、实验总结 ------------------------------------------------------------------------------------------ 18
1、总结电子秒表整个调试过程 ------------------------------------------------------------------------------- 18
2、分析调试中发现的问题及故障排除方法---------------------------------------------------------------- 18
实验课程——设计从0.1s—9.9s之间的电子秒表
一、实验目的
1、学习数字电路中的基本RS触发器，单稳态触发器、时钟发生器及计数、译码显示器等单元电路的综合运用。

2、熟悉555定时器的使用以及相关电路设计，巩固RS触发器的功能及特性，熟悉RS触发器的使用和设计。

3、学习电子秒表的调试方法。

4、学习Multisim的使用方法与调试方法。

5、建立分频的基本概念。

二、实验设备
（1）+5V直流电源
（2）双踪示波器
（3）数字频率计
（4）单次脉冲源
（5）连续脉冲源
（6）逻辑电平开关
（7）逻辑电平显示器
（8）译码显示器
（9）74LS00*2、555*1、74LS90*3、电位器、电阻、电容。

三、实验要求
1、利用555定时器制作一个频率为50Hz的时钟发生装置。

2、利用五、十、十进制计数器直说时钟分频电路，输出0.1秒到9.9秒的计数脉冲。

3、通过分频电路，输出周期为0.1s的计数脉冲。

4、利用74LS248和数码显示器接受分频电路输出的计数脉冲，并显示出来。

5、使用基本RS触发器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重新开始计数的功能。

四、实验原理
图1所示为电子秒表的原理图，按功能可分成四个单元电路进行分析。

图1 电子秒表原理图
1、基本RS 触发器
图1中单元I 为用集成器与非门构成的基本RS 触发器。

属低电平直接触发的触发器，有直接复位的功能。

它的一路输出Q 作为单稳态触发器的输入，另一端从输出Q 作为与非门5的输出控制信号。

按动按钮开关2K （接地），则门1输出Q =1，门2输出Q=0，2K 复位后Q 、Q 状态保持不变。

再按动开关1K ，则Q 由0变到1，门5开启，为计数器启动做好准备；Q 由1变为0，送出负脉冲，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。

2、单稳态触发器
图1中单元II 为用集成与非门构成的微分型单稳态触发器，检验单稳态各点波形图。

单稳态触发器的输入触发负脉冲信号i V 由基本RS 触发端Q 端提供，输出负脉冲0V 通过非门加到计数器的清楚端0R 。

静态时，门4应处于截止状态，故电阻R 必须小于门的关门电阻off R 。

定时元件RC 取值不同，输出脉冲宽度也不同。

单触发脉冲宽度小于输出脉冲宽度，可以省去输入微分电路的p R 和p C 。

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、时钟发生器
图1中单元III 为555定时器构成的多谢振荡器，是一种性能较好的时钟源。

调节电位器w R ，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Q=1时，门5开启，此时50Hz 脉冲信号通过门5作为计数器脉冲驾驭计时器①的计数输入端2CP 。

4、时钟发生器
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中单元IV 所示。

其中计数器①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D Q 取得周期为0.1s 的矩形脉冲，作为计数器②的时钟输入。

计数器②及计数器③接成8421BCD 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0.1~9.9s 计时。

5、集成异步计数器74LS90
74LS90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2为74LS90引脚排列图
U474LS90D
Q A 12Q B 9Q D 11Q C 8I N B
1
R 916R 927
R 012I N A 14R 023
74LS90引脚排列图
表1为其功能表。

表1
通过不同的连接方式，74LS90可以实现不同的逻辑功能；而且还可以借助0R （1）、0R （2）对计数器清零，借助9S （1）、9S （2）将计数器置9。

其具体功能详述如下： （1） 计数脉冲从1CP 输入，A Q 作为输出端，为二进制计数器。

（2） 计数脉冲从2CP 输入，D Q C Q B Q 作为输出端，为异步五进制加法计数器。

（3） 若将2CP 和A Q 相连，计数器脉冲由1CP 输入，D Q 、C Q 、B Q 、A Q 作为输出端，
则构成异步8421码十进制加法计数器。

（4） 若将1CP 和D Q 相连，计数器脉冲由2CP 输入，A Q 、D Q 、C Q 、B Q 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。

1） 异步清零
当0R （1）、0R （2）均为“1”；9S （1）、9S （2）
中有“0”，实现异步清零功能，即D Q C Q B Q A Q =0000。

2）当9S （1）、9S （2）
均为“1”；0R （1）、0R （2）中有“0”，实现异步置9功能，即D Q C Q B Q A Q =1001。

四、实验内容和步骤
由于实验电路中使用较多器件，实验前必须合理安排各器件在实验装置上的位置，使电路逻辑清楚，接线较短。

实验时，应按照实验任务的次序，将各元件电路逐个进行接线和调试，即分别测试基本RS 触发器、单稳态触发器、时钟发生器及计数器的逻辑功能，待各个单元电路工作正常后，再将有关电路逐级连接起来进行总体调试……，直到测试电子秒表整体电路的功能完全实现。

这样的测试方法有利于检查和排除故障，保证实验顺利进行。

1、基本RS 触发器的测试
测试方法为将Q 端接入举矩形示波器，运行程序后，不断变更开关1K 、2K 的位置，在示波器上显示器波形看是否满足要求，实验图为图3、图4如下；
图3 单元I 连接实物图
图4 单元I RS 触发器波形图
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 各点电位置并记录 2）动态测试
输入端接1kHz 连续脉冲源，用示波器观察并描绘D 点（D V ）、F 点（F V ）波形，如嫌单稳输出脉冲持续时间太短，难以观察，可适当增大微风电容C ，待测完之后，再恢复4700pF 。

实验图为下图；
VCC
5V
U7C
74LS00D
U7D
74LS00D R6
3kΩ
R7
3kΩ
J1
Key = Space
J2
Key = Space VCC
5V
U9A
74LS00D C1700pF
R1
470Ω
C4
510pF
R41.5kΩ
R5
1kΩ
U10A 7405N XSC1
A
B
Ext Trig
+
+
_
_
+_
图5 单稳态触发器测试图
测试波形为图6；
图6 A 点波形图
图7 D点波形图
图8 A、D点波形比较图
3、时钟发生器的测试
测试方法为，用示波器观察555多谐振荡器输出电压的波形并测量器频率，调节
W
R，使输出矩行波频率为50Hz。

其实物连接图为；
R2
100kΩ
Key=A
90%
R3
100kΩ
C2
0.1µF
C3
0.01µF
XSC1
A B
Ext T rig
+
+
_
_+_
A1
555_VIRTUAL
GND
DIS
OUT
RST
VCC
THR
CON
TRI
VCC
5V
Probe1
V: 5.00 V
V(p-p): 5.00 V
V(rm s): 4.05 V
V(dc): 3.27 V
I: 5.00 pA
I(p-p): 5.00 pA
I(rm s): 4.05 pA
I(dc): 3.27 pA
Freq.: 49.8 Hz
图9 单元III时钟发生器实物连接图
图10 时钟发生器波形及周期测试图
4、计数器的测试
（1）计数器①接成五进制形式，0R （1）、0R （2）、9S （1）、9S （2）接逻辑开关输出插口，2CP 接单次脉冲源，1CP 接高电平“1”，D Q 、C Q 、B Q 、A Q 接实验设备上译码显示输入端D 、C 、B 、A ，安表1测试其逻辑功能并记录。

（2）计数器②及计数器③接成8421码十进制形式，同内容（1）进行逻辑功能测试并记录。

（3）将计数器①、②、③级联，进行逻辑测试并记录。

（4）计算，按照进制分配，U3接输入信号为50Hz ，由于U3为五分频，则它的频率为50/5=10Hz ，及周期为T1=1/10=0.1s
U2接U3的输出信号，又是十分频输出，则U2输出频率为10/10=1Hz ，其周期为T1=1/1=1s 。

U1接U2的输出信号，又是十分频输出，则U1输出频率为1/10=0.1Hz ，其周期为T1=1/0.1=10s 。

因此其实物连接图与输出波形为下图；
图11 测量U3频率与波形实物连接图
图12 U3周期显示与波形图
U174LS90D
Q A 12Q B 9Q D
11
Q C 8I N B
1
R 916R 92
7
R 012I N A 14R 02
3
U274LS90D
Q A 12Q B 9Q D
11
Q C 8I N B
1
R 916R 92
7
R 012I N A 14R 02
3
U374LS90D
Q A 12Q B 9Q D
11
Q C 8I N B
1
R 916R 92
7
R 012I N A 14R 02
3
VCC
5V
A
B
Ext Trig
+
+_
_
+_
XFG1
图13 测量U2频率与波形实物连接图
图14 U2周期显示与波形图
U174LS90D
Q A 12Q B 9Q D
11
Q C 8I N B 1R 916R 92
7
R 012I N A 14R 02
3
U274LS90D
Q A 12Q B 9Q D
11
Q C 8I N B 1R 916R 92
7
R 012I N A 14R 02
3
U374LS90D
Q A 12Q B 9Q D 11
Q C 8I N B 1
R 916R 92
7
R 012I N A 14R 02
3
VCC
5V
A
B
Ext Trig
+
+_
_
+_
XFG1
图15 测量U1频率与波形实物连接图
图16 U1周期显示与波形图
由波形图可知，示波器显示的周期大小与实际周期大小基本一致，因此，计数器的测试已基本合格。

5、电子秒表的整体测试
各单元电路测试后，就是电子秒表的测试，电子秒表的测试就是电子秒表与其他元件独立起来，独自测试，给计数器施以频率为50Hz，电压为10V的信号发生器，如图20所示；
其秒表显示如图18、图19所示；
U1
A B C D E F G CK
H
U2
A B C D E F G
CK
U374LS90D
Q A 12Q B 9Q D
11
Q C 8I N B
1
R 916R 92
7
R 012I N A 14R 02
3
U474LS90D
Q A 12Q B 9Q D
11
Q C 8I N B
1
R 916R 92
7
R 012I N A 14R 02
3
U574LS90D
Q A 12Q B 9Q D 11
Q C 8I N B 1
R 916R 927
R 012I N A 14R 023
VCC
5V
VCC
5V
VCC
5V
VCC
5V
U8
4511BD_5V
DA 7DB 1DC 2DD 6OA 13OD 10OE 9OF 15OC 11OB 12OG
14
~EL 5~BI 4~LT
3
U6
4511BD_5V
DA 7DB 1DC 2DD 6
OA 13OD 10OE 9OF 15OC 11OB 12OG
14
~EL 5~BI 4~LT
3
XFG1
图18 电子秒表测试连接图
图19 测试电子秒表的运行时间显示
由图可知测试时间和程序本身运行时间进本一致，电子秒表测试成功。

图20 电子秒表测试的信号发生源
各单元器件测试结束后，计时电子秒表的整体测试，把几个单元的电路连接起来，进行电子秒表的总体测试。

测试图形为图21；
R2
100kΩ
Key=A
50%
R3100kΩ
C20.1µF
C30.01µF
XSC1
A
B Ext Trig
+
+_
_+
_
A1
555_VIRTUAL GND DIS
OUT
RST
VCC
THR
CON
TRI U1
A B C D E F G CK
H
U2
A B C D E F G
CK
U374LS90D
Q A 12Q B 9Q D
11
Q C 8I N B
1
R 916R 92
7
R 012I N A 14R 02
3
U474LS90D
Q A 12Q B 9Q D
11
Q C 8I N B
1
R 916
R 92
7
R 012I N A 14R 02
3
U574LS90D
Q A 12Q B 9Q D 11
Q C 8I N B
1
R 916R 927
R 012I N A 14R 023
VCC
5V
VCC
5V
VCC
5V
VCC
5V
VCC
5V
VCC
5V
VCC
5V
U8
4511BD_5V
DA 7DB 1DC 2DD 6OA 13OD 10OE 9OF 15OC 11OB 12OG
14
~EL 5~BI 4~LT
3
U6
4511BD_5V
DA 7DB 1DC 2DD 6
OA 13OD 10OE 9OF 15OC 11OB 12OG
14
~EL 5~BI 4~LT
3
U7C
74LS00D
U7D
74LS00D R6
3kΩ
R7
3kΩ
J1
Key = Space
J2
Key = Space U11A 7405N
U12B
74LS00D U9A
74LS00D C1700pF
R1470Ω
C4
510pF
R41.5kΩR5
1kΩ
U10A
7405N
Probe1 V:
V(p-p):
V(rms):
V(dc):
I: I(p-p): I(rms):
I(dc): Freq.:
Probe2
V:
V(p-p): V(rms): V(dc): I:
I(p-p): I(rms): I(dc): Freq.:
图21 电子秒表总体连接示意图
先按一下按钮开关2K ，此时电子秒表不工作，再按一下按钮开关1K ，则计数器清零后便开始计时，观察数码管显示技术情况是否正常，如不需要计时或暂停计时，按一下开关2K ，
计时立即停止，但数码管保留所计时之值。

下图就为暂停时所计时间；
图22 电子秒表整体测试图
由测试图可知，当系统反应时间为4.02s时，计数器为3.8s，与实际有点延迟。

原因是，在系统开始运行时555触发器输出端与非门出有一定延迟，这样计时就比系统稍微延迟一点，就会产生了过这样的效果。

6、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。

要想对电子秒表进行校准，则要改变该程序的一些参数，比如，将反应时间调到0~10s，这样当计时到达第10s之后系统就会自动停止运行，将秒表步长改为0.1秒，这样就与实际时间同步。

这时秒表上面显示的数字为9.8s，还是与系统延迟又0.2s，与手表秒计时也相差有0.2s，用我们计时说的数据就是实际运行数据，虽然还有一定的不准确性，但实验中存在一定误差于是被允许的。

因此，整体实验测试结束。

五、实验总结
1、总结电子秒表整个调试过程
电子秒表的各个单元，各个元件之间会有相互影响，在调试元件的各单元时，要将其他单元元件隔开，这样调试的结果才不会收到其他元件的相互影响，在调试时还要不断变更一些参数，这样测出来的结果才会更加准确。

其他单元元件调试结束后才是电子秒表的整体调试。

不论是单元元件还是整体电子秒表测试，都要注意元件连接结束后再仔细检查线路，以免运行时出现问题。

2、分析调试中发现的问题及故障排除方法
1）可能的问题
①调试时看不到输出波形；
②秒表测验时触发开关会引起频率波动太大；
③秒表运行速度比系统运行速度快；
④运行时系统会自动关闭运行（非正常）。

2）故障排除方法
针对于①，采取措施是不断调试示波器的间距，知道能够清晰看到波形为止；
针对于②，检查线路问题，若没有错误，则改变数据参数；
针对于③，秒表运行速度比系统运行速度快是因为输入频率比计算频率大，解决方法是减小输出频率即可，但仍要保持在50Hz左右；
针对于④，运行系统非正常自动关闭运行，这时系统会提醒你错误的位置，仅需要找
到该位置，运用自己所学的知识调整即可。