数字电子技术课程设计秒表的制作任务书文档格式.docx
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第三章:
原理设计………………………………………………………8
3.1 基本RS触发器的设计……………………………………8
3.2单稳态触发器设计………………………………………...9
3.3时钟发生器设计…………………………………………...9
3.4计数及译码显示设计…………………………………….10
第四章:
硬件设计……………………………………………………..12
4.1PCB设计…………………………………………………12
4.2打印与压制……………………………………………….13
4.3腐蚀铜板及钻孔………………………………………….14
4.4焊接与装配……………………………………………….14
4.5电路调试………………………………………………….14
4.6测试……………………………………………………….15
第五章:
秒表组成及使用说明………………………………………17
5.1秒表框图,各部分组成…………………………………..17
5.2使用说明………………………………………………….17
设计总结……………………………………………………………….18
参考文献……………………………………………………………….19
附录……………………………………………………………………..19
Ⅰ原理图…………………………………………………….20
ⅡPCB图……………………………………………………....21
Ⅲ元件清单……………………………………………………22
绪论
目前数字电子技术已经广泛地应用于计算机、自动控制、电子测量仪表、电视、雷达、通信等各个领域。
例如在现代测量技术中,数字测量仪表不仅比模拟测量仪表精度高、功能强,而且容易实现测量的自动化和智能化。
随着集成技术的发展,尤其是中、大规模和超大规模集成电路的发展,数字电子技术的应用范围将会更广泛地渗透到国民经济的各个部门,并将产生越来越深刻的影响。
随着现代社会的电子科技的迅速发展,要求我们要理论联系实际,数字电路课题设计的进行使我们有了这个非常好的机会,通过这种综合性训练,我们的动手能力、实际操作能力、综合知识应用能力得到了更好的提升。
我们作为电子信息工程技术的专业的学生,更需要去越来越多的去接触、认识和掌握高速发展的精端数字电子技术,进而去培养自己把理论知识运用于实际操作的素养,真正的把自己打造成为电子信息人才。
而本次课程设计对于我们来说十分的珍贵,我们小组设计的是电子秒表。
这次秒表设计是以555定时器为核心,以分频、计数与译码显示模块为主要构成部分的电子秒表的设计方案。
充分利用数字电路的计数、译码、显示的优良特性,使整个设计达到了比较满意的效果。
系统具有随时启动、停止以及清零功能,达到了设计要求。
做完这次设计中不但对以前的数电知识进行巩固,而且学会了更多的新知识,提高了思维活跃性、强化了动手能力,并且为我们掌握数字逻辑控制技术、单片机中的数字逻辑的应用技术、可编程逻辑器件的应用奠定了操作基础,这种动手能力的强化更为以后工作奠定了基础。
第一章设计的要求
1.1设计说明
本次设计的电子秒表是以中规模TTL集成电路、CMOS集成电路和LED数码显示器为主要部件的电子秒表。
主要有时基产生电路、电源电路、分频电路、计数与译码电路(包括显示电路)、开关按钮电路。
本设计主要是以模拟电子技术和数字电子技术控制为主。
1.2设计要求
1.制作一个频率为50Hz时钟发生装置。
2.通过分频电路,输出周期为0.1秒的计数脉冲。
3.利用计数器接受分频电路输出的计数脉冲,并通过数码显示器显示出来,完成0.1秒~9.9秒的秒表计时。
4.使用触发器及其它外围电路制作电子秒表的控制开关,实现“开始计数”,“停止并保持计数”和“清零并准备重新开始计数”的功能,在秒表计数期间应使“开始计数”和“清零并准备重新开始计数”无效。
第二章设计方案
2.1方案一:
用数字电路实现秒表(分四个模块)
(1)555时钟发生模块
利用555定时器实现的多谐振荡电路能够完成时钟信号发生器的功能,通过调节电路中的可变电阻使多谐振荡器的输出信号频率为50HZ。
(2)分频电路模块
利用74LS290将输入为50Hz频率的时钟脉冲进行分频变为10Hz的信号输出,即周期为0.1秒。
(3)输出及显示模块
两个74LS290分别连接成十进制计数器,一个输出十分之一秒,一个输出整秒,并通过两个数码显示器显示0.1—9.9秒的秒表数值。
(4)控制电路
利用基本RS触发器生成控制电路:
S有效,则Q端输出高电平,控制时钟信号输出到分频电路,实现“开始计数”;
同时Q非端输出的低电平使“清零并准备重新开始计数”无效;
R有效,则时钟信号被屏蔽,电子秒表保持当前数值不变,同时允许“清零并准备重新开始计数”信号输入。
注意,设计时要避免基本RS触发器出现不定态。
2.2方案二:
用单片机设计秒表
利用单片机的定时器/计数器定时和记数的原理,结合显示电路、LED数码管以及按键来设计计时器。
将软、硬件有机地结合起来,使得系统能够正确地进行加、减(倒)计时,数码管能够正确地显示时间。
方案选用:
单片机以其强大灵活的指令处理功能,可设计出功能多、易修改的秒表。
在增加功能时,不必变动硬件电路,但是由于我们现在还没有正式接触和学习单片机知识,所以这次采用第一种方案来完成课程设计。
第三章原理设计
3.1基本RS触发器设计(如图一)
本设计为用集成与非门构成的基本RS触发器。
属低电平直接触发的触发器,有直接置位、复位的功能。
它的一路输出Q作为单稳太触发器的输入,另一跟路输出Q作为与非门5的输入控制信号。
按动按钮开关K2(接地),则门1输出
=1;
门2输出Q=0,K2复位后Q、
状态保持不变。
再按动按钮开关K1;
则Q由0变为1,门5开启,为计数器启动作为准备。
由1变0,启动单稳态触发器工作。
基本RS触发器在电子秒表中的职能是启动和停止秒表的工作。
图1电子秒表部分的电路图
3.2单稳态触发器设计
图1中单元Ⅱ为用集成与非门构成的微分型单稳态触发器,图2为各点波形图。
单稳态触发器的输入触发负脉冲信号Vi由基本RS触发器Q非端提供,输出负脉冲Vo通过非门加到计数器的清除端R。
静态时,门4应处于截止状态,故电阻R必须小于门的关门电阻Roff。
定时元件RC取值不同,输出脉冲宽度也不同。
当触发脉冲宽度小于输出脉冲宽度时,可以省去输入微分电路的Rp和Cp。
单稳态触发器在电子秒表中的职能是为计数器提供清零信号。
3.3时钟发生器设计
图1中单元Ⅲ为用555定时器构成的多谐振荡器,是一种性能较好的时钟源。
调节电位器RW,使在输出端3获得频率为50HZ的矩形波信号,当基本RS触发器Q=1时,门5开启,此时50HZ脉冲信号通过门5作为计数脉冲加于计数器①的计数输入端CP2。
图2单稳态触发器波形图图374LS90引脚排列
3.4计数及译码显示设计
二—五—十进制加法计数器74LS90构成电子秒表的计数单元,如图1中单元Ⅳ所示。
其中计数器①接成五进制形式,对频率为50HZ的时钟脉冲进行五分频,在输出端QD取得周期为0.1S的矩形脉冲,作为计数器②的时钟输入。
计数器②及计数器③接成8421码十进制形式,其输出端与实验装置上译码显示单元的相应输入端连接,可显示0.1~0.9秒;
1~9.9秒计时。
注:
集成异步计数器74LS90
74LS90是异步二—五—十进制加法计数器,它既可以作二进制加法计数器,又可以作五进制和十进制加法计数器。
图3为74LS90引脚排列,表4为功能表。
通过不同的连接方式,74LS90可以实现四种不同的逻辑功能;
而且还可借助R0
(1)、R0
(2)对计数器清零,借助S9
(1)、S9
(2)将计数器置9。
其具体功能详述如下:
(1)计数脉冲从CP1输入,QA作为输出端,为二进制计数器。
(2)计数脉冲从CP2输入,QDQCQB作为输出端,为异步五进制加法计数器。
(3)若将CP2和QA相连,计数脉冲由CP1输入,QD、QC、QB、QA作为输出端,则构成异步8421码十进制加法计数器。
(4)若将CP1与QD相连,计数脉冲由CP2输入,QA、QD、QC、QB作为输出端,则构成异步5421码十进制加法计数器。
(5)清零、置9功能。
a)异步清零
当R0
(1)、R0
(2)均为“1”;
S9
(1)、S9
(2)中有“0”时,实现异步清零功能,即QDQCQBQA=0000。
b)置9功能
当S9
(1)、S9
(2)均为“1”;
R0
(1)、R0
(2)中有“0”时,实现置9功能,即QDQCQBQA=1001。
输入
输出
功能
清0
置9
时钟
QDQCQBQA
R0
(1)
R0
(2)
S9
(1)
S9
(2)
CP1
CP2
1
×
×
0×
0
↓1
QA输出
二进制计数
1↓
QDQCQB输出
五进制计数
↓QA
QDQCQBQA输出8421BCD码
十进制计数
QD↓
QAQDQCQB输出5421BCD码
11
不变
保持
图4
第四章硬件的设计
4.1PCB的设计
绘制电路PCB一波三折,花去了我们好多时间。
让我感触最深
的就是在用PROTEL绘制电路原理图时,你一定要搞清楚元件放在哪个元件库,要知道它的封装,不然做起来很麻烦。
在我们绘制原理图的过程中,发现了好多要用的元件和PROTEL上元件库上的元件根本不一样,这过程中最复杂的就是画PCB了,因为封装的问题,我们画时都有错误,无法导入网络表。
在和同组的同学经过努力细心的找课本,上网查资料,最后终于把错误一一解决,最终画出的原理图和PCB图如附录1、附录图2。
下面是通过通过尝试和查资料总结华PCB的一些方法规则:
在任何设计中,PCB板的物理设计都是最后一个环节,此过程非常重要,关系到整个设计的外观是否好看。
如果设计方法不当,PCB可能会造成电子秒表参数的精确性,比如数码管显示有缺损段码、读数不正确等。
以下针对各个步骤中所需注意的事项进行分析:
从原理图到PCB的设计流程:
建立元件参数->
导入原理网络表->
设计参数设置->
手工布局->
手工布线->
验证设计->
复查->
CAM输出。
参数设置相邻导线间距必须能满足电气安全要求,而且为了便于操作和生产,间距也应尽量宽些。
最小间距至少要能适合承受的电压,在布线密度较低时,信号线的间距可适当地加大,对高、低电平悬殊的信号线应尽可能地短且加大间距,一般情况下将走线间距设为8mil。
焊盘内孔边缘到印制板边的距离要大于1mm,这样可以避免加工时导致焊盘缺损。
当与焊盘连接的走线较细时,要将焊盘与走线之间的连接设计成水滴状,这样的好处是焊盘不容易翘皮,而且走线与焊盘不易断开。
元器件布局实践证明,即使电路原理图设计正确,印制电路板设计不当,也会对电子设备的可靠性产生不利影响。
例如,如果印制板两条细平行线靠得很近,则会形成信号波形的延迟,在传输线的终端形成反射噪声;
由于电源、地线的考虑不周到而引起的干扰,会使产品的性能下降,因此,在设计印制电路板的时候,应注意采用正确的方法。
布局时要符合的原则:
首先要考虑PCB尺寸大小,本设计的电路板形状为矩形,长宽比为3:
2,位于电路板边缘的元器件,离电路板边缘一般不小于2mm。
放置器件时要考虑以后的焊接,不要太密集。
以每个功能电路的核心元件为中心,围绕它来进行布局,易受干扰的元器件不能相互挨得太近,输入和输出元件尽量远离。
元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上,尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接,稳定芯片性能的电容尽量靠近芯片。
在高频下工作的电路,要考虑元器件之间的分布参数。
一般电路应尽可能使元器件平行排列。
按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置,使布局便于信号流通,并使信号可能保持尽一致的方向。
布局的首要原则是保证布线的布通率,移动器件时,注意飞线的连接,把有连线关系的器件放在一起。
尽可能地减小环路面积。
进行全局布线的时候,还须遵循以下原则:
(1)布线方向:
从焊接面看,元件的排列方位尽可能保持与原理图相一致,布线方向最好与电路图走线方向相一致。
(2)设计布线图时走线尽量少拐弯,印刷弧上的线宽不要突变,导线拐角不能90度,力求线条简单明了。
(3)印刷电路中不允许有交叉电路,对于可能交叉的线条,可以用“钻”、“绕”两种办法解决。
(4)跳线应为红色,焊盘大小横坐标、纵坐标都为100mil,否则钻的孔不够大,跳线接不上,跳线尽可能短而且为直线。
4.2打印与压制
PCB板制好后进行打印,打印要求是黑白激光打印机,选择搽纸能力强打印速度相对较慢的机型,因打印介质是转印纸,着墨面是光滑的,搽纸能力不强的机可能无法打印。
因为转印纸着墨面附着碳粉不是很牢,打印速度快的机型打印在转印纸上的碳粉容易脱落。
打印好以后就是转印,转印就是将转印纸上附着的碳粉转印到铜板上.该布骤一定要小心,否者容易引起脱落移位断线,导致制作的线路板性能不良.①敷铜板处理.用细砂只打磨掉铜板表面上的污迹,特别的手指纹等,并打磨敷铜板边沿四周,以便碳粉良好的附在敷铜板上。
②将转印上有碳粉走线的地方紧贴在敷铜板的铜铂上,务必要紧贴且不能左右移动,否则转印纸时容易出现走线移位断线的情况。
③将转印纸的敷铜板送到转印机,转印机事先欲热130度左右,为保证所有的碳粉全部敷到板上可同一走向转印几次。
④待敷铜板冷却后,再轻轻的撕掉转印纸。
4.3腐蚀铜板及钻孔
将工业用三氯化铁放进容器中,按1:
2到入热,不断的摇晃容器,待融化后放入敷铜板,铜箔面向上,以避免碳粉因和容器底摩擦而脱落,待未被碳粉腐蚀的铜箔被腐蚀完后,取出铜板用清水洗干净擦,并用砂纸打磨掉导线上的黑色杂质。
根据焊盘的孔径选择合适的钻头。
孔径1.5mm以下的可以用高速钻床。
钻头钻入线路的瞬间不能移动,否则极易导致钻头折断。
1.5以上的孔可以用高速钻床钻孔,钻完用小刀除去孔的边缘。
4.4焊接与装配
净化元件引脚和焊点表面,加热焊件,使其温度到达焊锡融化温度,把已净化的引线置与焊点上,用电烙铁头接触两者加热,用焊锡接触焊接点,待焊锡融化后,立即移开焊锡,再移开烙铁。
在焊接重要注意焊接方法,并且检查防止虚焊和漏焊,焊点相近及焊点与导线相近的防止短路,到现有短路的用焊锡补上。
4.5电路调试
电路的调试是一个重大的过程,调试的好坏就直接关系了作品的成功与否。
在设计电子秒表的过程中,我不断地调试,不断地改进,从一个发现问题到解决问题的过程。
避免重做,浪费时间和精力,节省开销。
(1)先从电源开始调试。
电源是整个设计首先要解决的问题,主要
是看电源电路的输入输出是否正常,是否是+5V,当电压的波
动较大时,要看整流电路是否正确,否则电压过大电路元件可能会烧坏。
(2)时基产生电路的调试。
555定时器是否起振关系到整个电路的功能,用示波器探头,正极接555定时器的3脚,负极接地,起振则在3脚有方波输出。
(3)分频电路的调试。
SN74LS90本设计是按五分频来接的,由于555定时器产生0.02S的时钟信号,通过SN74LS90的分频产生0.1S的脉冲信号。
SN74LS90的输出信号关系到电子秒表的精确度,所以此部分的设计很关键。
(4)计数部分与译码电路的调试。
CD4518计数通过CD4511译码转化为共阴数码管段码,然后显示。
(5)开关按钮电路的调试。
这部分的调试工作有两方面,第一是要调试启动、停止按钮是否能实现,第二要调试CD4518能否正常受开关控制,要达到清零功能则要先按停止键再按清零键。
4.6测试
1.基本RS触发器的测试
2.单稳态触发器的测试
(1)静态测试
用直流数字电压表测量A、B、D、F各点电位值。
记录之。
(2)动态测试
输入端接IKHZ连续脉冲源,用示波器观察并描绘D点F点波形.如嫌单稳输出脉冲持续时间太短.难以观察,可以适当加大微分电容c(如改为0.1u)待测试完毕.再恢复4700P。
3、时钟发生器的测试
用示波器观察输出电压波形并测量其频率.调节R4,使输出矩形波频率为50Hz。
4、计数器的测试
(1)计数器①接成五进制形式记录测试过程。
(2)计数器②及计数器③接成8421码十进制形式记录测试过程。
(3)将计数器①、②、③级连.进行逻辑功能测试。
记录之
第五章秒表组成及使用说明
5.1秒表的组成框图
本设计的总思路是利用一个振荡器,产生一个时钟脉冲,信号经过分频之后分两步计数,一路低位计数0.0—0.9秒,另一路是高位计数0—9秒,然后,将产生的信号通过译码电路,将位计数0.0—0.9秒和高位计数0—9秒利用显示器来显示。
5.2使用说明
先按一下按钮开关K2,此时电子秒表不工作,再按一下按钮开关K1,则计数器表零后便开始计时,观察数码管显示计数情况是否正常,如不需要计时或暂停计时,按一下开关K2,计时立即停止,但数码管保留所计时之值。
利用电子钟或手表的秒计时对电子秒表进行校准。
设计总结
(1)通过两个周的忙碌,我们小组终于将电子秒表的课程设计以及实验报告完成了。
这次设计的电子秒表具有随时停止、启动的功能,最大读数为9.9秒,为了提高电子秒表的功能扩展、性能优化、智能化设计,还添加了清零功能。
(2)在制作计的过程中学到了很多东西,锻炼了我我们理论联系实际和动手实践的能力。
通过把应用到的一些数电理论知识运用于实际物件的制作中,极大的激发了我们对专业知识学习的兴趣,更热衷于对在实际生活中运用到的数字电子物件实例进行原理的分析和功能的思考。
(3)这次设计中我用到了模拟电路、数字电路、逻辑电路、Protel99等课程学到的知识,加强了知识的系统性、完整性学习。
在整个设计中我进一步了解了PCB板的制作,更多的熟悉Protel软件的功能以及对原理图和PCB的特出处理方法;
了解和掌握了像555芯片、74LS90芯片等的功能和在电路中的应用:
学习了RS触发器、单稳态触发器、时钟脉冲发生器、计数器、分频器和显示器的基本知识及相关知识。
(4)由于时间较短,工作量大较大,在这次设计中,我们小组三人密切合作,分工协作,互相帮助,互相督促,如期完成。
极大的锻炼了我们集体的团队合作精神,细心、端正,搞笑的做事态度,为以后的工作积累了经验。
(5)在设计前,当设计好合适的原理图时,一定要分析,其原理,是否能实现其功能,并通过V-ELEQ软件的仿真检测。
看其是否可行,然后决定是否采用该电路,避免做无用功。
(6)在设计过程中,一定要熟悉各芯片引脚功能,查找元件是否容易购买,价格方面是否合理,当购买不到或价格较贵,要考虑用其他近似功能的原件代替实现其在电路中的功能。
(7)设计好电路图之后,购买元器件时一定要注意不要买错了元器件,必须了解各元件名称及参数,拿到元器件时认真校队,否则,设计难以成功。
(8)由于电路复杂,导线较多,一定要注意布线合理,焊盘的设置大小要合适,一方钻孔时把焊盘铜箔完全钻掉,导致电路性能较差。
焊接时,连接可靠,防止虚焊、假焊。
(9)实物安装完成后,注意调试,在调试时一项一项调试,出现问题,通过分析查资料自己想办法解决,解决不了及时向老师请教。
参考资料参考文献
1、电子电路设计与实践,姚福安编著。
山东科学技术出版社
2、电子技术基础课程设计,粱宗善。
华中理工大学出版社
3、数字逻辑电路设计与实验,绳广基编著。
上海交通大学出版社
4、黄继昌等主编,数字集成电路应用300例,人民邮电出版社
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- 数字 电子技术 课程设计 秒表 制作 任务书