電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) --電子秒表

1、<p>　　電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告書</p><p>　　2011年 11月20日</p><p><b>　　電子秒表的設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　1 設(shè)計(jì)目的</b></p><p>　　（1）學(xué)習(xí)數(shù)字電路中基本RS觸發(fā)器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、時(shí)鐘發(fā)生器及計(jì)數(shù)、譯碼顯示等單元電路

2、的綜合應(yīng)用。 </p><p>　?。?）學(xué)習(xí)電子秒表的設(shè)計(jì)方法。</p><p><b>　　2 設(shè)計(jì)思路</b></p><p>　?。?）用基本RS觸發(fā)器啟動(dòng)和停止電子秒表的工作；</p><p>　?。?）用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器為電子秒表中的計(jì)數(shù)器提供清零信號(hào)；</p><p>　?。?）用555

3、定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生50Hz時(shí)鐘信號(hào)；</p><p>　　（4）用計(jì)數(shù)譯碼及數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)秒表的計(jì)數(shù)顯示。</p><p><b>　　3 設(shè)計(jì)過程 </b></p><p><b>　　3.1方案論證</b></p><p>　　電子秒表電路的基本組成框圖如圖1-1所示，它主要由基本RS觸發(fā)器

4、、多諧振蕩器、計(jì)數(shù)器和數(shù)碼顯示器4個(gè)部分組成，基本組成用方框圖表示如下：</p><p>　　圖1-1 電子秒表基本組成方框圖</p><p>　　其工作原理為：由555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器，用來產(chǎn)生50Hz的矩形波。第Ⅰ塊計(jì)數(shù)器作5分頻使用，將555輸來的50Hz的脈沖變?yōu)?.1秒的計(jì)數(shù)脈沖，在輸出端Qc取得，作為第2塊計(jì)數(shù)器的始終輸入，第2、第3、第4塊計(jì)數(shù)器QA與CPB相連，都連接成

5、8421碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)電路。分別顯示0.0-0.9s，1-9.9s，計(jì)時(shí)。</p><p><b>　　3.2電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　電子秒表電路如圖1-2所示。</p><p><b>　　5 單元設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　5.1 多諧振蕩器</b>

6、;</p><p>　　采用555時(shí)基電路組成多諧振蕩器，產(chǎn)生50Hz的脈沖信號(hào)，周期為20ms。電路如圖2所示。</p><p>　　圖2 多諧振蕩器電路</p><p>　　參數(shù)計(jì)算：振蕩周期T=20ms=0.02s</p><p>　　計(jì)算公式：T=0.7(R1+2R2)C 占空比q=（R1+R2）/（R1+2R2）<

7、/p><p><b>　　取C=0.33µF</b></p><p>　　0.7(R1+2R2)x0.33x10-6=20x10-3</p><p>　　R1+2R2=20x103/0.7x0.33=86.58x103</p><p>　　取占空比q=3/4， R1=2R2</p><p>

8、;　　R2=86.58x103/4=21.645K</p><p>　　取標(biāo)稱值R2=20K</p><p>　　R1=86.58K-40K=46.58K</p><p>　　考慮到元器件的誤差，R1用一個(gè)固定電阻和一個(gè)電位器代替，對振蕩周期進(jìn)行微調(diào)。R1取標(biāo)稱值39K，電位器取10K。</p><p>　　C2為濾波電容，取0.01

9、1;。</p><p>　　5.2 0.1秒脈沖發(fā)生器</p><p>　　用五進(jìn)制計(jì)數(shù)器對多諧振蕩器產(chǎn)生的20ms脈沖計(jì)數(shù)，輸出5X20ms=0.1秒脈沖，采用二-五-十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS90，按五進(jìn)制計(jì)數(shù)器接線對多諧振蕩器輸出的20ms脈沖計(jì)數(shù)，由于該芯片無進(jìn)位端，計(jì)夠5個(gè)數(shù)時(shí)Q3=1，計(jì)第6個(gè)數(shù)時(shí)Q2清零，故用Q3作為進(jìn)位端，輸出0.1秒脈沖。電路如圖3。</p>&

10、lt;p>　　圖3 0.1秒脈沖發(fā)生器</p><p>　　5.3 啟動(dòng)/停止電路</p><p>　　設(shè)置兩個(gè)按鍵，分別控制電子秒表的啟動(dòng)或停止。由與非門組成基本RS觸發(fā)器，兩按鍵分別控制R、S端，使觸發(fā)器復(fù)位或置位。采用置位啟動(dòng)方式，Q端控制門開關(guān)，為高電平時(shí)打開門輸出計(jì)數(shù)脈沖，開始計(jì)數(shù)。低電平時(shí)關(guān)閉門，禁止計(jì)數(shù)脈沖輸出。啟動(dòng)計(jì)數(shù)時(shí)應(yīng)同步清空計(jì)數(shù)器，因此，采用Q輸出清零脈沖。電

11、路如圖4。</p><p>　　圖4 啟動(dòng)/停止電路</p><p><b>　　5.4 復(fù)位電路</b></p><p>　　由RS觸發(fā)器輸出的清零信號(hào)是低電平信號(hào)，而計(jì)數(shù)器需在啟動(dòng)時(shí)復(fù)位，啟動(dòng)后輸入脈沖時(shí)計(jì)數(shù)，因此需將復(fù)位電平轉(zhuǎn)換成復(fù)位脈沖，其寬度既能滿足計(jì)數(shù)器復(fù)位的需要，又低于計(jì)數(shù)脈沖周期，保證啟動(dòng)后準(zhǔn)確計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)值在停止計(jì)數(shù)時(shí)應(yīng)保持，

12、因此又要求停止計(jì)數(shù)時(shí)不清零。</p><p>　　根據(jù)以上分析，采用微分電路將清零信號(hào)下跳沿轉(zhuǎn)換成微分脈沖，其幅度應(yīng)大于門電路的閾值電壓VT。再由單穩(wěn)觸發(fā)器將微分脈沖轉(zhuǎn)換成寬度滿足要求的復(fù)位脈沖。電路如圖5，</p><p>　　74LS90的功能表可知，R端為高電平時(shí)復(fù)位，低電平時(shí)計(jì)數(shù)。因此，用非門將V01反相輸出V0，送至74LS90的R端，清零后保持計(jì)數(shù)狀態(tài)。</p>

13、<p><b>　　圖5 復(fù)位電路</b></p><p>　　輸出脈沖寬度應(yīng)遠(yuǎn)小于計(jì)數(shù)脈沖，選C=4700P，R=470Ω</p><p>　　tW=0.85RC=0.85x470x4700X10-12=1.88µS</p><p>　　遠(yuǎn)小于20ms的脈沖寬度，不影響計(jì)數(shù)。</p><p>　　單

14、穩(wěn)觸發(fā)器用窄脈沖觸發(fā)，要求觸發(fā)脈沖寬度小于輸出脈沖寬度，采用微分電路，既要保證微分脈沖足夠窄，又要保證穩(wěn)態(tài)時(shí)門輸入為高電平。</p><p>　　選擇分壓電阻為1.5K和1K，分壓VI2=5x1K/(1.5K+1K)=2V，大于高電平最小值1.8V，滿足穩(wěn)態(tài)時(shí)門輸入為高電平。設(shè)清零信號(hào)高電平為3.6V，穩(wěn)態(tài)時(shí)電容C上電壓值VC=1.6V，清零信號(hào)變?yōu)榈碗娖?.3V時(shí)，選微分電容510P，充電時(shí)間常數(shù)1.5Kx51

15、0x10-12。</p><p><b>　　圖1-2 原理圖</b></p><p><b>　　4單元電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　4.1 基本RS觸發(fā)器</p><p>　　圖4-1基本RS觸發(fā)器</p><p>　　如圖4-1是用集成與非門構(gòu)成的基本RS觸發(fā)器

16、。屬低電平直接觸發(fā)的觸發(fā)器，有直接置位、復(fù)位的功能。它的一路輸出作為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入，另一路輸出作為與非門U11A的輸入控制信號(hào)。</p><p>　　按動(dòng)按鈕開關(guān)J2（接地），則門U10A輸出＝1；門U9A輸出Q＝0，J2復(fù)位后Q、狀態(tài)保持不變。再按動(dòng)按鈕開關(guān)J1，則Q由0變?yōu)?，門U11A開啟, 為計(jì)數(shù)器啟動(dòng)作好準(zhǔn)備。由1變0，送出負(fù)脈沖，啟動(dòng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作。</p><p>　　

17、基本RS觸發(fā)器在電子秒表中的職能是啟動(dòng)和停止秒表的工作。</p><p><b>　　4.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器</b></p><p>　　圖4-2 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器</p><p>　　圖4-2為用集成與非門構(gòu)成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入觸發(fā)負(fù)脈沖信號(hào)vi 由基本RS觸發(fā)器端提供，輸出負(fù)脈沖vO 通過非門加到計(jì)數(shù)器的清除端。</p

18、><p>　　靜態(tài)時(shí)，門U14A應(yīng)處于截止?fàn)顟B(tài)，故電阻R6必須小于門的關(guān)門電阻ROff 。定時(shí)元件R R6、C2取值不同，輸出脈沖寬度也不同。當(dāng)觸發(fā)脈沖寬度小于輸出脈沖寬度時(shí)，可以省去輸入微分電路的Rp 和Cp。</p><p>　　單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在電子秒表中的職能是為計(jì)數(shù)器提供清零信號(hào)。</p><p>　　4.3由555組成的多諧振蕩器(多諧振蕩器)</p>

19、;<p>　　555是一種應(yīng)用特別廣泛作用很大的的集成電路，屬于小規(guī)模集成電路，在很多電子產(chǎn)品中都有應(yīng)用。555的作用是用內(nèi)部的定時(shí)器來構(gòu)成時(shí)基電路，給其他的電路提供時(shí)序脈沖。其特點(diǎn)在于它是由三只精度較高5k電阻構(gòu)成了一個(gè)電阻分壓器。為上、下比較器提供基準(zhǔn)電壓，所以稱之為555。</p><p>　　555內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下：</p><p>　　圖4-3 555內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳圖&

20、lt;/p><p>　　555時(shí)鐘電路可以構(gòu)成多諧振蕩器，真值表如下：</p><p>　　表1 555功能真值表</p><p>　　注明：6腳為THR，觸發(fā)器輸入端，低電平有效。 2腳為TRI，閥值輸入端，高電平有效。</p><p>　　4腳為RST，總復(fù)位端，低電平有效。 7腳為DIS，放電端。</p&g

21、t;<p>　　5腳為CON，控制端。1腳接地，8腳接電源。 3腳為輸出端。TD為內(nèi)部三極管。</p><p>　　其時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生電路如下：</p><p>　　圖4-4 555組成的多諧振蕩器</p><p>　　555定時(shí)器是一種電路結(jié)構(gòu)簡單、使用方便靈活、用途廣泛的多功能電路。利用閉合回路的反饋?zhàn)饔每梢援a(chǎn)生自激振蕩。TTL電路延遲時(shí)

22、間短，難以控制頻率。電路接入RC回路有助于獲得較低的振蕩頻率，由于門電路的作用時(shí)間極短，TTL電路自有幾十納秒，所以想獲得稍低一些的振蕩頻率式很困難的，而且頻率不易調(diào)節(jié)。在電路中接入RC電路可以有助于獲得較低的振蕩頻率，而且通過改變R，C的數(shù)值可以很容易實(shí)現(xiàn)對頻率的調(diào)節(jié)。</p><p>　　振蕩電路是數(shù)字秒表的核心部分，電容充放電的速度決定了電路的振蕩頻率R7、R8、C4決定了多諧振蕩器的周期，，即決定了形成的

23、方波的頻率。利用閉合回路中的負(fù)反饋?zhàn)饔每梢援a(chǎn)生自激振蕩，利用閉合回路中的延遲負(fù)反饋?zhàn)饔靡材墚a(chǎn)生自激振蕩，只要負(fù)反饋?zhàn)饔米銐驈?qiáng)。為了得到頻率更加準(zhǔn)確的頻率信號(hào)，加入了電容和電阻，其中電容為100nf和10nf，電阻R7為100K歐姆。通過調(diào)節(jié)R8的大小直到周期為20ms。</p><p>　　4.4計(jì)數(shù)及譯碼顯示</p><p>　　74LS90(計(jì)數(shù)器)簡介：</p><

24、;p>　　74LS90是一種較為典型的異步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。它由1個(gè)一位二進(jìn)制和1個(gè)異步五進(jìn)制計(jì)數(shù)器組成。如果計(jì)數(shù)脈沖由CP1端輸入，輸出由QA端引出，即得二進(jìn)制計(jì)數(shù)器；如果計(jì)數(shù)脈沖CP2端輸入，輸出由QA～QD端引出即得五進(jìn)制計(jì)數(shù)器；如果將QA與CP2相連，計(jì)數(shù)脈沖由CP1輸入，輸出由QA～QD引出，即得8421碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。因此，又稱此電路為二——五——十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。</p><p><b>　

25、　它的引腳功能如下：</b></p><p>　　圖4-5 74LS90引腳圖</p><p><b>　　其功能表如下：</b></p><p>　　表2 74LS90功能表</p><p>　　電子秒表計(jì)數(shù)單元的電路圖如下：</p><p>　　圖4-6 電子表秒計(jì)數(shù)單元電路<

26、;/p><p>　　其中計(jì)數(shù)器U1接成五進(jìn)制形式，對頻率為50HZ的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行五分頻，在輸出端Qc取得周期為0.1S的矩形脈沖，作為計(jì)數(shù)器U2的時(shí)鐘輸入。計(jì)數(shù)器U2、U3及計(jì)數(shù)器U4接成8421碼十進(jìn)制形式，其輸出端與實(shí)驗(yàn)裝置上譯碼顯示的相應(yīng)輸入端連接 ,可顯示0.1-99.9S。</p><p><b>　　5設(shè)計(jì)仿真</b></p><p>

27、　　5.1基本RS觸發(fā)器的仿真</p><p>　　用示波器觀察基本 RS 觸發(fā)器的波形圖如下（先閉合J2后再打開J2，再閉合J1后再打開）。</p><p><b>　　仿真結(jié)果如下：</b></p><p>　　圖5-1 RS觸發(fā)器仿真圖</p><p>　　5.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的仿真</p><p

28、>　　將啟停電路單元的按鈕按下, 則此電路輸出一個(gè)有效信號(hào)（負(fù)脈沖），但持續(xù)時(shí)間很短。</p><p><b>　　仿真結(jié)果如下：</b></p><p>　　圖5-2 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器波形</p><p>　　5.3時(shí)鐘發(fā)生器的仿真</p><p>　　用示波器觀察輸出電壓波形并測量其頻率，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，使輸出50

29、Hz矩形波。</p><p><b>　　仿真結(jié)果如下：</b></p><p>　　圖5-3多諧振蕩器信號(hào)波形圖</p><p>　　5.4計(jì)數(shù)電路的仿真</p><p>　　計(jì)數(shù)器U1接成五進(jìn)制形式，計(jì)數(shù)器U2、U3、U4接成十進(jìn)制形式，接入50Hz信號(hào)源進(jìn)行仿真并觀察其顯示功能。</p><p&

30、gt;<b>　　仿真結(jié)果如下:</b></p><p>　　圖5-4計(jì)數(shù)單元的仿真</p><p>　　5.5電子秒表的整體測試</p><p>　　各單元電路測試正常后，按總圖把幾個(gè)單元電路連接起來，進(jìn)行電子秒表的總體仿真。</p><p><b>　　仿真結(jié)果如下：</b></p>

31、<p>　　圖5-5電子秒表總體仿真圖</p><p><b>　　4系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果</b></p><p>　?。?）基本RS觸發(fā)器啟動(dòng)和停止電子秒表的工作測試；</p><p>　?。?）單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器為電子秒表中的計(jì)數(shù)器提供清零信號(hào)的測試；</p><p>　　（3）555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生50

32、Hz時(shí)鐘信號(hào)的測試；</p><p>　?。?）計(jì)數(shù)譯碼及數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)秒表的計(jì)數(shù)顯示的測試。</p><p><b>　　5主要儀器與設(shè)備</b></p><p><b>　　6設(shè)計(jì)體會(huì)與建議 </b></p><p><b>　　6.1設(shè)計(jì)體會(huì)</b></p>&

33、lt;p>　　通過這次對電子秒表的設(shè)計(jì)與制作，讓我了解了設(shè)計(jì)電路的程序，也讓我了解了關(guān)于電子秒表的基本原理與設(shè)計(jì)理念，要設(shè)計(jì)一個(gè)電路總要先用仿真成功之后才實(shí)際接線的。但是最后的成品卻不一定與仿真時(shí)完全一樣，因?yàn)?，再?shí)際接線中有著各種各樣的條件制約著。而且，在仿真中無法成功的電路接法，在實(shí)際中因?yàn)樾酒旧淼奶匦远軌虺晒?。所以，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮兩者的差異，從中找出最適合的設(shè)計(jì)方法。此外，本實(shí)驗(yàn)也可通過EDA軟件Multisim10實(shí)現(xiàn)

34、。通過這次學(xué)習(xí)，只有自己親自動(dòng)手實(shí)際操作才會(huì)有深刻理解。注意各部分電路之間的時(shí)序配合關(guān)系。然后檢查電路各部分的功能，使其滿足設(shè)計(jì)要求。</p><p><b>　　6.2對設(shè)計(jì)的建議</b></p><p>　　我希望老師在我們動(dòng)手制作之前應(yīng)先告訴我們一些關(guān)于所做電路的資料、原理，以及如何檢測電路的方法，還有關(guān)于檢測芯片的方法。這樣會(huì)有助于我們進(jìn)一步的進(jìn)入狀態(tài)，完成設(shè)

35、計(jì)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]吳友宇.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).清華大學(xué),2008</p><p>　　[2]王志功.集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ).北京:電子工業(yè)出版社，2004</p><p>　　[3]岳怡.數(shù)字電路與數(shù)字電子技術(shù).西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2004</p>