电子秒表设计---数字逻辑课程设计.doc

1、http:/1第一章 实验概述1.1 实验设计任务1.1.1 设计任务1. 设计一个电子秒表，可显示 4 位数，计时范围 010 分钟2. 显示精确到 0.1 秒，对 0.01 秒进行四舍五入3. 有暂停、启动、恢复和连续功能，显示板由发光二极管构成2.1 实验目的与设计要求2.1.1 实验目的1. 学习数字电路基本 RS 触发器、单稳态触发器、时钟发生器、计数器以及译码显示器等单元电路的综合应用；2. 了解电子秒表的组成与工作原理；3. 熟悉中规模集成电路的应用；4. 掌握电子秒表的设计、调试以及故障排除方法；5. 培养书写综合实验报告的能力。2.1.2 设计要求1. 根据设计任务要求，综合

2、运用数字电子技术课程中所学到的理论知识与实践技能独立完成设计课题。2. 根据课题查阅书籍，独立思考，深入研究课程设计中遇到的问题，培养自己分析、解决问题的能力。3. 根据设计要求，从选择设计方案开始，首先按单元电路进行设计，选择合适的元器件，最后画出总的电路图。4. 学会电子电路的连线安装和调试技能，最终实现任务要求的全部功能；电路布局合理，走线清楚，工作可靠。5. 写出完整的实验报告，调试中出现的异常现象的分析与讨论。http:/2第二章 电子秒表的设计过程2.1 电路的设计与元件的选择2.1.1 总体方案的设计图 2.1电子秒表一般由振荡器、分频器、计数器、译码器、显示器等几部分组成。其中

3、振荡器和分频器组成标准秒信号发生器，由不同进制的计数器、译码器和显示器组成计时系统。信号送入计数器，累计结果以分、秒、分秒的数字显示出来，分、分秒由十进制计数器构成，秒由六十进制计数器构成。其原理框图（如图 2.1）脉冲发生电路振荡器 分频器计数器显示译码显示 显示 显示译码 译码 译码分计数 秒十计数 秒个计数 分秒计数四舍五入控制电路http:/32.1.2 所需元件的选择1. 二输入与门、二输入与非门、二输入或门、反相器2. 多谐振荡器：f=100Hz（集成 555 定时器的应用） （如图 2.2）振荡周期 T=0.7（R1+2R2）C，调节滑动变阻 R2 可输出不同的频率的脉冲信号；此

4、振荡器在电路中是为分频器和四舍五入电路提供脉冲信号。图 2.23. 8421 编码十进制加法计数器 74160 （如图 2.3）图 2.3四个十进制加法计数器 74160 构成电子秒表的计数单元，分别显示分个位、秒十http:/4位、秒个位与 0.1 秒；通过不同的连接方式，74160 可以实现四种不同的逻辑功能如下：1） 清零。CLR端为清零端，只要 CLR=0，触发器均被清零，计数器输出为 0；不清零时应使 CLR=1。2） 预置数（送数） 。LOAD为预置数控制端，在 LOAD=0时加入 CP 脉冲上升沿，计数器就被置数，即输出 QA,QB,QC,QD 分别等于输入端 A,B,C,D 输

5、入的二进制数；不预置数时应使 LOAD=1。3） 计数。ENP=ENT=1（CLR=1，LOAD=1）时，计数器处于计数状态。当计数到 QA QB QC QD=1001 时，进位输出 RCO=1。再输入一个计数脉冲，计数器输出从 1001 返回到 0000 状态，RCO 由 1 变0。4） 保持。ENP=0，ENT=1（CLR=1,LOAD=1）时，计数器处于保持工作状态。不仅输出不变，而且进位输出也不变。ENP=1,ENT=0(CLR=1,LOAD=1)时，计数器输出不变，进位输出 RCO=0。4.二-五-十进制计数器 7490（如图 2.4）图 2.47490 具有以下逻辑功能：1） 计数

6、脉冲从 CKA 输入，CKB=1，QA 作为输出端，为二进制计数器；2） 计数脉冲从 CKB 输入，QB,QC,QD 作为输出端，为异步五进制计数器；http:/53） 计数脉冲从 CKA 输入，CKB 接输出 QA，为十进制计数器；4） 当 R01=R02=1， （R91,R92 不都为 1）时，实现异步清零；5） 当 R91=R92=1， （R01,R02 不都为 1）时，实现置 9 功能。5.LED 七段译码显示器（如图 2.5）接到各计数器的输出端，显示当前的计数。图 2.52.2 模块的设计2.2.1 计数器1.分秒计数器（如图 2.6）图 2.6http:/6采用 8421 十进制

7、计数器作为 0.1 秒的计时，CLK 外接脉冲信号，清零端置 1，让计数器一直处于计时状态；进位信号 RCO 输出到秒个位。2.秒个位、分个位秒的个位和分的个位都采用十进制计数，与 0.1 秒的情况一样；只是 CP 分别接低位的进位信号3.秒十位（如图 2.7）将 74160 采用复位法改为六进制计数器，即将输出 QB,QC 与非后接到清零端 CLR，当计数到 6 时，对计数器异步清零。清零的同时向高位（分个位）提供进位信号，使分位计数增加 1.图 2.72.2.2 四舍五入控制电路选用中规模计数器 7490（如图 2.8） ，利用其清零功能和置 9 功能进行四舍五入。即利用简单的逻辑门电路，

8、当所计数是 0-4 暂停时，使 R01=R02=1，计数器清零；当所计数是 5-9 暂停时，使 R91=R92=1，计数器置 9，同时进位，从而实现四舍五入功能。http:/7图 2.82.2.3 脉冲发生电路1.振荡器（如图 2.9）振荡器是计时器的核心，振荡器的稳定度和频率的精准度决定了计时器的准确度。我采用集成电路 555 定时器与 RC 组成的多谐振荡器，振荡频率 f=100Hz，R 为可调变阻，微调 R 可调出不同频率的输出。图 2.92.分频器（如图 2.10）http:/8图 2.10分频器的功能主要有两个：一是产生标准秒脉冲信号，二是可提供功能扩展电路所需要的不同频率的信号。选

9、用中规模计数器 7490，每片为 1/10 分频器。第三章 电路的实现与调试3.1 电路布线3.1.1 模块电路图1.计数器（如图 3.1）图 3.11） 如图所示，4 片中规模计数器显示“分” 、 “秒” 、 “分秒（0.1 秒） ”，其中“秒”位为 60 进制计数器， “分” 、 “分秒”位为十进制计数http:/9器，选用 74160 集成块来实现。实现的方法采用反馈清零法。即将十进制计数器 74160 的输出端 QB,QC 与非后接到异步清零端 CLR，构成 6 进制计数器，再与个位的十进制计数器相乘构成 60 进制的计数器。计数器的各输入端接地，ENP,ENT 控制端接高电位（+Vc

10、c） ，使得计数器一直处于计数状态。当“分秒”计数到 9 后，产生进位信号（RCO）送到秒的个位，秒的计时加 1；当“秒”位计数到 59 后向“分”位进位。从而实现 010 分钟的计时，且显示精确到 0.1 秒。2） 计时显示。将计数器的各输出端分别接到 LED 数码显示器的 4 个输入端，接通电源，显示计时。3） 计数复位。利用开关 R 控制计数器从计时状态转为异步清零，或是清零后继续计时，从而实现计时复位功能。2.四舍五入控制电路（如图 3.2）图 3.2电路由计数器 7490 与基本门电路组成。7490 具有异步清零和置 9 功能。利用门电路使得当输出为 04 时，R01=R02=1，合

11、上开关 Space，计数器清零；当输出为http:/1059 时，R91=R92=1，合上开关 Space，计数器置 9。计数器的 CKA 外接脉冲（f=100HZ） ，将输出端 QD 作为“分秒”计时器的 CP，从而实现对 0.01 秒的四舍五入。3.脉冲发生电路（如图 3.3）脉冲发生电路由振荡器和分频器组成。一般来说，振荡器的频率越高，计时的精度就越高，但耗电量将增大。故一定根据需要，设计出最佳电路。通常选用石英晶体来构成振荡器电路，其频率的精准度比较高，但是如果精度要求不高可采用多谐振荡器。1） 此电路的振荡器为 555 定时器与 RC 组成的多谐振荡器，调节振荡器 R 的值，使得输出

12、 100Hz 的脉冲信号，作为 0.01 秒计时器与分频器的输入信号。2） 分频器由 7490 构成，输出 QD 作为 0.1 秒计时器的输入信号，实现 1/10 分频。3） 在振荡器的输出端添加一个开关，控制脉冲的输出，实现计时器的启动、暂停与连续。http:/11图 3.33.1.2 总体电路图（如图 3.4）图 3.4http:/12将各模块合理连接起来构成整个电子秒表计时电路，其中四合五入控制电路的输出 QD 通过一个开关 Space 接到“分秒”的 CP 端 CLK，开关的另一端接分频信号（分频器 7490 的输出 QD） 。3.2 电路调试3.2.1 单元电路的调试1.计时器的调试

13、1） “秒”位计数。将秒的个位、十位计数器都连接上，并在各输出端接上译码显示器（用于显示当前的计时状态，看是否准确） ；在个位的 CP 端（CLK）接入脉冲信号源（f=1Hz） ，测试其功能，能否准确计数 059。2）将“分”位、 “秒”位、 “分秒”位计数器级联起来进行逻辑功能测试。在“分秒”位计数器的 CP 上接入脉冲信号（f=10Hz） ，观察显示器的计时，若不正确，则检查线路连接是否正确，调试改正，直至计时准确。2.多谐振荡器的调试用示波器观察输出波形并测量其频率，调节 R，使得输出矩形波的频率为 100Hz.按动开关 Space，观察脉冲波形是否改变。3.分频器的测试接入输入信号，频

14、率 f=100Hz。用示波器观察输出 QD 的波形并测量其频率，看是否为 f=10Hz。从而确认该电路是否具有 1/10 分频功能。如波形显示不正确，则检查连线。4.四舍五入电路的调试外接上脉冲信号源，输出端接上数码显示器，当合上开关 Space 时，观察显示器是否显示 0 或 9；在输出 QD 接一个指示灯，观察当显示器显示 9 时，指示灯是否亮（显示 0 时，应该不亮） ，从而确定该电路是否有四舍五入功能。http:/133.2.2 电子秒表的总体调试1）各单元电路调试正常后，按图 3.4 把几个单元电路连接起来，进行电子秒表的总体调试。分别测试电子秒表是否达到设计要求：（1）可显示 4

15、位数，计时范围 010 分钟（2）显示精确到 0.1 秒，对 0.01 秒进行四舍五入（3）有暂停、启动、恢复和连续功能，显示板由发光二极管构成先按一下开关 R，则计数器清零；再按一下开关 Space，则计数器启动开始计时，观察数码显示器的计数情况是否正常，如想暂停，则按一下开关 Space，计时立即停止但数码显示器保留所计时的值;当再次按下 Space 开关，计数器接着刚才的计时继续计数，实现连续计时功能；若不想继续刚才的计时，则按一下 R，计数器恢复到 0，从新开始计数，并且计时范围为 010 分钟。2）电子秒表准确度的测试可利用电子钟或手表的秒计时对电子秒表进行校准。http:/14结束

16、语刚拿到课题的时候，我表现出了很大热情和兴趣，复习课本的相关知识、上网查资料等，我好奇着自己会设计出来的会是一样什么样的电子秒表，能准确实现设计要求的那些功能吗？然而，刚一开始就遇到了问题，很是打击了我的信心。我用我所知道的计数器74160 实现六十进制的计数，却怎么也不能准确计数，老是会出现 19 秒后才是 10 秒的类似情况，由于时间关系最终还是没能改正过来。但是我觉得有以下方法可以加以修正：1. 利用门电路将秒个位的进位信号延时 1 秒2. 分别给秒个位、秒十位提供相应的标准脉冲信号3. 改用计数器 7490 可以解决上述问题（如图 4.1）此处向分进位http:/15图 4.1由于采用

17、的 555 定时器与 RC 组成的多谐振荡器作为时钟发生器，精确度不是很高，所以整个计数器的计时不是很准确，若改用石英晶体构成振荡器可以提高计时器的准确度。总体来说我基本完成了设计的全部要求，但是存在以上所说的一些小问题，如果还有时间的话，我相信我一定能做的更好。整个设计过程锻炼了我分析错误原因、解决问题、独立思考的能力以及对 EWB 仿真的运用。同时学会了数字电路中时钟发生器、译码显示器、计数器等单元电路的综合应用以及电子秒表的调试、排错方法。还了解了不少以前不熟悉的集成电路元件，如二/五分频十进制计数器 7490、六进制/十二进制计数器 7492 等。http:/16参考文献1.王永军 李景华.数字逻辑与数字系统 （第 3 版）.北京：电子工业出版社，20062.杨颂华 冯毛管.数字电子技术基础.陕西：西安电子科技大学出版社，2005