田径运动会计时器课设报告讲解.docx
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田径运动会计时器课设报告讲解
沈阳航空航天大学
课程设计报告
课程设计名称：
数字逻辑课程设计
课程设计题目：
田径运动会计时器的设计
院（系）：
计算机学院
专业：
班级：
学号：
姓名：
指导教师：
完成日期：
2013年7月5日
课程设计的内容及要求：
一、设计说明与技术指标
设计一个田径运动会计时器电路，技术指标如下：
①秒表的最大计时值为99分59.99秒
②6位数码管显示，分辨率为0.01秒；
③具有清零、启动计时、暂停及继续计数的功能；
二、设计要求
1．在选择器件时，应考虑成本。
2．根据技术指标，通过分析计算确定电路和元器件参数。
3．画出电路原理图（元器件标准化，电路图规范化）。
三、实验要求
1．根据技术指标制定实验方案；验证所设计的电路，用软件仿真。
2．进行实验数据处理和分析。
四、推荐参考资料
1.阎石主编．数字电子技术基础．[M]北京：
高等教育出版社，2006年
五、按照要求撰写课程设计报告
成绩指导教师日期
一、概述
在运动会上，特别是田径运动会上，计时器是不可或缺的。
而本次的课程设计即计时器的设计正是满足于田径运动会各种比赛所需要的计时。
计时器是实现分、秒、毫秒计时的装置，无机械装置，具有较长的使用寿命，也因此得到了非常广泛的使用。
计时器从原理上讲是一种典型的数字电路，其中包括了组合逻辑电路和时序电路。
本次课设主要是由信号发生系统和计时系统构成。
信号发生系统是一个100Hz的脉冲。
计时系统由计数器、译码器、缓冲器、显示器组成。
其中，计数器由74LS160构成，这是一个十进制的计时器。
用这样的十进制计数器组成了六十进制计数器和一百进制的计数器，采用异步进位方式。
译码器由74LS48D构成。
显示器由数码管构成，这样就可以显示出不同的数字变化。
本次实验要求设计的计时器最大计时值为99分59.99秒。
具体过程为将大小100Hz脉冲信号传入计数系统，先进入计数器，将“分”和“10毫秒”设为为一百进制，“秒”为六十进制。
将74ls160的对应的输出接入到译码器的输入端。
然后通过缓冲后再进入数码管。
将4位信号转化为数码管可显示的7位信号，将分秒计数器中的输出信号转化为可视化的数字显示。
本课程设计报告主要有六部分组成。
包括概述、方案论证、电路的设计、性能的测试、性价比、结论及设计体会。
二、方案论证
方案一:
用石英振荡器产生一个大小为100Hz的时钟脉冲信号。
计数器采用74ls置数法。
对于分和毫秒信号进行百分制进位，秒是六十进制进位。
所设计的计时器最大计时值为99分59.99秒，所以用到六个数码管。
用一个SR锁存器和与非门构成控制电路的暂停和继续。
原理图如图1所示：
方案二:
因为题目要求分辨率为0.01秒，故用一个555与与电阻、电容构成555多谐振荡器来产生大小为100Hz的基准毫秒脉冲信号。
题目要求最大计时数是99分59.99秒，对于毫秒以及分钟采取百进制进位，对于秒采取六十进制进位，通过将六个个74ls160计数器采用串联方式构成。
之后再将74ls160的对应的输出接入到译码器的输入端。
计时器是必须有一个数字显示。
按设计要求，所以须用六个七段数码管来做显示器。
最后，用两个控制键分别来实现计时器的启动、暂停、继续、清零的功能。
其中用一个控制健实现计时器的清零功能。
再用一个控制键实现计时器的启动、暂停、继续计数功能，分别实现以上模块功能，即可设计出符合要求的计时器。
原理图如图2所示：
图2方案二原理图
通过比较，决定用第二种方案。
虽然两种方案都可以实现所要求的功能。
但是第一种方案所需要的石英振荡器价格昂贵。
所以我选择第二种方案。
三、电路设计
1．基准脉冲电路设计
脉冲信号发生电路是由555定时器和电阻以及电容组合而成。
555集成时基电路称为集成定时器，是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，它的电源电压范围宽，可在4.5V~16V工作，输出驱动电流大约为200mA。
555定时器是由两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关T，比较器的参考电压由三个电阻为5KΩ的构成分压，它们分别使高电平比较器A1同相比较端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为和。
A1和A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。
当输入信号输入并超过时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。
T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路。
555定时器构成多谐振荡器如图3，波形图如图4所示：
图3多谐振荡器
电容充电时，定时器输出U0，电容放电时，U0=0，电容不断地进行充、放电，输出端便获得矩形波。
多谐振荡器无外部信号输入，却能输出矩形波，其实质是将直流形式的电能变为矩形波形式的电能。
振荡周期
。
为电容充电时间，
为电容放电时间。
充电时间
放电时间
矩形波的振荡周期
要改变矩形波的周期以及频率，只要改变电阻和电容就可以了。
矩形波的频率是100Hz则振荡周期T=1/100=0.01s。
当取C=0.1µF,R1=45千欧，若使T=0.01s，那么，R2≈50千欧。
为了使获得的图形更精确，所以将R2设为可调节的电阻。
取一固定电阻46千欧与一个5千欧的可调节电位器串联代替电阻R2。
要使输出脉冲周期为0.01s，则调节电位器。
这样就可以得到我们所要的基准脉冲信号。
2．分、秒、毫秒计数器电路设计
74LS160D共有16个引脚，其中有Cp脉冲输入引脚CLK（下降沿有效），LOAD为预置数控制端（低电平有效），CLR为异步清零端（低电平有效），A、B、C、D为预置数输入端，ENP和ENT是计数使能端（高电平有效），RCO是进位输出端，QD、QC、QB、QA分别是计数输出位，它的真值表如下表：
表一74LS160真值表
CLK
RD’
LD’
EP
ET
工作状态
X
O
X
X
X
置零（异步）
1
0
X
X
预置数（同步）
X
1
1
0
1
保持
X
1
1
X
0
保持（C=0）
1
1
1
1
计数
74LS160D的引脚如图6所示：
图574LS160D引脚图
这里我们选择用计数器74LS160芯片，通过乘数法或反馈置数法构成100进制和60进制计数器。
乘数法：
将两片74LS160计数器直接级联则可得到100进制计数器。
其电路连接如图7所示：
图7100进制计数器
反馈置数法：
将一片74LS160设置成六进制计数器，再将其与一片74LS160级联，即可得到一个60进制计数器。
其电路连接如图8所示：
图860进制计数器
3．译码部分
译码部分最主要的组成器件就是译码器了，译码器是将二进制码转变成特定输出的电路，译码是编码的逆过程。
译码器也是一种多输出的组合逻辑电路。
从原理上讲，它是把N个输入变量变换为它所对应的M个输出状态。
每输入一组二进制代码，在M个输出状态中最多有一个为“1”（其余为“0”）或者有一个为“0”（其余为“1”）。
74LS48输出高电平有效，专用于驱动LED七段共阴极显示数码管。
其管脚功能如图9所示：
图974LS48管脚图
4．七段数码管工作原理
在这个部分我们用七段数码管来显示结果，七段数码管有七个发光管，即abcdefg，根据设计要求的需要，我们使用了四个无小数点显示和两个有小数点显示的数码管。
数码显示与发光之间的对应关系如表1所示：
表2数码显示与发光段之间的对应关系
5.控制开关
设置两个开关J1、J3。
其中J1控制计时器的启动和停止，J3控制计时器的清零和复位。
如图10所示：
图10控制开关
6．显示器匹配电路
最后结果通过显示器显示，显示器匹配电路如图11所示：
图11显示器匹配电路图
三、性能的测试
1.开始时把J1J3合上，由555多谐振荡器产生脉冲信号，运行本电路计时器正开始计数。
具体结果如图12所示：
图12计时器开始计时
图12计时器开始计时
2.J1打开，脉冲不能给上面的计数电路，整个电路暂停计数。
具体结果如图13所示：
图13计时器暂停计时
3.闭合J1，电路重新获得脉冲信号，开始计数，具体结果如图14所示：
图14计数器继续计数
4.闭合J1J3，电路处于计数状态，当给计数电路9（1001）个脉冲的时候，继续再给一个脉冲，就会产生进位，这样我们用输出BCD码的最高位来触发下一个计数器，这样给电路第十个脉冲以后，电路计数结果就会成“10”，继续给脉冲，到第99个时候，继续给一个脉冲，我们同样用第二个芯片的最高位来触发下一个芯片，也就是用最高位的下降沿来当做下一个芯片的脉冲。
具体结果如图下图所示：
图15毫秒即将进位
图16毫秒进位
5.同理，当秒计数需向分计数进位的时候，我们都用最高位的变化来当做下一个芯片的CP信号，这样我们就完成了我们需要的计数。
图14计时器进位计数的实现
6.当J1开关闭合，把开关J3开关打开，那将给计数电路中的74LS160的清零信号，开始计数。
当J1开关闭合，J3开关打开，那将给计数器清零，于是我们就用两个开关实现了整个电路的清零、启动、计时、暂停及继续计数控制功能。
具体结果如图15所示：
图15计时器清零
四、结论
此次课程设计的作品，通过仿真电路的调试和综合的分析，能够正常的工作，显示出时间并具有设计所要求的暂停、继续、清零功能，达到了设计的目的。
通过此次设计，对数码管和74LS160芯片的接法的熟练掌握，以及对仿真软件的有了深入了解。
所以此次的设计很成功。
五、性价比
根据电路实现的功能来看，计时器的性价比还是比较不错的。
本设计电路主要应用了计数器和显示器这两部分，尽量节省元器件实现所要求的功能，各个元件间紧密联系，原理清楚简洁，思路清晰，并且效率较高，接法简单，可以用于实际操作。
所用元器件种类较少，性价比较高。
七、课设体会及合理化建议
数电课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.回顾起此次课程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在短短的两个星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
通过这次数电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，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，从而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问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做数电课程设计，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。
这次数电课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题。
但是经过查阅资料，请教同学，请教老师让我学到了很多实用的知识。
总体来说,这次实习我受益匪浅.在摸索该如何设计程序使之实现所需功能的过程中,特别有趣,培养了我的设计思维,增加了实际操作能力.在让我体会到了设计的艰辛的同时,更让我体会到成功的喜悦和快乐.这次数电课程设计,虽然短暂但是让我得到多方面的提高。
首先，提高了我们的逻辑思维能力，使我们在逻辑电路的分析与设计上有了很大的进步。
加深了我们对组合逻辑电路与时序逻辑电路的认识，进一步增进了对一些常见逻辑器件的了解。
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