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5.给出仿真分析结果
四、比较和选择的设计方案:
设计总体思路与方案
数字跑表的核心部件是计数器,给出合理的时钟脉冲从而实现最低位的计数以及对高位的进位。
对于用7位数码管显示的跑表,量程在00分00.000秒~~59分59.999秒,可以把小数点后面的三位设计成1000进制的计数器,秒数和分钟数分别设计成60进制的计数器数,也可以对每一个位进行计数器的设计,这样只须把秒千分位、百分位、十分位、个位和分钟数各位设计成十进制,秒和分钟的十位设计为六进制。
这样就完成了跑表的计数部分。
跑表的显示部分,需要把十进制计数器输出的四位二进制数0000—1001和六进制计数器的0000-0101通过译码,能够正确的在显示数码管上显示0-9和0-5;
需要设计7段显示数码管译码电路。
4.1.555定时器组成的多谐振荡器
石英晶体振荡器电路能给数字钟提供一个频率稳定准确的方波信号,可保证数字钟的走时准确及稳定。
如图是石英晶体振荡器的原理图
图2CMOS晶体振荡器(仿真电路)
这是网上搜到的,我们课本上仅仅提到过一点,由于对其掌握不太熟练,于是我便采用.555定时器组成的多谐振荡器,使其产生1KHz的方波信号。
4.2.时间计数电路
题目中要求量程在00分00.000秒~~59分59.999秒,因此由分析可知分和秒的整数部分应该用60进制的计数器,而秒的小数部分应该用1000进制的计数器。
并且其间的关系应为秒的小数部分记1000次,整数部分级1次:
秒的整数部分记60次,分级1次,以此类推。
选定所用的计数器类型时,我们可以有多种选择,常见的比如:
74ls90十进制可逆计数器、74ls160十进制计数器(异步清除)、74ls161可预置四位二进制计数器(异步清除)。
我选择74ls160,设计起电路比较方便,而且因为其可以异步清除,容易让跑表归零。
4.3.七段数码管显示电路
七段数码管7448显示分秒的数值。
不过它在仿真时和实际中的显示方式稍有不同,因为它输出的是控制各个发光二极管亮或暗的高低电平,仿真是不容易看到真实的显示数值,因而仿真时,我直接用输出的总线形式来描述实际数码管的显示数值。
五、单元电路设计、参数计算和器件选择:
5.1.555定时器组成的多谐振荡器
由1个555定时器、2个0.01uf的电容、1个5V的直流电压电源与两个电阻组成。
电路如图:
参数计算:
由555定时器组成的多谐振荡器的周期为:
T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C
而要求f=1KHz,则应有T=1ms;
若选取电容容值为1uf,既有0.7(R1+2R2)=1000
取R1=R2则算得R1=R2=4.8KΩ
此时仿真输出波形为
可以看出组成的多谐振荡器周期基本上为1ms。
同样R1和R2的阻值匹配也不只是一种,只是占空比不一样,但是对于计数只是上升沿有效,因而只要时钟信号是1ms就可以。
在实验过程中,我们也通过不断地修改得到了一个很完美的时钟信号,其电路和仿真波形如下:
但是用555定时器组成的多谐振荡器也明显有一个缺点,就是其频率不够稳定。
5.2.时间计数电路
5.2.160进制计数器
由2个74160十进制计时器芯片、1个7400、1个7404、1个5V的直流电压电源组成。
电路图如下:
输出的仿真波形为:
运行时间70s,从上至下依次为1、2、3、4、5、6、7、8、{5678}、{1234}
后面两个是总线输出,可以看到总的输出二进制值的周期相变化
其中0—35s仿真波形为:
35—70s仿真波形为:
由仿真图可以看出,所设计的计数器是从0—59循环变化的60进制计数器,满足设计要求
5.2.21000进制计数器
由3个74160十进制计时器芯片、2个7404、1个5V的直流电压电源组成。
(因为是1000进制,仿真输出结果总体从0—1000循环,很多,因此在此我只截了部分片段,但仍可看出仿真的1000进制计数效果)
从0s—5ms时的输出仿真波形
从475s—525ms时的输出仿真波形
从975s—1025ms时的输出仿真波形
综合上面三段波形,可以看出所设计的计数器是从0—1000循环变化的1000进制计数器,满足设计要求
5.2.3.七段数码管显示电路
由1个7448七段显示数码管芯片、1个5V的直流电压电源组成。
连接方式如图:
在实际中,单个七段数码管可以显示0—9之间的数值。
六、画出完整的电路图。
并说明电路的工作原理
完整的电路图:
如下:
6.1钟控信号的产生
由555定时器组成的多谐振荡器产生一个周期为1Hz的矩形波作为钟控信号
555定时器内部构造:
给电容一个小的电压初始值,可为0.1mV,作为刚开始使得外部干扰信号,让它开始起振,此时VR1=VR2<
2/3Vcc,则Vc1输出高电平,Vc2输出低电平,则Vo输出高电平,Vo’输出低电平,TD截止,电源开始通过R1,R2对电容C1充电,到VR1=VR2>
2/3Vcc时Vc1输出低电平,Vc2输出高电平,则Vo输出低电平,Vo’输出高电平,TD导通,电容C1通过R2放电,直到VR1=VR2<
2/3Vcc时Vc1输出高电平,Vc2输出低电平,以此次循环振荡。
电容充电时间:
T1=0.7(R1+R2)C1
T1=0.7R2C1
电路振荡周期:
T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C1
电路振荡频率:
f=1/T
输出波形占空比:
q=T1/T=(R1+R2)/(R1+2R2)
通过上述公式计算参数,可得到一个周期为1ms的矩形波信号。
6.2.计时
前三个计数器是1000进制的,后四个两两是60进制的,并且在连接中用的是并行计数,在钟控信号作用下,1000计数器计数一轮,即秒的小数部分记1000次用时1s,则第一个60进制计数器记一次即秒整数部分记1次;
第一个60进制计数器记60次即秒的整数部分记60次,第二个60进制计数器记一次即分级1次,以此进位
6.2显示
使用7448七段数码管显示分、秒,实际上是一个译码器,可以将输入的二进制代码转化为10进制数据显示出来。
7448七段数码管逻辑图:
七、在软件上模拟和仿真,并对数据和波形进分析
仿真波形中{f5f6f7f8}{f1f2f3f4}表示分,{m5m6m7m8}{m1m2m3m4}表示秒
{9101112}{5678}{1234}表示秒的小数位
0---1s时输出波形
有理论分析应该显示0000.000—0000.999
有仿真图像可知基本上与理论值相符
由于上述波形效果不是很好,秒的小数位的后两位看不到怎么变化,在此截了一段0—50ms和950ms—1000ms时的输出波形,仿真输出如下:
0—50ms时的输出波形
此次仿真可以很明显的看出来,输出显示在0000.000—0000.049范围
950ms—1000ms时输出波形
此次仿真可以很明显的看出来,输出显示在0000.950—0000.999范围,以上三个仿真波形验证了秒的小数位的正确性
0----70s时输出波形
0----70s时输出应该显示从0000.000到0109.999,从图中看分和秒是正确的(因为上面已经验证了秒的小数位的正确性)
199.05s---199.55s时输出波形
199是正好是3分9秒,和仿真图形是对照的,可以验证所设计的秒是正确的
690---700s时输出波形
995---1000s时输出波形
通过上面两个仿真波形,可以验证所设计的分是正确的
八、总结设计电路的特点和方案的优缺点,指出课题的核心及实用价值,提出改进意见和展望
所设计的数字跑表原理很简单,用计数器和555定时器的综合应用实现了跑表的走分和走秒,比较容易实现,设计思路很明确,用的元件都是比较常见的。
石英晶体振荡器电路能给数字钟提供一个频率稳定准确的方波信号,可保证数字钟的走时准确及稳定,但是由于缺乏对石英晶体振荡器电路的理解和认识(课本进提到过一点),我用了555定时器接成的多谐振荡器,它可能没有石英晶体振荡器电路稳定准确。
另一方面,由于没有学过单片机,不能对电路起到更实用性的设计,我所设计的跑表只能让其复位,而不能让它终止计时或者中断计时,这是在实际中应该考虑到的,我会在学完单片机之后对其进一步改进,增加中断、调整等功能,并且制出PCB电路板,焊接使用。
九、列出元器件清单
序号
名称
型号、规格
数量
1
555定时器
555_alt
2
十进制计数器
74160
4
3
非门
7404
二输入与非门
7400
5
七段数码管
7448
7
6
电阻
42KΩ,51.39KΩ
电容
0.01uf
8
直流电压源
5V
9
按钮/开关
十、列出参考文献
1.阎石,数字技术基础册(第五版),清华大学电子学教研组,高等教育出版社,2005.
2.黄智伟等.全国大学生电子设计竞赛系统设计[M].北京.北京航空航天大学出版社,2008.
3.74LS电路系列资料
4.蒋俊华,OrcadPspice课件《简单电路设计》
5..http:
//www.51-官方网站
6.长江师范学院数电试验课件
十一、收获、体会
通过这次对数字跑表的设计作,让我了解了电路设计的基本步骤,也让我了解了关于跑表的原理与设计理念,要设计一个电路先进行软件模拟仿真再进行实际的电路制作。
通过这次学习,让我对各种电路都有了大概的了解,也让我对所学的知识有所加深,并且有了一次新的认识,以前学习过程中只注重原理,从不考虑实际状况,所以刚开始仿真时,结果常常出现错误,像出现竞争冒险现象时结果有不定态出现,这些只是在课本上老师随便提过的,那时候没什么概念,现在明白了。
理论和实际之间还是有很大的区别的,它也让我明白了学东西是要用的,而不是单单课本上学好、明白了就行,如果这样,将来我们很难有技术的,它给我积累了宝贵的经验。
在使用软件中,和同学们之间相互交流、相互学习,学到了很多以前不知道的东西,同学们找我帮助他们解决问题,这也让我提高了自己的能力,也学到了别人会而我不会的东西,了解了更多的设计思路、设计方法,是我自己也有很大的提高。
自己做项目,我也遇到了困难,以前还选过别的课题,但是仿真老是出错,结果中有不定态出现,或者就是很难仿真出来,原来仿真也并不是万能的,也很有局限性,比如我想用一个按钮或扬声器它里面就没有,实际中很简单的事情仿真就复杂了,很多实际生活中的实验电路是仿真不出来的,因此这就更要求我们积累足够多的经验,以便将来解决实际中更复杂的问题。
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