数字跑表设计

学号：
课程设计
题目数字跑表设计
学院自动化学院
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班级
姓名
指导教师
年月日
课程设计任务书
学生姓名：专业班级：
指导教师：工作单位：
题目: 数字跑表设计
初始条件：
1．运用所学的模拟电路和数字电路等知识；
2．用到的元件：实验板、电源、连接导线、74系列芯片、555芯片或微处理器等。

要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1．设计一个具有、‘分’、‘秒’、‘1/100秒’的十进制数字显示的计时器。

2．要有外部开关，控制计数器的直接清零、启动和暂停/连续计时功能；
3．严格按照课程设计说明书要求撰写课程设计说明书。

时间安排：
第1天下达课程设计任务书，根据任务书查找资料；
第2～4天进行方案论证，软件模拟仿真并确定设计方案；
第5天提交电路图，经审查后领取元器件；
第6～8天组装电路并调试，检查错误并提出问题；
第9～11天结果分析整理，撰写课程设计报告，验收调试结果；
第12～14天补充完成课程设计报告和答辩。

指导教师签名：年月日
系主任（或责任教师）签名：年月日
目录
引言 (1)
1设计意义及要求 (2)
1.1设计意义 (2)
1.2设计要求 (2)
2方案设计 (3)
2.1设计思路 (3)
2.2 方案设计 (4)
2.2.1设计方案一（个人方案）电路图 (4)
2.2.2设计方案二（小组方案）电路图简单说明 (5)
2.3方案比较 (6)
3部分电路设计 (7)
3.1计数单元 (7)
3.2开始和暂停单元 (11)
3.3清零功能单元 (12)
3.4脉冲输出电路 (14)
3.5译码及显示电路 (15)
4调试与检测 (18)
4.1调试中故障及解决办法 (18)
4.2 调试与运行结果 (18)
5仿真操作步骤及使用说明 (19)
结束语 (20)
参考文献 (21)
附录1 (22)
附录2 (23)
本科生课程设计成绩评定表......................... 错误!未定义书签。

引言
过去的三个世纪,我们经历了第一次工业革命,人类开始进入蒸气时代,第二次工业革命,人类开始进入电气时代并在信息革命资讯革命中达到顶峰。

现在正处于第三次工业革命。

如今，电子技术获得了飞速的发展，各个领域都可以看见它的身影，汽车、数码摄影机、电子计算机、空调等都是电子科技的典型应用，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。

数字跑表作为一个简易的数字集成电路的应用，在很多地方起到非常重要的作用。

例如，我们上体育用的停表，实验用的电子停表以及我们自己用电子表就是它的应用的典型例子。

数字跑表使用简单，携带方便，广泛应用与各个领域中。

数字跑表具有计时功能，本设计的数字跑表有启动、停止、复位的功能，可以精确到0.01秒，在一定条件下能做到符合要求的准时计时。

关键词：计数器，门电路，数字跑表
1设计意义及要求
1.1设计意义
通过对本次数字跑表课程设计，我们自己设计，自己分析，自己动手，可以更加深入学习各种电子元件的原理与使用方法，加深对已经学的模拟电子技术和数字电子技术方面的理解和初步应用，并将之运用到实践中去，加深自己的理解，为以后的学习和工作打下一个坚实的基础。

掌握用各种进制计数器设计所需进制计数器的转换、译码器和数码管的使用、门电路的控制作用以及用555定时器产生时序脉冲等。

各种电路的组合需要经过精密的计算和思考，整合各个功能电路，使之能达到数字跑表的基本要求。

在课程设计中，我们用到了很多的芯片，这对我们熟悉各种芯片的功能用途很有帮助，可以阔宽我们的视野，发散我们的设计，分析与理解思维。

同时可以让我们明白同一个问题可以有多种解决的方法，通过对不同方法的比较，学会选择最优解。

数字跑表是采用数字电路实现对分,秒数字显示的计时装置,是人们日常生活中不可少的必需品,数字化给人们生产生活带来了极大的方便，我们所做的数字跑表设计只是其中最基础的电路设计。

总之，此次设计对我们的作用非常大，可以提高自己的个项及综合能力，并将理论与实践相结合，认识到理论与实际的差距，并能分析其中的误差，使自己能更好的运用自己所学和没有学的，完成其他功能更多、更加复杂、完善的电子产品设与制作。

现在的设计是简单的、基础的，将来我们会遇到更多复杂的问题。

不管如何，我相信，这次的设计对我们的将来很有用处，会是一笔无价的财富。

1.2 设计要求
设计一个数字跑表：
1). 量程在00分00.00秒~~59分59.99秒即时间以1小时为一个周期；
2). 具有‘分’、‘秒’、‘1/100秒’的十进制数字显示；
3). 要有外部开关，控制计数器的直接清零、启动和暂停/连续计时功能；
4). 用7位数码管显示分、秒；
5). 画出部分和整体的电路图，以及元器件及参数选择；
6). 给出仿真分析结果。

2.1设计思路
1).利用555计时器构成能产生特定脉冲的多谢振荡器，产生100Hz的脉冲信号，满足数字跑表的脉冲需求；
2).用多功能计数器产生一百进制和六十进制，实现数字跑表的计数功能；
3).利用各种门电路的组合，实现数字跑表的启动、暂停和清零；
4).利用译码器和数码管实现译码及显示功能；
系统框图如图2-1
图2-1 系统框图
设计方框图如下2-2
图2-2 数字跑表设计原理图
2.2.1设计方案一（个人方案）电路图
图2-3 方案一电路图
如图2-3所示，该电路由时序脉冲源、计数器、译码器、数码管及逻辑控制电路组成。

数字跑表的核心部件是计数器，给出合理的时钟脉冲从而实现最低位的计数以及对高位的进位。

时序脉冲源由555定时器构成的多谐振荡器，设置特定的参数可以产生频率为100Hz的时序脉冲，为计数器提供时序脉冲，使之进行计数。

计数器由3对74LS390双十计数器芯片组成，通过芯片间的连接实现百分秒、秒、分计时电路，量程在00分00.00秒~~59分59.99秒，把小数点后面的两位设计成一百进制的计数器，秒数和分钟数分别设计成60进制的计数器数，计数器输出连接译码器，译码器再连接7位数码管显示的数码管，从左到右分别为分十位，分个位，秒十位，秒个位，百分秒十位，百分秒个位。

逻辑门控制构成RS触发器，通过实现电路的通断控制计数器的启动/暂停及清零。

接通电源后，直接显示计时器启动，SW1处于低点平，SW2处于高电平。

开关SW2接高电平（上端），电路即开始计时，将开关SW2接低电平（下端），电路就暂停计时，清零开关SW1接高电平（下端），计时清零且停止，显示器显示“0”。

这样就实现了数字跑表的各项基本功能。

2.2.2设计方案二（小组方案）电路图简单说明
图2-4方案二电路图
如图2-4所示，电路的计数原理与方案一有些许区别，使用74LS90作为计数器，时钟脉冲从而实现最低位的计数以及对高位的进位，把小数点后面的两位设计成一百进制的计数器，秒数和分钟数分别设计成六十进制的计数器数，用555构成多协振荡器，逻辑门电路构成控制器，译码器、数码管构成显示部分。

开始\暂停部分开关断开，显示计数器启动，计数未开始。

闭合则计时器开始计时。

控制清零部分由点触开关接高电平，使得所有计数器清零端接高电平，可实现清零功能。

2.3方案比较
通过对比方案一和方案二可以看出：方案一的脉冲输出电路是直接由555定时器产生频率为100Hz的时序脉冲，为计数器提供时序脉冲，使之进行计数；而方案二则比方案一更为精确，由555定时器产生频率为10000Hz的时序脉冲，再经过2片74LS90进行100分频，产生频率为100Hz的时序脉冲。

同时可以看到，方案二中开关中的清零部分使用的点触式开关，更接近于真实的秒表。

方案一的优点在于最终结果显示一目了然，各控制部分排布合理，但精确度较差；方案二优点是精确度强，但较为繁琐，实际器材略微不够。

考虑到实际情形，我认为方案二更精确，也更科学，比较具有实际意义，因此选择方案二作为小组方案，更加合理。

3部分电路设计
3.1 计数单元
电路采用3对74LS390芯片构成数字跑表的主体计时部分，74LS390为双四位十进制计数器。

74LS390引脚图如图3-1
Vcc 2CKA 2CLR 2QA 2CKB 2QB 2QC 2QD
16 15 14 13 12 11 10
1 2 3 4 5 6 7
8
1CKA 1CLR 2QA 1CKB 1QB 1QC 1QD GND
图3-1 74LS390集成计数器引脚图
74L390功能表如表3-1所示
表3-1 74LS390功能表
说明：电路有八个主从触发器和附加门，以构成两个独立的4位计数器，可以实现等于2分频、5分频乃至100分频的任何累加倍数的周期长度。

当连成二—五进制计数器时，可以用独立的2分频电路在最后输出级形成对称波形（矩形波）。

每个计数器又有一个清除输入和一个时钟输入。

由于每个计数级都有并行输出，所以系统定时信号可以获得输入计数频率的任何因子。

计数器部分由3对74LS390组成，构成了数字跑表的以下3个部分。

1).“百分秒”电路如图3-2所示
图3-2 百分秒电路图
如图3-2所示，电路是利用74LS390芯片构成的一百进制计数器。

U9:A和U9：B均将Q0接CKB，MR接在一起经过门电路经清零开关接地，分别进行十进制计数，而U9：B中的Q3接U9：A的CKA ,当U9：B中计数从9到变为0时，从二进制数1001变成0000，Q3从1变0，产生下降沿脉冲，使U9：A开始计数。

从而就构成了一百进制计数器。

2).“秒”电路图如图3-3所示
图3-3 秒电路图
如图3-3所示，U8：A和U8：B的CKB端接法同U9。

U8：B的CKA接U9：A的Q3, U8：B的接法与U9：A完全相同，原理也类似。

U8：A的CKA端接U8：B的Q3，U8：A的Q1和Q2接到二输入与门U10：A上，输出再接到一个二输入或门U11：A上, U11：A的另一个输入端接清零控制电路，输出端接到U8：A的MR上，U8：B的MR直接接到或非门再接地。

3).“分”电路与秒电路类似，如图3-4所示。

图3-4 分电路图
U7~U9的输出端分别接译码器4511，再接7端数码管即可完成显示功能。

3.2开始和暂停单元
开始/暂停控制电路图如图3-5所示
图3-5 开始/暂停控制电路图
如图3-5所示，开始/暂停部分采用2输入或非门74LS00芯片，开关接高电平（上端）时，或非门输入接电源，有或非门的控制作用，将高电平输入，启动计时；开关接低电平（下端）时，将低电平输入74LS00将输出高电平，暂停。

74LS00引脚图如图3-6所示
Y= AB
图3-6 74LS00引脚图
其功能表如表3-2所示
表3-2 74LS00功能表
A B Y
L L H
L H H
H L H
H H L
3.3清零功能单元
清零电路如图3-7所示
图3-7 清零电路图
如图3-7所示，清零部分使用二输入或非门和单刀双掷开关。

当开关端置低电平时（上端），计数器正常工作，或门输出为低电平：当清零开关置高电平时（下端），通过或门输出高电平,连接每个计数器的高点平清零端，强制清零。

74LS08与门芯片引脚图如图3-8所示
Y=AB
图3-8 74LS08引脚图
74LS08功能表如表3-3所示
表3-3 74LS08功能表
A B Y
L L L
L H L
H L L
H H H
两输入或门芯片74LS32引脚图如图3-9所示
Y=A+B
图3-9 74LS32引脚图
74LS32功能表如表3-4所示
表3-4 74LS32功能表
A B Y
L L L
L H H
H L H
H H H
3.4脉冲输出电路
555多谐振荡器脉冲输出电路如图3-10所示
图3-10 脉冲产生电路图
如图3-10所示，采用555定时器构成的多谐振荡器产生频率为100HZ 的时序脉冲，3脚为脉冲输出端，其中参数选择为： R1=3K Ω，R2=10K Ω，C1=1μF,C2=1μF 。

555定时器的引脚图如图3-11所示：
图3-11 555定时器引脚图
1 2 3 6 5
4
7 8 555 定时器
R
Q TIRG GND CI
THR DIS VCC
两输入与非门芯片74LS00引脚图如图3-12所示
图3-1274LS00引脚图
74LS00功能表如表3-5所示
表3-5 74LS00功能表
A B Y
L L H
L H H
H L H
H H L
3.5 译码及显示电路
译码器选择4线-7线译码器即74HC4511芯片，数码管选7段数码管7SEG-COM-ANODE。

74HC4511引脚图如图3-13所示
图3-13 74HC4511引脚图
74HC4511功能表如表3-6所示：
表3-6 74HC4511功能表
输入输出LE BI LT D C B A a b c d e f g显示X X0X X X X11111118 X01X X X X0000000消隐011000011111100 011000101100001 011001011011012 011001111110013 011010001100114 011010110110115 011011000111116 011011111100007 011100011111118 011100111100119 01110100000000消隐01110110000000消隐01111000000000消隐01111010000000消隐01111100000000消隐0111111000000消隐111X X X X锁存锁存7段数码器的引脚图如图3-14所示：
图3-14 7段数码管引脚图
8421 BCD 码对应的显示见下图3-15
图3-15 8421BCD码对应显示
此处使用的是共阴极数码管，须将图3-14中的“+”“—”端接地。

此部分使用4线-7线译码器的四个输入端分别接计数器的4个输出端，再将译码器的7个输出端接到数码管的7个输入端，这样就构成了译码及显示电路。

图 3-16 译码及显示电路
4调试与检测
4.1调试中故障及解决办法
按照小组方案原理图，我们小组在第一次连线失败后，选择了部分电路依次接线，层层检查的方法，经过认真仔细的连线，注意到各芯片之间不要混搭，连线要清晰。

待接好线后，我们首先未使用555多谐振荡器，而是手动触发产生脉冲信号，显示器有显示，说明译码器和数码管的连接是正确的。

若不显示，则检查译码器和数码管的连接。

然后再将555多谐振荡器脉冲输出端接通到计数器的脉冲输入端，接通电源，闭合开关后观察显示器，有显示，说明555多谐振荡器正常。

期间，我们组调节了555多谐振荡器各连接元件数值，保证其产生100HZ脉冲信号。

控制电路存在开始/暂停开关和启动/清零开关，在计数过程中使用各开关，观察显示器，看是否实现各功能。

若不能实现，则检查各个逻辑门电路线路连接是否正确，直到正确实现功能为止。

4.2调试与运行结果
待检查线路连接正确无误后，接通电源，合上开关，启动计时功能，通过观察显示器，可以看到，电路实现了数字跑表的计时功能，且各开关也具有开始/暂停和启动/清零功能。

各功能都正常，说明数字跑表设计成功。

5仿真操作步骤及使用说明
一．各部件说明：
1). 开关SW1为启动\清零端，开关SW2为开始\暂停端，开关为人为控制。

2).电平显示从左到右分别为分十位，分个位，秒十位，秒个位，百分秒十位，百分秒十位。

二．操作说明：
1).开始时SW1置高电平（下端），开关SW2置高电平（上端），此时六个显示器都处于“00 00 00”状态，表示跑表已启动，计时未开始。

2). 把SW1置低电平（上端）即开始计时。

3).SW2置低电平（下端）表示暂停，SW2置高电平（上端）即可实现继续计时。

4).任何时候SW1置高电平（下端）就可以实现清零功能（清零同时跑表停止，若要
重新计时则将SW1置低电平（上端））。

5). 当计时到59分59秒99微妙时，在下一个时序脉冲到来后显示器显示“ 00 00 00”，完成一个计时循环，并且系统自动跳到下一个计时循环。

备注：表格中SW1置低电平，SW2置低电平的两种状态表示跑表刚启动，电平显示为全零的状态与计时后暂停时电平显示为某一数字的状态。

结束语
这次的课程设计为时两周，分为小组方案和个人方案两部分，既锻炼了我们自己独立思考的能力又加强了我们的团队协作意识，使我受益匪浅。

此次课程设计，在设计过程中遇到了一些问题，虽然在电脑上仿真通过了，但是实际接线调试时却出现了很多问题，由于电路接线很复杂，这对查找错误提供了很大的障碍。

但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足，不过最终经过小组探讨与最后电路整改，终于成功完成实际的电路组装。

通过这次数字跑表设计，本人在多方面都有所提高。

通过这次设计提高了我综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识进行实际的电路制作的能力，巩固与扩充了数电课程所学的内容，掌握了关于跑表的原理与设计理念，让我对各种电路都有了大概的了解，也让我对所学的知识有所加深，并且有了一次新的认识，同时各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高。

另外，此次设计后我对各种芯片的认识和理解更加熟练，而且对于查找相关知识的方法也掌握了不少，增强了我的实践动手能力，使我深刻地认识到仅仅学习课本上的知识是远远不够的，必须要多多动手，多多实践，才能真正理解并掌握所学的知识，达到学以致用的目的。

课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程。

“千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义。

我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。

参考文献
[1] 祁存荣，陈伟.电子技术基础实验（数字部分）武汉理工大学教材中心
[2] 康华光.电子技术基础-数字部分（第五版），高等教育出版，2006.1
[3] 朱宝华主编.电子测试与实验.清华大学出版社，2004.4
[4] 何绪芃，曾发柞.脉冲与数字电路 .成都：电子科技大学出版社，2001.1
[5] 邓勇.数字电路设计完全手册.北京：国防工业出版社。

[6] 梁宗善.新型集成电路的应用-电子技术基础课程设计华中理工大学出版社2007
[7] 王源.使用电路基础,机械工业出版社
[8] 周惠朝.常用电子元件及典型应用.电子工业出版社2005
武汉理工大学《电工电子综合课程设计》说明书本科生课程设计成绩评定表
指导教师签字：
年月日。