電子測量與儀器課程設(shè)計報告.doc

安陽師范學(xué)院 電子測量與儀器課程設(shè)計報告電子測量與儀器課程設(shè)計報告 設(shè)計題目：設(shè)計題目：簡單的秒表計數(shù)器設(shè)計簡單的秒表計數(shù)器設(shè)計 學(xué)學(xué) 生：生：趙趙 瑞瑞 云云 學(xué)學(xué) 號：號：101103084 院院 系：系：物理與電氣工程學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院 班班 級：級： 10 級自動化級自動化 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 劉劉 永永 順順 時時 間：間： 2013/12 /10 安陽師范學(xué)院 簡單的秒表計數(shù)器設(shè)計簡單的秒表計數(shù)器設(shè)計（安陽師范學(xué)院 物理與電氣工程學(xué)院 河南 安陽 455000）摘要：摘要：本系統(tǒng)采用振蕩器、計數(shù)器、譯碼器、顯示器組成。由 LED 七段數(shù)碼管來顯示譯碼器所輸出 的信號。采用了 74LS 系列中小規(guī)模集成芯片。其中主體電路完成秒表的基本功能。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：振蕩器；計數(shù)器；譯碼器；LED 七段數(shù)碼管1 引言在日常生活和工作中，我們常常用到定時控制，如擴印過程中的曝光定時等。早期常用的一些時間控制單元都使用模擬電路設(shè)計制作的，其定時準確性和重復(fù)精度都不是很理想，現(xiàn)在基本上都是基于數(shù)字技術(shù)的新一代產(chǎn)品，隨著數(shù)字集成電路性能價格比的不斷提高，新一代產(chǎn)品的應(yīng)用也越來越廣泛，大可構(gòu)成復(fù)雜的工業(yè)過程控制系統(tǒng)，完成復(fù)雜的控制功能。小則可以用于家電控制，甚至可以用于兒童電子玩具。它功能強大，體積小，質(zhì)量輕，靈活好用，配以適當?shù)慕涌谛酒?，可以?gòu)造各種各樣、功能各異的微電子產(chǎn)品。秒表計數(shù)器在生活中經(jīng)常被用到，如：比賽記時，試驗及記時等。2 設(shè)計任務(wù)與要求2.1 基本要求首先要能直接顯示秒的計數(shù)器，要求六十、十為一計數(shù)周期。然后要求電路主要采用中規(guī)模集成電路。且電路輸入電壓為+5 伏 +10 伏。2.2 方案選擇一個基本的秒表電路主要由譯碼顯示器,“秒” ， “毫秒”計數(shù)器和定時器組成。干電路系統(tǒng)由秒信號發(fā)生器“秒” 、 “毫秒”計數(shù)器、譯碼器及顯示器電路組成。首先構(gòu)成一個NE555定時器和分頻器產(chǎn)生震蕩周期為一秒的標準“秒”脈沖信號，由74LS160采用清零法分別組成六十進制的“秒”計數(shù)器、十進制“毫秒”計數(shù)器。清零法適用于有異步置零輸入端的集成計數(shù)器。原理是不管輸出處于哪種狀態(tài)，只要在清零輸入端加一個有效電平電壓，輸出會立即從那個狀態(tài)回到“0000”狀態(tài)。清零信號消失后，計數(shù)器又可以從“0000”狀態(tài)開始重新計數(shù)。使用NE555定時器的輸出作為“秒”計數(shù)器的CP脈沖，把秒計數(shù)器的進位輸出作為“分”計數(shù)器地CP脈沖，分計數(shù)器的進位輸出作為“時”計數(shù)器的CP脈沖。使用74LS48為驅(qū)動器，共陰極七段數(shù)碼管作為顯示器。3 設(shè)計任務(wù)分析3.1 設(shè)計要點設(shè)計一個標準秒脈沖信號發(fā)生電路設(shè)計 60 進制、十進制計數(shù)器（秒計數(shù)電路）設(shè)計譯碼顯示電路安陽師范學(xué)院設(shè)計操作方面的校時電路3.2 原理框圖毫秒顯示器秒顯示器譯碼器譯碼器秒計數(shù)器毫秒計數(shù)器秒脈沖振蕩器圖圖 1.1.秒表計數(shù)器原理框圖秒表計數(shù)器原理框圖4 電路設(shè)計部分4.1 秒脈沖信號發(fā)生器秒脈沖信號發(fā)生器是數(shù)字電子鐘的核心部分，它的精度和穩(wěn)定度決定了數(shù)字鐘的質(zhì)量。由振蕩器與分頻器組合產(chǎn)生秒脈沖信號。4.1.1 振蕩器設(shè)計一般說來，振蕩器的頻率越高，計時精度越高。本設(shè)計中采用由集成定時器 555 與 RC 組成的多諧振蕩器，經(jīng)過調(diào)整輸出 1Hz 脈沖。電路圖如下圖所示：圖圖 2 2 555555 定時器振蕩電路定時器振蕩電路4.1.2 振蕩器參數(shù)確定 555 定時器的脈沖時間是由于 RC 充放電確定的。根據(jù)三要素公式： （1）1)( 1)0( 1)( 1)( 1RCteVcVcVctVc 充電過程的方程式：安陽師范學(xué)院 (2)11)31(32RCteVccVccVccVcc 充電時間為： (3)1)21(7 . 02ln)21(11CRRCRRt 放電過程的方程式： （4）12)032(031RCteVccVcc 放電時間為： (5)127 . 02ln221CRCRt 總時間為： （6）fttt121 頻率為： （7）121121)2(43. 1)2(7 . 011CRRCRRtf首先確定 C1=0.1uf，R2=4.1K，需要輸出頻率 f=10HZ，將充放電時間算出，確定電阻 R1。通過確定 R1=510K。4.2 秒計時器電路設(shè)計秒計數(shù)器為 60 進制計數(shù)器。實現(xiàn)這種模數(shù)的計數(shù)器采用中規(guī)模集成計數(shù)器 74LS160D 構(gòu)成。4.2.1 秒、計數(shù)部分設(shè)計采用 60 進制計數(shù)，本設(shè)計選 74LS160D 作為計數(shù)器，將一片 74LS160D 設(shè)計成 10 進制加法計數(shù)器，另一片設(shè)置 6 進制加法計數(shù)器。兩片 74LS160D 按反饋清零法串接而成。秒計數(shù)器的十位和個位，輸出脈沖除用作自身清零外，同時還作為分計數(shù)器的輸入脈沖 CP1。當分（秒）計數(shù)部分的個位接受秒計數(shù)部分的信號（秒計數(shù)接受的信號為振蕩器經(jīng)分頻后輸出的 1HZ 的標準脈沖） ，計數(shù)滿 60 后向時計數(shù)部分的十位給出一個進位信號。秒十位計數(shù)部分接受個位的進位信號并進行計數(shù)，計滿 6 就想前一級給出進位信號。當十位和個位計滿 60 個數(shù)后計數(shù)器清零。計數(shù)規(guī)律是從 005900。設(shè)計電路圖如圖 3。 圖圖 3 3 秒計數(shù)器秒計數(shù)器74LS48D 是 BCD-7 段譯碼器/驅(qū)動器，輸出高電平有效，專用于驅(qū)動 LED 七段共陽極顯示數(shù)碼管。安陽師范學(xué)院若將秒、分、時計數(shù)器的每位輸出分別送到相應(yīng)七段譯碼管的輸入端，便可以進行不同數(shù)字的顯示。在譯碼管輸出與數(shù)碼管之間串聯(lián)電阻 R=510 作為限流電阻。如圖 4 所示圖圖 4 4 譯碼顯示電路譯碼顯示電路5 元器件使用說明5.1 振蕩器5.1.1 NE555 的特點 只需簡單的電阻器、電容器，即可完成特定的振蕩延時作用。其延時范圍極廣，可由幾微秒至幾小時之久。 它的操作電源范圍極大，可與 TTL，CMOS 等邏輯閘配合，也就是它的輸出準位及輸入觸發(fā)準位，均能與這些邏輯系列的高、低態(tài)組合。 其輸出端的供給電流大，可直接推動多種自動控制的負載。 它的計時精確度高、溫度穩(wěn)定度佳，且價格便宜。5.1.2 NE555 引腳位配置說明如右圖 NE555 接腳圖 Pin 1 (接地) -地線(或共同接地) ，通常被連接到電路共同接地。 Pin 2 (觸發(fā)點) -這個腳位是觸發(fā) NE555 使其啟動它的時間周期。觸發(fā)信號上緣電壓須大于 2/3 VCC，下緣須低于 1/3 VCC 。 Pin 3 (輸出) -當時間周期開始 555 的輸出輸出腳位，移至比電源電壓少 1.7伏的高電位。周期的結(jié)束輸出回到 O 伏左右的低電位。于高電位時的最大輸出電流大約 200 mA 。 Pin 4 (重置) -一個低邏輯電位送至這個腳位時會重置定時器和使輸出回到一個低電位。它通常被接到正電源或忽略不用。 Pin 5 (控制) -這個接腳準許由外部電壓改變觸發(fā)和閘限電壓。當計時器經(jīng)營在穩(wěn)定或振蕩的運作方式下,這輸入能用來改變或調(diào)整輸出頻率。 Pin 6 (重置鎖定) - Pin 6 重置鎖定并使輸出呈低態(tài)。當這個接腳的電壓從 1/3 VCC 電壓以下移至 2/3 VCC 以上時啟動這個動作。 Pin 7 (放電) -這個接腳和主要的輸出接腳有相同的電流輸出能力，當輸出為 ON 時為 LOW，對地為低阻抗，當輸出為 OFF 時為 HIGH，對地為高阻抗。 Pin 8 (V +) -這是 555 個計時器 IC 的正電源電壓端。供應(yīng)電壓的范圍是+4.5 伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。 參數(shù)功能特性： 供應(yīng)電壓 4.5-18V 安陽師范學(xué)院供應(yīng)電3-6 mA 輸出電225mA (max) 上升/下時間 100 ns NE555 的相關(guān)應(yīng)用: NE555 的作用范圍很廣，但一般多應(yīng)用于單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器（Monostable Mutlivibrator）及無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器(Astable Multivibrator)。5.2 計數(shù)器 74LS160D74LS160D 計數(shù)器是一種中規(guī)模二一五-十進制計數(shù)器，下降沿觸發(fā)，R0(1),R0(2)是清零端，R9（1） ，R9(2)是置 9 端，CPA 和 QA 可組成一個二進制計數(shù)器，CPB 和 QBQCQD 組成五進制計數(shù)器；若把 QA 和 CPB 相連，脈沖從 CPA 輸入，則構(gòu)成 8421BCD 碼十進制計數(shù)器。由 74LS160D 的 truth table可以看出，選擇 74LS160D 可以在數(shù)字鐘進位和清零上有極大的方便，不需要其他門電路輔助就能自己完成進位和清零。表表 1 1 74LS160D74LS160D 計數(shù)計數(shù)/ /復(fù)位真復(fù)位真5.3 譯碼器 74LS48 74LS48 芯片是一種常用的七段數(shù)碼管譯碼器驅(qū)動器，下面是 74LS48 的引腳圖和功能表。圖圖 5 5 74LS4874LS48 引腳圖引腳圖 表表 2 2 74LS4874LS48 功能表功能表安陽師范學(xué)院6 電路仿真隨著科技的發(fā)展， “計算機仿真技術(shù)”已成為許多設(shè)計部門重要的前期設(shè)計手段。它具有設(shè)計靈活，結(jié)果、過程的統(tǒng)一的特點?？墒乖O(shè)計時間大為縮短、耗資大為減少，也可降低工程制造的風險。仿真軟件有很多，multisim、protues 等都可以電路仿真。本設(shè)計仿真過程是在 multisim 平臺上完成的。課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計是學(xué)生走向就業(yè)的重要實踐環(huán)節(jié)。由于 MULTISIM 提供了實驗室無法相比的大量的元器件庫，提供了修改電路設(shè)計的靈活性、提供了實驗室在數(shù)量、質(zhì)量上難以相比的虛擬儀器、儀表，因而也提供了培養(yǎng)學(xué)生實踐精神、創(chuàng)造精神的平臺。555 定時器產(chǎn)生的秒脈沖如圖 7 所示。7 總結(jié)與說明設(shè)計電路過程中，在 multisim 軟件中出現(xiàn)了許多各種各樣的錯誤，雖然最后經(jīng)過不斷的修改以及和同學(xué)的討論得到了比較好的解決，但從中卻讓我弄明白了很多東西，很好的理解那句“失敗乃成功之母”的含義。其中有一個問題弄的我是焦頭爛額，就是連接好譯碼顯示電路后 LED 卻不能顯示出數(shù)字，最后查出原來所選用的譯碼器型號不同連接方式也不同，74LS48D 需要用共陰極接法。還有就是設(shè)計六十進制計數(shù)器和二十四進制計數(shù)器是各個計數(shù)器之間的連接、秒到分間的進位問題、分到時之間的進位連接方式等等問題。另外在焊接好后發(fā)現(xiàn)仿真與實際還是有一定出入的。例如在仿真過程中觸發(fā) 160 時不需要經(jīng)過一個非門，而實際芯片必須有低電平觸發(fā)，在實際焊接過程需要加一個非門。這次電子電路課程設(shè)計，也對電子電路設(shè)計的知識有了更深一步的了解，熟悉了更多不同的數(shù)字芯片，比如 74LS00，74LS48，74LS160，數(shù)碼管等，這為我以后的電路設(shè)計打了一定的基礎(chǔ)。在連接六進制,十進制,六十進制的進位及二十四進制的接法中,要求熟悉邏輯電路及其芯片各引腳的功能,那么在電路出錯時便能準確地找出錯誤所在并及時糾正了。在這次的設(shè)計中，我考慮了許多不同的方案，做出過不同的選擇，從理論上細致的比較各個方案的好壞，同時又充分的考慮實際情況，以實際情況為主要，在此過程中學(xué)會了把理論和實際充分結(jié)合起來的思維方式。在設(shè)計的過程中我采用了 MULTISIM仿真軟件和 PROTEL 等軟件，通過這次的課程設(shè)計使我對這個仿真軟件的使用更加的熟練。安陽師范學(xué)院 參考文獻：參考文獻：1 毛期儉. 數(shù)字電路與邏輯設(shè)計實驗及應(yīng)用. 北京: 人民郵電出版社,20052 呂思忠,施齊云. 數(shù)字電路實驗與課程設(shè)計. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué)出版社,20033 鄧勇,周鐸,鄧斌. 數(shù)字電路設(shè)計完全手冊. 北京: 國防科技大學(xué)出版社,2004.64 趙淑范. 數(shù)字電子鐘的設(shè)計. 長春大學(xué)學(xué)報,2004.8,14,4:26-405 梁明理,鄧仁清. 電子線路. 北京: 高等教育出版社,第四版