模拟电子技术课程设计数字电子秒表.docx
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模拟电子技术课程设计数字电子秒表
广东工业大学华立学院
课程设计（论文）
课程名称模拟电子技术
题目名称信号发生器
学生学部（系）信息与计算机学部
专业班级09信息工程1班
学 号
学生姓名
指导教师黎燕霞
2011年6月27日
广东工业大学华立学院
课程设计（论文）任务书
题目名称
数字电子秒表的设计
学生学部（系）
信息与计算机学部
专业班级
09本信息工程
（1）班
姓名
辜海岚
学号
11030901005
一、课程设计（论文）的内容
数字电子计时器一般有振荡器、分频器、译码器和显示器等几部分组成，这些都是数字电路应用最广泛的基本电路。
本设计要求设计一个数字电子秒表，该秒表具有显示、连续计时、直接清零、启动计时和停止计时等功能。
二、课程设计（论文）的要求与数据
1.要求秒表范围0.1-9.9秒，设计精度为0.1秒；
2.要求用一个开关控制三种工作状态，其转换顺序为清零-计时-停止-清零。
3.要求画好电路图，阐明电路的工作原理，说明设计思想；
三、课程设计（论文）应完成的工作
1.完成数字电子秒表的设计（包括计数器设计、555振荡模块设计、时序控制电路设计、数码显示器设计），绘制电路原理图；
2.完成课程设计报告的撰写。
四、课程设计（论文）进程安排
序号
设计（论文）各阶段内容
地点
起止日期
1
收集数字电子秒表等相关资料，确定设计方案
综合楼304
2011.6.16—2011.6.19
2
进行数字电子秒表的设计，绘制电路原理图
综合楼304
2011.6.20—2011.6.24
3
进行课程设计报告的撰写
综合楼304
2011.6.25—2011.6.27
4
完成设计，验收上交
综合楼304
2011.6.28—2011.6.30
五、应收集的资料及主要参考文献
【1】邓保青.数字电子技术实验指导书.
【2】王毓银.数字电路逻辑设计（脉冲与数字电路第三版）.高等教育出版社，2003.11.
【3】康华光.电子技术基础-数字部分（第四版）.高等教育出版社，2006.6.
【4】李大友.数字电路逻辑设计.清华大学出版社，2007.12.
【5】阎石.数字电子技术基础（第四版）.高等教育出版社，2005.6.
发出任务书日期：
2011年6月1日指导教师签名：
计划完成日期：
2011年6月30日教学单位责任人签章：
1前言………………………………………………………………………………………………………...1
2.3课程设计的要求及指标……………………………………………………………………………2
1前言
随着电子技术的发展，电子技术在各个领域的运用越来越广泛。
人们对它的认识也逐步加深。
在秒表的设计上功能不断完善，在时间的设计上不断的精确。
人们也用电子技术和相关知识解决了一些实际问题。
目前数字电子技术已经广泛应用于计算机、电视、雷达、通信等各个领域。
随着集成技术的发展，尤其是中、大规模和超大规模集成电路的发展，数字电子技术将会更广泛的参透到国民经济的各个部门，并将生产越来越深的影响。
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。
2设计的目的与任务
2.1设计目的
1、学习数字电路中基本RS触发器、单稳态触发器、时钟发生器及计数、译码显示等单元电路的综合应用。
2．了解电子秒表的工作原理。
3．进行小型数字综合系统的初步训练。
4．掌握调试电路、排除电路故障的正确方法。
2.2设计任务
1、完成数字电子秒表设计，画出总体电路。
2、搭线电子秒表整体试验电路。
3、 调试电路
4、最终实现秒表的计时、停止、复位的功能
2.2设计的要求及指标
1．具有“秒”（0-9）“十分之一秒”（0-9）数字显示，分辨率为0.1秒
2．计时范围从0分0秒0到9秒9。
3．实现简单的计时与显示，按下启动键开始清零，计时开始，按下停止键，计时结束
4、主要单元电路和元器件参数计算、选择。
3数字电子秒表设计
3.1电子秒表的基本组成和工作原理
信号发生器一般是指能自动产生正弦波、方波、三角波的电压波形或者仪器。
电路形成可以用运放及分离元件构成；也可以采用单片集成发生器。
根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，本课题介绍正弦波、方波、三角波信号发生器的方法。
信号发生器是由基础的非正弦信号发生电路和正弦信号发生电路组合而成。
1.1电子秒表电路的基本组成框图如图所示，它主要由多谐振荡器、计数器、译码器和数码显示器4个部分组成。
图1.1电子秒表电路的基本组成（方框图）
电子秒表设计电路总图如图1.2所示，图中由定时器555构成方波振荡器，用来产生50Hz的矩形波。
第I块计时器作5分频使用，将555输来的50Hz的脉冲变为0.1秒的计数脉冲加给计数器。
第II、第III块计数器Q0与CP2相连，脉冲从CP1输入，都以接成十进制计数电路，其中第II块是每0.1秒进位，第III块是每秒进位。
两片74LS47是译码器，将计数器输来的8421BCD码为十进制数分别去驱动两个数码管，使之相应的显示。
开关S1闭合开始计数，断开停止计数；开关S2断开秒表清0，闭合可以计数。
图1.2电子秒表设计电路总电路图
3.2发生电路
3.2.1脉冲发生器（由555构成的多谐振荡器）的原理
NE555定时器是电路结构简单、使用方便灵活、用途广泛的多功能电路。
利用闭合回路的反馈作用可以产生自激震荡。
TTL电路延迟时间短，难以控制频率。
电路接入RC回路有助于获得较低的震荡频率，由于门电路的作用时间极短，TTL电路自有几十纳秒，所以想获得稍低一些的震荡频率是很困难的，而且频率不易调节。
在电路中接入RC电路可以有助于获得较低的震荡频率，而且通过改变R,C的数值可以和容易实现对频率的调节。
图1.3555内部框图（a）及引脚排列（b）
注明：
6脚为THR，触发器输入端，低电平有效。
2脚为TRI,阀值输入端，高电平有效。
4脚为RST,总复位端，低电平有效。
7脚为DIS，放电端。
5脚为CON，控制端。
1脚接地。
8脚接电源。
3脚为输出端。
TD为内部三极管。
图1.4示波器显示的多谐振荡器产生的波形
3.2.2脉冲发生器（由555构成的多些振荡器）的参数计算
震荡电路数字秒表的核心部分，电容充放电的速度决定了电路的震荡频率R1、R2.C决定了多谐振荡器的周期，即决定了形成的方波的频率利用闭合回路中的负反馈作用可以产生自激震荡，利用闭合回路中的延迟负反馈作用也能产生自激震荡，只要负反馈作用足够强。
为了得到频率更加准确的频率信号，加入了电容和电阻，其中电容为0.01微法，电阻为100K欧姆。
一、震荡周期的计算（R2=RP）
1.确定R1、R2、C的值：
占空比：
2.按所设计的电路连接，测试
3.根据公式：
二、参数的确定
由于电路的周期为0.01s，T=0.01s即频率f=100Hz
由上述公式可得结果：
由①式得
R1=R2
R1=R2=100K
3.3计数电路
要实现0.1秒计数，须设计一个10进制计数器；要实现秒计数，须再设计一个10进制计数器；这里也选用74LS90实现。
二—五—十进制加法计数器74LS90构成电子秒表的计数单元，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的矩形波脉冲，作为计数器②的时钟输入。
计数器②及计数器③接成8421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0.1~0.9秒计时。
注：
集成异步计数器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。
74LS90的引脚功能表如下图所示：
图1.574LS90的引脚排列
74LS90功能表
输 入
输 出
功 能
清 0
置 9
时 钟
QD QC QB QA
R0
（1）、R0
（2）
S9
（1）、S9
（2）
CP1 CP2
1
1
0
×
×
0
× ×
0
0
0
0
清 0
0
×
×
0
1
1
× ×
1
0
0
1
置 9
0 ×
× 0
0 ×
× 0
↓ 1
QA 输 出
二进制计数
1 ↓
QDQCQB输出
五进制计数
↓ QA
QDQCQBQA输出8421BCD码
十进制计数
QD ↓
QAQDQCQB输出5421BCD码
十进制计数
1 1
不 变
保 持
74LS90功能：
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）（2管脚）、R0
（2）（6管脚）对计数器清零，借助S9
（1）（6管脚）、S9
（2）（7管脚）将计数器置9。
其具体功详述如下：
（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，QD、QC、QA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。
本设计采用的是74LS90的五分频和十进制计数功能。
其中，74LS90
（1）是对50Hz的脉冲信号进行五分频，实现输入为10Hz（0.1s），74LS90
（2）、74LS90（3）实现十进制计数。
3.4译码显示电路
（1）74LS47为BCD七段译码器（译码器）
7447为四线-七段译码器，可以用来驱动七段共阳极数码管，当LT,RBI,BI,端接高电平时，从DCBA端输入BCD码时，从abcdefg端输出相应的数码管显示码。
结合四线-七段译码器7447可以实现0到9个数字。
（2）半导体数码管（数码显示器）
现在的许多电器设备上都有显示十进制字符的字符显示器，以直观的显示出电器设备的运行数据。
目前广泛使用的字符显示器是七段字符显示器，或称七段数码管。
常见的七段数码管由液晶显示数码管和半导体数码管两种。
半导体数码管是由七段发光二极管组成，简称LED。
图3.4是LED的引脚及其等效电路
图1.6LED的引脚及其等效电路
发光二极管的阳极连接到一起连接到电源正极的称为共阳数码管，发光二极管的阴极连接到一起连接到电源负极的称为共阴数码管。
（a）（b）
图1.7（a）为VCC的为共阳数码管，（b）为GND的为共阴数码管。
图1.8七段数字显示器发生段组
要驱动LED正常的显示十进制数的是个字符，LED前面一定要接一个显示译码器。
显示译码器可实现的逻辑功能是：
将输入的8421BCD码转化成驱动LED放光的高、低电平信号，驱动LED显示不同的十进制数字符，下面来讨论显示译码器的组成。
因显示译码器可以驱动LED显示出0~9这十个数字字符，十个数字字符对应十种高低电平的组合状态，要描述这十种高、低电平的组合状态必须用4位二进制数，根据LED发光的特点可得描述显示译码器逻辑功能的真值表如表所示：
4电路仿真
图1.9555振荡器输出波形与秒计数单元逻辑功能输出波形：
5数字电子技术的内容
5.1数字电子设计的要求及步骤
由于实验电路中使用器件较多，实验前必须合理安排各器件在实验装置上的位置，使电路逻辑清楚，接线较短。
实验时，应按照实验任务的次序，将各单元电路逐个进行接线和调试，即分别测试基本RS触发器、单稳态触发器、时钟发生器及计数器的逻辑功能，待各单元电路工作正常后，再将有关电路逐级连接起来进行测试……，直到测试电子秒表整个电路的功能。
这样的测试方法有利于检查和排除故障，保证实验顺利进行。
1．基本RS触发器的测试
测试方法参照数字电子技术实验有关内容。
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各点电位值。
记录之。
（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（v0）波形，如嫌单稳输出脉冲持续时间太短，难以观察，可适当加大微分电容C（如改为0.1μ）待测试完毕，再恢复4700P。
3．时钟发生器的测试
测试方法参考数字电子技术实验有关内容，用示波器观察输出电压波形并测量其频率，调节RW，使输出矩形波频率为50Hz。
4．计数器的测试
（1）计数器①接成五进制形式，RO
（1）、RO
（2）、S9
（1）、S9
（2）接逻辑开关输出插口，CP2接单次脉冲源,CP1接高电平“1”，QD～QA接实验设备上译码显示输入端D、C、B、A,按表2－1测试其逻辑功能，记录之。
（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。
记录之。
（3）将计数器①、②、③级连，进行逻辑功能测试。
记录之。
5．电子秒表的整体的测试
各单元电路测试正常后，按图1.2把几个单元电路连接起来，进行电子秒表的总体测试。
先按一下按钮开关K2，此时电子秒表不工作，再按一下按钮开关K1，则计数器清零后便开始计时，观察数码管显示计数情况是否正常，如不需要计时或暂停计时，按一下开关K2，计时立即停止，但数码管保留所计时之值。
5.2组装调试
本设计采用EWB电路仿真对设计电路进行了调试。
在调试的过程中遇到不少的麻烦，经过多次反复的检查和排除，最终实现了部分功能。
故障1：
脉冲发生器（555定时器构成的多谐振荡器）没法实现0.1s的脉冲信号。
原因：
参数不对。
排除方法：
利用f=1.43/R1+2R2）C适当的选取定值电阻、电容的大小和可变电阻的最大阻值。
故障2：
数码管显示乱码。
原因：
计数器74LS90管脚接线错误，LED数码管的共极性弄反（按共阳极的接线方法接线）。
排除方法：
对计数器正确接线，调整数码管的阴阳极接线（按共阴极接线方法接线）。
故障3：
数码管数字跳动频率不均匀。
原因：
使能输入信号和清零信号的波形不是规则的脉冲方波。
排除方法：
用示波器观察脉冲输出和微分电路输出端的波形，不规则，就加一个反相器74HC04整形，同时，这样还能达到减小误差的目的。
故障4：
无法实现暂停的功能。
原因：
计数器使能端一直输入脉冲信号。
排除方法：
在输入的脉冲信号线路上，加一个开关。
6仪器仪表明细清单
1．直流稳压电源1台
2．双踪示波器1台
3.万用表一块
4．电位器100KΩ 1只
5．电容0.1μF0、01μF0、022μF
6.集成电路74LS90三块 74LS47二块NE555一块，74LS47二块
7.电阻1K只
100KΩ1只
8.EWB软件
9.数码管两个
7参考文献
【1】邓保青.数字电子技术实验指导书.
【2】王毓银.数字电路逻辑设计（脉冲与数字电路第三版）.高等教育出版社，2003.11.
【3】康华光.电子技术基础-数字部分（第四版）.高等教育出版社，2006.6.
【4】李大友.数字电路逻辑设计.清华大学出版社，2007.12.
【5】阎石.数字电子技术基础（第四版）.高等教育出版社，2005.6.
心
得
体
会
通过这次课程设计，加强了我思考，解决问题的能力。
同时对于课本的理论知识也进一步得到深化。
我觉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本知识太多，平时课间的学习并不能很好的了解和应用各个元件的功能，所以在这次课程设计过程中，我了解了很多元件的功能，并且其在电路中的使用有了更多的认识。
平时看书时，有的问题老是弄不懂，做完设计后，那些问题就迎刃而解了。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，要用时间去检验理论，用理论指导实践，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才是真真正正的知识，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计的过程中，遇到各种可能，同时也发现了自己的不足的之处，对以前所学的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。
我相信通过不断地学习和实践操作会有更大进步。
2011年6月27日
教
师
评
语
年月日
成
绩
及
签
名
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