《數(shù)字電子技術基礎》課程設計電子秒表電路的設計

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1、武漢理工大學《數(shù)字電子技術基礎》課程設計 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等阿拉伯數(shù)字。充分運用芯片74LS90的邏輯功能，用四片74LS90芯片實現(xiàn)秒表示0.1～60秒。利用集成與非門構成的基本RS觸發(fā)器（低電平直接觸發(fā)）實現(xiàn)電路的直接置位、復位功能。利用集成與非門構成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器為計數(shù)器清零提供輸出負脈沖。利用555定時器構成的多諧振蕩器為電路提供脈沖源以驅動電路工作。

2、 關鍵詞：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的電子計時器，目前國產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，采用6位液晶數(shù)字顯示時間。電子秒表的使用功能比機械秒表要多，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。 本實驗設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單元電路設計及相關元器件的功能簡介 2.1基本RS觸發(fā)器 本實驗設計電路所選用

3、的基本RS觸發(fā)器為用集成與非門構成的基本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K1（接地），則門

4、1輸出 =1；門2輸出Q=0，K1復位后Q、 狀態(tài)保持不變。再切換按鈕開關K2，則Q由0變?yōu)?，門5開啟，為計數(shù)器啟動作好準備；由1變?yōu)?，送出負脈沖，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 本實驗設計電路所選用的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器為用集成與非門構成的微分型單穩(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)負脈沖信號vi 由基本RS觸發(fā)器端提供，輸出負脈沖vO 通過非門加到計數(shù)器的清除端R。靜態(tài)時，門4應處于截止狀態(tài)，故電阻R必須小于門的關門電阻ROff 。定時

5、元件RC取值不同，輸出脈沖寬度也不同。當觸發(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 本實驗實驗設計電路所選用的時鐘發(fā)生器為用555定時器構成的多諧振蕩器，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構簡單、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作用可以產生自激振蕩。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)值可以很容易實現(xiàn)對頻率的調節(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反饋作用可以產生自激振蕩，利用閉合回路中的延遲負反饋作用也能產生自激振蕩，只要負反饋作用足夠強。為了

7、得到頻率更加準確的頻率信號，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—十進制加法計數(shù)器74LS90構成電子秒表的計數(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制計數(shù)器。它由1個一位二進制和1個異步五進制計數(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碼十進制計數(shù)器。因此，又稱此電路為二——五——十進制計

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 二進制計數(shù) 1 ↓ QDQCQB輸出 五進制計數(shù) ↓ QA QDQ

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

10、 3總電路設計圖及其原理 圖3-1 電子秒表總電路圖 根據各單元電路原理，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定時器構成多諧振蕩器，用來產生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碼十進制計數(shù)電路，其輸出端與譯碼顯示器的相應輸入端連接，可顯示0.1-0.9s,1-9s,10-90s. 4電路仿真 利用電

11、子設計軟件multisim對電路仿真，根據圖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 開啟仿真器實驗電源開關，切換按鈕開關K1（接地），則Q =1，=0；K1復位后Q、 狀態(tài)保持不變。再切換按鈕開關K2，則Q由0變?yōu)?，門5即圖中U8A開啟，為計數(shù)器啟動作好準備，同時由1變?yōu)?，送出負脈沖，啟動單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作。適當調節(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，該設計電路滿足要求。 5安裝及調試 由于電路中使用器件較多，設計前必須合理安排各器件在實驗裝置上的位置，使電路邏輯清楚．接線較短。應按照設計任務的次序．將各單元電路逐個進行接線和調試．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，再將有關電路逐級連接起來進行測試，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，保證實驗順利進行。 （1）測試基本RS觸發(fā)器的邏輯功能。 （2）對單穩(wěn)態(tài)電路進行靜態(tài)測試：用直流

13、數(shù)字電壓表測量A、B、D、F各點電位值，并記錄；然后進行動態(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F點波形．如嫌單穩(wěn)輸出脈沖持續(xù)時間太短．難以觀察，可以適當加大微分電容c(如改為0．1 F)待測試完畢．再恢復4700PF。 （3）對時鐘發(fā)生器進行調試：參照由555定時器構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接成五進制形式記錄測試過程。R0（1）、R0（2）、S9（2）接邏輯開關輸出插口，CP2接單次脈沖源，CP1接高電平“1”，QD~QA接實驗設備上譯碼顯

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碼十進制形式，記錄測試過程;將計數(shù)器①、②、③級連．進行邏輯功能測試，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，進行電子秒表的總體測試。先按一下按鈕開關K2．此時電子秒表不工作，再按一下按鈕開關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行校準。6設計心得 通過這幾天對電子秒表電路的設計使我對數(shù)字電子技術基

15、礎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，看到了自己的實踐經驗還是比較缺乏，理論聯(lián)系實際的能力還亟需提高。 同時，經過這次課程設計，我們對前面的路有了更多的信心，因為在這個過程中，我們學到了不少實用的東西，對于一些專業(yè)基礎課有了更深層次的掌握，并且提高了動手能力和獨立解決問題的能力。此次的數(shù)電課設，不僅讓我加深了對數(shù)字電子電路理論知識的理解，還加強和同學交流溝通的能力，在設計電路時和同組成員共同討論解決問題，同時設計出的電路經過Multisim軟件仿真達到預期的效果，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。諸多在此次學習到的知識或是能力必將有

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

17、真及應用. 機械工業(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 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

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