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数电课设论文
《数字电子技术基础》课程设计说明书
题目：
数字跑表
学生姓名：
学号：
院（系）：
理学院
专业：
信息与计算科学
指导教师：
2012年5月19日
目录
1.关于数字跑表……………………………………………………………………3
1.1数字电子跑表的背景………………………………………………………3
1.2数字电子跑表的意义………………………………………………………3
1.3数字电子跑表的应用………………………………………………………3
2.选题背景…………………………………………………………………………4
2.1问题分析……………………………………………………………………4
2.2数字跑表的设计……………………………………………………………4
3.数字跑表设计的五个模块………………………………………………………4
3.1第一个模块：
控制模块……………………………………………………4
3.2第二个模块：
分频模块……………………………………………………5
3.2.174161实现分频功能的介绍………………………………………5
3.2.2分频功能的完成……………………………………………………8
3.3第三个模块：
计时模块…………………………………………………8
3.3.174160实现计数功能的介绍…………………………………………8
3.3.2计时模块的完成……………………………………………………10
3.4第四个模块：
选时模块…………………………………………………12
3.5第五个模块：
显示模块……………………………………………………13
4.设计结论………………………………………………………………………14
参考文献…………………………………………………………………………15
1.关于数字跑表
在当今世界，随着各个领域的高科技快速发展，社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，人们各方面综合素质的提高，世界更新换代的节奏与人们生活的步伐也越来越快。
在这高速发展的当今世界，时间对人们来说无疑是极其宝贵的，时间就是金钱。
随着人们各方面素质的提高，不仅科学领域得到了飞速的发展，在当今世界，体育领域也在飞快的发展，运动员们都朝着“更快，更远，更强”的目标努力，特别是一些短跑比赛，要求计时器要足够的精确。
这就出现了本课题研究的电子跑表，用以测量完成某项体育运动所需时间，有秒表、电子计时仪和终点摄像系统等。
用于径赛、游泳、自行车、赛马、滑雪和划船等项目中。
这类钟表要求计时精确，一般分辨力为百分之一秒。
以石英振荡器为时间基准的计时仪可分辨出千分之一秒，并可将数据储存、打印。
电子跑表有起动、停止、复位的功能，有的还增设有侧按钮，表的最小精确值为0.01秒。
单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。
单片机模块中最常见的是数字钟，数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。
钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能，因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。
1.1数字电子跑表的背景
20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，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。
时间对人们来说总是那么宝贵，工作的忙碌性和繁杂性容易使人忘记当前的时间。
忘记了要做的事情，当事情不是很重要的时候，这种遗忘无伤大雅。
但是，一旦重要事情，一时的耽误可能酿成大祸。
目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。
下面是单片机的主要发展趋势。
单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。
从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。
这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。
1.2数字电子跑表的意义
数字钟是采用数字电路实现对.时,分,秒.数字显示的计时装置,广泛用于个人家庭,车站,码头办公室等公共场所,成为人们日常生活中不可少的必需品,由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,使得数字钟的精度,远远超过老式钟表,钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。
诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。
因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。
1.3数字电子跑表的应用
数字钟已成为人们日常生活中：
必不可少的必需品，广泛用于个人家庭以及车站、码头、剧场、办公室等公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。
由于数字集成电路技术的发展和采用了先进的石英技术，使数字钟具有走时准确、性能稳定、携带方便等优点，它还用于计时自动报时及自动控制的领域。
2.选题背景
2.1问题分析
设计的数字跑表需要满足具有暂停/启动功能、重新开始功能和用6个数码管分别显示百分秒、秒和分钟的条件。
百分秒用100进制计数器，秒和分钟用60进制计数器。
60进制计数器及100进制计数器均采用两个74160，采用整体置数方式接成。
从60进制计数器和100进制计数器这三个输出端分别接出八个端口，将当前时间编码传送给选时模块，以实现时间的选择和显示。
2.2数字跑表的设计
通过分析设计题目中数字跑表的功能，查阅了相关书籍和资料，思考该题目所需完成的模块。
确定模块后进一步确定需要用到哪些器件。
首先，对于要实现的暂停、启动功能和重新开始功能，需要有一个控制模块完成相关控制。
然后由于需要获得一个100HZ的时钟脉冲，要用到一个分频模块。
将实验箱提供的频率转换为100HZ即数字跑表百分秒的频率。
然后是计时模块，完成跑表的百分秒、秒和分钟的计时功能。
接下来由于实验箱提供的数码显示是扫描显示，必然需要一个选时模块。
最后一部分则是显示模块。
以下详细讲解设计过程：
根据要求，将设计分成五个模块：
第一个模块：
控制模块：
使跑表具有启动、暂停及重新开始的功能；
第二个模块：
分频模块：
对实验箱所提供的频率转换为本设计所需要的为100HZ的时钟脉冲；
第三个模块：
计时模块：
进行时间的计时，同时将当前时间输出给选时模块；
第四个模块：
选时模块：
从计时器得到当前时间输出给显示模块；
第五个模块：
显示模块：
时间显示。
总图如下：
图2-1数字跑表设计电路图
3数字跑表设计的五个模块
3.1第一个模块：
控制模块
RESET端为全局清零按钮，接到控制模块和计时模块的清零端，负责将计数器清零。
当RESET为低电平时，控制模块和总计数器模块清零，跑表重新开始工作。
与门可控制时钟信号是否被输出到下一级。
START_STOP为启动\暂停按钮，当跑表为START状态时CLK端为高电平，QA为1，时钟信号输出，当跑表为STOP状态时CLK端为低电平，QA为0，时钟信号不输出，从而实现开始和暂停的功能。
电路图如下：
图3-1控制模块的电路图
3.2第二个模块：
分频模块
由于最低位的百分秒为100进制，所以数字跑表需要100HZ的频率。
为了将实验箱提供的频率进行转换，将74161接成15进制计数器，从而实现分频的功能，将给定的频率转换为我们需要的100HZ的近似时钟信号。
然后将输出的时钟接入到计时模块。
3.2.174161实现分频功能的介绍
表3-14位同步二进制计数器74161电路的状态转换表
计数顺序
电路状态
等效十进制
进位输出C
Q3
Q2
Q1
Q0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
1
0
2
0
0
1
0
2
0
3
0
0
1
1
3
0
4
0
1
0
0
4
0
5
0
1
0
1
5
0
6
0
1
1
0
6
0
7
0
1
1
1
7
0
8
1
0
0
0
8
0
9
1
0
0
1
9
0
10
1
0
1
0
10
0
11
1
0
1
1
11
0
12
1
1
0
0
12
0
13
1
1
0
1
13
0
14
1
1
1
0
14
0
15
1
1
1
1
15
1
16
0
0
0
0
0
0
3-24位同步二进制计数器74161的电路图
/0/0/0/0
/1
/0
/0
/0
/0
/0
/0/0
/0/0/0/0
3-34位同步二进制计数器74161电路的状态转换图
表3-24位同步二进制计数器74161的功能表
由状态转换表和状态转换图可以看出，若计数输入脉冲的频率为f0，则Q0,Q1,Q2和Q3端输出脉冲的频率将依次为f0/2,f0/4,f0/8和f0/16。
从而实现分频功能。
3.2.2分频功能的完成
将实验提供的频率转化为100HZ的频率所设计的电路图
图3-4分频模块的电路图
3.3第三个模块：
计时模块
本模块由两个60进制计数器和一个100进制计数器构成，从而实现百分秒向秒、秒向分的计数功能需求。
60进制计数器及100进制计数器均采用两个74160，采用整体置数方式接成。
从60进制计数器和100进制计数器这三个输出端分别接出八个端口（秒、分、时的个位及十位分别由四个二进制代码表示），将当前时间编码传送给选时模块，以实现时间的选择和显示。
（秒个位：
S0A,S0B,S0C,S0D;秒十位：
S1A,S1B,S1C,S1D;分个位：
M0A,M0B,M0C,M0D;分十位：
M1A,M1B,M1C,M1D;百分秒个位：
H0A,H0B,H0C,H0D;百分秒十位：
H1A,H1B,H1C,H1D.）
3.3.174160实现计数功能的介绍
关于74160实现60进制计数器和一个100进制计数器功能的介绍：
同步十进制:
如果从0000开始计数，则直到输入第九个计数脉冲为止，它的工作状态和四位二进制计数器74161计数相同。
计入第九个计数脉冲后电路进入1001状态，这时Q3'的低电平使门G1的输出为0，而Q0和Q3的高电平使门G3的输出为1，所以4个触发器的输入控制端分别为T0=1、T1=0、T2=0、T3=1。
因此当第十个计数脉冲输入后，FF1和FF2维持0不变，FF0和FF3从1翻转到0，故电路返回0000状态。
74160的功能表与74161的功能表相同，所不同的在于74160是十进制而74161是十
六进制
/0
/1
/0/0/0
/1
/0/0
/1
/0
/0
/0/0/0
/1
/0
3-574160电路的状态转换图
3-674160的引脚图
3.3.2计时模块的完成
总电路图如下：
其中秒位的输入为百分秒的进位，即百分秒计数100次后，秒记数一次。
同时分位的输入为秒位的进位，即秒计数60次后，分计数一次。
图3-7计时模块的电路图
100进制计数器（count100）：
两个10进制计数器构成一个100进制计数器，第一片计数器实现计数，第二片计数器记录第一片计数器循环的次数，第一片计数器计数10次，产生一个进位，输入给第二片计数器，第二个计数器便记录一次，记满十次之后，两个计数器便记满10x10次，也就是100次，然后置零，进行下一次的记数。
图3-8100进制计数器的电路图
60进制计数器（count60）：
两个10进制计数器构成一个100进制计数器，其中第一片为10进制，第二片为6进制。
第一片计数器实现计数，第二片计数器记录第一片计数器循环的次数，第一片计数器计数10次，产生一个进位，输入给第二片计数器，第二个计数器便记录一次，记满6次之后，两个计数器便记满10x6次，也就是60次，然后置零，进行下一次的记数。
电路图如下
图3-960进制计数器的电路图
3.4第四个模块：
选时模块
本模块由四个八选一数据选择器74LS151和地址选择器74LS161构成。
地址选择器74LS161接入一个1465HZ的时钟信号，使能端和清零端接高电平，使其循环工作，产生一组循环地址码A、B、C，接到数码管的地址端，使其循环显示数字。
同时，地址选择器74LS161产生的一组循环地址码接入到四个八选一数据选择器74LS151上，使其对地址相同的一组数据进行选择，产生四个二进制数A0,A1,A2,A3，即为数码管所要显示的数字的编码。
第一个74LS151上的输入端为秒、分、百分秒个位及十位的四位二进制的最低位（S0A,S1A,M0A,M1A,H0A,H1A）,第二个74LS151上的输入端为秒、分、百分秒个位及十位的四位二进制的次低位（S0B,S1B,M0B,M1B,H0B,H1B）,第三个74LS151上的输入端为秒、分、百分秒个位及十位的四位二进制的第二位（S0C,S1C,M0C,M1C,H0C,H1C）,第四个74LS151上的输入端为秒、分、百分秒个位及十位的四位二进制的第一位（S0D,S1D,M0D,M1D,H0D,H1D），通过这四个八位二进制数比较器74LS151选出同一组数（秒个位：
S0A,S0B,S0C,S0D;秒十位：
S1A,S1B,S1C,S1D;分个位：
M0A,M0B,M0C,M0D;分十位：
M1A,M1B,M1C,M1D;百分秒个位：
H0A,H0B,H0C,H0D;百分秒十位：
H1A,H1B,H1C,H1D.）作为输出A0,A1,A2,A3，接到显示模块输入端。
电路图如下：
图3-10选时模块的电路图
3.5第五个模块：
显示模块
本模块采用BCD—七段显示译码器7448对实验板上数码管进行驱动。
由选时模块输出的显示数字编码A0,A1,A2,A3接至输入端A,B,C,D，使输出端产生七位译码连接到实验箱公共数据输入端ABCDEDG，从而进行数据的显示。
电路图如下：
图3-11显示模块的电路图
4.设计结论
一周的课程设计已经结束，虽然时间很短，但是获益匪浅。
这是我上大学以来第一次做这种由自己设计课程设计，将自己所学的应用于实践中，将平时课本上学习的理论知识应用于实际操作中。
我不仅学到了许多课外的知识，有很多从未接触过类似的领域，所以刚开始的时候一片茫然，不知道该干些什么。
随着研究的逐渐深入，自己渐渐的摸出头绪，掌握了一些规律和方法，设计的成果也逐步成型，最终按照要求完成了设计，并学到了很多课本上没有的知识。
而且还很好的复习了课本上的知识，最重要的是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，为以后的工作积累了宝贵的经验，同时我也深深地感受到严谨的态度对于科学研究的重要性。
作为信息与计算科学专业的学生，严禁是必须的，在设计的过程中，一点点的失误都可能造成整个系统的瘫痪，所以每一个细节都要认真思考，认真操作，不能有丝百分的大意。
这一点是非常重要的。
参考文献
【1】《数字电子技术基础（第五版）》阎石主编高等教育出版社
【2】《电子技术基础实验与课程设计（第二版）》高吉祥主编电子工业出版社2005.02.
【3】《电子技术实验与课程设计指导数电分册》许小军主编东南大学出版社2007.10
【4】《电子技术课程设计指导》彭介华主编高等教育出版社2007.09
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