1、利用IC芯片设计实用用电子秒表电路信息职业技术学院毕业设计说明书(论文)设计(论文)题目: 利用IC芯片设计 实用秒表电路 专 业: 通信技术 班 级: 通技06-2 学 号: 姓 名: 指导教师: 职业技术学院毕业设计（论文）任务书学 生姓 名学号班级通技06-2专业通信技术设计（或论文）题目利用IC芯片设计实用秒表电路指导教师姓名职 称工作单位及所从事专业联系方式备 注工程师 高级工程师设计（论文）内容：（1）设计指标 设计一个能对从某一时刻到另一时刻的时间间隔进行计时的秒表； 要求所设计的秒表最小可以测定到1/100s； 要求最大计数可计到59.99s，当变为60.00的同时预置为00.
2、00； 要求秒表的计数输入有两种方式：一种是复位输入，一种是计数输入。（2）设计要求 画出电路原理图（或仿真电路图）； 元器件及参数选择。进度安排：第5周：任务下达，理解消化任务要求；初步设计方案确定；第6周第10周：设计方案确定，分模块部分完成；第11周：中期检查，查找问题，分析解决难点；第12周第15周：分模块调试，整体电路调试，论文书写等；第16周：答辩。主要参考文献、资料(写清楚参考文献名称、作者、出版单位)：1潘松，黄继业数字电路技术实用教程科学出版社，2006 2马淑华，高原电子设计自动化北京邮电大学出版社，2006审批意见教研室负责人：年 月 日备注：任务书由指导教师填写，一式二
3、份。其中学生一份，指导教师一份。目录摘要20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，现代电子产品渗透到社会各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。时间对人们来说总是那么宝贵，秒表计时器常常用于体育竞赛及各种其他要求有精确时间的各领域中。秒表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了它的功能。因此，研究其应用，有着非常现实的意义。此设计的实用秒表电路由启动/停止和复位电路、脉冲源、分频器电路、计数电路、译码驱动和显示器组成，选用常见的IC芯片构成。关键词电子秒表；译码器；译码显示器第1章绪论随着社会的
4、进步，电子技术的飞速发展，数字模拟电子技术、微电子技术也快速发展使得大量集成芯片出现，集成IC芯片其微小的体积和极低的成本，广泛应用于家用电器、仪器仪表、工业控制单元以及通信产品中，成为现代电子系统中最重要的智能化工具。同时可以实现很多功能代替原来的模拟电路。这样利用集成芯片和电子电路就可以很方便的进行设计，其中最典型、现在应用也很多的就是电子产品的设计。电子秒表已为人们生活中必不可少的一种工具，尤其是在现在这个讲究效率的年代，电子秒表更是在人类生产、生活、学习等多个领域得到广泛的应用。在很多实际生活中，电子秒表不单是简单的计数，更多的是运用到控制系统中。诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程
5、序自动控制、定时广播、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等实现自动化的精确控制中。因此，研究电子秒表及扩大其应用，有着非常现实的意义。数字电子秒表的设计方法有很多种，例如可以用专用的IC芯片配以显示电路及所需要的外围电路组成电子秒表；也可以用中小规模的集成电路组成电子秒表；还可以利用单片机来制作电子秒表。这些方法各有特点，其中利用IC芯片设计的电子秒表电路的具有稳定度好，精度高，电路结构简单，元件芯片市场较易购买等特点。此次设计选用了IC芯片设计的实用秒表。第2章方案设计电子秒表电路由启动/停止电路、复位电路、时钟脉冲电路、分频器电路、计数电路、译码驱动和显示
6、器六部分组成。电子秒表的设计框图如图2-1所示。图2-1设计框图计数前，先按下复位开关，计数器清零。按下启动开关，开始计数。石英晶体振荡器产生稳定的脉冲信号，作为电子秒表的时间基准，经过分频器分频输出标准0.01s时钟脉冲输入计数电路，计数器输出端接译码器输入端，译码器译码，译码完成通过显示管显示。按下停止开关，在与非门的功能控制下，停止计数，完成一次计数。复位清零完成后就可以开始新一轮的计数了。 第3章单元电路设计3.1脉冲源产生电路设计3.1.1石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路、LC谐振电路、RC谐振电路、555定时器构成的多谐振荡器等都可以产生脉冲信号，相比之下石英晶体具有振荡频率准确、
7、电路结构简单、选频特性极好、稳定度高等特点。结合设计要求选用了石英晶体振荡器产生脉冲源。比较容易买到的石英振子的频率通常是在几百KHz到几MHz的范围，此次设计选用了频率为1MHz的HC6U型石英振子。采用结构较简单的门电路构成的石英晶体并联谐振振荡电路。3.1.2石英晶体并联谐振振荡器工作原理石英晶体并联谐振振荡电路图如图3-1所示。图3-1石英晶体并联谐振振荡电路图图3-1石英晶体两端的电容通过接地并联，石英晶体与这两个电容构成一个并联谐振电路，也是构成一个型选频网络反馈通道（也称型谐振电路）。当电容的损耗电阻大时，电路的Q值会下降，同时会使晶体的特性恶化，为避免这种情况，可以在与非门输出
8、端与选频网络间串入一个电阻，这个电阻阻值为1M左右，但连接线要粗而短，这样可以减少产生损耗，而且还能防止混入干扰源而干扰了振荡器的正常工作。信号通过石英晶体构成的型谐振电路返回与非门的输入端，形成反馈振荡。由此可见该电路的振荡频率是由型谐振电路所决定的。当然，主要还是石英晶体所决定。图3-1中选用的石英振子频率为1MHz，这样就可以产生1MHz的脉冲源。3.2脉冲源信号分频设计电路需要100Hz信号，而石英晶体振荡器电路产生的脉冲源为1MHz，分频1MHz信号得到100Hz信号必须进行万分频。分频电路可由D触发器、锁相环电路、计数器电路等构成，在本电路设计中采用同步十进制计数器74LS160构
9、成万分频器，以得到电路需要的频率信号。3.2.1同步十进制计数器74LS160介绍74LS160芯片管脚如图3-2所示。图3-274LS160芯片管脚图图3-2的74LS160芯片管脚中，P0、P1、P2、P3为输入端，Q0、Q1、Q2、Q3为输出端，TC为进位输出端，CLK为时钟控制端，MR为清零端，PE为预置端，CEP、CET为计数使能端。74LS160计数器具有以下功能：1异步清零功能当MR0时，不管其他输人端的状态如何（包括时钟信号CP），4个触发器的输出全为零。2同步并行预置数功能在MR1的条件下，当PE1且有时钟脉冲CP的上升沿到来作用时，P0、P1、P2、P3输入端的数据将分别Q
10、0、Q1、Q2、Q3被所接收。由于预置操作必须有CP脉冲上升沿到来有效，故称为同步置数。3保持功能在MR=PE1的条件下，当CET、CEP不同时1时，不管有无CP脉冲作用，计数器都将保持原有状态不变（停止计数）。3.2.2利用74LS160计数器芯片实现分频的工作原理石英晶体振荡器提供的脉冲源为1MHz，达不到秒表计数的精度。因此必须对脉冲源信号进行分频，经计算要将1MHz脉冲信号变为100Hz的脉冲信号须进行1/10000的分频，在分频电路的选择上，可以用四片74LS160计数器芯片来实现。具体连接电路如图3-3所示。由于只对信号分频不用计数，可以把四个输入端连接出来一起接地，输出端不做处理
11、，清零端(MR)和预置端（PE）接+5V(高电平)。通过低位计数器的进位端TC控制高位CEP、CET(控制端)即可实现分频。图3-374LS160构成万分频器电路由于只对脉冲信号分频，所以没有必要对清零端进行强制复位；时钟控制端（CLK）接输入的1MHz脉冲源，当U4接收到输入的1MHz脉冲源，U4开始计数，当U4接收到第十个脉冲时，U4的15脚TC（进位控制端）输出由低电平跳变为高电平，U5的CET、CEP（计数使能端）变为高电平，U5开始计数，再来一个脉冲U4又从“0001”开始新一轮的计数，计满10又向U5进位，依次类推，U5计满10又向U6进位，U6计满10又向U7进位，从而完成万分频
12、工作，得到电路需要的100Hz信号，通过U7的TC（进位端）输入计数部分。3.3计数器设计计数器电路同样可以用同步十进制计数器74LS160芯片设计，由芯片74LS160计数器芯片构成的计数器电路如图3-4所示。图3-4计数设计电路图在图中把U8、U9、U10、U11的四个输入端接地，四个计数器的输出端Q0、Q1、Q2、Q3分别接四个译码器的输入端A、B、C、D，四个计数器的清零端(MR)接复位开关的“1”电平端，预置端（PE）固定在高电平（+5V）。四个计数器的时钟控制端（CLK）接输入的100Hz脉冲源，四个计数器芯片同时处于工作状态，按下启动开关，100Hz脉冲源从U8的CLK（时钟控制
13、端）输入，U8芯片作为低位，当低位计数器计数状态从0到9时，TC=0，高位计数器的CET=CEP=0，处于保持状态，高位计数器不能进行计数；当低位计数器计数到9状态（即P0P1P2P3=1001）时，第十个CP脉冲到来时，U8计数器输出由“1001”变为“0000”同时TC端向高位计数器进位，高位计数器的CEP=CET=1，处于计数状态，允许计数，使高位计数器加1。也就是说，低位计数器每一个计数循环（10个状态）中，TC端只有在最后一个状态发出一个进位控制信号，才开启高位计数器进行计数。本次进位完毕后，低位计数器自动归0，同时U8的TC=0，使高位计数器的CEP=CET=0，封锁了高位计数器的
14、CLK端，即使有CP脉冲，高位计数器也不计数。从而使得低位计数器每一个计数循环完成后，允许高位计数器计数1，达到进位计数的目的。当按下停止开关S2，与非门U3关闭，时钟源信号无法通过，停止计数。U11是10s位计数器，它的Q1、Q3端接与非门U16的输入端，与非门U16输出端接四个计数器清零端即可实现计数到59秒99的同时自动跳到00秒00。计数前，先按下复位开关S3，四个计数器全部清零。3.4复位、启动和停止控制电路设计3.4.1复位电路设计在记数前要对秒表先进行清零处理。该秒表设计的复位开关如图3-5所示。图3-5复位开关电路图复位开关的一端接“+5V”的电源提供“1”电平，一端接地提供“
15、0”电平。四个计数器的清零端接复位开关的“1”电平端。计数前，按下复位开关，这时复位开关送出“0”电平到计数器的清零端，计数器清零。3.4.2R-S锁存器工作原理R-S锁存器如图3-6所示。图3-6R-S锁存器电路图图3-6中、为R-S锁存器的两个输入端，低电平有效；Q和为两个互补的输出，从图上不难看出，当、为高电平时输出状态不发生变化，而仅当其中一个输入为低电平时，输出才发生变化，R-S锁存器的工作过程，可分四种情况加以讨论：1=0，=0；从电路上可以看出，当=0，=0时，Q=1，而锁存的Q、是两个互补的输出，而现在两个输出相等，这是不允许的，故这种情况对于锁存器来讲是不允许的，故通常称其为
16、不允许的状态。2=0，=1；由于=1，故Q的状态取决于的状态，而由于=0，=1,故Q=0，所以说当=0，=1时触发器被置0，故称为置0状态；3=1，=0；这跟上一种情况正好相反，其Q=1，=0，即触发器被置1，故称为置数状态。4=1，=1；由于R-S的输入为低电平有效，而现在两个输入皆为高电平，故其输出状态保持不变，称为保持状态。功能归纳如下表1所示。表1R-S锁存器功能表QnQn+1说明000X不允许状态001X0100触发器置001101001触发器置110111100触发器保持原状态不变11113.4.3利用R-S锁存器控制秒表的启动和停止秒表的启动和停止电路如图3-6所示。图3-6启动
17、和停止控制电路图由图3-6可看出，启动和停止开关间接入了“+5V”电源提供“1”电平。当按下启动开关S1时，即=0,=1，由R-S锁存器功能表可知，将从锁存器输出一个“1”电平，与非门U3被打开门，此时100Hz脉冲信号通过U3作为计数脉冲加于计数部分的1/100s计数器的时钟端CLK，开始计数。想要停止计数，只需按下停止开关S2，由于停止开关的一端接R-S锁存器，一端接地，所以当按下S2时，即=1,=0，由R-S锁存器功能表得知，锁存器将送出一个“0”的电平，来的“0”低电平信号使U3门闭合，100Hz脉冲信号无法加于计数器部分，从而达到停止计数的控制。复位清零完成后就可以开始新一轮的计数了
18、。3.5译码驱动显电路设计3.5.1显示译码器的选用在数字系统中，常常需要将运算结果用人们习惯的十进制显示出来，这就要用到显示译码器。显示译码器主要用来驱动各种显示器件，如LED、LCD等，从而将二进制代码表示的数字、文字、符号“翻译”成人们习惯的形式，直观地显示出来。目前用于显示电路的中规模译码器种类很多，其中用得较多的是七段显示译码器。译码器的输出分低电平有效和高电平有效两种。例如译码器芯片74LS46、74LS47为低电平有效，可用于驱动共阳极的LED显示器；74LS48、74LS49、CD4511为高电平有效，可用于驱动共阴极LED显示器。74LS49译码器芯片较常用，对应选用的LED
19、显示器容易购买，此次设计选用了74LS49译码器。3.5.274LS49译码器工作原理及功能74LS49译码器芯片管脚图如图3-7所示。图3-774LS49的管脚图图3-7中译码输入端：A、B、C、D，为8421BCD码；七段代码输出端：a、b、c、d、e、f、g，某段输出为高电平时该段点亮，用以驱动高电平有效的七段显示LED数码管；灭灯控制端：IB，当IB=1时，译码器处于正常译码工作状态；若IB=0，不管A、B、C、D输入什么信号，译码器各输出端均为低电平，处于灭灯状态。具体实现功能见表2所示。表274LS49功能真值表输入输出IBA采用74LS49驱动共阴型LED数码管的译码电路如图3-
20、8所示。图3-874LS49驱动共阴型LED数码管连接电路图工作过程：74LS49译码器的输入端A、B、C、D分别接计数器输出端的Q0、Q1、Q2、Q3，74LS49译码器的输出端“a、b、c、d、e、f、g”接数码管的输入端，灭灯控制端接“+5V”电源保证译码器处于正常译码工作状态，若计数端输入译码器输入端的状态为“0000”，对照表2输出译码后将输出对应的“1111111” 七段显示码送到七段显示器显示出“0”。3.5.3显示器的选择显示器件有很多种，如LED、LCD数码管等，目前使用较多的是LED七段显示器数码管，LED七段显示数码管分共阴极和共阳极两种形式，本设计译码驱动部分选用了74
21、LS49译码器，由于74LS49译码驱动器输出是高电平有效，配接的显示数码管须采用共阴极接法，所以选用了共阴极型LED七段显示数码器。使用时，公阴极接地，7个阳极“a、b、c、d、e、f、g”由相应的译码器74LS49的输出端“a、b、c、d、e、f、g”来驱动，接入+5V的电源为显示器供电。图3-9为8421BCD码对应的显示。图3-98421BCD码对应的显示计数时译码器输出的二进制代码送进显示管后，显示管就可以对应地显示出直观的十进制数记录。总结本次的设计以IC芯片为核心，基于数字电子线路的电子秒表设计，通过仿真完成了任务书所要求的：能从某一时刻到另一时刻的时间间隔进行计时；秒表的精度达
22、到0.01s。最大计数可计到59.99s，当变为60.00的同时预置为00.00；秒表的计数输入有两种方式：一种是复位输入，一种是计数输入。通过本次设计，我从中了解到了很多电子产品设计都是基于IC芯片的，其运用范围很广泛。以前学习数字电子线路只知道一些芯片的简单介绍和功能，但不知道它们在现实生活中的具体应用。这次的毕业设计加深了我的基础知识，更锻炼了思维和设计的能力，使我更好的了解了常见芯片的用途及设计各种产品的过程。通过这次短暂的毕业设计，不仅提高了我的理论水平，还真正做到学有所用。在其过程中我遇到了一些困难，但我没有半途而废，没有灰心丧气，克服了其中的困难，最终完成了设计。这次毕业设计的经
23、历使我终身受益，我感受到做设计是要用心去做的一件事情，是真正的自己学习的过程和研究的过程，没有学习就不可能有研究的能力，没有自己的研究，就不会有所突破。在此要感谢我的指导老师，本次设计每个细节都离不开您的细心指导，是您严谨细致，是您循循善诱的教导给予我无尽启迪，我才得以顺利完成此次设计。致谢在设计完成之际，我要特别感谢我的指导老师弥锐老师的热情关怀和悉心指导。在我撰写论文的过程中，弥锐老师倾注了大量的心血和汗水，无论是在设计的选题、构思和资料的收集方面，还是在设计的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了弥老师悉心细致的教诲和无私的帮助，特别是她广博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学精神和一丝不苟
24、的工作作风使我终生受益，在此表示真诚地感谢和深深的谢意。 在论文的写作过程中，也得到了许多同学的宝贵建议，同时还到许多在工作过程中许多同事的支持和帮助，在此一并致以诚挚的谢意。感谢所有关心、支持、帮助过我的良师益友。最后，向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位领导表示衷心地感谢！参考文献1潘松，黄继业数字电路技术实用教程北京：科学出版社，20062马淑华，高原电子设计自动化北京：北京邮电大学出版社，20063卢毅，杨杰数字电路设计成都：电子科技大学出版社，20015胡汉才电子设计技术北京：清华大学出版社，20036许瑛琪数字电路设计实例北京：清华大学出版社，20027陆坤电子设计技术成都：电子科技大学出版社，19988李红青，孙晓民电子产品设计实用技术北京：航空航天大学出版社，20029许瑛琪电子设计实例北京：清华大学出版社，200210董凤毕业设计指导西安：西安电子科技大学出版社，2005附录实用电子秒表电路原理图
