电子秒表.docx
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电子秒表
课程设计任务书
学生姓名：
专业班级：
指导教师：
工作单位：
题目:
电子秒表的设计
初始条件：
74LS9074LS4874LS0074LS40NE555
要求完成的主要任务:
1.制作一个频率为50Hz的时钟发生装置。
2.通过分频电路，输出周期为0.1秒的技术脉冲。
3.利用计数器接受分频电路输出的技术脉冲，并通过数码显示器显示出来，完成0.1～0.9秒的秒表计时。
4.使用触发器及其它外围电路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“清零并准备重新开始计数”的功能，在秒表计数期间应使“开始计数”和“清零并准备重新开始计数”无效。
时间安排：
6.20-6.21：
理论设计
6.22-6.23：
安装调试或仿真
6.24-6.25：
撰写报告
6.30:
答辩
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
目录
摘要2
Abstract3
1设计要求4
2总体设计思路5
2.1电子秒表的基本组成5
2.2电子秒表的工作原理5
2.3电子秒表的原理图6
3单元电路设计7
3.1基本RS触发器7
3.2单稳态触发器7
3.3由555组成的多谐振荡器8
3.4计数及译码显示11
4设计仿真14
4.1基本RS触发器的仿真14
4.2单稳态触发器的仿真14
4.3时钟发生器的仿真15
4.4计数电路的仿真15
4.5电子秒表的整体测试16
5Protel设计及PCB的制作17
5.1Protel原理图设计17
5.1.1新建原理图文件17
5.1.2设置画图环境18
5.1.3设置元件库19
5.1.4画图步骤20
5.2印制版图的设计21
5.2.1准备电路原理图与网络表21
5.2.2创建PCB文件21
5.2.3规划电路板21
5.2.4网络表与元件的装入23
5.2.5元件的自动布局23
5.2.6手工调整布局与自动布线23
6小结与体会25
参考文献26
附录27
摘要
在数字测量仪表和各种数字系统中，都需要将数字量直观的显示出来，数字显示电路通常有译码驱动器和显示器等部分组成。
数码显示器就是用来显示数字、文字或符号的器件。
七段数码显示器是目前常用的显示方式，它利用不同发光段的组合，可以显示0～9的阿拉伯数字。
充分运用芯片74LS90的逻辑功能，用四片74LS90芯片实现秒表0.1～60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。
利用集成与非门构成的微分型单稳态触发器为计数器清零提供输出负脉冲。
利用555定时器构成的多谐振荡器为电路提供脉冲源咦驱动电路工作。
关键词：
基本RS触发器，单稳态触发器，多谐振荡器，译码显示器
Abstract
In the digital measurement instrument and various digital system, all need to will the digital quantity intuitive display, digital display circuit usually have decode drive and display components. Digital display is used to display Numbers, words or symbol of the device. These seven digital display is now commonly used display mode, it is used for different combination of light, you can show 0 ~ 9 of the Arabic numerals. Make full use of the chip 74 LS90 logic functions, with four pieces of 74 LS90 chip realize a stopwatch 0.1 ~ 60 seconds. Use of integration and the basic components of sr RS flip-flops （low level directly trigger） direct realization circuit for a and reset function. Use of integration and composed of sr differential single state trigger for counter will become 0 provide negative pulse output. Use 555 timer forms the harmonic oscillator circuit to provide pulse source yi drive circuit work.
Keywords:
basic RS flip-flops, single state trigger, harmonic oscillator, decode displays
1设计要求
1.制作一个频率为50Hz的时钟发生装置。
2.通过分频电路，输出周期为0.1秒的技术脉冲。
3.利用计数器接受分频电路输出的技术脉冲，并通过数码显示器显示出来，完成0.1～0.9秒的秒表计时。
4.使用触发器及其它外围电路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“清零并准备重新开始计数”的功能，在秒表计数期间应使“开始计数”和“清零并准备重新开始计数”无效。
2总体设计思路
2.1电子秒表的基本组成
电子秒表电路的基本组成框图如图所示，它主要由基本RS触发器、多谐振荡器、计数器和数码显示器4个部分组成。
电子秒表电路的基本组成（方框图）如图2-1所示：
图2-1电子秒表基本组成方框图
2.2电子秒表的工作原理
由555定时器构成多谐振荡器，用来产生50Hz的矩形波。
第1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Qc取得，作为第2块计数器的始终输入，第2、第3、第4块计数器QA与CPB相连，都连接成8421码十进制计数电路。
分别显示0～0.9s，0～9s，0～90s。
2.3电子秒表的原理图
如下图2-2所示
图2-2电子表原理图
3单元电路设计
3.1基本RS触发器
图3-1基本RS触发器
如图3-1是用集成与非门构成的基本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U11A的输入控制信号。
按动按钮开关J2（接地），则门U10A输出
＝1；门U9A输出Q＝0，J2复位后Q、
状态保持不变。
再按动按钮开关J1，则Q由0变为1，门U11A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动和停止秒表的工作。
3.2单稳态触发器
图3-2为用集成与非门构成的微分型单稳态触发器。
单稳态触发器的输入触发负脉冲信号vi由基本RS触发器
端提供，输出负脉冲vO通过非门加到计数器的清除端。
图3-2单稳态触发器
静态时，门U14A应处于截止状态，故电阻R6必须小于门的关门电阻ROff。
定时元件R6、C2取值不同，输出脉冲宽度也不同。
当触发脉冲宽度小于输出脉冲宽度时，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。
3.3由555组成的多谐振荡器
555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。
555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。
其特点在于它是由三只精度较高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内部结构如下图3-3所示：
图3-3555内部结构及引脚图
555时钟电路可以构成多谐振荡器，真值表如下表3-1所示：
表3-1555功能真值表
RST
THR
TRI
OUT
TD
0
X
X
0
导通
1
>2\3VCC
>1\3VCC
0
导通
1
<2\3VCC
>1\3VCC
不变
不变
1
<2\3VCC
<1\3VCC
1
截止
1
>2\3VCC
<1\3VCC
1
截止
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。
其555组成的多谐振荡器如下图3-4所示：
图3-4555组成的多谐振荡器
555定时器是一种电路结构简单、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振荡。
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振荡频率，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振荡频率式很困难的，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振荡频率，而且通过改变R，C的数值可以很容易实现对频率的调节。
振荡电路是数字秒表的核心部分，电容充放电的速度决定了电路的振荡频率R7、R8、C4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振荡，利用闭合回路中的延迟负反馈作用也能产生自激振荡，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100nf和10nf，电阻R7为100K欧姆。
通过调节R8的大小直到周期为20ms。
3.4计数及译码显示
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。
它的引脚图如下：
图3-574LS90引脚图
其功能表如下：
表3-274LS90功能表
输入
输出
功能
清0
置9
时钟
QDQCQBQA
R0
（1）、R0
（2）
S9
（1）、S9
（2）
CP1CP2
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
11
不变
保持
电子秒表技术单元的电路图如下图3-6所示：
图3-6电子表秒计数单元电路
其中计数器U1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Qc取得周期为0.1S的矩形脉冲，作为计数器U2的时钟输入。
计数器U2、U3及计数器U4接成8421码十进制形式，其输出端与实验装置上译码显示的相应输入端连接,可显示0.1～99.9S。
4设计仿真
4.1基本RS触发器的仿真
用示波器观察基本RS触发器的波形图如下（先闭合J2后再打开J2，再闭合J1后再打开）。
仿真结果如下图4-1所示：
图4-1RS触发器仿真图
4.2单稳态触发器的仿真
将启停电路单元的按钮按下,则此电路输出一个有效信号（负脉冲），但持续时间很短。
仿真结果如下图4-2所示：
图4-2单稳态触发器波形
4.3时钟发生器的仿真
用示波器观察输出电压波形并测量其频率，调节滑动变阻器，使输出50Hz矩形波。
仿真结果如下图4-3所示：
图4-3多谐振荡器信号波形图
4.4计数电路的仿真
计数器U1接成五进制形式，计数器U2、U3、U4接成十进制形式，接入50Hz信号源进行仿真并观察其显示功能。
仿真结果如下图4-4所示：
图4-4计数单元的仿真
4.5电子秒表的整体测试
各单元电路测试正常后，按总图把几个单元电路连接起来，进行电子秒表的总体仿真。
仿真结果如下图4-5所示：
图4-5电子秒表总体仿真图
5Protel设计及PCB的制作
5.1Protel原理图设计
5.1.1新建原理图文件
在WINDOWS95/98或NT更高版本界面下双击Protel99图标，点击File（文件）中new项，新建设计数据库。
（1）在Browse选项中选取需要存储的文件夹，然后点击OK即可建立自己的设计数据库，如图5-1所示。
图5-1File/New新建设计数据库
（2）使用菜单File/New，在打开的窗口选择SchematicDocument图标，建立新原理图文件。
（3）将原理图文件打开。
5.1.2设置画图环境
（1）使用菜单Design/Option，在如图5-2所示的窗口中设置图纸尺寸、栅格等内容。
图5-2Design/Option菜单显示的SheetOptions页面
注意根据原理图的大小，设置图纸尺寸，一般选择A4。
同时要选择捕捉栅格（SnapGrid）和电气特性（ElectricalGrid）复选框，注意电气栅格的尺寸一定要比捕捉栅格小。
（2）使用菜单Tool/preference中设置图纸移动方式和速度等项内容，见图5-3所示。
将原理图中的内容拷贝到文本编辑软件中，应该去掉AddTemplatetoClipboard前的对号。
若是要在标题栏中输入一些内容，就应该在ConvertSpecialStrings前加上对号。
光标形状可以根据自己的需要选择。
图5-3Tool/preference页面
5.1.3设置元件库
必须有元件库才能画图，所以画图前应该在元件库管理器中放置一些元件库。
首先进入元件库管理器，然后单击Add/Remove按钮，在出现的窗口选择DesignExplorer99SE/Library/Sch路径，再选择如图5-4所示窗口下部显示的常用元件库文件。
单击OK，就会看到这些选择的元件库已经显示在元件库管理器窗口了。
一般常用元件都在miscellaneousDecive.ddb库中。
而TTL和CMOS数字集成电路可以在TIDatabooks库或NSCDatabooks库中查找。
运算放大器和稳压电源电路可以在NSCanalog.ddb库中查找。
图5-4选择元件库窗口
5.1.4画图步骤
画图的简单步骤是
（1）首先将所有元件都从库中取出来，放置在图纸上，并且调整好位置。
（2）使用连线工具将元件连接起来。
（3）设置元件属性。
（4）使用Tool/Annotate菜单队元件进行编号。
（5）进行电气检查（ERC）。
（6）使用Edit/ExporttoSpread菜单建立元件列表。
（7）使用Design/CreateNetlist菜单建立网络表，为画电路板图做准备。
Protel电路原理图如下图5-5所示：
图5-5Protel电路原理图
5.2印制版图的设计
5.2.1准备电路原理图与网络表
（1）原理图：
如果还没有没有绘制利用上述第4部分与那里图的设计方法绘制。
（2）网络表：
使用菜单命令Design/CreateNetlist…创建网络表。
网络表是原理图与印制电路板之间的一座桥梁，是印制电路板自动布线的依据。
网络表提供了电路的元件清单以及元件之间的互联关系。
执行如上命令后，在弹出的对话框中，除了SheettoNetlist选择ActiveSheet外，其余选项均使用默认值。
单击OK即可生成与原理图同名的网络表文件*.net。
5.2.2创建PCB文件
（1）进入设计文件夹：
双击图标Documents
（2）进入PCB图设计系统：
主菜单File/New后出现一个对话框；选择PCBDocument图标；单击按钮OK。
（3）双击*.PCB文件图标，打开设计系统窗口
5.2.3规划电路板
（1）设定工作层面：
执行菜单命令Design/Options后，得到图5-6所示对话框。
图5-6Design/Options页面
基本工作层面说明：
信号层（SignalLayers）：
用来放置元件、导线等与电气信号有关的电气元素。
对于制作双面板而言，要选中顶层铜膜布线面（TopLayers）和底层铜膜布线面（BottomLayers）。
丝印层（Silkscreen）：
用于绘制元件的外形轮廓，元件序号和标注字符等。
一般选中顶层（Topoverlay）即可。
防护层（Mask）：
自动生成，不选。
禁止布线层（KeepOutLayer）：
用于规定放置元件和布线的区域。
多层面（Multilayer）：
用于快速把对象（例如，焊盘和过孔）加入到所有的信号层，选中即可。
其它的选项使用默认设置即可。
（2）规划电气边界：
在禁止布线层（KeepOutlayer）进行。
首先点击相应的层面标签：
然后在此层面上绘制一个区域（一般为方形）。
5.2.4网络表与元件的装入
在*.Sch文件界面下，执行菜单命令Design/UpdatePCB,会出现一个界面。
全部使用默认值。
然后单击按钮
进入UpdateDesign对话框的Changes选项卡，可以发现更新过程是否存在错误。
如果没有错误，单击对话框的按钮Execute即可将本次更新的变动反映的PCB文件中。
5.2.5元件的自动布局
在*.PCB文件的界面下，执行菜单命令Tools/AutoPlacement/AutoPlacer…，弹出如图5-7所示的对话框。
图5-7Tools/AutoPlacement
5.2.6手工调整布局与自动布线
（1）元件位置、方向的调整：
利用鼠标拖动改变元件的位置；结合x、y和空格键改变元件的方向。
（2）元件标注的调整：
利用鼠标拖动改变元件的位置；结合x、y和空格键改变元件的方向。
（3）设置布线参数：
Design/Rules。
（4）设定自动布线器：
执行AutoRoute/Setup后，出现图5-8所示对话框，把RoutingGrid设置为“20.0000”，其余选项使用默认。
之后，点击按钮RouteAll，开始自动布线。
（5）自动布线手动调整：
利用Tools/Un－route删除已有布线，进行人工布线。
PCB图如下图5-8所示：
图5-8电子表PCB图
6小结与体会
在这次的Protel课程设计中，我选择的题目是电子表的制作。
在上一个学年的数字电子技术基础课后，我对数字电子技术有一定的了解。
但是设计制作过程中仍然发现了许多问题，但是解决问题的过程令我获益匪浅。
我先是上网查找了一些资料，对电子表的原理及其所使用的芯片74LS90、74LS48、NE555的功能有了一定了解，然后在开始电路的设计。
经过几次方案的调整，设计出原理图并通过Multisim进行了仿真。
然后，我开始Protel的设计部分。
电器过则检查部分顺利通过，但加载网络表时发现了九个封装错误。
通过上网查找资料也没能修改错误，这个问题困扰了我较长的时间。
后来，我得到了学长的帮助，才知道错误是因为555定时器的封装号书写不规范所致，并改正了错误。
在PCB布线时，本人尽力将线路简化，但由于Protel使用经验不足，导致这次设计的PCB电路稍显繁杂，成为这次课设的一个遗憾。
但遗憾也是下次的动力，在今后的学习中，我会更加努力钻研，使自己的电路设计水平达到新的高度。
经过本次课设，我对一些学习的方法有了更深刻的了解。
以前向同学请教问题时，总是没有深入思考就匆忙询问，这样并不能是自己有所提高。
但是在本次课设中，我是先经过独立思考探究，然后再请教同学，这样自己才能对问题有深刻的印象，以后不会再犯同样的错误。
参考文献
【1】查振亚．数字系统设计与开发．湖北：
华中理工大学出版社，1999
【2】周润景，张丽娜．protel99SE原理图与印制电路板设计．北京：
电子工业出版，2008.8
【3】李东生，张勇，许四毛．Protel99SE电路设计教程．北京：
电子工业出版社，2007
【4】朱定华，黄松，蔡苗．Protel99SE原理图和印制板设计．北京：
清华大学出版，2007
【5】陈汝全．电子技术常用器件应用手册2版．北京：
机械工业出版社，2001
【6】余孟尝．数字电子技术基础简明教程.2版．北京：
高等教育出版社，1999
【7】谢自美．《电子线路设计.实验.测试（第三版）》．武汉：
华中科技大学出版，2006
附录
元器件清单：
序号
名称
型号
数量
备注
1
计数器
74LS90
4
——
2
555定时器
LM555CN
1
——
3
与非门
74ALS00M
4
——
4
开关
SPST
2
——
5
非门
74LS04
2
9
电阻
RESISTOR
2
2KΩ
10
2
1KΩ
11
2
470Ω
12
1
100KΩ
13
POTENTIOMETE
1
100KΩ
14
七段译码显示器
DCD-HEX
4
——
15
发光二极管
LED
1
——
16
电容
电容
CAP
CAP
1
510pF
17
1
4.7nF
18
1
100nF
19
1
10nF
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