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

1、武漢理工大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)摘要在數(shù)字測(cè)量?jī)x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(lái)，數(shù)字顯示電路通常由譯碼驅(qū)動(dòng)器和顯示器等部分組成。數(shù)碼顯示器就是用來(lái)顯示數(shù)字、文字或符號(hào)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09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0.160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(jì)數(shù)器清零提供輸出負(fù)脈沖。利用555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器為電路提供脈沖源以驅(qū)動(dòng)電路工作。 關(guān)鍵詞：基本rs觸發(fā)

2、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(jiǎn)介電子秒表是一種較先進(jìn)的電子計(jì)時(shí)器，目前國(guó)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(shí)間基準(zhǔn)，采用6位液晶數(shù)字顯示時(shí)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(shí)、日、月及星期，并且有1l00s的功能。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(jì)數(shù)器和譯碼顯示器5個(gè)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(jì)及相關(guān)元器件的功能簡(jiǎn)介2.1基本rs觸發(fā)器本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)電路所選用的基本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)

3、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。rsqnqn+1功 能000不用不允許000不用0100qn+1=0,置001101011qn+1=1,置110011111qn+1=qn,保持1100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(hào)。切換按鈕開(kāi)關(guān)k1（接地），則門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(kāi)關(guān)k2，則q由0變?yōu)?，門5開(kāi)啟，為計(jì)數(shù)器啟動(dòng)作好準(zhǔn)備；由1變?yōu)?，送出負(fù)脈沖，啟動(dòng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作?；緍s觸發(fā)器在電子秒表中的職能是啟動(dòng)和停止秒表的工作. 圖2-1 基

4、本rs觸發(fā)器2.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(hào)vi 由基本rs觸發(fā)器端提供，輸出負(fù)脈沖vo 通過(guò)非門加到計(jì)數(shù)器的清除端r。靜態(tài)時(shí)，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(shí)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(shí)，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(jì)數(shù)器提供清零信號(hào)。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(yàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)電路所選用的時(shí)鐘發(fā)生器為用555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器，

5、是一種性能較好的時(shí)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(hào)，當(dāng)基本rs觸發(fā)器q1時(shí)，門5開(kāi)啟，此時(shí)50hz脈沖信號(hào)通過(guò)門5作為計(jì)數(shù)脈沖加于計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)輸入端cp2。圖2-4 多諧振蕩器ne555定時(shí)器是一種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便靈活、用途廣泛的多功能電路。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(shí)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(shí)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(guò)改變r(jià)，c的數(shù)值

6、可以很容易實(shí)現(xiàn)對(duì)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)。為了得到頻率更加準(zhǔn)確的頻率信號(hào)，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(jì)數(shù)及譯碼顯示電路二五十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器74ls90構(gòu)成電子秒表的計(jì)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(jì)數(shù)器。它由1個(gè)一位二進(jìn)制和1個(gè)異步五進(jìn)制計(jì)數(shù)器組成。如

7、果計(jì)數(shù)脈沖由cp1端輸入，輸出由qa端引出，即得二進(jìn)制計(jì)數(shù)器；如果計(jì)數(shù)脈沖cp2端輸入，輸出由qaqd端引出即得五進(jìn)制計(jì)數(shù)器；如果將qa與cp2相連，計(jì)數(shù)脈沖由cp1輸入，輸出由qaqd引出，即得8421碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。因此，又稱此電路為二五十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。輸 入輸 出功 能清 0置 9時(shí) 鐘qd qc qb qar0(1)、r0(2)s9(1)、s9(2)cp1 cp2110 0 0000清 00 011 1001置 90 00 0 1qa 輸 出二進(jìn)制計(jì)數(shù)1 qdqcqb輸出五進(jìn)制計(jì)數(shù) qaqdqcqbqa輸出8421bcd碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)qd qaqdqcqb輸出5421bcd碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)1

8、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(yàn)所設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)及譯碼顯示電路如圖2-6所示。其中計(jì)數(shù)器1接成五進(jìn)制形式，對(duì)頻率為50hz的時(shí)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(jì)數(shù)器的時(shí)鐘輸入。計(jì)數(shù)器2、計(jì)數(shù)器3和計(jì)數(shù)器4接成8421碼十進(jìn)制形式，其輸出端與實(shí)驗(yàn)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(jì)數(shù)及譯碼顯示電路3總電路設(shè)計(jì)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(dòng)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

9、計(jì)數(shù)器提供清零信號(hào)。由555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器，用來(lái)產(chǎn)生50hz的矩形波。第塊計(jì)數(shù)器作5分頻使用，將555輸來(lái)的50hz的脈沖變?yōu)?.1秒的計(jì)數(shù)脈沖，在輸出端qd取得，作為第2塊計(jì)數(shù)器的始終輸入，第2、第3、第4塊計(jì)數(shù)器qa與cp2相連，都已接成8421碼十進(jìn)制計(jì)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電路仿真利用電子設(shè)計(jì)軟件multisim對(duì)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(kāi)啟仿真器實(shí)驗(yàn)電源開(kāi)關(guān)，切換按鈕開(kāi)關(guān)k1（接地），則q =1，=0；k1復(fù)

10、位后q、 狀態(tài)保持不變。再切換按鈕開(kāi)關(guān)k2，則q由0變?yōu)?，門5即圖中u8a開(kāi)啟，為計(jì)數(shù)器啟動(dòng)作好準(zhǔn)備，同時(shí)由1變?yōu)?，送出負(fù)脈沖，啟動(dòng)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(hào)。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4-3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(jì)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(jì)前必須合理安排各器件在實(shí)驗(yàn)裝置上的位置，使電路邏輯清楚接線較短。應(yīng)按照設(shè)計(jì)任務(wù)的次序?qū)⒏鲉卧娐分饌€(gè)進(jìn)行接線和調(diào)試即分別

11、測(cè)試基本rs觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、時(shí)鐘發(fā)生器及計(jì)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(jí)連接起來(lái)進(jìn)行測(cè)試，直到測(cè)試電子秒表整個(gè)電路的功能。這樣的測(cè)試方法有利于檢查和排除故障，保證實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行。（1）測(cè)試基本rs觸發(fā)器的邏輯功能。（2）對(duì)單穩(wěn)態(tài)電路進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試：用直流數(shù)字電壓表測(cè)量a、b、d、f各點(diǎn)電位值，并記錄；然后進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)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(shí)間太短難以觀察，可以適當(dāng)加大微分電容c(如改為01 f)待測(cè)試完畢再恢復(fù)4700pf。（3）對(duì)時(shí)鐘發(fā)生器進(jìn)行調(diào)試：參照由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器的測(cè)試方法來(lái)測(cè)試該部分的邏

12、輯功能，用示波器觀察輸出電壓波形并測(cè)量其頻率調(diào)節(jié)rw，使輸出矩形波頻率為50hz。（4）計(jì)數(shù)器的測(cè)試：計(jì)數(shù)器接成五進(jìn)制形式記錄測(cè)試過(guò)程。r0（1）、r0（2）、s9（2）接邏輯開(kāi)關(guān)輸出插口，cp2接單次脈沖源，cp1接高電平“1”，qdqa接實(shí)驗(yàn)設(shè)備上譯碼顯示輸入端口d、c、b、a，按表2-2測(cè)試其邏輯功能并記錄;計(jì)數(shù)器及計(jì)數(shù)器接成8421碼十進(jìn)制形式，記錄測(cè)試過(guò)程;將計(jì)數(shù)器、級(jí)連進(jìn)行邏輯功能測(cè)試，并記錄。 (5)電子秒表的整體測(cè)試:各單元電路測(cè)試正常后按圖3-1把幾個(gè)單元電路連接起來(lái)，進(jìn)行電子秒表的總體測(cè)試。先按一下按鈕開(kāi)關(guān)k2此時(shí)電子秒表不工作，再按一下按鈕開(kāi)關(guān)k1，則計(jì)數(shù)器清零后使開(kāi)始計(jì)

13、時(shí)，觀察數(shù)碼管顯示計(jì)數(shù)情況是否正常。如不需要計(jì)時(shí)或暫停計(jì)時(shí)按一下開(kāi)關(guān)k1，計(jì)時(shí)立即停止，但數(shù)碼管保留所計(jì)時(shí)之值。(6)利用電子鐘或手表的秒計(jì)時(shí)對(duì)電子秒表進(jìn)行校準(zhǔn)。6設(shè)計(jì)心得通過(guò)這幾天對(duì)電子秒表電路的設(shè)計(jì)使我對(duì)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程有了更深一步的了解，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了自己的很多不足，看到了自己的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)還是比較缺乏，理論聯(lián)系實(shí)際的能力還亟需提高。同時(shí)，經(jīng)過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我們對(duì)前面的路有了更多的信心，因?yàn)樵谶@個(gè)過(guò)程中，我們學(xué)到了不少實(shí)用的東西，對(duì)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(dòng)手能力和獨(dú)立解決問(wèn)題的能力。此次的數(shù)電課設(shè)，不僅讓我加深了對(duì)數(shù)字電子電路理論知識(shí)的理解，還加強(qiáng)和同學(xué)交流溝通的能力

14、，在設(shè)計(jì)電路時(shí)和同組成員共同討論解決問(wèn)題，同時(shí)設(shè)計(jì)出的電路經(jīng)過(guò)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(shí)或是能力必將有用于之后的學(xué)習(xí)或是將來(lái)的工作，這也是此次課程設(shè)計(jì)的目的所在?？偠灾局苷n程設(shè)計(jì)不但鍛煉了我們最基本的數(shù)字電路的設(shè)計(jì)能力，更重要的是讓我們更深刻的認(rèn)識(shí)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(shí)和主編. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ). 武漢理工大學(xué)出版社，20092 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，20003 羅中華等主編. 數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì). 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