数字电子秒表设计

攀枝花学院综合设计（论文）数字式电子秒表学生姓名：陈勇学生学号：201210502008院（系）：电气信息工程学院年级专业：2012级电气工程与自动化指导教师：游霞讲师二〇一四年五月攀枝花学院本科毕业设计（论文）28摘要该设计的进行使我们的动手能力、实际操作能力、综合应用能力得到更好的提升。这次设计是基于计算机电路的时钟脉冲信号、状态控制等原理设计出的数字秒表。秒表在很多领域充当一个重要的角色。在各种比赛中对秒表的精确度要求很高，尤其是一些科学实验。他们对时间精确度达到了几纳秒级别。现实生活中电子秒表是一种很常见的装置，应用范围也是相当的广泛。比如，城市的交通信号灯。是我们最常见的一种电子秒表。数字式电子秒表由他独特的好处——显示直观，内容一目了然。本次课程设计从总体设计框图开始，将设计任务逐步分解，直到可以用标准的集成电路部件实现，然后将各部件联结成系统，通过Multism进行设计的分析综合和时序仿真验证。本文在原理简要处，还加入了程序设计中用到的几种集成元件的管脚图，以及简单介绍了这些元器件所能实现的功能。先后设计出了计秒、计分和计时电路，并完成了初步的调试与仿真。最后，在分析时序仿真结果的基础上，对设计电路进行进一步的修改和完善，已达到对设计电路正确运行且学会运用Multism电路设计与仿真的目的。操作步骤：（1）启动仿真电路，可观察到数字时钟的秒位开始计时，计数到60后复位为0，并进位到分计时电路。（2）观察到数字时钟的分位开始计时，计数到60后复位为0，并进位到时计时电路（3）开关J1可控制时计时电路的方式选择。（4）控制键可控制秒脉冲直接引入时、分计数器。（5）出现整点，即时计数器发生变化。由以上的操作步骤可以完成课程设计的要求。关键词时钟脉冲信号，状态控制，计数器，555定时器，多谐振荡器攀枝花学院本科毕业设计（论文）28目录目录摘要..............................................错误!未定义书签。ABSTRACT............................................错误!未定义书签。1、实验目的.........................................................42、实验设备.........................................................43、实验要求.........................................................44、实验原理.........................................错误!未定义书签。4.1、基本RS触发器..............................................74.2、单稳态触发器...............................................74.3、时钟发生器.................................................84.4、时钟发生器.................................................84.5、集成异步计数器74LS90.......................................85、实验内容和步骤...................................................95.1、基本RS触发器的测试........................................105.2、单稳态触发器的测试.........................................115.3、时钟发生器的测试...........................................125.4、计数器的测试..............................................135.5、电子秒表的整体测试..........................错误!未定义书签。5.6、电子秒表准确度的测试........................错误!未定义书签。6、实验总结.........................................错误!未定义书签。参考文献.....................................错误!未定义书签。攀枝花学院本科毕业设计（论文）650.1s-9.9s电子秒表1、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。2、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。3、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。攀枝花学院本科毕业设计（论文）65电子秒表的原理电子秒表要求能够对时间进行精确记时并显示出来,因此要有时钟发生器,记数及译码显示.由555定时器构成多谐振荡器，用来产生50Hz的矩形波。第Ⅰ块计数器作5分频使用，将555输来的50Hz的脉冲变为0.1秒的计数脉冲，在输出端Qd取得，作为第2块计数器的始终输入，第2、第3块计数器QA与CP2相连，都已接成8421码十进制计数电路，第4块接成六进制形式，其输出端与译码显示器的相应输入端连接，可显示0.1-0.9s,1-9s,10-60s。图1-1电子秒表的原理图1.1时钟信号发生单元ne555是一种应用特别广泛作用很大的的集成电路，属于小规模集成电路，在很多电子产品中都有应用。ne555的作用是用内部的定时器来构成时基电路，给其他的电路提供时序脉冲。ne555时基电路有两种封装形式有，一是dip双列直插8脚封装，另一种是sop-8小型（smd）封装形式。其他ha17555、lm555、ca555分属不同的公司生产的产品。内部结构和工作原理都相同。ne555的内部结构可等效成23个晶体三极管.17个电阻.两个二极管.组成了比较器.RS触发器.等多组单元电路.特别是由三只精度较高5k电阻构成了一个电阻分压器.为上.下比较器提供基准电压.所以称之为555。555内部结构及引脚如下图所示：图1-2555内部结构及引脚图多谐振荡器计数器译码器数码显示器攀枝花学院本科毕业设计（论文）651.2记数单元74LS90是一种较为典型的异步十进制计数器。它由1个一位二进制和1个异步五进制计数器组成。如果计数脉冲由CP1端输入，输出由QA端引出，即得二进制计数器；如果计数脉冲CP2端输入，输出由QA～QD端引出即得五进制计数器；如果将QA与CP2相连，计数脉冲由CP1输入，输出由QA～QD引出，即得8421码十进制计数器。因此，又称此电路为二——五——十进制计数器。它的引脚功能如下：图1-374LS90引脚图图1-4电子表秒计数单元电路1.3.译码显示单元74HC160N是BCD码到七段码的显示译码器，它可以直接驱动共阴极数码管。它的管脚图如图5所示。显示器用DCD_HEX共阴极LED显示器。U1DCD_HEX攀枝花学院本科毕业设计（论文）65图1-4DCD_HEX共阴极LED显示器引脚功能图LED显示屏（LEDpanel），是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。1.4控制单元1.4.1启动/暂停记时开关用集成与非门构成基本RS触发器，属低电平直接触发的触发器，有直接置位、复位的功能。它的一路输出作为单稳态触发器的输入，另一路输出作为与非门的输入控制信号。按动按钮开关J1（接地），则门1输出=1；门2输出Q=0，J1复位后Q、状态保持不变。再按动按钮开关J2，则Q由0变为1，门5开启，为计数器启动作好准备。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。1.4.2异步清零开关只要S9（1）×S9（2）=0，R0（1）=R0（2）=1，就可使QAQBQCQD=0000，即异步清0。4.1、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K2（接地），则门1输出=1，门2输出Q=0，K2复位后Q、状态保持不变。再按动开关K1，则Q由0变到1，门5开启，为计数器启动做好准备；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。4.2、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Vi由基本RS触发端端提供，输出负脉冲V0通过非门加到计数器的清楚端R0。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Roff。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Rp和Cp。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。攀枝花学院本科毕业设计（论文）654.3、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Rw，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CP2。4.4、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QD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。4.5、集成异步计数器74LS9074LS90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74LS90引脚排列图表1为其功能表表1输入输出功能清0置9时钟QDQCQBQAR0(1),R0(2)R9(1).R9(2)110XX0XX0000清0攀枝花学院本科毕业设计（论文）650XX011XX1001置90XX00XX0↓1QA输出二进制1↓QDQCQB输出五进制↓QAQDQCQBQA输出8421BCD码十进制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R（、R（01）02）对计数器清零，借助S、S将计数器置9。其具体功能详述如下：（（91）92）（1）计数脉冲从CP1输入，QA作为输出端，为二进制计数器。（2）计数脉冲从CP2输入，QDQCQB作为输出端，为异步五进制加法计数器。（3）若将CP2和QA相连，计数器脉冲由CP1输入，QD、QC、QB、QA作为输出端，则构成异步8421码十进制加法计数器。（4）若将CP1和QD相连，计数器脉冲由CP2