数字电子秒表设计.docx
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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
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
0.1s-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。
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
1.2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。
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。
4.3、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74LS90
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
QDQCQBQA
R0
（1）,R0
（2）
R9
（1）.R9
（2）
1
1
0
X
X
0
XX
0
0
0
0
清0
0
X
X
0
1
1
XX
1
0
0
1
置9
0X
X0
0X
X0
↓1
QA输出
二进制
1↓
QDQCQB输出
五进制
↓QA
QDQCQBQA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。
1）异步清零（（当R（、R（均为“1”；S、S中有“0”，实现异步清零功能，即01）02）91）92）
QDQCQBQA=0000。
（
（2）当S、S均为“1”；R（、R（中有“0”，实现异步置9功能，即91）92）01）02）
QDQCQBQA=1001。
5、实验内容和步骤
5.1、基本RS触发器的测试
测试方法为将Q端接入举矩形示波器，运行程序后，不断变更开关K1、K2的位置，在示波器上显示器波形看是否满足要求，实验图为图3、图4如下；
图3单元I连接实物图
图4单元IRS触发器波形图
5.2、单稳态触发器的测试
1）静态测试
用直流数字电压表测量A、B、D、F各点电位置并记录
2）动态测试
输入端接1kHz连续脉冲源，用示波器观察并描绘D点（VD）、F点（VF）波形，如嫌单稳输出脉冲持续时间太短，难以观察，可适当增大微风电容C，待测完之后，再恢复4700pF。
实验图为下图；
图5单稳态触发器测试图
测试波形为图6；
5.3、时钟发生器的测试
测试方法为，用示波器观察555多谐振荡器输出电压的波形并测量器频率，调节RW，使输出矩行波频率为50Hz。
其实物连接图为；
图7单元III时钟发生器实物连接图
图8时钟发生器波形及周期测试图
5.4、计数器的测试
（1）计数器①接成五进制形式，R（、R（、S、S接逻辑开关输出插口，CP2（（01）02）91）92）接单次脉冲源，CP1接高电平“1”，QD、QC、QB、QA接实验设备上译码显示输入端D、C、B、A，安表1测试其逻辑功能并记录。
（2）计数器②及计数器③接成8421码十进制形式，同内容
（1）进行逻辑功能测试并记录。
（3）将计数器①、②、③级联，进行逻辑测试并记录。
（4）计算，按照进制分配，U3接输入信号为50Hz，由于U3为五分频，则它的频率为50/5=10Hz，及周期为T1=1/10=0.1s
U2接U3的输出信号，又是十分频输出，则U2输出频率为10/10=1Hz，其周期为T1=1/1=1s。
U1接U2的输出信号，又是十分频输出，则U1输出频率为1/10=0.1Hz，其周期为T1=1/0.1=10s。
因此其实物连接图与输出波形为下图；
图9测量计数器实物连接图
图10测量计数器1波形图
图11测量计数器2波形图
图12测量计数器3波形图
由波形图可知，示波器显示的周期大小与实际周期大小基本一致，因此，计数器的测试已基本合格。
1.5在MULTISIM中进行仿真
仿真结果如下：
图1-5电子秒表总体仿真图
图2-1实现秒计时
图2-2实现计分、秒功能
3.1设计成果
根据实验原理设计出的实验电路，在MULTISIM10实现了电路的仿真模拟，并得出了正确的仿真结果，达到了此次课程设计的基本要求，完成了本次课题的设计任务。
3.2心得与体会
经过这次的数字电子秒表课程设计后，我从中学到了好多东西。
在我们上了一个学期的数字电子技术基础课后，我们已经对数字电子技术有一定的了解，加上之前学过的电路课和模拟电子技术基础课，我们可以独立完成数字电子技术基础课程设计了，不过当中还是遇到许多不懂的问题。
通过这次自己动手的课程设计，我学会了设计数字电子电路的一般方法，还进一步熟悉数字电子器件的使用。
这个课程设计课我还不是很熟悉，第一次做难免会感到陌生，而且对很多基本的东西都不是很清楚，在一定程度上影响了我们的课程设计的质量，希望能在以后的时间里认真学习好这些基础的东西。
我对这个课程设计课有着深刻的体会：
要想做好这个课程设计，就必须认认真真地去做，不要怕麻烦，遇到不懂的问题就要主动去问同学或者老师。
最后我希望课程设计课能够再多一点给我们提供动手的机会，并让我们多点发挥主观能动性和创造能力，这样可以在学到东西的同时又能发散大家的思维。
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