CAD课程设计.docx
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CAD课程设计
一、课题名称：
数字跑表
二、内容摘要：
数字跑表可实现分、秒计时，计时量程在00分00.000秒~~59分59.999秒，可精确到小数点后面3位。
分析其功能后，可知数字跑表最重要的环节是：
钟控信号的产生，计时器电路和数码管显示电路，基于以上分析，在设计时将电路分成了3个小的部分：
555定时器组成的多谐振荡器（钟控信号的产生）；时间计数电路；七段数码管显示电路。
三、设计内容及要求：
设计一个数字跑表：
1.量程在00分00.000秒~~59分59.999秒即时间以1小时为一个周期
2.可以手动复位计时
3.用7位数码管显示分、秒
4.画出部分和整体的电路图，以及元器件及参数选择；
5.给出仿真分析结果
四、比较和选择的设计方案：
设计总体思路与方案
数字跑表的核心部件是计数器，给出合理的时钟脉冲从而实现最低位的计数以及对高位的进位。
对于用7位数码管显示的跑表，量程在00分00.000秒~~59分59.999秒，可以把小数点后面的三位设计成1000进制的计数器，秒数和分钟数分别设计成60进制的计数器数，也可以对每一个位进行计数器的设计，这样只须把秒千分位、百分位、十分位、个位和分钟数各位设计成十进制，秒和分钟的十位设计为六进制。
这样就完成了跑表的计数部分。
跑表的显示部分，需要把十进制计数器输出的四位二进制数0000—1001和六进制计数器的0000-0101通过译码，能够正确的在显示数码管上显示0-9和0-5；需要设计7段显示数码管译码电路。
4.1.555定时器组成的多谐振荡器
石英晶体振荡器电路能给数字钟提供一个频率稳定准确的方波信号，可保证数字钟的走时准确及稳定。
如图是石英晶体振荡器的原理图
图2CMOS晶体振荡器（仿真电路）
这是网上搜到的，我们课本上仅仅提到过一点，由于对其掌握不太熟练，于是我便采用.555定时器组成的多谐振荡器，使其产生1KHz的方波信号。
4.2.时间计数电路
题目中要求量程在00分00.000秒~~59分59.999秒，因此由分析可知分和秒的整数部分应该用60进制的计数器，而秒的小数部分应该用1000进制的计数器。
并且其间的关系应为秒的小数部分记1000次，整数部分级1次：
秒的整数部分记60次，分级1次，以此类推。
选定所用的计数器类型时，我们可以有多种选择，常见的比如：
74ls90十进制可逆计数器、74ls160十进制计数器（异步清除）、74ls161可预置四位二进制计数器（异步清除）。
我选择74ls160，设计起电路比较方便，而且因为其可以异步清除，容易让跑表归零。
4.3.七段数码管显示电路
七段数码管7448显示分秒的数值。
不过它在仿真时和实际中的显示方式稍有不同，因为它输出的是控制各个发光二极管亮或暗的高低电平，仿真是不容易看到真实的显示数值，因而仿真时，我直接用输出的总线形式来描述实际数码管的显示数值。
五、单元电路设计、参数计算和器件选择：
5.1.555定时器组成的多谐振荡器
由1个555定时器、2个0.01uf的电容、1个5V的直流电压电源与两个电阻组成。
电路如图：
参数计算：
由555定时器组成的多谐振荡器的周期为：
T=T1+T2=0.7（R1+2R2）C
而要求f=1KHz，则应有T=1ms；
若选取电容容值为1uf，既有0.7（R1+2R2）=1000
取R1=R2则算得R1=R2=4.8KΩ
此时仿真输出波形为
可以看出组成的多谐振荡器周期基本上为1ms。
同样R1和R2的阻值匹配也不只是一种，只是占空比不一样，但是对于计数只是上升沿有效，因而只要时钟信号是1ms就可以。
在实验过程中，我们也通过不断地修改得到了一个很完美的时钟信号，其电路和仿真波形如下:
电路如图：
此时仿真输出波形为
但是用555定时器组成的多谐振荡器也明显有一个缺点，就是其频率不够稳定。
5.2.时间计数电路
5.2.160进制计数器
由2个74160十进制计时器芯片、1个7400、1个7404、1个5V的直流电压电源组成。
电路图如下：
输出的仿真波形为：
运行时间70s，从上至下依次为1、2、3、4、5、6、7、8、{5678}、{1234}
后面两个是总线输出，可以看到总的输出二进制值的周期相变化
其中0—35s仿真波形为：
35—70s仿真波形为：
由仿真图可以看出，所设计的计数器是从0—59循环变化的60进制计数器，满足设计要求
5.2.21000进制计数器
由3个74160十进制计时器芯片、2个7404、1个5V的直流电压电源组成。
电路图如下：
输出的仿真波形为：
（因为是1000进制，仿真输出结果总体从0—1000循环，很多，因此在此我只截了部分片段，但仍可看出仿真的1000进制计数效果）
从0s—5ms时的输出仿真波形
从475s—525ms时的输出仿真波形
从975s—1025ms时的输出仿真波形
综合上面三段波形，可以看出所设计的计数器是从0—1000循环变化的1000进制计数器，满足设计要求
5.2.3.七段数码管显示电路
由1个7448七段显示数码管芯片、1个5V的直流电压电源组成。
连接方式如图：
在实际中，单个七段数码管可以显示0—9之间的数值。
六、画出完整的电路图。
并说明电路的工作原理
完整的电路图：
如下：
6.1钟控信号的产生
由555定时器组成的多谐振荡器产生一个周期为1Hz的矩形波作为钟控信号
555定时器内部构造：
给电容一个小的电压初始值，可为0.1mV,作为刚开始使得外部干扰信号，让它开始起振，此时VR1=VR2<2/3Vcc,则Vc1输出高电平，Vc2输出低电平，则Vo输出高电平，Vo’输出低电平，TD截止，电源开始通过R1，R2对电容C1充电，到VR1=VR2>2/3Vcc时Vc1输出低电平，Vc2输出高电平，则Vo输出低电平，Vo’输出高电平，TD导通，电容C1通过R2放电，直到VR1=VR2<2/3Vcc时Vc1输出高电平，Vc2输出低电平，以此次循环振荡。
电容充电时间：
T1=0.7（R1+R2）C1
电容充电时间：
T1=0.7R2C1
电路振荡周期：
T=T1+T2=0.7（R1+2R2）C1
电路振荡频率：
f=1/T
输出波形占空比：
q=T1/T=（R1+R2）/（R1+2R2）
通过上述公式计算参数，可得到一个周期为1ms的矩形波信号。
6.2.计时
前三个计数器是1000进制的，后四个两两是60进制的，并且在连接中用的是并行计数，在钟控信号作用下，1000计数器计数一轮，即秒的小数部分记1000次用时1s，则第一个60进制计数器记一次即秒整数部分记1次；第一个60进制计数器记60次即秒的整数部分记60次，第二个60进制计数器记一次即分级1次，以此进位
6.2显示
使用7448七段数码管显示分、秒，实际上是一个译码器，可以将输入的二进制代码转化为10进制数据显示出来。
7448七段数码管逻辑图：
七、在软件上模拟和仿真，并对数据和波形进分析
仿真波形中{f5f6f7f8}{f1f2f3f4}表示分，{m5m6m7m8}{m1m2m3m4}表示秒
{9101112}{5678}{1234}表示秒的小数位
0---1s时输出波形
有理论分析应该显示0000.000—0000.999
有仿真图像可知基本上与理论值相符
由于上述波形效果不是很好，秒的小数位的后两位看不到怎么变化，在此截了一段0—50ms和950ms—1000ms时的输出波形，仿真输出如下：
0—50ms时的输出波形
此次仿真可以很明显的看出来，输出显示在0000.000—0000.049范围
950ms—1000ms时输出波形
此次仿真可以很明显的看出来，输出显示在0000.950—0000.999范围，以上三个仿真波形验证了秒的小数位的正确性
0----70s时输出波形
0----70s时输出应该显示从0000.000到0109.999，从图中看分和秒是正确的（因为上面已经验证了秒的小数位的正确性）
199.05s---199.55s时输出波形
199是正好是3分9秒，和仿真图形是对照的，可以验证所设计的秒是正确的
690---700s时输出波形
995---1000s时输出波形
通过上面两个仿真波形，可以验证所设计的分是正确的
八、总结设计电路的特点和方案的优缺点，指出课题的核心及实用价值，提出改进意见和展望
所设计的数字跑表原理很简单，用计数器和555定时器的综合应用实现了跑表的走分和走秒，比较容易实现，设计思路很明确，用的元件都是比较常见的。
石英晶体振荡器电路能给数字钟提供一个频率稳定准确的方波信号，可保证数字钟的走时准确及稳定,但是由于缺乏对石英晶体振荡器电路的理解和认识（课本进提到过一点），我用了555定时器接成的多谐振荡器，它可能没有石英晶体振荡器电路稳定准确。
另一方面，由于没有学过单片机，不能对电路起到更实用性的设计，我所设计的跑表只能让其复位，而不能让它终止计时或者中断计时，这是在实际中应该考虑到的，我会在学完单片机之后对其进一步改进，增加中断、调整等功能，并且制出PCB电路板，焊接使用。
九、列出元器件清单
序号
名称
型号、规格
数量
1
555定时器
555_alt
1
2
十进制计数器
74160
4
3
非门
7404
2
4
二输入与非门
7400
1
5
七段数码管
7448
7
6
电阻
42KΩ，51.39KΩ
2
7
电容
0.01uf
2
8
直流电压源
5V
1
9
按钮/开关
1
十、列出参考文献
1.阎石，数字技术基础册（第五版），清华大学电子学教研组，高等教育出版社，2005.
2.黄智伟等.全国大学生电子设计竞赛系统设计[M].北京.北京航空航天大学出版社，2008.
3.74LS电路系列资料
4.蒋俊华，OrcadPspice课件《简单电路设计》
5..http:
//www.51-官方网站
6.长江师范学院数电试验课件
十一、收获、体会
通过这次对数字跑表的设计作，让我了解了电路设计的基本步骤，也让我了解了关于跑表的原理与设计理念，要设计一个电路先进行软件模拟仿真再进行实际的电路制作。
通过这次学习，让我对各种电路都有了大概的了解，也让我对所学的知识有所加深，并且有了一次新的认识，以前学习过程中只注重原理，从不考虑实际状况，所以刚开始仿真时，结果常常出现错误，像出现竞争冒险现象时结果有不定态出现，这些只是在课本上老师随便提过的，那时候没什么概念，现在明白了。
理论和实际之间还是有很大的区别的，它也让我明白了学东西是要用的，而不是单单课本上学好、明白了就行，如果这样，将来我们很难有技术的，它给我积累了宝贵的经验。
在使用软件中，和同学们之间相互交流、相互学习，学到了很多以前不知道的东西，同学们找我帮助他们解决问题，这也让我提高了自己的能力，也学到了别人会而我不会的东西，了解了更多的设计思路、设计方法，是我自己也有很大的提高。
自己做项目，我也遇到了困难，以前还选过别的课题，但是仿真老是出错，结果中有不定态出现，或者就是很难仿真出来，原来仿真也并不是万能的，也很有局限性，比如我想用一个按钮或扬声器它里面就没有，实际中很简单的事情仿真就复杂了，很多实际生活中的实验电路是仿真不出来的，因此这就更要求我们积累足够多的经验，以便将来解决实际中更复杂的问题。
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