CAD课程设计.docx

1、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

2、、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00001001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

3、-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2 CMOS 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

4、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

5、. 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=4.8K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

6、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5.2.1 60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、5 6 7 8、1 2 3 4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035s仿真波形为：3570s仿真波形为：由仿真图可以看出，所设计的计数器是从059循环变化的60进制计数器，满足设计要求5.2.2 1000进制计数器由3个74160

7、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01000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0s5ms时的输出仿真波形从475s525ms时的输出仿真波形从975s1025ms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01000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09之间的数值。六、画出完整的电路图。并说明电

8、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=VR22/3Vcc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=VR22/3Vcc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=

9、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

10、模拟和仿真，并对数据和波形进分析仿真波形中f5 f6 f7 f8 f1 f2 f3 f4表示分， m5 m6 m7 m8 m1 m2 m3 m4表示秒 9 10 11 12 5 6 7 8 1 2 3 4表示秒的小数位0-1s时输出波形有理论分析应该显示0000.0000000.999 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050ms和950ms1000ms时的输出波形，仿真输出如下：050ms时的输出波形此次仿真可以很明显的看出来，输出显示在0000.0000000.049范围950ms1000ms时输出波形此次仿真可以很明显

11、的看出来，输出显示在0000.9500000.999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

12、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155

13、5定时器555_alt12十进制计数器7416043非门740424二输入与非门740015七段数码管744876电阻42K，51.39K27电容0.01uf28直流电压源5V19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， Orcad Pspice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

14、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。