数电课程设计

课程设计说明书

课程名称：数字电子技术课程设计

题目：数字式跑表

学生姓名：

专业：

班级：

学号：

指导教师：

日期：年月日

数字式跑表

一、设计任务与要求：

设计一个以0.01s为基准计时信号的实用数字式跑表：

基本要求:

（1）跑表计时显示范围0~99min59.99s

（2）具有清零、启动计时、暂停计时及继续计时功能，操作按键（或开关）不超过2个

（3）时钟源误差不超过0.01s

提高要求:

（4）显示最大值可达23h59min59.99s，有整点、半点提醒功能

（5）有定时功能

（6）有倒计时功能

二、方案设计与论证

本次试验中我做的主要由6个74LS162芯片和6个LED四端显示数码管组成，用555定时器组成单稳态触发器提供100Hz的脉冲。其中四片芯片构成两个100进制计数器分别表示“毫秒”和“分”，剩下的两片芯片构成60进制计数器表示“秒”，最后加入2个按键实现清零、启动计时、暂停计时及继续计时功能。

方案一：

用一个555定时器组成单稳态触发器为计数电路提供计数矩形脉冲，通过调节电阻R和电容C的值使振荡电路产生100Hz（周期为0.01秒）的计数脉冲。由74LS162组成三级计数电路，分别是一百进制的毫秒计数电路、六十进制的秒计数电路、一百进制的分计数电路。

方案二：

用一个555定时器构成多谐振荡器为电路提供计数脉冲。计数电路由6片74LS162级联组成同方案一。

5V 电源 0.01s 信号

计数器

控制开关 显示数码方案三：

用石英晶体构成石英晶振脉冲发生电路。计数电路同方案一。

最终方案：因为对石英晶振脉冲发生电路不熟悉，再加上由于在最后的Multiusim 12仿真中发现，555组成的单稳态触发器的仿真效果比555组成的多谐振荡器的要好，而且单稳态触发电路的参数容易计算和调节，所以最终选择方案一。

整体设计原理：

这次我设计的数字秒表实际上是一个计数及其一些简单的控制电路，对100HZ 频率的信号进行计数、锁存、清零及其显示。对100Hz 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。但是在要求不高的情况下也可用555定时器构成的信号源，再加上对石英晶体振荡器电路不了解，所以最后决定采用555定时器，再用计数器对其进行计数。

三、 单元电路设计与参数计算

1. 555定时器

图1：555引脚图

◆ 1脚（GND ）为接地端；

◆ 2脚（TR ）为低电平时有效，且<1/3U DD 输出端为1；

◆ 3脚（OUT ）为输出端；

◆ 4脚（R ）为复位端；

◆5脚（CO）为控制电压输入端；

◆6脚（TH）为阈值端，是高电平触发端；

◆7脚（D）为放电端；

◆8脚（U CC）为电源端

表1：555定时器功能表

当TH高触发端6脚加入的电平大于2/3U

DD

，TL低触发端2脚的电平大于

1/3U

DD

时，比较器A1输出高电平，比较器A2输出低电平，触发器置“0”，放电管饱和，7脚为低电平。

当TH高触发端加入的电平小于2/3U

DD ，TL低触发端的电平大1/3U

DD

时，比较器A1输出低电平，比较器A2输出低电平，触发器状态不变，仍维持前一行的电路状态，输出低电平，放电管饱和，7脚为低电平。

当TH高触发端6脚加入的电平小于2/3U

DD ，TL低触发端的电平小1/3U

DD

时，比较器A1输出低电平，比较器A2输出高电平，触发器置“1”，输出高电平，放电管截止，7脚为高电平。因7脚为集电极开路输出，所以工作时应有外接上拉电阻，故7脚为高电平。

当从功能表的最后一行向倒数第二行变化时，电路的输出将保持最后一行的状态，即输出为高电平，7脚高电平。只有高触发端和低触发端的电平变化到倒数第三行的情况时，电路输出的状态才发生变化，即输出为低电平，7脚为低电平。

由电路框图和功能表可以得出如下结论：

1．555定时器有两个阈值，分别是1/3U

DD 和2/3U

DD

。

2．输出端3脚和放电端7脚的状态一致，输出低电平对应放电管饱和，

在7脚外接有上拉电阻时，7脚为低电平。输出高电平对应放电管截止，在有上拉电阻时，7脚为高电平。

3．输出端状态的改变有滞回现象，回差电压为。

4．输出与触发输入反相。

（1）用555定时器构成的单稳态触发器

单稳态触发器,是指电路达到稳定之后,只有一个稳定状态的触发器。一般具有以下特点：

（1）电路的输出可以的高电平，也可以的低电平，但稳定的输出状态是唯一的。（2）在外界触发信号的作用下，电路的输出状态将进入暂时的工作状态，称为暂稳态。暂稳态是暂时的，经历一定时间后电路的输出一定会自动回到其稳定输出状态。

（3）暂稳态的维持时间取决于电路的参数，与外界的触发信号脉冲宽度和幅度大小无关。只要触发信号的幅度足够高或足够低，就能使电路进入暂稳态工作。

由于以上特点，单稳态触发器广泛应用于将尖脉冲转换呈矩形脉冲信号，延时脉冲产生电路。

用555定时器构成的单稳态触发器的电路如下图所示。

这种触发器具有两个触发信号输入端，可以用高电平触发，也可以用低电平触发。555定时器的2端为触发信号的输入端，6端和7端并联后，连接到电阻电容的串联点，构成电容，电阻充放电定时电路结构。 555定时器组成的单稳态电路由输入脉冲信号的下降沿触发，使其输出状态产生翻转，另外，在暂稳态过程结束前，11U 必须恢复为1，否则电路内的RS 触发器为不确定状态，输出不能维持0状态。因此这种单稳态电路只能用负窄脉冲触发。如果输入脉宽大于输出脉宽，则输入端可加RC 微分电路，使输入脉宽变窄。

输出0U 的脉冲宽度w t 也就是暂稳态的持续时间。根据RC 电路瞬态过程的分析，可得到：

()()

()⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-∞-+∞=+τt U U U U C C C C exp 0 (1) 由（1）中，可得：，时间常数RC t t w ==τ

()()

()()w w U RC t U -U 0U -ln t C C C C ∞∞=+

（2）

而 ()()()CC w V U 32t U V 00U V C C CC C ===∞+，， 则可得：

RC V V V RC t CC

CC CC w 1.1320ln =--= 这种电路产生的脉冲宽度可以从几微秒到数分钟。可通过改变R 、C 元件参数调节脉冲宽度，精度可达0．1％。综上所述，用555定时器构成的单稳态触发器是负脉冲触发形式，且暂稳态维持时间为 1.1RC RCln3t ≈=w ，仅与电路本身的参数R 、C 有关。

2.计数器

计数器是数字系统中使用最多的时序电路。它是由触发器和控制门组成。它不仅可以用来计数，还可以用于数字系统的定时、分频执行数字运算等。

这次课程设计要求是设计一个跑表计时显示范围0~99min59.99s 。所以设计中选用6个74LS162计数器。其中两片计数器接成六十进制，其他四片接成两个一百