数字式秒表设计

一、内容摘要
本设计所实现的数字式秒表是电子设计技术中最基本的设计实验之一。

该数字计数系统的逻辑结构较简单，是由微动开关、抖动消除电路、三状态控制电路、微分及整形清零电路、上电复位电路、0·1秒脉冲发生器、闸门计数控制电路、译码及显示电路组成的电子秒表，其中核心的部分为0·1秒脉冲发生器、计数、译码及显示电路部分，而其它部分是为使电子秒表在0．1～9·9秒范围内测定时间附加上的一些外围控制电路。

本设计报告由内容摘要、设计任务指标、系统方案论证、元件清单、单元电路设计、电路图及电路工作原理、组装调试、设计成果的评价、课程设计心得体会和参考文献十大部分组成，力求将整个系统的设计过程、原理、以及心得体会完整的呈现出来。

二、设计任务及指标
1通过本课程设计计算、安装调试、资料整理、撰写报告等环节，初步掌握电子设计方法以及完成数字秒表的电路设计。

2利用基本RS触发器、脉冲发生器及计数、译码、显示等单元电路设计数字秒表。

3由2位数码管显示计数时间，显示分辨率为0.1s，计时误差小于5%。

4在实验装置上或者利用仿真软件完成数字秒表的线路连接和调试，实现上电自动清零、启动计时显示、暂停计时显示以及重新计时等控制功能。

三、系统设计方案论证
1数字式秒表，首先需要一个数字显示。

按设计要求，须用数码管来做显示器。

题目要求最大记数值为9.9秒，则需要一个8段数码管作为秒位（有小数点）和一个7段数码管作为分秒位。

要求计数分辨率为0. 1秒，那么我们需要相应频率的信号发生器。

选择信号发生器时，有两种方案：一种是用晶体震荡器，另一种方案是采用集成电路555定时器与电阻和电容组成的多谐振荡器。

秒表核心部分——计数器，使用两个74LS390计数器构成，这种连接方式简单，使用元器件数量少。

计数脉冲是由555定时器构成的多谐振荡器，产生10赫兹脉冲，如果精度要求高，也可采用石英振荡器。

在选择译码器的时候，有多种选择，如74LS46，74LS47，74LS48等4-7线译码器。

为了减小设计的误差，还需要设计在开关端设计消抖电路、微分电路、整形电路。

为了满足上电复位，还应该设计上点复位电路。

2系统框图如下：
四、设计所需元器件
材料清单如下图：
五、单元电路设计
1.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K的后面，防止开关K在打开和闭合时一些假信号串入逻辑电路。

2.上电复位电路：
复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。

为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。

3.微分电路：
由0.01µ电容和1.5K电阻构成。

从电容端加入的信号，经过电容、电阻，在电阻端输出的信号波形相当于进行了一次微分，故称这种电路为微分电路。

4.0.1s脉冲发生器：
T=0.1s，f=10Hz =1/0.695(R1+2R2)C
为产生10Hz频率脉冲，经过计算并实际调整，方案为电容C=2.2u，定值电阻R1=430欧R2=27.4千欧。

（经过仿真误差不超过2%）端口OUT为0.1s脉冲发生器的输出端口。

5.计数器电路：
双二—五—十进制加法计数器74LS390芯片功能简介：
如图所示，74LS390芯片内有两组计数器，每组计数器中有两个计数器（一个二进制、一个五进制），共有4个计数器。

它们可以单独计数，清零信号是共用的，异步清零高电平有效，即RD=1清零。

A、B为时钟脉冲信号入端，QDQCQBQA为输出端。

该计数器可以根据不同的输入与输出的选择组成三种进制的计数器。

8421码加权计数器：QA与B连接，A端输入脉冲信号，QD、QC、QB、QA输出见计数器工作波形图：
6.译码器电路：
.
.
..
BI/RBO 4
RBI
5LT 3A 7B 1C 2D 6
a 13
b 12
c 11
d 10
e 9
f 15g
14
SN74LS48
BIN/7-SEG [T2]14&5CT=03G21
V207112246
813a 20,2112b 20,2111c 20,2110d 20,219e 20,2115f 20,2114
g 20,21
SN74LS48
.
译码器电路是将数码转换为一定的控制信号。

在此由74LS48集成元件构成，它能将一个二进制数码转换为输出端的电平信号以控制显示器。

7. 七段数码管（LED ）：
7段数码管又分共阴和共阳两种显示方式。

如果把7段数码管的每一段都等效成发光二极管的正负两个极，那共阴就是把abcdefg 这7个发光二极管的负极连接在一起并接地；它们的7个正极接到7段译码驱动电路74LS48的相对应的驱动端上（也是abcdefg ）。

此时若
显示数字1，那么译码驱动电路输出段bc 为高电平，其他段扫描输出端为低电平，以此类推。

如果7段数码管是共阳显示电路，那就需要选用74LS47译码驱动集成电路。

共阳就是把abcdefg 的7个发光二极管的正极连接在一起并接到5V 电源上，其余的7个负极接到74LS47相应的abcdefg 输出端上。

无论共阴共阳7段显示电路，都需要加限流电阻，否则通电后就把7段译码管烧坏了。

限流电阻的选取是：5V 电源电压减去发光二极管的工作电压除上10ma 到15ma 得数即为限流电阻的值。

发光二极管的工作电压一般在1.8V--2.2V ，为计算方便，通常选2V 即可。

发光二极管的工作电流选取在10-20ma ，电流选小了，7段数码管不太亮，选大了工作时间长了发光管易烧坏。

对于大功率7段数码管可根据实际情况来选取限流电阻及电阻的瓦数。

下图是八段数码管（LED ）BS201的示意图，图中引脚6为VCC 的为共阳数码管，引脚6为GND 的为共阴数码管。

a b f c g d
e
VCC 1234567a b c d e f g 8
dp
dp
9
1234567a b c d e f
g 8
dp
9
GND
a b f c g d e
dp
.
.
..
本设计采用共阴数码管与74LS48匹配，同时并入一个四输入内置译码器的7段数码管，以验证译码部分的功能（注：验证成功后，两种组合数码管可以只保留一个）。

数码管与74ls48连接图：
六、 电路图及电路工作原理
1各部分工作原理如下：
消抖电路：它是由两个74LS00集成与非门元件构成。

接在机械开关K的后面，防止开关K 在打开和闭合时一些假信号窜入逻辑电路。

上电复位电路：它由2.2电容和47K电阻构成。

利用电容充放电可以产生脉冲，作为清零复位用。

微分电路：它是由0.01u电容和1.5K电阻构成.从电容端加入的信号，经过电容、电阻，在电阻端输出的信号波形相当于进行了一次微分，故称这种电路为微分电路。

整形电路：它是由与门74LS08集成与门元件构成。

在信号由一端输入，起到整形的作用。

0.1秒脉冲发生器电路：它由555集成定时器元件和外围的电阻和电容等元件构成。

调节电阻或电容的数值，可以改变脉冲发生器的输出频率。

计数器电路：从进位制来分，有二进制计数器，十进制计数器等多种形式。

在此采用的是二——十进制计数器即8421编码方式。

由74LS390构成一位输出电路。

译码器电路：是将数码转换为一定的控制信号。

在此由74LS48集成元件构成，它能将十个二进制数码转换为输出端上的电平信号以控制显示器。

显示器电路：有辉光数码管和荧光数码管等多种显示电路。

在此采用的是共阴极七段LED 显示器。

2电路工作原理：
1.上电时，上电复位电路1产生复位信号，经整形后，使两个计数器清零；上电复位电路2，使三状态控制电路复位。

电子秒表处于复位状态。

2.当第一次按动微动开关K，经消抖电路后产生第一个单脉冲作为D触发器的时钟，使三状态控制电路的输出端Q1产生高电平，经与门后，使0.1秒脉冲进入计数器计数，并译码、
显示出来。

3.当第二次按动微动开关K，产生第二个单脉冲使三状态控制电路输出端Q1输出低电平Q2输出高电平，关闭与门，使计数停止。

4.第三次按动微动开关，产生第三个单脉冲，使三状态控制电路复位，同时输出端Q2输出一个高电平，经微分电路及整形，产生一个窄脉冲，使计数器回零。

至此，电子秒表又进入复位状态。

5.当再按动微动开关K时，电子秒表又进入计数状态。

七、组装调试
本设计采用EDA电路仿真对设计电路进行了调试。

运用软件Multisim。

在调试的过程中遇到不少的问题，经过多次反复的检查和排除，最终实现了全部功能。

调试方法：按模块调试，在每个模块的输入端加理想的调试信号，在输出端接示波器，观察输出波形，如果波形符合设计预期，则说明此模块工作正常，否则可按从输出到输入的顺序逐一排查，直到解决问题。

当各模块调试无误后，将各模块连接起来，同时要注意接口的电平匹配问题。

本次课程设计在仿真组装调试过程中曾出现以下故障：
故障1：脉冲发生器（555定时器构成的多谐振荡器）没法实现0.1s的脉冲信号。

原因：参数不对。

排除方法：利用f=1.43/R1+2R2)C适当的选取定值电阻、电容的大小并用频率计检测。

故障2：数码管显示乱码。

原因：计数器74LS390管脚接线错误，LED数码管的共极性弄反（按共阳极的接线方法接线）。

排除方法：对计数器正确接线，调整数码管的阴阳极接线（按共阴极接线方法接线）。

故障3：数码管数字跳动频率不均匀。

原因：输入信号不是规则并且稳定的脉冲方波。

排除方法：用示波器观察脉冲输出和微分电路输出端的波形，加入一个与门作为整形模块，同时，这样还能达到减小误差的目的。

故障5：无法实现上电清零功能。

原因：电容参数不对。

排除方法：改变上电清零电路电容的大小，通过示波器观察直到产生清零信号。

八、设计成果的评价
通过一周的实践，电路的设计仿真圆满的完成了设计目标中提到的几种功能并且将误差控制在了2%以内，但仍然有一些美中不足，主要问题是数码管显示不稳定，经过分析我认为主要原因有二：一是软件的“虚拟时间”不稳定，软件仿真时需要以0.00001s为单位运算，将现实时间拉长，CPU负荷较大使仿真的“虚拟时间”难以像现实时间一样平稳。

二是各级芯片以及门电路有一定的延迟时间，有些部分还可能存在竞争冒险。

在实验的后期我们还去实验室搭电路，但由于时间有限，我们对面包板又不够熟悉，最终未能完全实现。

由于一周的课程设计时间短暂，设计结果并不完善，但在以后的学习中，相信我们可以为这个设计完善现有功能，增加新的功能。

九、课程设计心得体会
一周的课程设计已经结束，虽然很辛苦，但给我带来了从未有过的体验与喜悦。

在设计实践的过程中，我深深的体会到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。

在整个电路的设计过程中，花费时间最多的是利用Multisim 仿真，因为以前没有学过这个软件，所以我们要从头学起，自行摸索的学习。

我们在各个单元电路的连接上花费了大量时间。

我们在设计时曾做出了两套方案以及仿真电路，我们仔细比较分析其原理以及可行的原因，这才确定了我们的电路。

实习过程中，我深刻的体会到在设计过程中，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成功。

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。

在设计电路中,完成电路图只是完成了设计的一小部分，更加困难的是对电路的验证和纠错，在这过程中我接触到了很多未接触过的检查方法和思想。

在电路的仿真过程中出错的主要原因都主要是接线的错误所引起的。

接线的时候一定要细心，不要接错，同时也要学会如何判别芯片的功能，要是芯片不具备要求的功能，或者，不匹配，即使接线再正确也出不来结果。

对自己的设计要仔细考虑，是否可行，尤其是进位输出，着重看看进位的CP脉冲是否正确等。

总体来说，通过这次课程设计学习，我越发感觉电子设计不是死板的东西，是有很大科学性与艺术性的。

不同芯片的使用，不同的接线方法，不同的变量，不同的实现思路，经过组合后几乎可以称之为艺术。

这次课程设计使我对各种电路都有了大概的了解，也学会了常用EDA软件的使用，在平时的理论学习中遇到的问题都一一解决，加深了我对专业的了解，培养了我对学习的兴趣，为以后的学习打下了好的开端，我受益匪浅。

同时，让我明白：电子设计容不得纸上谈兵，只有自己动手实际操作才会有深刻理解，才会有收获，所谓“千里之行，始于足下”，这次课程设计最大的意义在于让我们迈出了通往工程师的第一步。

十、参考文献
《数字电子技术基础》胡晓光主编北京航空航天大学出版社2007.03
《电子技术实训教程》杨碧石主编电子工业出版社2005.03
《电子技术基础》康华光主编.高等教育出版社2006.01
《电子技术课程设计指导》彭介华主编高等教育出版社2007.09
《电子技术实践与训练》黄仁欣主编清华大学出版社 2004.09
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