理工大学数字秒表数电设计.docx

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理工大学数字秒表数电设计

一、设计目的及流程

1.【目的】为引导学生充分利用课外业余时间将课堂所学理论知识与动手实践相结合，体会电子学的奥秘从而激发大学生对电子技术的爱好，培养大学生动手设计能力。

2.【流程】

（1）：

查找资料，确定总体电路设计方向。

（2）：

设计并确定电路。

（3）：

应用multisim仿真，并校验电路。

（4）：

使用面包板连接电路，最后确认电路的实际可行性

（5）：

焊接实物电路图

二、设计总体框图及

图1.1

三、设计原理及说明

本电路由启动、清零复位电路,计数电路,译码显示电路,回读电路，开关去抖电路等组成。

充分运用芯片74LS90的逻辑功能，用四片74LS90芯片实现秒表示00：

00—99：

99秒。

利用集成与非门构成的基本RS触发器（低电平直接触发）实现电路的直接置位、复位功能。

利用555定时器构成的多谐振荡器为电路提供脉冲源以驱动电路工作。

利用4511芯片与共阴极七段显示器，实现译码显示器功能，显示时间。

利用D触发器，实现电路的存储功能。

利用74LS194芯片的逻辑功能，实现移位读数功能

四、单元电路设计

1、电路的直接置位、复位电路：

利用集成与非门构成的基本RS触发器实现，属于低电平直接触发的触发器，有直接置位、复位的功能。

如图4.1所示。

图4.1由基本RS触发器构成的具有直接置位、复位功能的逻辑电路

它的一路输出作为单稳态触发器的输入，另一路输出Q作为与非门的输入控制信号，控制脉冲源CP的放行与禁止。

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。

再按动按钮开关K1,则Q由0变为1，门5开启,为计数器启动作好准备。

由1变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停秒表。

　　2、脉冲电路：

图4.2.1555多谢震荡脉冲发生电路

图4.2.2555多谐振荡脉冲发生器器的工作波形

接通电源后，电容C被充电，当Vc上升到2Vcc/3时，使Vo为低电平，同时放电三极管T导通，此时电容C通过R2和T放电，Vc下降。

当Vc下降到Vcc/3时，Vo翻转为高电平。

电容器C放电所需时间为

（1）

当放电结束时，T截止，Vcc将通过R2、Rp、R1向电容C充电，Vc由Vcc/3上升到2Vcc/3，所需时间为：

（2）

当Vc上升到2Vcc/3时，电路又翻转为低电平。

如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波，电路的工作波形如上图3.2.2所示，其振荡周期为：

（3）

f=1/T=100Hz（4）

输出方波占空比为：

（5）

脉冲源电路的职能是为秒表提供脉冲源以驱动芯片74LS90工作。

3、计数及译码显示功能设计

计数器是一个用以实现计数功能的时序部件,它不仅可用来计脉冲数,还常用作数字系统的定时,分频和执行数字运算以及其它特定的逻辑功能.计数器种类很多.按构成计数器中的各触发器是否使用一个时钟脉冲源来分,有同步计数器和异步计数器.根据计数制的不同,分为二进制计数器,十进制计数器和任意进制计数器.根据计数的增减趋势,又分为加法,减法和可逆计数器.还有可预置数和可编程序功能计数器等等。

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4.3.174LS90引脚排列

表4.3.274LS90真值表

计数功能主要利用二—五—十进制加法计数器74LS90来实现。

因要求电子秒表显示时间为00：

00—99：

99秒，因此需四片74LS90芯片，其与译码显示单元的相应输入端连接，可显示00：

00—99:

99秒。

图2.4.1为74LS90引脚排列。

通过不同的连接方式，74LS90可以实现四种不同的逻辑功能；而且还可借助R0

（1）、R0

（2）对计数器清零，借助S9

（1）、S9

（2）将计数器置9。

其具体功能详述如下：

（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与QD相连，计数脉冲由CP2输入，QA、QD、QC、QB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。

a）异步清零：

当R0

（1）、R0

（2）均为“1”；S9

（1）、S9

（2）中有“0”时，实现异步清零功能，即QDQCQBQA＝0000。

b）置9功能：

当S9

（1）、S9

（2）均为“1”；R0

（1）、R0

（2）中有“0”时，实现置9功能，即QDQCQBQA＝1001。

74LS90芯片功能表如表4.3.2所示。

由四片74LS90芯片构成的计数器电路如图4.3.3所示

图4.3.374LS90构成的计数器

4、译码驱动及显示单元

计数器实现了对时间的累计以8421BCD码形式输出，选用显示译码电路将计数器的输出数码转换为数码显示器件所需要的输出逻辑和一定的电流，选用CD4511作为显示译码电路，选用LED数码管作为显示单元电路。

图4.4.1CD4511引脚图图4.4.2LED数码显示管

cd4511管脚功能介绍如下：

LE：

锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。

LE=1时译码器是锁定保持状态，cd4511输出被保持在LE=0时的数值。

A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。

a、b、c、d、e、f、g：

为译码输出端，输出为高电平1有效。

BI：

4脚是消隐输入控制端，当BI=0时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。

LT：

3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0时，译码输出全为1，不管输入DCBA状态如何，七段均发亮，显示“8”。

它主要用来检测数码管是否正常。

8421BCD码对应的显示图：

图4.4.38421BCD码对应的显示图

图4.4.4译码显示器电路

图4.4.5四位译码显示单元电路

5、加按键音功能

采取硬件设备来解决，将一个开关键控制两条支路来实现，按键一边实现电路开启，暂停，停止等功能；另一边控制声音电路，简化电路设计难度。

4.5.1开关简易图4.5.2开关按键音设计电路

6、储存与回读电路

存储与回读设备用D触发器来实现，主要应用其自我锁存功能。

将四个D触发器记录一次一个显示管的数据，即将4个触发器分为一组。

4组触发器记录一次数据。

共需12组D触发器记录下3组数据。

4.6.1D触发器4.6.2D触发器工作波形图

4.6.3一位数据储存与回读单元电路

7、四位移位信号发生电路

4位移位信号发生电路由74ls194,74ls74组成，实现信号的右移功能，达到对器件工作的选择控制功能。

其具体电路图如图4.7.1

图4.7.14位移位信号发生电路

8、开关去抖电路

开关去抖电路有SR锁存电路完成基本去抖功能，防止按键抖动所产生的信号不稳，造成计数，回读等的失误。

其具体电路图如图4.8.1

图4.8.1开关去抖电路

五、器件清单

六．设计电路图

图6.1总体电路图

七．安装与调试

【安装】：

面包板分模块调试完成，功能无误之后，在电路板上将元器件还接。

全部焊接结束，并检查所有功能正常后。

将整机封装。

【调试】：

整机接通电源后并给正常计数电源：

按复位键，数码管现实清零，按开始键，秒表开始计数，按暂停键，秒表停止计数，按存储键秒表计数。

按回读电源键，给相应的回读数据电源，再按读取键，实现回读功能。

并可以通过调节滑动变阻器，控制脉冲频率来校准秒表。

八．设计心的与体会

通过本次课程设计，我们了解数字秒表的主体电路组成及工作原理，熟悉了集成电路及有关电子元器件的使用，掌握了仿真软件multisystem的应用，学习和掌握数字电路中基本RS触发器、频率发生、计数、译码显示、回读、去抖等单元电路的综合应用。

在历时一个月的设计，制作的过程当中，我们不但把以前学过的数字电子技术方面的知识做了全面的重新的认识。

还学到了很多课堂上根本无法学到的知识。

以前我们虽然进过一个学期的学习，并且都在期末考试和数字电子实验当中取得了不错的成绩。

但是经过这次的秒表设计，我才发现，我们之前对数字电子的理论知识认识是那么的浅薄，对仿真软件的应用几乎是一窍不通，对于数电的应用简直如盲人摸象。

在设计的过程中，我们慢慢学习、摸索、体会。

一开始，我们在网上查阅资料，拿着别人制作好的秒表的电路图来研究，弄懂别人的设计思路，设计方案。

之后我们针对自己将要设计的电路的要求进行修改。

附加的功能没有现成的电路可以参考，我们就一起讨论解决的办法渐渐的把功能实现。

之后我们一起用仿真软件仿真。

来验证自己的思路的可行性，再对电路做出校验和修改。

自己买元器件，用面包板搭建实验电路，用实物来做最后的校正。

最后把所有器件焊接在电路板上。

我们对数字电子的认识和应用都有了很大的提高设计实验过程中，我们遇到了很多问题。

比如：

7段LED数码显示器的译码问题，清零电路工作故障的问题，回读数影响储存数的问题，按键脉冲抖动造成移位电路工作故障的问题，无法实现电源移位的问题，电路功耗过大，导致电池很快就没电的问题。

甚至在购买器件的时候还存在很多问题，不知道芯片的价格，本商家欺骗，导致成本过高的问题。

有的问题我们解决了，有的问题还待解决。

这些问题使我们最好的老师！

我们一个个的攻克这些问题的同时，自己的各个方面的水平都在飞速的提升！

一个月以来，我们三个人几乎把所有的课余时间全都用在了这个工程上，也许对于很多人而言，这个项目是一个非常不起眼的小工程，我们做出来的作品是那么的粗糙，存在着不可计数的缺点和不足。

但是这是我们一个月的努力。

它带给我们太多的回忆，太多的提升。

蕴含着一个月的酸甜苦辣。

回想当时，每设计出一个模块我们都雀跃不已，每一次仿真成功都让我们觉得，信心倍增。

每一个功能用面包板实现，都让我们觉得，我们距离成功又进了一步。

但是无论设计、仿真还是最后的焊接，我们遇到了更多的失败和打击。

面对这些，我们告诉自己：

不能放弃！

这也是我们的最大的收获。

无论遇到多大的困难，都不能轻言放弃！

只要肯做研究，肯下功夫，没有什么能难得到我们！

这次设计给我们的收获是巨大的，我们非常感谢信息学院电子教研室给我们这次机会让我们真正的了解了数字电子技术的世界！

真心祝愿这次活动能圆满成功！

并且能把这样的比赛一直延续下去！

让更多的同学参与进来！