《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計電子秒表電路的設(shè)計

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1、武漢理工大學(xué)《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計 摘要 在數(shù)字測量儀表和各種數(shù)字系統(tǒng)中，都需要將數(shù)字量直觀的顯示出來，數(shù)字顯示電路通常由譯碼驅(qū)動器和顯示器等部分組成。數(shù)碼顯示器就是用來顯示數(shù)字、文字或符號的器件。七段式數(shù)字顯示器是目前常用的顯示方式，它利用不同發(fā)光段的組合，可以顯示0～9等阿拉伯?dāng)?shù)字。充分運(yùn)用芯片74LS90的邏輯功能，用四片74LS90芯片實(shí)現(xiàn)秒表示0.1～60秒。利用集成與非門構(gòu)成的基本RS觸發(fā)器（低電平直接觸發(fā)）實(shí)現(xiàn)電路的直接置位、復(fù)位功能。利用集成與非門構(gòu)成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器為計數(shù)器清零提供輸出負(fù)脈沖。利用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器為電路提供脈沖源以驅(qū)動電路工作。

2、 關(guān)鍵詞：基本RS觸發(fā)器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，多諧振蕩器，譯碼顯示器。 1電子秒表簡介 電子秒表是一種較先進(jìn)的電子計時器，目前國產(chǎn)的電子秒表一般都是利用石英振蕩器的振蕩頻率作為時間基準(zhǔn)，采用6位液晶數(shù)字顯示時間。電子秒表的使用功能比機(jī)械秒表要多，它不僅能顯示分、秒，還能顯示時、日、月及星期，并且有1／l00s的功能。 本實(shí)驗設(shè)計的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、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器、計數(shù)器和譯碼顯示器5個部分組成。 圖1-1 電子秒表電路的基本組成框圖 2單元電路設(shè)計及相關(guān)元器件的功能簡介 2.1基本RS觸發(fā)器 本實(shí)驗設(shè)計電路所選用

3、的基本RS觸發(fā)器為用集成與非門構(gòu)成的基本RS觸發(fā)器。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。其功能表如表2-1所示。 R S Qn Qn+1 功 能 0 0 0 不用 不允許 0 0 0 不用 0 1 0 0 Qn+1=0,置0 0 1 1 0 1 0 1 1 Qn+1=1,置1 1 0 0 1 1 1 1 1 Qn+1=Qn,保持 1 1 0 0 表2-1 基本RS觸發(fā)器 如圖2-1所示，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Q作為與非門5的輸入控制信號。切換按鈕開關(guān)K1（接地），則門

4、1輸出 =1；門2輸出Q=0，K1復(fù)位后Q、 狀態(tài)保持不變。再切換按鈕開關(guān)K2，則Q由0變?yōu)?，門5開啟，為計數(shù)器啟動作好準(zhǔn)備；由1變?yōu)?，送出負(fù)脈沖，啟動單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作。 基本RS觸發(fā)器在電子秒表中的職能是啟動和停止秒表的工作. 圖2-1 基本RS觸發(fā)器 2.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 本實(shí)驗設(shè)計電路所選用的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器為用集成與非門構(gòu)成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，如圖2-2所示。 圖2-2 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 通過非門加到計數(shù)器的清除端R。靜態(tài)時，門4應(yīng)處于截止?fàn)顟B(tài)，故電阻R必須小于門的關(guān)門電阻ROff 。定時

5、元件RC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，可以省去輸入微分電路的RP 和CP 。 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在電子秒表中的職能是為計數(shù)器提供清零信號。 圖2-3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器波形圖 2.3多諧振蕩器 本實(shí)驗實(shí)驗設(shè)計電路所選用的時鐘發(fā)生器為用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器，是一種性能較好的時鐘源。如圖2-4所示。調(diào)節(jié)電位器 RW ，使在輸出端3獲得頻率為50HZ的矩形波信號，當(dāng)基本RS觸發(fā)器Q＝1時，門5開啟，此時50HZ脈沖信號通過門5作為計數(shù)脈沖加于計數(shù)器①的計數(shù)輸入端CP2。 圖2-4 多諧振蕩器 NE555定時器是一種電路結(jié)構(gòu)簡單、使用方便靈活、用途

6、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)。 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。R1 、R2、C決定了多諧振蕩器的周期，即決定了形成的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

7、得到頻率更加準(zhǔn)確的頻率信號，加入了電容和電阻，其中電容為0.01uf和0.1uf，電阻為100K歐姆。 2.4計數(shù)及譯碼顯示電路 二—五—十進(jìn)制加法計數(shù)器74LS90構(gòu)成電子秒表的計數(shù)單元，其功能表如表2-2所示，引腳圖如圖2-5所示。 74LS90是一種較為典型的異步十進(jìn)制計數(shù)器。它由1個一位二進(jìn)制和1個異步五進(jìn)制計數(shù)器組成。如果計數(shù)脈沖由CP1端輸入，輸出由QA端引出，即得二進(jìn)制計數(shù)器；如果計數(shù)脈沖CP2端輸入，輸出由QA～QD端引出即得五進(jìn)制計數(shù)器；如果將QA與CP2相連，計數(shù)脈沖由CP1輸入，輸出由QA～QD引出，即得8421碼十進(jìn)制計數(shù)器。因此，又稱此電路為二——五——十進(jìn)制計

8、數(shù)器。 輸 入 輸 出 功 能 清 0 置 9 時 鐘 QD QC QB QA R0(1)、R0(2) S9(1)、S9(2) CP1 CP2 1 1 0 0 0 0 0 0 清 0 0 0 1 1 1 0 0 1 置 9 0 0 0 0 ↓ 1 QA 輸 出 二進(jìn)制計數(shù) 1 ↓ QDQCQB輸出 五進(jìn)制計數(shù) ↓ QA QDQ

9、CQBQA輸出8421BCD碼 十進(jìn)制計數(shù) QD ↓ QAQDQCQB輸出5421BCD碼 十進(jìn)制計數(shù) 1 1 不 變 保 持 表2-2 74LS90的功能表 圖2-5 74LS90的引腳圖 本實(shí)驗所設(shè)計的計數(shù)及譯碼顯示電路如圖2-6所示。其中計數(shù)器1接成五進(jìn)制形式，對頻率為50HZ的時鐘脈沖進(jìn)行五分頻，在輸出端QD取得周期為0.1S的矩形脈沖，作為計數(shù)器②的時鐘輸入。計數(shù)器2、計數(shù)器3和計數(shù)器4接成8421碼十進(jìn)制形式，其輸出端與實(shí)驗裝置上譯碼顯示的相應(yīng)輸入端連接 ,可顯示0.1-99.9S. 圖2-6 計數(shù)及譯碼顯示電路

10、 3總電路設(shè)計圖及其原理 圖3-1 電子秒表總電路圖 根據(jù)各單元電路原理，可得總電路圖如圖3-1所示。 其中，基本RS觸發(fā)器在電子秒表中的職能是啟動和停止秒表的工作，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在電子秒表中的職能是為計數(shù)器提供清零信號。由555定時器構(gòu)成多諧振蕩器，用來產(chǎn)生50Hz的矩形波。第Ⅰ塊計數(shù)器作5分頻使用，將555輸來的50Hz的脈沖變?yōu)?.1秒的計數(shù)脈沖，在輸出端Qd取得，作為第2塊計數(shù)器的始終輸入，第2、第3、第4塊計數(shù)器QA與CP2相連，都已接成8421碼十進(jìn)制計數(shù)電路，其輸出端與譯碼顯示器的相應(yīng)輸入端連接，可顯示0.1-0.9s,1-9s,10-90s. 4電路仿真 利用電

11、子設(shè)計軟件multisim對電路仿真，根據(jù)圖3-1所示電子秒表總電路圖在軟件multisim中繪制出其仿真電路圖，如圖4-1所示。 圖4-1仿真電路圖 開啟仿真器實(shí)驗電源開關(guān)，切換按鈕開關(guān)K1（接地），則Q =1，=0；K1復(fù)位后Q、 狀態(tài)保持不變。再切換按鈕開關(guān)K2，則Q由0變?yōu)?，門5即圖中U8A開啟，為計數(shù)器啟動作好準(zhǔn)備，同時由1變?yōu)?，送出負(fù)脈沖，啟動單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作。適當(dāng)調(diào)節(jié)可變電阻，使輸出端3獲得頻率為50HZ的矩形波信號。雙擊示波器XSC3，觀察示波器的輸出波形如圖4-2所示。 圖4-2 XSC3的波形 此外XSC1和XSC2的波形圖分別如圖4-

12、3和圖4-4所示。 圖4-3 XSC1的波形圖 圖4-4 XSC2的波形圖 由仿真可知，該設(shè)計電路滿足要求。 5安裝及調(diào)試 由于電路中使用器件較多，設(shè)計前必須合理安排各器件在實(shí)驗裝置上的位置，使電路邏輯清楚．接線較短。應(yīng)按照設(shè)計任務(wù)的次序．將各單元電路逐個進(jìn)行接線和調(diào)試．即分別測試基本RS觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、時鐘發(fā)生器及計數(shù)器的邏輯功能．待備單元電路工作正常后，再將有關(guān)電路逐級連接起來進(jìn)行測試，直到測試電子秒表整個電路的功能。這樣的測試方法有利于檢查和排除故障，保證實(shí)驗順利進(jìn)行。 （1）測試基本RS觸發(fā)器的邏輯功能。 （2）對單穩(wěn)態(tài)電路進(jìn)行靜態(tài)測試：用直流

13、數(shù)字電壓表測量A、B、D、F各點(diǎn)電位值，并記錄；然后進(jìn)行動態(tài)測試：輸入端接IKHZ連續(xù)脈沖源，用示波器觀察并描繪D點(diǎn)F點(diǎn)波形．如嫌單穩(wěn)輸出脈沖持續(xù)時間太短．難以觀察，可以適當(dāng)加大微分電容c(如改為0．1 F)待測試完畢．再恢復(fù)4700PF。 （3）對時鐘發(fā)生器進(jìn)行調(diào)試：參照由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器的測試方法來測試該部分的邏輯功能，用示波器觀察輸出電壓波形并測量其頻率．調(diào)節(jié)Rw，使輸出矩形波頻率為50Hz。 （4）計數(shù)器的測試：計數(shù)器①接成五進(jìn)制形式記錄測試過程。R0（1）、R0（2）、S9（2）接邏輯開關(guān)輸出插口，CP2接單次脈沖源，CP1接高電平“1”，QD~QA接實(shí)驗設(shè)備上譯碼顯

14、示輸入端口D、C、B、A，按表2-2測試其邏輯功能并記錄;計數(shù)器②及計數(shù)器③接成8421碼十進(jìn)制形式，記錄測試過程;將計數(shù)器①、②、③級連．進(jìn)行邏輯功能測試，并記錄。 (5)電子秒表的整體測試:各單元電路測試正常后．按圖3-1把幾個單元電路連接起來，進(jìn)行電子秒表的總體測試。先按一下按鈕開關(guān)K2．此時電子秒表不工作，再按一下按鈕開關(guān)K1．，則計數(shù)器清零后使開始計時，觀察數(shù)碼管顯示計數(shù)情況是否正常。如不需要計時或暫停計時．按一下開關(guān)K1，計時立即停止，但數(shù)碼管保留所計時之值。 (6)利用電子鐘或手表的秒計時對電子秒表進(jìn)行校準(zhǔn)。6設(shè)計心得 通過這幾天對電子秒表電路的設(shè)計使我對數(shù)字電子技術(shù)基

15、礎(chǔ)課程有了更深一步的了解，同時發(fā)現(xiàn)了自己的很多不足，看到了自己的實(shí)踐經(jīng)驗還是比較缺乏，理論聯(lián)系實(shí)際的能力還亟需提高。 同時，經(jīng)過這次課程設(shè)計，我們對前面的路有了更多的信心，因為在這個過程中，我們學(xué)到了不少實(shí)用的東西，對于一些專業(yè)基礎(chǔ)課有了更深層次的掌握，并且提高了動手能力和獨(dú)立解決問題的能力。此次的數(shù)電課設(shè)，不僅讓我加深了對數(shù)字電子電路理論知識的理解，還加強(qiáng)和同學(xué)交流溝通的能力，在設(shè)計電路時和同組成員共同討論解決問題，同時設(shè)計出的電路經(jīng)過Multisim軟件仿真達(dá)到預(yù)期的效果，不僅讓小組所有成員共同獲得努力后成功的欣喜，而且了解了Multism軟件的使用。諸多在此次學(xué)習(xí)到的知識或是能力必將有

16、用于之后的學(xué)習(xí)或是將來的工作，這也是此次課程設(shè)計的目的所在。 總而言之，本周課程設(shè)計不但鍛煉了我們最基本的數(shù)字電路的設(shè)計能力，更重要的是讓我們更深刻的認(rèn)識了數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程在實(shí)際中的應(yīng)用。 參考文獻(xiàn) [1] 伍時和主編. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ). 武漢理工大學(xué)出版社，2009 [2] 康華光主編. 電子技術(shù)基礎(chǔ)—數(shù)字部分. 高等教育出版社，2000 [3] 羅中華等主編. 數(shù)字電路與邏輯設(shè)計. 清華大學(xué)出版社，2004 [4] 周新民主編. 工程實(shí)踐與訓(xùn)練教程 武漢理工大學(xué)出版社，2009 [5] 張新喜主編. Multisim10電路仿

17、真及應(yīng)用. 機(jī)械工業(yè)出版社出版，2010年2月 附錄1 元件清單 序 號 品 名 型 號/規(guī) 格 數(shù) 量 1 計數(shù)器 74LS90 4 2 555定時器 LM555CN 1 3 與非門 74ALS00M 5 4 或非門 4001BP 1 5 反相器 4009BCP 1 6 七段譯碼顯示器 DCD-HEX 4 7 發(fā)光二極管 LED 1 8 開關(guān) SPST 2 9 電阻 3KΩ 2 10 電阻 1KΩ 1 11 電阻 470Ω 2 12 電阻 100KΩ 1 13 可變電

18、阻 100KΩ 1 14 電容 510pF 1 15 電容 4.7nF 1 16 電容 10nF 1 17 電容 100nF 1 ut2ApOdfXXc02GyBKsKCWw97MrqqWhoj5TL15Zt6jIPYytYCummtARp3v1N5luizi3xh3BhWYreKO8d9g7nmZQoWPJeTLDrw08gVS8DsDQQYGC3cE7moO2tLF0Jf1gK74IUXyBmtIVR97CkrfVqULT5fn2t6MpJR6rbzVPSortZvIj5NB5ndVvSr4iWr1TwLFKgLSPzuhRjQ3CmZU98eUOui

19、jdLSZqPmvrw9zKupxf8WFUG9l2G9277g2rTipa1YpCZEuqxpKBhtVDCooQOzxUz3vJrZmOcijyM62zchmeooTYes8EBMm932tbz2Yo09RtsZEYS8Zrd2Yktj8l6jEAzVAjnfbtryLvsm6oFbfToXVRFFn7OwIYgJlamkUNXJYbz5Rrb7r4VsuR9zpfZFMfsjhcfCA37lNW2VVLRKN7R8psz1BN6oRic5hU5Z6HCxAYqyNPOG8duYbAwqSl20CSg06Dh2sM8HLtgPkIcSkrgOPDpuHBj1LmPk7lYdvC6NNMwL

20、3fwhZFTFVYAARY7lHSSxJ10V3pH3Y19BxYR77Ib7CpZSu2tijqe3hKqkKAu9KSkCpHKXUIKvvyJZpg2YijRkqfbGgOvyqKuxNWI9oMnJtt6QilZxtyrF7d20FbmabcfiixrQKUsVNXBPPFUXyQ1fJSKFSUbkgs2DUVQC9sz4JkbgN4Qqv66pyoARjurNFJ3TxyfclZiEePtwFJthphEipDFNqnR2HjQKV2DzWtMPDJQkBcXmovdsjqCTJagjMdLsKPgaD2s0H0vmZGAHt36gyUEZ7UmANk1ndREuBeqdgrx0

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22、oO2tLF0Jf1gK74IUXyBmtIVR97CkrfVqULT5fn2t6MpJR6rbzVPSortZvIj5NB5ndVvSr4iWr1TwLFKgLSPzuhRjQ3CmZU98eUOuijdLSZqPmvrw9zKupxf8WFUG9l2G9277g2rTipa1YpCZEuqxpKBhtVDCooQOzxUz3vJrZmOcijyM62zchmeooTYes8EBMm932tbz2Yo09RtsZEYS8Zrd2Yktj8l6jEAzVAjnfbtryLvsm6oFbfToXVRFFn7OwIYgJlamkUNXJYbz5Rrb7r4VsuR9zpfZFMfsjhcfCA37

23、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 16