課程設(shè)計(jì)----數(shù)字式秒表設(shè)計(jì)及進(jìn)階

1、<p><b>　　電子課程設(shè)計(jì)</b></p><p>　　論文題目 數(shù)字式秒表設(shè)計(jì)及進(jìn)階 </p><p>　　學(xué) 院 工學(xué)院 </p><p>　　班 級(jí) </p><p>　　學(xué) 號(hào)

2、 </p><p>　　姓 名 </p><p>　　指導(dǎo)教師 </p><p><b>　　內(nèi)容摘要</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)所實(shí)現(xiàn)的數(shù)字式秒表是電子設(shè)計(jì)技術(shù)中最基本的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)之一。該數(shù)字計(jì)數(shù)系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)

3、較簡(jiǎn)單，是由微動(dòng)開(kāi)關(guān)、抖動(dòng)消除電路、三狀態(tài)控制電路、微分及整形清零電路、上電復(fù)位電路、0·1秒脈沖發(fā)生器、閘門(mén)計(jì)數(shù)控制電路、譯碼及顯示電路組成的電子秒表，其中核心的部分為0·1秒脈沖發(fā)生器、計(jì)數(shù)、譯碼及顯示電路部分，而其它部分是為使電子秒表在0．1～9·9秒范圍內(nèi)測(cè)定時(shí)間附加上的一些外圍控制電路。</p><p>　　本設(shè)計(jì)報(bào)告由內(nèi)容摘要、設(shè)計(jì)任務(wù)指標(biāo)、系統(tǒng)方案論證、元件清單、單元電

4、路設(shè)計(jì)、電路圖及電路工作原理、組裝調(diào)試、設(shè)計(jì)成果的評(píng)價(jià)、課程設(shè)計(jì)心得體會(huì)和參考文獻(xiàn)十大部分組成，力求將整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程、原理、以及心得體會(huì)完整的呈現(xiàn)出來(lái)。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)任務(wù)及指標(biāo)</b></p><p>　　通過(guò)本課程設(shè)計(jì)計(jì)算、安裝調(diào)試、資料整理、撰寫(xiě)報(bào)告等環(huán)節(jié)，初步掌握電子設(shè)計(jì)方法以及完成數(shù)字秒表的電路設(shè)計(jì)。</p><p&

5、gt;　　利用基本RS觸發(fā)器、脈沖發(fā)生器及計(jì)數(shù)、譯碼、顯示等單元電路設(shè)計(jì)數(shù)字秒表。</p><p>　　由2位數(shù)碼管顯示計(jì)數(shù)時(shí)間，顯示分辨率為0.1s，計(jì)時(shí)誤差小于5%。</p><p>　　在實(shí)驗(yàn)裝置上或者利用仿真軟件完成數(shù)字秒表的線路連接和調(diào)試，實(shí)現(xiàn)上電自動(dòng)清零、啟動(dòng)計(jì)時(shí)顯示、暫停計(jì)時(shí)顯示以及重新計(jì)時(shí)等控制功能。</p><p><b>　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)方

6、案論證</b></p><p>　　數(shù)字式秒表，首先需要一個(gè)數(shù)字顯示。按設(shè)計(jì)要求，須用數(shù)碼管來(lái)做顯示器。題目要求最大記數(shù)值為9.9秒，則需要一個(gè)8段數(shù)碼管作為秒位（有小數(shù)點(diǎn)）和一個(gè)7段數(shù)碼管作為分秒位。要求計(jì)數(shù)分辨率為0. 1秒，那么我們需要相應(yīng)頻率的信號(hào)發(fā)生器。選擇信號(hào)發(fā)生器時(shí)，有兩種方案：一種是用晶體震蕩器，另一種方案是采用集成電路555定時(shí)器與電阻和電容組成的多諧振蕩器。秒表核心部分——計(jì)數(shù)器，

7、使用兩個(gè)74LS390計(jì)數(shù)器構(gòu)成，這種連接方式簡(jiǎn)單，使用元器件數(shù)量少。計(jì)數(shù)脈沖是由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器，產(chǎn)生10赫茲脈沖，如果精度要求高，也可采用石英振蕩器。在選擇譯碼器的時(shí)候，有多種選擇，如74LS46，74LS47，74LS48等4-7線譯碼器。為了減小設(shè)計(jì)的誤差，還需要設(shè)計(jì)在開(kāi)關(guān)端設(shè)計(jì)消抖電路、微分電路、整形電路。為了滿足上電復(fù)位，還應(yīng)該設(shè)計(jì)上點(diǎn)復(fù)位電路。</p><p><b>　　系統(tǒng)

8、框圖如下：</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)所需元器件</b></p><p><b>　　材料清單如下圖：</b></p><p><b>　　單元電路設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　消抖電路：</b></p>

9、<p>　　消抖原理：具有鎖存功能所致，由兩個(gè)集成與非門(mén)元件構(gòu)成。接在機(jī)械開(kāi)關(guān)K的后面，防止開(kāi)關(guān)K在打開(kāi)和閉合時(shí)一些假信號(hào)串入邏輯電路。</p><p><b>　　上電復(fù)位電路：</b></p><p>　　復(fù)位電路的基本功能是：系統(tǒng)上電時(shí)提供復(fù)位信號(hào)，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷(xiāo)復(fù)位信號(hào)。為可靠起見(jiàn)，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時(shí)才撤銷(xiāo)復(fù)位信號(hào)，以防電源開(kāi)關(guān)或

10、電源插頭分-合過(guò)程中引起的抖動(dòng)而影響復(fù)位。</p><p><b>　　微分電路：</b></p><p>　　由0.01µ 電容和1.5K電阻構(gòu)成。從電容端加入的信號(hào)，經(jīng)過(guò)電容、電阻，在電阻端輸出的信號(hào)波形相當(dāng)于進(jìn)行了一次微分，故稱(chēng)這種電路為微分電路。</p><p>　　0.1s脈沖發(fā)生器：</p><p>

11、;　　T=0.1s，f=10Hz =1/0.695(R1+2R2)C </p><p>　　為產(chǎn)生10Hz頻率脈沖，經(jīng)過(guò)計(jì)算并實(shí)際調(diào)整，方案為電容C=2.2u，定值電阻R1=430歐R2=27.4千歐。（經(jīng)過(guò)仿真誤差不超過(guò)2%）端口OUT為0.1s脈沖發(fā)生器的輸出端口。</p><p><b>　　計(jì)數(shù)器電路：</b></p><p>

12、;　　雙二—五—十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器74LS390芯片功能簡(jiǎn)介：</p><p>　　如圖所示，74LS390芯片內(nèi)有兩組計(jì)數(shù)器，每組計(jì)數(shù)器中有兩個(gè)計(jì)數(shù)器（一個(gè)二進(jìn)制、一個(gè)五進(jìn)制），共有4個(gè)計(jì)數(shù)器。它們可以單獨(dú)計(jì)數(shù)，清零信號(hào)是共用的，異步清零高電平有效，即RD=1清零。A、B為時(shí)鐘脈沖信號(hào)入端，QDQCQBQA為輸出端。該計(jì)數(shù)器可以根據(jù)不同的輸入與輸出的選擇組成三種進(jìn)制的計(jì)數(shù)器。</p><p&g

13、t;　　8421碼加權(quán)計(jì)數(shù)器：QA與B連接，A端輸入脈沖信號(hào)，QD、QC、QB、QA輸出見(jiàn)計(jì)數(shù)器工作波形圖：</p><p><b>　　譯碼器電路：</b></p><p>　　譯碼器電路是將數(shù)碼轉(zhuǎn)換為一定的控制信號(hào)。在此由74LS48集成元件構(gòu)成，它能將一個(gè)二進(jìn)制數(shù)碼轉(zhuǎn)換為輸出端的電平信號(hào)以控制顯示器。</p><p>　　七段數(shù)碼管（LE

14、D）：</p><p>　　7段數(shù)碼管又分共陰和共陽(yáng)兩種顯示方式。如果把7段數(shù)碼管的每一段都等效成發(fā)光二極管的正負(fù)兩個(gè)極，那共陰就是把a(bǔ)bcdefg這7個(gè)發(fā)光二極管的負(fù)極連接在一起并接地；它們的7個(gè)正極接到7段譯碼驅(qū)動(dòng)電路74LS48的相對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)端上（也是abcdefg）。此時(shí)若顯示數(shù)字1，那么譯碼驅(qū)動(dòng)電路輸出段bc為高電平，其他段掃描輸出端為低電平，以此類(lèi)推。如果7段數(shù)碼管是共陽(yáng)顯示電路，那就需要選用74LS

15、47譯碼驅(qū)動(dòng)集成電路。共陽(yáng)就是把a(bǔ)bcdefg的7個(gè)發(fā)光二極管的正極連接在一起并接到5V電源上，其余的7個(gè)負(fù)極接到74LS47相應(yīng)的abcdefg輸出端上。無(wú)論共陰共陽(yáng)7段顯示電路，都需要加限流電阻，否則通電后就把7段譯碼管燒壞了。限流電阻的選取是：5V電源電壓減去發(fā)光二極管的工作電壓除上10ma到15ma得數(shù)即為限流電阻的值。發(fā)光二極管的工作電壓一般在1.8V--2.2V，為計(jì)算方便，通常選2V即可。發(fā)光二極管的工作電流選取在10-2

16、0ma，電流選小了，7段數(shù)碼管不太亮，選大了工作時(shí)間長(zhǎng)了發(fā)光管易燒壞。對(duì)于大功率7段數(shù)碼管可根據(jù)實(shí)際情況來(lái)選取限流電阻及電阻的瓦數(shù)。</p><p>　　下圖是八段數(shù)碼管（LED）BS201的示意圖，圖中引腳6為VCC的為共陽(yáng)數(shù)碼管，引腳6為GND的為共陰數(shù)碼管。</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用共陰數(shù)碼管與74LS48匹配，同時(shí)并入一個(gè)四輸入內(nèi)置譯碼器的7段數(shù)碼管，以驗(yàn)證譯碼部分的功能（注

17、：驗(yàn)證成功后，兩種組合數(shù)碼管可以只保留一個(gè)）。</p><p>　　數(shù)碼管與74ls48連接圖：</p><p>　　電路圖及電路工作原理</p><p>　　各部分工作原理如下：</p><p>　　消抖電路：它是由兩個(gè)74LS00集成與非門(mén)元件構(gòu)成。接在機(jī)械開(kāi)關(guān)K的后面，防止開(kāi)關(guān)K在打開(kāi)和閉合時(shí)一些假信號(hào)竄入邏輯電路。</p>

18、<p>　　上電復(fù)位電路：它由2.2電容和47K電阻構(gòu)成。利用電容充放電可以產(chǎn)生脈沖，作為清零復(fù)位用。</p><p>　　微分電路：它是由0.01u電容和1.5K電阻構(gòu)成.從電容端加入的信號(hào)，經(jīng)過(guò)電容、電阻，在電阻端輸出的信號(hào)波形相當(dāng)于進(jìn)行了一次微分，故稱(chēng)這種電路為微分電路。</p><p>　　整形電路：它是由與門(mén)74LS08集成與門(mén)元件構(gòu)成。在信號(hào)由一端輸入，起到整形的

19、作用。</p><p>　　0.1秒脈沖發(fā)生器電路：它由555集成定時(shí)器元件和外圍的電阻和電容等元件構(gòu)成。調(diào)節(jié)電阻或電容的數(shù)值，可以改變脈沖發(fā)生器的輸出頻率。</p><p>　　計(jì)數(shù)器電路：從進(jìn)位制來(lái)分，有二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，十進(jìn)制計(jì)數(shù)器等多種形式。在此采用的是二——十進(jìn)制計(jì)數(shù)器即8421編碼方式。由74LS390構(gòu)成一位輸出電路。</p><p>　　譯碼器電路：是將

20、數(shù)碼轉(zhuǎn)換為一定的控制信號(hào)。在此由74LS48集成元件構(gòu)成，它能將十個(gè)二進(jìn)制數(shù)碼轉(zhuǎn)換為輸出端上的電平信號(hào)以控制顯示器。</p><p>　　顯示器電路：有輝光數(shù)碼管和熒光數(shù)碼管等多種顯示電路。在此采用的是共陰極七段LED顯示器。</p><p><b>　　電路工作原理：</b></p><p>　　1.上電時(shí)，上電復(fù)位電路1產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，經(jīng)整形

21、后，使兩個(gè)計(jì)數(shù)器清零；上電復(fù)位電路2，使三狀態(tài)控制電路復(fù)位。電子秒表處于復(fù)位狀態(tài)。</p><p>　　2.當(dāng)?shù)谝淮伟磩?dòng)微動(dòng)開(kāi)關(guān)K，經(jīng)消抖電路后產(chǎn)生第一個(gè)單脈沖作為D觸發(fā)器的時(shí)鐘，使三狀態(tài)控制電路的輸出端Q1產(chǎn)生高電平，經(jīng)與門(mén)后，使0.1秒脈沖進(jìn)入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，并譯碼、顯示出來(lái)。</p><p>　　3.當(dāng)?shù)诙伟磩?dòng)微動(dòng)開(kāi)關(guān)K，產(chǎn)生第二個(gè)單脈沖使三狀態(tài)控制電路輸出端Q1輸出低電平Q2輸出高電

22、平，關(guān)閉與門(mén)，使計(jì)數(shù)停止。</p><p>　　4.第三次按動(dòng)微動(dòng)開(kāi)關(guān)，產(chǎn)生第三個(gè)單脈沖，使三狀態(tài)控制電路復(fù)位，同時(shí)輸出端Q2輸出一個(gè)高電平，經(jīng)微分電路及整形，產(chǎn)生一個(gè)窄脈沖，使計(jì)數(shù)器回零。至此，電子秒表又進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。</p><p>　　5.當(dāng)再按動(dòng)微動(dòng)開(kāi)關(guān)K時(shí)，電子秒表又進(jìn)入計(jì)數(shù)狀態(tài)。</p><p><b>　　組裝調(diào)試</b><

23、/p><p>　　本設(shè)計(jì)采用EDA電路仿真對(duì)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行了調(diào)試。運(yùn)用軟件Multisim。在調(diào)試的過(guò)程中遇到不少的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)多次反復(fù)的檢查和排除，最終實(shí)現(xiàn)了全部功能。</p><p>　　調(diào)試方法：按模塊調(diào)試，在每個(gè)模塊的輸入端加理想的調(diào)試信號(hào)，在輸出端接示波器，觀察輸出波形，如果波形符合設(shè)計(jì)預(yù)期，則說(shuō)明此模塊工作正常，否則可按從輸出到輸入的順序逐一排查，直到解決問(wèn)題。當(dāng)各模塊調(diào)試無(wú)誤后，將各

24、模塊連接起來(lái)，同時(shí)要注意接口的電平匹配問(wèn)題。</p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)在仿真組裝調(diào)試過(guò)程中曾出現(xiàn)以下故障：</p><p>　　故障1：脈沖發(fā)生器（555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器）沒(méi)法實(shí)現(xiàn)0.1s的脈沖信號(hào)。</p><p><b>　　原因：參數(shù)不對(duì)。</b></p><p>　　排除方法：利用f=1.43/R1

25、+2R2)C適當(dāng)?shù)倪x取定值電阻、電容的大小并用頻率計(jì)檢測(cè)。</p><p>　　故障2：數(shù)碼管顯示亂碼。</p><p>　　原因：計(jì)數(shù)器74LS390管腳接線錯(cuò)誤，LED數(shù)碼管的共極性弄反（按共陽(yáng)極的接線方法接線）。</p><p>　　排除方法：對(duì)計(jì)數(shù)器正確接線，調(diào)整數(shù)碼管的陰陽(yáng)極接線（按共陰極接線方法接線）。</p><p>　　故障3

26、：數(shù)碼管數(shù)字跳動(dòng)頻率不均勻。</p><p>　　原因：輸入信號(hào)不是規(guī)則并且穩(wěn)定的脈沖方波。</p><p>　　排除方法：用示波器觀察脈沖輸出和微分電路輸出端的波形，加入一個(gè)與門(mén)作為整形模塊，同時(shí)，這樣還能達(dá)到減小誤差的目的。</p><p>　　故障5：無(wú)法實(shí)現(xiàn)上電清零功能。</p><p>　　原因：電容參數(shù)不對(duì)。</p>

27、<p>　　排除方法：改變上電清零電路電容的大小，通過(guò)示波器觀察直到產(chǎn)生清零信號(hào)。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)成果的評(píng)價(jià)</b></p><p>　　通過(guò)一周的實(shí)踐，電路的設(shè)計(jì)仿真圓滿的完成了設(shè)計(jì)目標(biāo)中提到的幾種功能并且將誤差控制在了2%以?xún)?nèi)，但仍然有一些美中不足，主要問(wèn)題是數(shù)碼管顯示不穩(wěn)定，經(jīng)過(guò)分析我認(rèn)為主要原因有二：一是軟件的“虛擬時(shí)間”不穩(wěn)定，

28、軟件仿真時(shí)需要以0.00001s為單位運(yùn)算，將現(xiàn)實(shí)時(shí)間拉長(zhǎng)，CPU負(fù)荷較大使仿真的“虛擬時(shí)間”難以像現(xiàn)實(shí)時(shí)間一樣平穩(wěn)。二是各級(jí)芯片以及門(mén)電路有一定的延遲時(shí)間，有些部分還可能存在競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)。在實(shí)驗(yàn)的后期我們還去實(shí)驗(yàn)室搭電路，但由于時(shí)間有限，我們對(duì)面包板又不夠熟悉，最終未能完全實(shí)現(xiàn)。由于一周的課程設(shè)計(jì)時(shí)間短暫，設(shè)計(jì)結(jié)果并不完善，但在以后的學(xué)習(xí)中，相信我們可以為這個(gè)設(shè)計(jì)完善現(xiàn)有功能，增加新的功能。</p><p><

29、;b>　　課程設(shè)計(jì)心得體會(huì)</b></p><p>　　一周的課程設(shè)計(jì)已經(jīng)結(jié)束，雖然很辛苦，但給我?guī)?lái)了從未有過(guò)的體驗(yàn)與喜悅。在設(shè)計(jì)實(shí)踐的過(guò)程中，我深深的體會(huì)到必須要有扎實(shí)的知識(shí)基礎(chǔ)，要熟練地掌握課本上的知識(shí)，這樣才能對(duì)試驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析解決。在整個(gè)電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中，花費(fèi)時(shí)間最多的是利用Multisim 仿真，因?yàn)橐郧皼](méi)有學(xué)過(guò)這個(gè)軟件，所以我們要從頭學(xué)起，自行摸索的學(xué)習(xí)。我們?cè)诟鱾€(gè)單元電路

30、的連接上花費(fèi)了大量時(shí)間。我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)曾做出了兩套方案以及仿真電路，我們仔細(xì)比較分析其原理以及可行的原因，這才確定了我們的電路。實(shí)習(xí)過(guò)程中，我深刻的體會(huì)到在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要考慮到各個(gè)元器件的功能和特性，要翻閱大量資料，參考別人的經(jīng)驗(yàn)，只有這樣才能把自己的電路設(shè)計(jì)的成功。</p><p>　　通過(guò)這次對(duì)數(shù)字式秒表的設(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)于數(shù)字秒表的原理與設(shè)計(jì)理念。在此次的數(shù)字秒表設(shè)計(jì)過(guò)程中

31、，我更進(jìn)一步地熟悉了芯片的結(jié)構(gòu)、管腳圖、功能表及掌握了各芯片的工作原理和其具體的使用方法。而且這些知識(shí)是對(duì)我們大學(xué)生來(lái)說(shuō)十分寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，是無(wú)法在課堂上獲得的，是現(xiàn)今社會(huì)最重視的同時(shí)也是我們最需要提高的部分。</p><p>　　在設(shè)計(jì)電路中,完成電路圖只是完成了設(shè)計(jì)的一小部分，更加困難的是對(duì)電路的驗(yàn)證和糾錯(cuò)，在這過(guò)程中我接觸到了很多未接觸過(guò)的檢查方法和思想。在電路的仿真過(guò)程中出錯(cuò)的主要原因都主要是接線的錯(cuò)誤所

32、引起的。接線的時(shí)候一定要細(xì)心，不要接錯(cuò)，同時(shí)也要學(xué)會(huì)如何判別芯片的功能，要是芯片不具備要求的功能，或者，不匹配，即使接線再正確也出不來(lái)結(jié)果。對(duì)自己的設(shè)計(jì)要仔細(xì)考慮，是否可行，尤其是進(jìn)位輸出，著重看看進(jìn)位的CP脈沖是否正確等。</p><p>　　總體來(lái)說(shuō)，通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)，我越發(fā)感覺(jué)電子設(shè)計(jì)不是死板的東西，是有很大科學(xué)性與藝術(shù)性的。不同芯片的使用，不同的接線方法，不同的變量，不同的實(shí)現(xiàn)思路，經(jīng)過(guò)組合后幾乎可以

33、稱(chēng)之為藝術(shù)。這次課程設(shè)計(jì)使我對(duì)各種電路都有了大概的了解，也學(xué)會(huì)了常用EDA軟件的使用，在平時(shí)的理論學(xué)習(xí)中遇到的問(wèn)題都一一解決，加深了我對(duì)專(zhuān)業(yè)的了解，培養(yǎng)了我對(duì)學(xué)習(xí)的興趣，為以后的學(xué)習(xí)打下了好的開(kāi)端，我受益匪淺。同時(shí)，讓我明白：電子設(shè)計(jì)容不得紙上談兵，只有自己動(dòng)手實(shí)際操作才會(huì)有深刻理解，才會(huì)有收獲，所謂“千里之行，始于足下”，這次課程設(shè)計(jì)最大的意義在于讓我們邁出了通往工程師的第一步。</p><p><b&g

34、t;　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》 胡曉光主編 北京航空航天大學(xué)出版社 2007.03</p><p>　　《電子技術(shù)實(shí)訓(xùn)教程》 楊碧石主編 電子工業(yè)出版社 2005.03</p><p>　　《電子技術(shù)基礎(chǔ)》 康華光主編 .高等教育出版社2006.01</p><p>　　《電子技術(shù)課程設(shè)