1、湖北理工学院毕业设计论文题 目：秒表的设计 摘 要本系统由石英晶体振荡器、分频器、计数器、译码器、LED 显示器组成，采用了中小规模集成芯片。总体方案设计由主体电路和扩展电路两大部分组成。其中主体电路完成数字钟的基本功能，扩展电路完成数字计时器的扩展功能，进行了各单元设计，总体调试。数字计时器是由脉冲发生电路、计时和显示电路、清零电路、几部分组成的，电路由振荡器、分频器、计数器、译码器、显示器等元件构成。振荡器产生的脉冲信号经过分频器分频作用后为秒脉冲，秒脉冲送入计数器，计数器计数并且通过“时” 、 “分” 、 “秒”译码器显示时间。本系统由计数器、译码器、LED 显示器采用了中小规模集成芯片
2、。总体方案设计由主体电路和扩展电路两大部分组成。其中主体电路完成循环显示的基本功能，扩展电路完成启动停止的扩展功能，进行了各单元设计，总体调试。本文首先描述系统硬件工作原理，并附以系统结构框图加以说明，着重介绍了本系统模块的功能及工作过程,其次，详细阐述了程序的各个模块和实现方法。本设计以数字集成电路技术为基础。本文编写的主导思想是以硬件为基础，来进行各功能模块的编写。关键词：石英晶体；分频器；计数器；译码器；脉冲AbstractSystem has been composed of crystal oscillator , frequency divisionimplement , coun
3、ter , decoder , LED display , has adopted to be hit by the small-scale integration chip. Two major part designing from main body circuit and expanding a circuit are composed of an overall plan. Main body circuits among them accomplish fundamental digital clock function , expand a circuit accomplishi
4、ng the figure calculagraph expansion function, the element having carried out every designs that , population debugs.Figure calculagraph is to be composed of pulse generating circuit , circuit , zero clearing circuit , several parts reckoning by time and showing , the circuit is composed of componen
5、ts such as oscillator , frequency division implement , counter , decoder , display. The pulse signal that the oscillator produces counts and demonstrates time by “time“, “mark“, “second“ decoder by that the frequency division implement frequency division effect queen being second of pulse , second o
6、f pulse sending in the counter , the counter.This system has adopt the middle small-scale integration chip from the counter , decoder , LED display. Two major part designing from main body circuit and expanding a circuit are composed of anoverall plan. Main body circuits among them accomplish the fu
7、ndamental function that circulation demonstrates , expand a circuit accomplishing the starting stop expansion function, the element having carried out every designs that , population debugs. System hardware operating principle the main body of a book is described first, and attach the block diagram
8、gives explanation with system structure , emphasize the module and realization method having introduced system module function and course of work , having set forth the procedure each secondly, detailedly. Design that the technology is a basis with figure IC originally. The dominant ideas the main b
9、ody of a book is compiled and composed is to take hardware as basis, write coming to carry out every function module.Keywords: Quartz crystal；frequency division implement ；counter ；decoder；pulse目 录1 绪论 .12 方案论证 .32.1功能要求 .32.2方案确定 .33 系统设计 .53.1电源部分的设计 .53.2时钟电路的设计 .63.3主电路设计 .63.3.1主要芯片的选择 .73.3.2模
10、块原理分析 .154 电路板制作调试及性能分析 .174.1电路板的制作与安装 .174.2硬件调试 .184.3性能分析 .19结 论 .20致 谢 .21参考文献 .22附录 .23湖北理工学院 毕业设计（论文）11 绪论以数字信号为工作信号的控制电路。数字信号指所有在时间和数值上都离散的信号，其变化在时间上不连续，数值的增减都取数字形式。数字控制电路具有很高的控制精度和很强的抗干扰性，可以解决模拟控制电路所解决不了的问题。数字集成电路是将元器件和连线集成于同一半导体芯片上而制成的数字逻辑电路或系统。根据数字集成电路中包含的门电路或元、器件数量，可将数字集成电路分为小规模集成（SSI）电路
11、 1、中规模集成 MSI电路、大规模集成（LSI）电路、超大规模集成 VLSI电路和特大规模集成（ULSI）电路。小规模集成电路包含的门电路在10个以内，或元器件数不超过 100个；中规模集成电路包含的门电路在 10100 个之间，或元器件数在 1001000 个之间；大规模集成电路包含的门电路在 100个以上，或元器件数在 1010 个之间；超大规模集成电路包含的门电路在 1万个以上，或元器件数在 1010 之间；特大规模集成电路的元器件数在 1010 之间。电子学近几十年的历史可以看作是逐渐小型化的历史，推动电子产品朝小型化过渡的主要动力是元器件和集成电路 IC的微型化。随着微电子技术的发
12、展，器件的速度和延迟时间等性能对器件之间的互连提出了更高的要求，由于互连信号延迟、串扰噪声、电感电容耦合以及电磁辐射等影响越来越大，由高密度封装的 IC和其他电路元件构成的功能电路已不能满足高性能的要求。人们已深刻认识到，无论是分立元件还是 IC，封装已成为限制其性能提高的主要因素之一。目前电子封装的趋势正朝着小尺寸、高性能、高可靠性和低成本方面发展。所谓封装是指将半导体集成电路芯片可靠地安装到一定的外壳上，封装用的外壳不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强电热性能的作用，而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁，即芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印制板上的导线与其他
13、器件建立连接。因此，封装对集成电路和整个电路系统都起着重要的作用。芯片的封装技术已经历了几代的变迁，从双列直插式封装(DIP)、塑料方型扁平式封装(POFP)、插针网格阵列封装(PGA)、球栅阵列封装(BGA)、芯片尺寸封装(CSP)到多芯片组件(MCM) 2，技术更先进，芯片面积与封装面积之比越来越趋近于 1，适用频率更高，耐温性能更好，引脚数增多， 引脚间距减小，可靠性提高，使用更加方便。21世纪 集成电路复杂度不断增加，系统芯片或称芯片系统 SoC (System-on-湖北理工学院 毕业设计（论文）2Chip)成为开发目标、纳米器件与电路等领域的研究已展开。英特尔曾于 2003年 11
14、月底展示了首个能工作的 65纳米制程的硅片，Intel2004 年 8月宣布，他们已经采用 65纳米，生产出了 70Mbit的 SRAM。并计划于 2005年正式进入商业化生产阶段。使用 65纳米制程生产的芯片中门电路的数目是 90纳米制程的 1/3。SRAM（静态存储器）将用于高速的存储设备，处理器中非常重要的缓存就是采用 SRAM。 Intel表示，通过采用第二代应变硅技术（应变硅技术是一种对晶体管沟道部分的硅施加应力使其变形，以此提高载流子迁移率的技术。借由加大硅原子间彼此的距离，电子便能够更加迅速地运行。而电子的运行速度越快，处理器的性能就越好。）可以将晶体管的性能提升了 10%15%
15、，与 90纳米工艺制造的晶体管相比，65 纳米制程晶体管可以在同样的性能下减少 4倍的漏电电流。未来将会有越来越多的产品采用 65纳米工艺 Intel公司 2004年底宣布首次成功开发出 15纳米的晶体管。Intel的 15纳米晶体管基于 CMOS工艺，工作电压为 0.8伏，每秒可进行 2.63万亿次开关转换。Intel 计划在 2009年开发出基于 15纳米晶体管的芯片，到时该公司开发出的处理器将达到 20GHz甚至更高。80 年代被誉为“ 电子组装技术革命 ”的表面安装技术 SMT 改变了电子产品的组装方式。SMT 已经成为一种日益流行的印制电路板元件贴装技术，其具有接触面积大、组装密度高
16、、体积小、重量轻、可靠性高等优点，既吸收了混合 IC 的先进微组装工艺，又以价格便宜的 PCB 代替了常规混合 IC 的多层陶瓷基板 3，许多混合 IC 市场已被 SMT 占领。随着 IC 的飞速发展，IO 数急剧增加，要求封装的引脚数相应增多， 出现了“ 高密度封装 ”。90 年代，在高密度、单芯片封装的基础上，将高集成度、高性能、高可靠的通用集成电路芯片和专用集成电路芯片 ASIC 在高密度多层互连基板上用表面安装技术组装成为多种多样的电子组件、子系统或系统，由此而产生了多芯片组件 MCM1。在通常的芯片印刷电路板 PCB 和 SMT 中，芯片工艺要求过高，影响其成品率和成本；印刷电路板尺
17、寸偏大，不符合当今功能强、尺寸小的要求，并且其互连和封装的效应明显，影响了系统的特性；多芯片组件将多块未封装的裸芯片通过多层介质、高密度布线进行互连和封装，尺寸远比印刷电路板紧凑，工艺难度又比芯片小，成本适中。因此，MCM 是现今较有发展前途的系统实现方式，是微电子学领域的一项重大变革技术，对现代化的计算机、自动化、通讯业等领域将产生重大影响。湖北理工学院 毕业设计（论文）32 方案论证2.1 功能要求测定运动项目的速度时需要使用秒表。秒表与普通的钟表（包括手表）不同，它的目的是对从某一时刻到另一时刻的时间间隔进行计时。利用数字电路可以很容易地制作计数器，所以对于制作钟表来说最大的问题是如何准
18、确的标定时间。如何能准确地产生 1/100s的脉冲是整个电路的设计要点。为了获得准确而稳定的振荡，必须采用石英振荡器。本设计采用的是频率为 6MHZ的石英振子 4。1、秒表基准脉冲的设计；能准确地产生 1/100s的脉冲是整个电路的设计要点。为了获得准确而稳定的振荡，必须采用石英振荡器。本设计采用的是频率为 6MHZ的石英振子。2、秒表按钮开关的设计。3、电路的最大计数为 99.99s,并能掌握计数器位数与计数范围之间的关系。4、分频电路的设计。2.2 方案确定 利用数字电路可以很容易地制作计数器，所以对于制作钟表来说最大的问题是如何准确地标定时间。作为测定时间的典型工具，在制作秒表时，我们首
19、先应该了解钟表的结构。方案一：可以使用几个专用计数器 IC，尽管叫做专用 IC，其实采用不同的使用方法还是能够用于各种不同用途的。它把几位十进制计数器集成在一个管壳中的数字 IC。输出显示是动态式的，所以只要一个 7段的译码器驱动就够了。但是大多专用数字 IC都是外国进口的，价格较高，并且在市面上不容易买到。方案二：如图 2-1 所示，系统以数字芯片为主控制器。时钟功能的实现方法是由石英脉冲发生器产生脉冲,再通过分频完成基本的时钟任务，再通过 LED模块显示出来。秒信号的产生：在方案一中是由专用数字 IC5产生，在方案二中是由分频完成，如果要扩展外围功能方案二中由分频产生的其它的频率可以使用，
20、可使功能更加强大。数字显示：在方案一中 LED 的显示是使用动态的显示，动态的显示对于秒表来湖北理工学院 毕业设计（论文）4说不是很好的选择，很容易出现显示不清晰或错误的乱码。在方案二中采用 LED 的静态显示，显示清晰稳定。由以上的比较知，在实现相同功能的情况下，方案二比方案一明显地具有优越性，成本较低，本设计采用方案二。图 2-1 系统框图湖北理工学院 毕业设计（论文）51 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 2-Jun-2008 Sheet of File: D:PROTELEXAMPLESMyDesign.ddb
21、Drawn By:1234D1T1+ C150uF C20.01uFIN1 OUT 2GND3U1 7805C30.01uF220V+_5V3 系统设计由于本电子旋转圆盘系统以 74LS系列 6为主控芯片。硬件的结构和可靠性直接影响着整个系统的可靠性。任何电子产品都必须有一个电源为其提供能量才能工作，故本设计先从电源部分开始，再进行功能部分的设计。3.1 电源部分的设计稳压电源的功能是把来自电网的 220V交流电压转变为所需的、稳定的直流电压，为其他电路提供能源。它的设计在保证满足负载所须能量的同时，还要根据负载的特性及其对电源的要求（如稳压范围、纹波系数等） ，进行设计。必要时还要有过流、过
22、压、欠压、过负载保护措施。现在常用的直流稳压电源有变压器式和开关式电源两种。在本系统中从价格和结构上考虑选用价格低廉和结构简单的直流稳压电源。变压器式直流稳压源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成，如图 3-1所示。市电先经电源变压器变换成所须等级的交流电压，而后经整流电路将之整流成直流电，这时的直流电脉动量很大，经滤波电路以减小其脉动量，最后经稳压电路进行稳压，从而得出符合要求的电压。图 3-1 变压器式直流稳压电源湖北理工学院 毕业设计（论文）6X1CRYSTALR11MC122p C222p12 3U1:A74LS0R4 DC7Q3GND1VC8TR2 TH6CV5U1
23、55R12KR25.1KC10.1uFC20.1uFRP10K3.2 时钟电路的设计时钟脉冲的的精度取决于振荡器，就是说振荡器是秒表的核心。振荡器的稳定度及频率的精确度决定了秒表计时的准确程度，如果精度要求不要可以采用由逻辑门与 RC 组成的时钟源振荡器或由集成电路定时器 555 与 RC 组成的多谐振荡器 7。振荡频率 =103Hz，如图 3-2所示。of一般来说，振荡器的频率越高，计时精度越高，通常选用石英晶体构成振荡器电路。如图 3-3 所示。本设计中需要精度高的脉冲，选用石英晶体振荡器电路。图 3-2 555 振荡器电路 图 3-3 晶体振荡器电路由于得到的频率较高，要进行分频，分频器的功能只要有两个：一是产生标准秒脉冲信号；二是提供功能扩展电路所需要的信号，如电台报时用的 1kHz的高音频信号和 500Hz的低音频信号等。选用 6片中规模集成电路计数器 74LS192可以完成上述功能。因每片为 1/10分频，5 片级联则可获得所需要的频率信号，即第 1片的输出频率为 600kHz，第二片的输出为 60kHz，以此类推。3.3 主电路设计主电路的功能是完成 0-99循环显示，再送往 LED显示，使用轻触开关来启动和停止。设计秒表电路的要求：1、用 7段数字表示器设计旋转圆盘。2、99 个数的计数器部分的设计。3、显示用的译码器电路的设计。
