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《数字电子技术》 课程设计报告 题目：电子秒表设计 专业：电气工程及其自动化 班级：15电气（1）班 姓名：邹* 指导教师：汪* 电气工程学院
任务书
| | | | | | | 1、掌握计数、译码、显示电路设计 2、掌握分频电路设计方法 3、学习利用软件进行仿真。
| | 1.技术指标 （1）、具有停止/启动功能； （2）、当启动时,计数器先清零再开始计时； （3）、若不需要计时或暂停计数时,计数器立即停止,但数码管保留所计时之值。 2.设计基本要求 （1）、设计一个电子秒表; （2）、拟定设计步骤； （3）、根据设计要求和技术指标设计好电路，选好元件及参数； （4）、要求绘出原理图； （5）、撰写设计报告。 3.设计报告要求 （1）、选定设计方案； （2）、拟出设计步骤，画出电路，分析并计算主要元件参数值。
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摘要
随着电子技术的发展，电子技术在各个领域的运用越来越广泛。电子秒表可广泛应用于对运动物体的速度、加速度的测量实验和验证牛顿第二定律等物理实验，同时也适用于对时间测量精度要求较高的场合，测定短时间间隔的仪表。 电子秒表设计主要是通过多谐振荡器、计数器、译码器、数码显示器芯片，实现基本要求。本课题有一个小的创新，通过开关能够实现倒计时的功能。数字电子技术课程设计要用到仿真软件画出电路图。一方面直观的研究设计原理，另一方面需进行仿真。之后对仿真结果进行理论分析，寻找不足之处并加以改善。 通过研究可提高精度，若要提高精度常常采用石英晶体振荡器来产生脉冲信号。精度的提高，便能广泛应用于计算机、电视、雷达、通信等各个领域，实现电子秒表的价值。 Abstract
With the development of electronic technology, the application of electronic technology in various fields is more and more widespread. Electronic stopwatch can be widely used in the measurement of velocity and acceleration of moving objects and physical experiments such as the verification of Newton's second law. It is also suitable for measuring short time interval occasions where the precision of time measurement is high. Electronic stopwatch design is mainly through the multivibrator, counters, decoders, digital display chips, to achieve the basic requirements. This topic I made a small innovation, through the switch to countdown function. Digital course design to use simulation software to draw the circuit diagram. On the one hand intuitive design of the principle of research, on the other hand need to be simulated. After the theoretical analysis of the simulation results to find the deficiencies and to be improved. Continue to improve precision, if you want to improve accuracy often use quartz crystal oscillator to generate pulse signal. Improve the accuracy, can be widely used in computers, television, radar, communications and other fields, the value of electronic stopwatch.
目录
第1章 电子秒表设计思路 1.1 电子秒表设计的意义 1.2 电子秒表的设计方案 第2章 电子秒表芯片简介 2.1 时钟脉冲发生器 2.2 计数器(74LS192) 2.3 译码器(74LS48) 2.4 数码管(7SEG-COM-CATHODE) 第3章 电子秒表仿真图 3.1 仿真结果 3.2 仿真结果分析 总 结 参考文
第1章 电子秒表设计思路
1.1 电子秒表设计的意义随着电子技术的发展，电子技术在各个领域的运用越来越广泛。电子秒表在生活中应用于对运动物体的速度、加速度的测量实验，还可用来验证牛顿第二定律、机械能守恒等物理实验，同时也适用于对时间测量精度要求较高的场合，测定短时间间隔的仪表。秒表有机械秒表和电子秒表两类。机械秒表与机械手表相仿，但具有制动装置，可精确至百分之一秒；电子秒表用微型电池作能源，电子元件测量显示，可精确至千分之一秒。在秒表的设计上功能不断完善，在时间的设计上不断的精确。人们也用电子技术和相关知识解决了一些实际问题。随着集成技术的发展，尤其是中、大规模和超大规模集成电路的发展，数字电子技术将会更广泛的渗透到国民经济的各个部门。该设计使我们动手能力、实际操作能力、综合应用能力得到更好的提升。 1.2 电子秒表的设计方案1.2.1 设计电子秒表所需器件直流稳压电源（+5v）、定时器（NE555）1块、十进制可逆计数器（74LS192）2块、译码器（74LS48）2块、与非门（7400）1块、LED数码管（7SEG-COM-CATHODE）2块、电阻（10WATT1k）18个、电容（CAP）2个、单刀单掷（SW-SPST）1个、单刀双掷（SW-SPDT）1个。 1.2.2电子秒表的基本组成 电子秒表电路的基本组成框图如图1-2(a)所示，它主要由多谐振荡器、计数器、译码器和数码显示器4个部分组成。 图1-2(a) 电子秒表电路组成框图
1.2.3电子秒表的工作原理电子秒表设计电路图如图1-2(b)所示，图中由定时器NE555，用来产生1秒的脉冲加给计数器。第U2、U4块计数器TCU与UP相连，脉冲从U2的UP输入，都已接成十进制计数或六进制电路，其中第U2块是每秒进位，第U4块是每10秒进位。两片74LS47是译码器，将计数器输来的8421BCD码译为十进制数分别去驱动两个数码管，使之作相应的显示。开关SW2闭合开始计数，断开停止计数；开关SW1接高电位秒表清0，接低电位可以计数。 图1-2(b) 电子秒表设计电路图
第2章 电子秒表芯片简介2.1 时钟脉冲发生器NE555定时器是模拟—数字混合式集成电路，利用它可以方便地构成脉冲产生、整形电路和定时、延时电路。用555定时器构成的自激式多谐振荡器，是一种性能较好的时钟源。调节电位器 RP ，使在输出端3获得频率为1HZ的矩形波信号。 2.1.1 555定时器的电路结构与功能国产双极型555定时器的电路结构如图2-1(a)所示，它由比较器C1和C2、SR锁存器和集电极开路的放电三极管TD三部分组成。图中数码1~8为器件引脚编号。 图2-1(a) 555定时器的电路结构图 由图2-1(a)可知，当TH>VR1、TH>VR2时，比较器C1的输出vC1=0、比较器C2的输出vC2=1，SR锁存器被置0，TD导通，同时v0为低电平。 随着电子技术的发展，电子技术在各个领域的运用越来越广泛。电子秒表在生活中可广泛应用于对运动物体的速度、加速度的测量实验，还可用来验证牛顿第二定律、机械能守恒等物理实验，同时也适用于对时间测量精度要求较高的场合，测定短时间间隔的仪表。秒表有机械秒表和电子秒表两类。机械秒表与机械手表相仿，但具有制动装置，可精确至百分之一秒；电子秒表用微型电池作能源，电子元件测量显示，可精确至千分之一秒。在秒表的设计上功能不断完善，在时间的设计上不断的精确。人们也用电子技术和相关知识解决了一些实际问题。随着集成技术的发展，尤其是中、大规模和超大规模集成电路的发展，数字电子技术将会更广泛的渗透到国民经济的各个部门，目前数字电子技术已经广泛应用于计算机、电视、雷达、通信等各个领域，并将产生越来越深的影响。该设计使我们动手能力、实际操作能力、综合应用能力得到更好的提升。 当TH<VR1、TH>VR2时，比较器C1的输出vC1=1、比较器C2的输出vC2=1，SR锁存器的状态保持不变，因而TD和v0的状态也保持不变。 当TH<VR1、TH<VR2时，比较器C1的输出vC1=1、比较器C2的输出vC2=0，SR锁存器被置1，TD截止，同时v0为高电平。 当TH>VR1、TH<VR2时，比较器C1的输出vC1=0、比较器C2的输出vC2=0，SR锁存器 = =1，TD截止，同时v0为高电平。 这样就得到表2-1所示的555的功能表。 表2-1 555的功能表
2.1.2 多谐振荡器多谐振荡器如图2-1(c)所示。当电路刚接通电源时，由于C (C1//C2)来不及充电，555电路的2脚处于零电平，导致其输出3脚为高电平。当电源通过R1、RP向C充电到VC≥VCC时，输出端3脚由高电路平变为低电平，电容C经R1和内部电路的放电开关管放电。当放电到VC≤VCC时，输出端又由低电平转变为高电平。此时电容再次充电，这种过程可周而复始地进行下去，形成自激振荡。图2-1(b)是输出端及电容器C上电压的波形。 图2-1(b) 波形图 图2-1(c)多谐振荡器
设计振荡周期为1秒时，参数的确定。 由课本得电路的振荡周期为
输出脉冲的占空比为
由NE555的特性参数可知，占空比q可为2/3。 故得到R1=R2。 又由式(1)知
若取C=10μF，则代入上式得到 R1=48.31kΩ 2.2 计数器(74LS192)74LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能，利用74LS192的计数器功能实现六进制、十进制的计算和倒计时。 其引脚排列及逻辑符号见图2-2所示： 图2-2 74LS192引脚排列
计数器74LS192的功能表见表2-2所示 表2-2 74LS192功能表
2.3译码器(74LS48)74LS48芯片是一种常用的七段数码管译码器驱动器，常用在各种数字电路和单片机系统的显示系统中，下面我就给大家介绍一下这个元件的一些参数与应用技术等资料。 7段显示译码器74LS48是输出高电平有效的译码器，74LS48除了有实现7段显示译码器基本功能的输入（DCBA）和输出（QA～QG）端外，74LS48还引入了灯测试输入端（LT）和动态灭零输入端（RBI），以及既有输入功能又有输出功能的消隐输入/动态灭零输出（BI/RBO）端。 图2-3 74LS48引脚排列 （1）7段译码功能（LT=1，RBI=1） 在灯测试输入端（LT）和动态灭零输入端（RBI）都接无效电平时，输入DCBA经74LS48译码，输出高电平有效的7段字符显示器的驱动信号，显示相应字符。除DCBA = 0000外，RBI也可以接低电平，见表2-3中1～16行。 （2）消隐功能（BI=0） 此时BI/RBO端作为输入端，该端输入低电平信号时，表2-3倒数第3行，无论LT 和RBI输入什么电平信号，不管输入DCBA为什么状态，输出全为“0”，7段显示器熄灭。该功能主要用于多显示器的动态显示。 表2-3 74LS48功能表 |  /
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（3）灯测试功能（LT = 0） 此时BI/RBO端作为输出端，端输入低电平信号时，表2-3最后一行，与及DCBA输入无关，输出全为“1”，显示器7个字段都点亮。该功能用于7段显示器测试，判别是否有损坏的字段。 （4）动态灭零功能（LT=1，RBI=1） 此时BI/RBO端也作为输出端，LT 端输入高电平信号，RBI 端输入低电平信号，若此时DCBA = 0000，表2-3倒数第2行，输出全为“0”，显示器熄灭，不显示这个零。DCBA≠0，则对显示无影响。该功能主要用于多个7段显示器同时显示时熄灭高位的零。 2.4 数码管（7SEG-COM-CATHODE）现在的许多电器设备上都有显示十进制字符的字符显示器，以直观的显示出电器设备的运行数据。目前广泛使用的字符显示器是七段字符显示器，或称七段数码管。常见的七段数码管有液晶显示数码管和半导体数码管两种。 半导体数码管是由七段发光二极管（Light Emitting Diode）组成，简称LED。图2-4是共阴极数码管引脚排列。LED产品的种类繁多，有共阴极电路，还有共阳极电路，本设计采用共阴极电路，要驱动LED正常的显示十进制数的十个字符，LED前面必须接一个显示译码器。 图2-4 共阴极数码管引脚排列
第3章 电子秒表仿真图3.1 仿真结果当连接好的电路原理图检查没有错误后即可对它进行仿真，仿真有利于检查和排除故障，发现并解决问题，保证实验顺利进行，做出来的实物能够成功的实现其功能。 3.1.1当启动前,计数器停止时，数码管显示00，仿真图3-1(a);按开关SW1,计数器开始计数，一段时间后，显示18，仿真图3-2(b)图3-1(a) 停止时仿真图 图3-1(b) 启动时仿真图
3.1.2若不需要计时或暂停计数时,按开关SW2，计数器立即停止,暂停时值为48，仿真图3-1(c);再次按开关SW2,数码管从暂停时值开始计数，一段时间显示值为55，仿真图3-1(d)图3-1(c) 不需要计时或暂停计数时仿真图 图3-1(d) 再次启动数码管保留计数时仿真图
3.1.3倒计时功能断开开关SW2，打开开关SW3，计数器启动倒计时功能，刚开始显示数值99，仿真图3-1(e)；一段时间后，数码管显示数值88，仿真图3-1(f)。 图3-1(e) 倒计时功能，开始时电路仿真图 图3-1(f) 倒计时功能，一段时间后电路仿真图 3.2 仿真结果分析555时基电路构成的多谐振荡器无需外加输入信号就能在接通电源后自行产生矩形波输出。但555时基电路的精度并不是很高，而且电路也会受到温度的影响，尤其是冬季和夏季产生的误差相对较大。本次设计中利用555产生1000HZ的脉冲信号实际上并不是精确地等于1000HZ，根据设定的参数可以算的实际上产生脉冲信号的频率为1003.5HZ，当计时时间较长时就会产生比较明显的误差，而且误差随着计时时间的增长而变大。因此，实际应用中若要求精度较高常常采用石英晶体振荡器来产生脉冲信号，但555定时器由于其输出驱动电流大、功能灵活，在电子电路中也获得广泛应用。
总结本次电子秒表的设计我认为具有很大的实用性，它可应用于对运动物体的速度、加速度的测量实验还可用来验证牛顿第二定律、机械能守恒等物理实验，同时也适用于对时间测量精度要求较高的场合，测定短时间间隔的仪表。主要是通过数字电子技术的一些芯片，来设计本课题的三个要求。通过NE555定时器设计成多谐振荡器来产生一秒脉冲，产生的脉冲为74LS194计数器提供脉冲信号，计数器74LS194进行计数，通过译码器74LS48转换，再通过数码管显示出数字。本课题我做了一个小的创新，通过开关使脉冲接到计数器74LS194的减的端口DN，以此实现倒计时的功能。此次课程设计有一些不足之处，NE555定时器的具体参数查询不到，占空比不能够准确知道，因此秒表存在一些偏差。可以通过查阅NE555定时器的占空比，来提高计时的精度。继续开展研究、设计可提高电子秒表的精度，若想提高精度常常采用石英晶体振荡器来产生更精确的脉冲信号。精度提高，此设计便能广泛应用于计算机、电视、雷达、通信等各个领域，实现电子秒表的价值。
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