数字式秒表 包括仿真 报告 各个模块的设计Word格式文档下载.docx
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分别对秒个位和分个位进行计数;
扫描显示译码器:
完成对7字段数码管显示的控制;
3片74LS160通过进位端级联组成模1000的计数器,其中低位的两片U2.U3构成一百进制,由与非门锁定最高位U1在0000~0110,构成六进制,这样就组成10*10*6的600进制计数器,信号作为计数时钟接到三个时钟端,使计数器对信号脉冲进行计数。
1.3方案2计数电路由三个同步置数的74LS160计数器,一个与非门组成。
此方案与方案1电路的不同处是与非门的输出接三个计数器的异步清零端,采用并行置数。
计数从高位到低位依次为6、0、0。
其中600是过渡状态,显示器上只存在个很短时间,几乎无显示,所以计数从000到599,然而输入的是0.1秒的脉冲,所以计数是从00.0到59.9
同时,把秒脉冲接到三个计数器的时钟端,控制技术器在高脉冲是计数,下降沿锁存计数结果,以便输出显示,低电平时清零计数器,以便下一个秒脉冲重新开始计数。
数字式秒表系统图
备注:
(1)图中直流电源的变压器为220V变9V的。
(2)图中的时钟电路由输出脉冲占空比为2/3的NE555定时器组成。
(3)计数电路由三个74LS160组成。
(4)锁存译码电路由三个CD4511组成。
(5)数码显示电路由三个共阴极七段数码显示器,和若干电阻组成。
1.4方案选择:
方案二与已学的数模电知识联系比较紧密,有较好的知识基础,能够将所学知识与实践联系起来,而且电路设计能够模块化,实现也比较简单,所需器件实验室也能够满足,因此最终选择方案二实现本次课程设计。
2、单元电路设计
2.1信号发生器的设计
数字式秒表由振荡器,分频器,计数器,译码器和显示电路所组成。
振荡器产生的毫秒信号输入计数进行计数,并把累计结果以分,秒,毫秒的形式表示显
示出来。
振荡器是整个秒表的核心,它产生一个频率标准,其精度和稳定度基本决定了秒表的计时准确性和精度。
由于555定时器的比较器灵敏度高,输出驱动电流大,功能灵活且电路结构简单计算简单。
因此在本电路中采用NE555定时器构成的多谐振荡器作为振荡源,用来产生10HZ的脉冲信号。
2.1.1电路原理图设计
2.1.2元器件选择及参数计算
555定时器的频率和占空比尤其外部所接的电阻和电容共同决定,因此只要选择好电容和电阻的参数就能够产生所需频率的脉冲。
频率:
f=1.43/(R1+2R2)C=10Hz,产生10Hz频率
占空比:
q=r1/(r1+2r2)=2/3
所以,电容C1=0.01u,C2=10u定值电阻R=4.7K,可变电阻R=1K,设计中可用两个4.8K的电阻代替。
端口3为脉冲发生器的输出端口。
2.2控制电路的设计
控制电路是完善整个系统电路的必不可少的模块。
核心器件采用7476JK触发器。
采用J1、J2、Q2这几个端实现相关的控制功能。
将J1接至信号发生器的
复位端,当为高电平时产生脉冲信号,当为低电平是封锁脉冲信号使计数器不能计数,以实现暂停功能。
J2接至计数器的清零端,当为高电平时计数器正常工作,为低电平时计时器清零,以实现清零功能。
Q2接至CD4511的控制端,当为高电平时显示译码数据,为低电平时锁存显示,但计数器仍正常工作,这样就实现了固显功能。
2.3直流电源的设计
其电路图如图所示
直流电压源的输入为220V交流电因此采用变压器直接变压的方法,使输出为9V的交流电,再利用整流桥将交流电变为直流电压,之后用2200u和0.047u并联网络作为滤波电路,为了是输出电压稳定采用7805作伪稳压电路,为后面的电路提供稳定的5V直流电压。
2.4译码显示电路的设计
译码器部分由三片CD4511构成。
将秒计时器74LS160的四个输出端QA、QB、QC、QD分别对应接至译码器CD4511的输入端,译码后的事故初段接至共阴极7段数码管的a~g端,就可以显示0~9十进制数字。
毫秒和十秒位同理。
这样就
构成一个完整的译码显示电路。
2.5计数电路的设计
计数器部分采用三片74ls160串行的方式构成。
74ls160是十进制的计数器,具有置数、清零的功能。
EP、ET是使能端,为高电平有效。
将低位的输出信号接至高位的使能端,将最高位芯片通过与非门产生进位清零信号,从而达到整体回零的目的。
从而构成完整的计数单元
3、电路仿真分析
各单元电路和系统电路设计好之后就要进行仿真了。
仿真是利用专业的软件模拟电路的运行结果,是检验电路设计是否正确能否工作的快捷有效的方法。
我们仿真时用的是Proteus7.0,它是专业的电子电路仿真软件。
具有强大的库功能,可以在里面找到各种型号的电子元器件。
并且具有各种模拟测试仪器,如电压表、示波器、各种型号的电源等。
因此可以对电路进行参数的测量。
使用十分方便。
3.1电路的仿真
信号源的仿真图及测试结果:
计数及译码显示部分的仿真结果:
3.2整体电路图初稿
四、电路的装调和分析
4.1电路的安装和调试
在领到器件并按照功能检测完器件之后我们开始进行组装调试。
我们分工完成各个部分的组装最后再进行总装,这样既可以发挥个人的技术特长又能够提高效率。
我主要负责直流电源和时钟脉冲发生器的组装调试。
。
电源采用变压器直接变压的方式是输出为5V直流电压。
按照之前设计好的电路图在插线板上开始布线,布线完成经再次对照电路图无误后接通220V交流电源,经过调试用电压表测量输出为5.005V的直流电压符合设计要求。
提供时钟脉冲的信号源选用的是NE555,和1k电阻两个,2个47K的电阻,10uf和0.01uf电容各一个,按照电路原理图接好线后经过无数次的调试,最终,在老师的指导下,将输出信号经与非门后才得到了所要求的稳定的10Hz信号,才完成了信号源的调试。
接下来完成的是计数电路,计数电路是由三个74LS160组成的串行输入同步置数电路,译码锁存电路是由三片CD4511构成的,CD4511构成的译码锁存电路所得到的二进制代码由BCD码—七段码译码器来显示完成。
然后是控制电路,控制电路是由两块74LS76JK触发器组成。
将以上模块连接在一起就构成了所要求的计数电路。
本设计采用电路仿真对设计电路进行了调试,在调试过程中遇到了不少的麻烦,经过多次反复的检查和排除,最终实现了全部功能。
调试方法:
按模块调试,在每个模块的输入端加理想的调试信号,在输出端接示波器,观察输出波形,如果波形符合设计预期,则说明此模块工作正常,否则可按从输出到输入的顺序逐一排查,直到解决问题。
当各模块调试无误后,将各模块连接起来,同时要注意接口的电平匹配问题。
4.2故障及分析
故障1:
脉冲发生器(555定时器构成的多谐振荡器)没法实现0.1秒的脉冲信号。
原因:
参数不对。
排除方法:
利用f=(1.43/R1+2R2)C适当的选取定值电阻、电容的大小和可变电阻的最大阻值,最终使得其产生正确的脉冲信号。
故障2:
数码管显示乱码。
计数器芯片74LS160管脚接线错误,LED数码管的共极性弄反(按共阳极的接线方法接线)。
对计数器正确接线,调整数码管的阴阳极接线(按共阴极的接线方法接线)。
故障3:
数码管数字跳动频率不均匀。
使能输入信号和清零信号的波形不是规则的脉冲方波。
用示波器观察脉冲输出电路输出端的波形,如果不规则就加以个反相器(用74LS00代替)整形,同时,这样还能达到减小误差的目的。
故障4:
直流电压源输出电压为9V
稳压管接地端接触不良
重新安装稳压管确保接触良好,并区分清输入端、输出端和接地端。
用电压表测试使其输出为5V。
经过反复的调试和测量最终所得结果与设计要求相符,达到了实验初课设要求中的各项性能指标,并且在将各模块电路总装在一起后仍能准确的实现所有功能,即实现了由0.1秒到59.9秒的计数、暂停、清零和固显等功能。
4.3电路测试结果与分析
4.3.1基本JK触发器的测试
操作
Q的值
的值
按动K2
1
按动K1
基本JK触发器的测试
基本JK触发器实现了启动和停止秒表的作用。
4.3.2时钟发生器的测试
示波器输出波形为
五、课程设计总结
为期三周的课程设计将要结束,在这三周时间里我学到了以及掌握了很多课本上所学不到的东西。
首先我们的动手能力及基本技能得到了提高,如对各种数码管元器件的功能有了更深入的了解,对常用元器件的识别、测量、熟练运用有了恒大提高。
通过对已学的数电知识回顾和运用巩固加深了对基础知识的理
解。
最重要的是对电子电路系统开发的基本思想、基本程序和总体过程有了一个初步的认识,这将正确指导我们以后的学习,对我们以后的毕业设计打下了一个扎实的基础。
在这三周时间里,我们小组进行了明确的分工,有设计电源的,控制的,数字译码的,我设计的是信号脉冲部分,实验虽然很辛苦,但在实验过程中我体会回到了从失败到成功的喜悦。
在设计实践的过程中,我深深的体会到扎实的知识基础得重要性,以及熟练的动手能力,要熟练地掌握课本上的知识,这样才能对试验中出现的问题进行分析解决。
在整个电路的设计过程中,花费时间最多的是将设计电路用元件连接出来,这也印证了我们动手能力的薄弱,我们在各个单元电路的连接上花费了大量时间。
我们在设计时曾做出了两套方案以及仿真电路,我们仔细比较分析其原理以及可行的原因,这才确定了我们的电路。
实验过程中,
我深刻的体会到自学能力的重要性。
因为我们要根据任务书选择合适的元器件,在设计之前必须查阅大连的资料熟悉他们的功能,以便选择符合要求的器件。
而且必须搞清楚每个元器件的内部结构、管脚图、以及参数计算等。
我认为在设计过程中培养的自学能力是十分难得的。
通过这次对数字式秒表的设计与制作,让我了解了设计电路的程序,也让我了解了关于数字秒表的原理与设计理念。
在此次的数字秒表设计过程中,我更进一步地熟悉了芯片的结构、管脚图、功能表及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法。
而且这些知识是对我们大学生来说十分宝贵的实践经验,是无法在课堂上获得的,是现今社会最重视的同时也是我们最需要提高的部分。
在设计成果检查过程中我们发现实验结果与理论结果出现了误差,通过总结及验证我们认为是误差是元器件规格型号及干扰所产生的。
通过这次课程设计学习,我觉的数字电子设计是一个很有意思的东西,通过不同的设计可以设计出一些具有很多意想不到功能的成果。
这次课程设计使我对各种电路都有了大概的了解,也学会了常用仿真软件的使用,在平时的理论学习
中遇到的问题都一一解决,加深了我对专业的了解,培养了我对学习的兴趣,为以后的学习打下了好的开端,我受益匪浅。
在课程设计中我们经历了失败以及成功后的喜悦。
我也明白了,理论知识学的再怎么优秀,如何将它们应用到实际中才是最重要的。
参考文献
1、《数字电子技术基础》(第五版)阎石高等教育出版社
2、《模拟电子技术基础》(第四版)童诗白华成英高等教育出版社
3、《电子技术基础实验与课程设计(第二版)》高吉祥主编电子工业出版社
4、《电子技术实践与训练》黄仁欣主编清华大学出版社
以及网络
附录
附录A:
总体电路图
附录B:
原器件清单
使用器件
个数
74ls160
3个
74ls76
2个
CD4511
开关
发光二极管
1个
74ls00
七段数码管
555定时器
7805
电阻R1
2个(48k)
电阻R2
5个(1k)
电容
10u0.01u各1个
2200u200u2个
2p2s变压器
电桥
电源220v50Hz
附录C:
芯片的管脚图
1、74LS00(二输入四与非门)
74ls00
是常用的2输入四与非门集成电路,他的作用很简单顾名思义就是实现一个与非门。
2、74LS160
74LS160芯片同步十进制计数器(直接清零)
·
用于快速计数的内部超前进位
用于n位级联的进位输出
同步可编程序
有置数控制线
二极管钳位输入
直接清零
同步计数
3、555定时器
用555构成的多谐振荡器,通过电容充放电可以形成方波来为计数器74LS160提供脉冲信号。
4、CD4511
CD4511是一个用于驱动共阴极LED(数码管)显示器的BCD码—七段码译码器,特点如下:
具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。
可直接驱动LED显示器
CD4511引脚图
_______________________________________________________________________________________________________________________________
其功能介绍如下:
BI:
4脚是消隐输入控制端,当BI=0时,不管其它输入端状态如何,七段数码管均处于熄灭(消隐)状态,不显示数字。
LT:
3脚是测试输入端,当BI=1,LT=0时,译码输出全为1,不管输入DCBA状态如何,七段均发亮,显示“8”。
它主要用来检测数码管是否损坏。
LE:
锁定控制端,当LE=0时,允许译码输出。
LE=1时译码器是锁定保持状态,译码器输出被保持在LE=0时的数值。
A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。
a、b、c、d、e、f、g:
为译码输出端,输出为高电平1有效
5、七段数码管
6、74LS76
触发器是构成时序逻辑电路的基本单元,触发器按逻辑功能分为RS触发器、JK触发器、D触发器、T触发器和T′触发器等多种类型;
按其电路结构分为主从型触发器和维持阻塞型触发器等。
1.JK触发器
(1)JK触发器符号及功能
JK触发器有两个稳定状态:
一个状态是Q=1,Q=0,称触发器处于“1”态,也叫置位状态;
另一个状态是Q=0,Q=1,称触发器处于“0”态,也叫复位状态。
JK触发器具有“置0”、“置1”、保持和翻转功能,符号如图l所示。
反映JK触发器的Qn和Qn、J、K之间的逻辑关系的状态表见表1。
状态表中,Qn表示时钟脉冲来到之前触发器的输出状态,称为现态,Qn+1表示时钟脉冲来到之后的状态,称为次态。
JK触发器的种类很多,有双JK触发器74LS107,双JK触发74LS114,741S112,74HC73,74HCT73等,有下降沿触发的,也有上升沿触发的。
图l所示的JK触发器是下降沿触发的。
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