电子秒表 实验报告.docx

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电子秒表实验报告

电子秒表的设计

摘要:

本次设计的电子秒表计数器利用显示电路、数码管以及外部中断电路来设计秒表。

使得电路能够实现7段数码管的动态显示。

仿真系统利用EWB来实现,简单且易于观察,在仿真中就可以观察到实际的工作状态。

利用555芯片实现秒信号脉冲本次设计的秒表作为电路脉冲源,利用基本RS触发器实现电路的暂停、复位,用三个74Sl90实现100进制。

具有从0秒0到99秒9计数功能以及暂停功能,具有一定的研究价值。

关键字:

触发器,555芯片,74Ls90

1绪论

1、1课题背景

奥运男子百米飞人大战中,牙买加飞人博尔特以9秒69的成绩夺得冠军。

而博尔特冲过终点的瞬间,荧屏显示其成绩为9秒68。

相差的这个0、01秒,由电子计时系统确认。

奥运会男子100米蝶泳决赛上,美国选手菲尔普斯以50秒58的成绩惊险夺冠,距离“八金梦想”仅一步之遥。

塞尔维亚选手查维奇以50、59秒获得银牌,只比菲尔普斯慢0、01秒。

这种细微的差距,即使就是现场大屏幕用经典超慢镜头回放,也无法分辨。

2004年8月28日15点15分,中国选手孟关良/杨文军在雅典奥运会男子500米划艇决赛中,以1分40秒278的成绩获得中国在雅典奥运会的第28金。

这就是中国皮划艇项目的第一枚奥运金牌,也就是中国水上项目在历届奥运会上所获得的第一枚金牌。

孟关良/杨文军的成绩比获得银牌的古巴选手只快了0、072秒,以至于两人在夺冠之后还不敢相信。

在现在的体育竞技比赛中,随着运动员的水平不断提高,差距也在不断缩小。

有些运动对时间精度的要求也越来越高,有时比赛冠亚军之间的差距只有几毫秒,因此就需要高精度的秒表来记录成绩。

1、2秒表的发展趋势

时间就是日常生活、工业、医学、环境保护、化工、石油等领域最常遇到的一个物理量。

测量时间的基本方法就是使用秒表直接测量。

其中秒表的精度就是人们最关心的,这就要求它的计时最小单位足够小,显示模块的灵敏度足够高。

随着人类科技文明的发展,人们对于秒表的要求在不断地提高。

秒表已不仅仅被瞧成一种用来计时的工具,在很多实际应用中它还需要能够实现更多其它的功能。

高精度、多功能、小体积、低功耗,就是现代秒表发展的趋势。

在这种趋势下,秒表的数字化、多功能化已经成为现代秒表生产研究的主导设计方向。

1、3本课题研究内容

本次设计的电子秒表计数器利用显示电路、数码管以及外部中断电路来设计秒表。

使得电路能够实现7段数码管的动态显示。

仿真系统利用EWB来实现,简单且易于观察,在仿真中就可以观察到实际的工作状态。

本次设计的秒表具有从0秒0到99秒9计数功能以及暂停功能,具有一定的研究价值。

2研究方案与预期成果

2、1研究方案

根据课题研究内容,电路主要由LED驱动显示电路,十进制计数电路,秒脉冲电路,控制开关电路组成。

基于数字电路。

传统的秒表以最为基本的数字电路来实现的。

2、2预期成果

根据课题研究内容,本设计的秒表要实现的功能就是从00秒0到99秒9计数功能以及启动暂停功能。

3、设计任务与思想

3、1设计任务

a、设计一个简易秒表,该秒表由3位七段LED显示器显示,其中一位显示“ms”数字,两位显示“s”,其中一个LED显示器显示“s”的个位数字,另一个显示“s”的十位数字,其中显示分辩率为0、1s,计时范围99、9s。

b、设计秒表原理图,并对设计电路进行仿真。

写出完整、详细的课程设计报告。

C、课程设计时间:

教学周（十五、十六周）。

3、2设计目的

a.进一步熟悉与掌握常用数字电路元器件的应用。

b、学习与练习在面加深理解数字电路的基本理论知识,学习基本理论在实践中综合运用的初步经验,掌握数字电路系统设计的基本方法包括板上接线的方法、技术、要注意的问题。

c、学习数字电路实物制作、调试、测试、故障查找与排除的方法。

d、学习仔细的做实验的习惯,积极的查找资料。

e、提高分析与解决实际问题的能力。

f、增强团队合作的意识,提高团队合作的能力。

3、3设计总体思想

RS触发器作为启动与停止秒表工作的电路。

为实现电子秒表的计时与显示功能:

首先,需要一准确的时钟脉冲,脉冲频率为50Hz。

在一般教学实验箱中有连续可调的时钟脉冲,而在EWB软件中可用模拟的信号发生器,为了达到进一步熟悉与应用数字电路模块,我们模拟应用了555振荡器。

而开关控制电路,用集成与非门构成的基本RS触发器。

其次,需要一时钟脉冲分频电路,以生成所需脉冲,考虑到时钟进制为十进制,输出得到秒以及秒后的一位所需的显示信号。

此电路主要由74LS90,74LS48等集成电路构成的组合电路实现。

最后,需要显示译码电路,显示电路输出结果。

本设计用的就是LSD5114LED显示器的译码器。

3、4设计原理

a、设计指标

（1）数字式秒表实现简单的计时与显示,按下启动键开始清零计时,按下停止键,计时停止。

（2）具有“秒--个位”（0—9）,“秒--十位”（0—9）,“十分之一秒”（0—9）数字显示,分辨率为0、1秒。

计时范围从0秒0到99秒9。

b、电子秒表的构成

如图2、2所示为电子秒表的一般构成框图。

利用555设计一个多谐振荡器,其产生的秒脉冲触发74LS90计数,计时部分的计数器由0、1s位、s个位、s十位三个计数器组成,最后通过74LS48译码在数码管上显示输出。

由启动与停止电路控制启动与停止秒表。

（如下图）

图1

图2

3电路硬件设计

3、1电路设计框图

根据设计方案,硬件电路由电路主要由LED驱动显示电路,十进制计数电路,秒脉冲电路,控制开关电路组成。

电路设计框图如图所示:

*电路设计框图*

3、2LED显示电路

LED显示电路由三个七段数码管与三个74LS48芯片组成的驱动电路组成。

图3

a.七段数码管

引脚图:

图4

数码管使用条件:

a、段及小数点上加限流电阻

b、使用电压:

段:

根据发光颜色决定;小数点:

根据发光颜色决定

c、使用电流:

静态:

总电流80mA（每段10mA）;动态:

平均电流4-5mA    峰值电流100mA

d、数码管表面不要用手触摸,不要用手去弄引角;

e、焊接温度:

２６０度;焊接时间:

５Ｓ

f、表面有保护膜的产品,可以在使用前撕下来。

真值表:

驱动电路;

驱动电路由三个74LS48组成的集成电路。

对于74LS48,接触过的人并不会感到陌生,因为她就是常用的驱动Led的芯片。

74LS48引脚图

74LS48除了有实现7段显示译码器基本功能的输入（DCBA）与输出（Ya～Yg）端外,7448还引入了灯测试输入端（LT）与动态灭零输入端（RBI）,以及既有输入功能又有输出功能的消隐输入/动态灭零输出（BI/RBO）端。

由7448真值表可获知7448所具有的逻辑功能:

（1）7段译码功能（LT=1,RBI=1）

在灯测试输入端（LT）与动态灭零输入端（RBI）都接无效电平时,输入DCBA经7448译码,输出高电平有效的7段字符显示器的驱动信号,显示相应字符。

除DCBA=0000外,RBI也可以接低电平,见表1中1～16行。

（2）消隐功能（BI=0）

此时BI/RBO端作为输入端,该端输入低电平信号时,表1倒数第3行,无论LT与RBI输入什么电平信号,不管输入DCBA为什么状态,输出全为“0”,7段显示器熄灭。

该功能主要用于多显示器的动态显示。

（3）灯测试功能（LT=0）

此时BI/RBO端作为输出端,端输入低电平信号时,表1最后一行,与及DCBA输入无关,输出全为“1”,显示器7个字段都点亮。

该功能用于7段显示器测试,判别就是否有损坏的字段。

（4）动态灭零功能（LT=1,RBI=1）

此时BI/RBO端也作为输出端,LT端输入高电平信号,RBI端输入低电平信号,若此时DCBA=0000,表1倒数第2行,输出全为“0”,显示器熄灭,不显示这个零。

DCBA≠0,则对显示无影响。

该功能主要用于多个7段显示器同时显示时熄灭高位的零。

3、3时钟分频计数电路

通常,数字钟的晶体振荡器输出频率较高,为了得到10Hz的秒信号输入,需要对振荡器的输出信号进行分频。

须设计一个五进制计数器,对频率为50HZ的时钟脉冲进行五分频,在输出端Q4取得周期为0、1S的矩形脉冲,作为时间计数单元的时钟输入。

用集成异步计数器74LS90实现。

*74LS90引脚图

74LS90功能表:

输入

输出

功能

清0

置9

时钟

Q4Q3Q2Q1

R0

（1）、R0

（2）

R9

（1）、R9

（2）

CP1CP2

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

Q1输出

二进制计数

1↓

Q4Q3Q2输出

五进制计数

↓Q1

Q4Q3Q2Q1输出8421BCD码

十进制计数

Q4↓

Q1Q4Q3Q2输出5421BCD码

十进制计数

11

不变

保持

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。

时间计数单元

时间计数单元有分计数、秒计数与0、1秒计数等几个部分。

要实现0、1、秒计数,须设计一个10进制计数器;要实现分计数,须设计一个10进制计数器,这里选用74LS90实现。

十分之一秒计数器与分计数器就是十进制,所以只需要将74LS90接成十进制即可。

74LS90设计十进制图

74LS90连线图:

3、4秒脉冲电路

用555定时器构成方波发生器组成秒脉冲电路。

（1）555定时器引脚排列及功能表

它的各个引脚功能如下:

1脚:

外接电源负端VSS或接地,一般情况下接地。

8脚:

外接电源VCC,双极型时基电路VCC的范围就是4、5~16VCMOS型时基电路VCC的范围为3~18V。

一般用5V。

3脚:

输出端Vo

4脚:

就是直接清零端。

当

端接低电平,则时基电路不工作,此时不论

、TH处于何电平,时基电路

2脚:

低触发端

6脚:

TH高触发端

输出为“0”,该端不用时应接高电平。

5脚:

VC为控制电压端。

若此端外接电压,则可改变内部两个比较器的基准电压,当该端不用时,应将该端串入一只0、01μF电容接地,以防引入干扰。

7脚:

放电端。

该端与放电管集电极相连,用做定时器时电容的放电。

在1脚接地,5脚未外接电压,两个比较器A1、A2基准电压分别为

的情况下,555时基电路的功能表如下表所示:

555时基电路的功能表:

555秒脉冲连线图:

3、5控制开关电路

控制开关电路由一个基本RS触发器构成,其功能包括:

清零启动计数电路,暂停计数电路。

a、基本RS触发器

RS触发器就是构成其它各种功能触发器的基本组成部分,故又称为基本RS触发器。

它就是一种直接置位复位的触发器。

1）基本RS触发器的组成

基本RS触发器主要就是由两个与非门交叉耦合构成,如图1所示,右图为逻辑符号。

1、

与

就是两个输入端,

表示置1端（置位端）,

表示置0端（复位端）,SD与RD上有逻辑非符号表示这种触发器必须用低电平加到输入端才能使它翻转,这种情况称为低电平触发。

2、Q与

就是两个输出端,触发器处于稳定状态时,它们的状态相反。

3、逻辑符号中的小圆圈表示输入低电平有效。

2）与非门组成的基本RS触发器工作原理

根据“与非”门的逻辑关系,只要有一个输入端为低电平,输出就就是高电平（即见0得1）,只有所有输入端均为高电平时,输出才就是低电平（即全1得0）。

依据这一逻辑关系分析基本RS触发器的工作原理如下:

1、

=0、

=1

假定所加的输入信号为

=0、

=1;

（1） 触发器原来处于0状态

假定触发器原来处于0状态（规定Q端的状态为触发器状态）,即Q=0,

按照与非门“有低出高”的功能,会使B门输出Q=1（即A门输入a=1）,此时A门两输入端均为高电平,按“全高出低”的功能,

（即b=0）,于就是触发器由原来的0状态翻转为1状态,即使撤除输入信号,因b=0,所以触发器仍会保持B门输出Q=1与A门输出

即触发器可稳定地保持1状态不变,这就就是触发器具有存储（记忆）功能的原因。

（2） 触发器原来处于1状态

假定触发器原来处于1状态（即Q=1,

）,这时相应的输入端a=1、b=0,即使输入信号

=0、

=1,触发器仍会保持1状态不变。

2、

=1、

=0

假定所加的输入信号为

=1、

=0;

（1） 触发器原来处于0状态

假定触发器原来处于0状态（即Q=0,

）,这时B门翻转输出低电平（即a=0）,A门因“有低出高”,即b=1,因a=0,由与非门功能得知:

无论

输入什么信号都不会改变

Q=0的状态。

（2）触发器原来处于1状态

假定触发器原来处于1状态（即Q=1,

）,因交叉相连会使a=1、b=1,当输入信号

=1、

=0到来后,A门翻转

同时b从0变为1,于就是B门翻转Q=0,触发器从1状态变为0状态。

3、

=1、

=1

假定输入信号

=1、

=1,不难瞧出,它不能改变与非门的输出状态,所以触发器仍保持原来状态不变。

4、

=0、

=0

假定输入信号

=0、

=0,由于都就是低电平,故两个与非门输出必须定都就是高电平,即Q=

=1,但触发器的输出状态必须就是一高一低,故这种情况就是禁止的。

将以上分析结论归纳整理以后,即可得到基本RS触发器的真值表如表1所列。

由该表可清楚瞧出:

基本R-S触发器具有置0、置1与维持原来状态三种功能。

触发器的逻辑表达式为:

Q=

表1基本RS触发器的真值表

0

1

1

0

1

0

1

0

Qn+1

1

0

Qn

禁止

说明:

Qn+1为Q端新状态,Qn为Q端原状态

b、74LS00

74LS00引脚图

真值表:

Inputs输入

输出

A

B

Y

L

L

H

L

H

H

H

L

H

H

H

L

4、6系统电路图

5系统仿真与调试

5、1软件平台

我们本次电路的设计利用的模拟软件就是EWB、

EWB定义:

EWB软件,全称为ELECTRONICSWORKBENCHEDA,就是交互图像技术有限公司在九十年代初推出的EDA软件,用于模拟电路与数字电路的混合仿真,利用它可以直接从屏幕上瞧到各种电路的输出波形。

EWB就是一款小巧,但就是仿真功能十分强大的软件。

近几年开始在国内使用。

现在普遍使用的就是在WIN95环境下工作的EWB5、0（在国内曾见过6、0的演示版,注:

EWB5、0也可以在WINDOWS3、1环境下使用,但需安装WING32工具）。

EWB功能:

相对其它EDA软件而言,它就是个较小巧的软件,只有16M,功能也比较单一,就就是进行模拟电路与数字电路的混合仿真,但您绝对不可小瞧它,它的仿真功能十分强大,可以几乎100%地仿真出真实电路的结果,而且它在桌面上提供了万用表、示波器、信号发生器、扫频仪、逻辑分析仪、数字信号发生器、逻辑转换器等工具,它的器件库中则包含了许多大公司的晶体管元器件、集成电路与数字门电路芯片,器件库中没有的元器件,还可以由外部模块导入,在众多的电路仿真软件中,EWB就是最容易上手的,它的工作界面非常直观,原理图与各种工具都在同一个窗口内,未接触过它的人稍加学习就可以很熟练地使用该软件,对于电子设计工作者来说,它就是个极好的EDA工具,许多电路您无需动用烙铁就可得知它的结果,而且若想更换元器件或改变元器件参数,只需点点鼠标即可,它也可以作为电学知识的辅助教学软件使用。

5、2系统仿真

根据我们设计的电路图,在EWB软件上将各个电子元件依次按顺序连接起来,用虚拟的软件来模拟我们在实物图中的电路,了解各个电子元件的功能。

虽就是模拟连接电路,但就是我们也要与实际相符合,按照合理正确的方法使用各种电子元件。

5、3系统仿真调试

（1）设计连接电子秒表电路。

（2）对由555定时器构成的多谐振荡器进行测试接入模拟示波器进行采样计算就是否产生了50HZ时钟脉冲信号,并不断调节滑动电位器直到输出50HZ始终脉冲信号为止。

（3）单稳态触发器的测试

①静态测试

用滞留数字电压表测试A、B、D、F各点的电位值并记录。

②动态测试

输入端接1KHZ连续脉冲源,用示波器观察并描绘D点（VD）、F点（VO）波形,如嫌单稳态输出脉冲持续时间太短,难以观察,可适当加大微分电容C（如改为0、1μ）待测试完毕,再恢复4700P。

（4）调试清零、停止功能的基本RS触发器电路。

仿真开始测试K1、K2就是否实现清零、暂停功能

（5）观察计数及显示译码器的测试

①计数器U3接成五进制形式,R0

（1）、R0

（2）、S9

（1）、S9

（2）接逻辑开关输出插口,CP2接单次脉冲源,CP1接高电平“1”,QD~QA接实验设备上译码显示输入端D、C、B、A,

②计数器U2及计数器U1接成8421码十进制形式,同内容

（1）进行逻辑功能测试。

记录

③将计数器U1U2U3级联,进行逻辑功能测试记录。

（6）电子秒表的整体测试

各单元测试电路正常后,把各单元电路连接起来,进行电子秒表的总体测试,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,则计数器清零后便开始计数,观察数码管的显示计数情况就是否正常,如不需要计时或暂停计时按一下开关K2,计时停止,但数码管保留所计时之值。

（7）电子秒表的准确度的测试

利用电子时钟或手表的秒计时对电子秒表进行校准

5、4仿真测试

在正确连接的电子秒表电路图中,运行模拟电路,并与标准规格的秒表进行比较,找出其中的误差。

仿真测试图如下:

在EWB中测试秒表计数器,测试结果:

32s2

6电路板焊接与调试

目前单片机上网技术就是一个热门技术,很多高校学生选择与此相关的毕业设计,同时高校也有与此相关的项目。

通过对一只正规产品单片机学习开发板的安装、焊接、调试、了解电子产品的装配全过程,训练动手能力,掌握元器件的识别,简易测试,及整机调试工艺,从而有助于我们对理论知识的理解,帮助我们学习专业的相关知识。

培养理论联系实际的能力,提高分析解决问题能力的同时也培养同学之间的团队合作、共同探讨、共同前进的精神

6、1焊接步骤

（1）、焊锡借助于助焊剂的作用,经过加热熔化成液态,进入被焊金属的缝隙,在焊接物的表面,形成金属合金使两种金属体牢固地连接在一起,形成的金属合金就就是焊锡中锡铅的原子进入被焊金属的晶格中生成的,因两种金属原子的壳层相互扩散,依靠原子间的内聚力使两种金属永久地牢固结合在一起。

（2）、用电烙铁与焊锡丝将加工好的弯钩焊接在新的电路板上:

a左手拿焊锡丝,右手拿电烙铁。

b把电烙铁以45度左右夹角与焊盘接触,加热焊盘。

c待焊盘达到温度时,同样从与焊板成45度左右夹角方向送焊锡丝。

d待焊锡丝熔化一定量时,迅速撤离焊锡丝。

e最后撤离电烙铁,撤离时沿铜丝竖直向上或沿与电路板的夹角45度角方向。

6、2焊接时注意事项

焊接的时间不能太久,大概心里默数1,2即可,然后再撤离焊锡丝,再撤离电烙铁,在撤离电烙铁时,也一样心里默数1、2即可;焊锡要适量,少了可能虚焊。

在焊的过程中,出现虚焊或则焊接不好,要把焊锡焊掉,重新再焊。

在吧焊锡焊掉的过程中,左手拿这吸锡器,右手拿着电烙铁,先把电烙铁以45度左右夹角与焊盘接触,加热焊锡,再将吸锡器靠近焊锡,按下吸锡器的按钮,就可以吧焊锡焊掉,重复多次,就可清除焊盘上的焊锡,注意不要将焊盘加热太久,以免把焊盘的铜给焊掉。

6、3元件清单

材料数量（个）

74LS90、、、、、、、、、3

74LS00、、、、、、、、、3

74LS48、、、、、、、、、3

555、、、、、、、、、1

六脚开关、、、、、、、、、2

电容、、、、、、、、、3

电阻、、、、、、、、、6

LED显示器、、、、、、、、、2

导线、、、、、、、、、、、、若干

6、4实物图

总结

高基本的使用方法按总图把几个单元电路连接起来,进行电子秒表的总体测试,可以先按一下停止按钮,此时电子秒表不工作,再按一下启动按钮,则计数器清零后便开始计时,观察数码管显示计数情况就是否正常,如不需要计时或暂停计时,按一下停止按钮,计时立即停止,但数码管保留所计时之值。

我们本次的课程设计虽然失败了,但就是我们也学到了很多,但就是失败不就是我们的终点,我们要以此为新的起点,从中总结出经验,在以后的学习生活中我们要以此为戒。

该点的特点就是方便,快洁,稳定,就是一个很好的记时工具。

但就是该记时器的缺点就是精确度不够好,并且记时的周期不就是很长只有到99秒又十分之一秒。

可以改进的地方就是以后要用三个显示管来显示更长的时间,并且要达到秒表的精确度,但因时间的关系,改进的方法待以后再做了。

数字电路以其便捷、稳定,高效的优点在现代电子技术中占有越来越重要的地位。

随着集成技术的进一步提高,各种数字电子新技术的出现与应用,新世纪里谁掌握了新技术谁就得到了获胜的资本。

可以想象,数字电路的的成长将会时时刻刻的伴着我的生活。

本次我们电子技术课程设计的主题就是用数字电路的知识结合分频电路与时钟计数器的原理,设计一套数字自动控制装置。

此控制装置的特点就是简单,直观,方便。

这次我们的数电课程设计不同以往,因为几乎要用到的电子元件我们都已经学过了的,但就是我们以前却没有搞过这方面的东西,而且有些知识就是我们所没学过的,比如一些单片机的知识什么的,难度就是挺大的！

但就是我们不可以退缩,所以我通过上网,瞧书,与同学讨论的方式完成了此次课程设计。

同时也让我们体会到了大学学习的自主性,并为我们今后走入社会,提高自学能力方面有一定的促进作用。

对于一些资料,我们也就是在瞧书与上网得到的,让我们学习到了书本上学不到的东西,我们以后要多做写这方面的工作,以后学到更多的知识。

做了一周的课程设计,加深了我对数字电子技术—数字部分这本书中各种芯片与理论知识有了更加深刻的理解与掌握,以及如何灵活的加以组合与应用来达到想要实现的目标,更多的就是关于人与人之间关系方面的。

也教给了我们一种思维:

那就就是提高查找问题,分析问题,解决问题的能力。

电路图设计,遇到难题要通过大量阅读资料,开阔了视野,实践与动手能力大大提高,使我们素质得到全面发展。

由原来单纯地书本学习转向创新思考,所学知识在创新实践中得到充分发挥与运用,动手能力与实践能力得到迅速提。

用555振荡电路、74ls90,74ls48芯片能够制作为一个符合要求的电子秒表,但用555震荡电路会造成误差太大,如果将其改为石英振荡电路,秒表准确率将大大提高。