电子秒表计时电路的设计(21页).doc
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1、-电子秒表计时电路的设计-第 17 页电子秒表的设计摘要: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。本次毕业
2、设计的题目是电子秒表.电子秒表是用于测量较短且较精确的时间,它在体育运动项目上有着广泛的应用.本次设计中应用了多种数字电路中的单元电路,如基本RS触发器、单稳态触发器、时钟发生器及计数器,译码显示器等.我相信通过本次实验,将进一步加深对各数字单元电路的理解,同时也对基础电子设计有一定的了解,为今后的学习和工作打下一定的基础。关键词:电子秒表;基本RS触发器;单稳态触发器;时钟发生器;计数器;译码显示器The Design of Digital StopwatchAbstract: Current digital electronics technology has been widely us
3、ed in computers, automatic control, electronic measuring instruments, TV, radar, communications and other fields. For example, in the modern measurement technology, digital measuring instrument is not only accurate than analog gauges, powerful, and easy measurement of automation and intelligence. Wi
4、th the integration of technology, particularly in large-scale and ultra large scale integrated circuit development, application of digital electronic technology will be more widely infiltrated into all sectors of the national economy, and will have more profound impact. With modern society, the rapi
5、d development of electronic technology, requires us to integrate theory with practice, digital circuit design the project so that we have this great opportunity, through this comprehensive training, our ability, practical skills, ability of comprehensive knowledge applications get better promotion.
6、The course design is the subject of electronic stopwatch. Stopwatch is a shorter and more accurate for measuring time, it projects in sports has been widely used. The design of the application of a variety of digital circuit elements in the circuit, such as basic RS flip-flop, one-shot, the clock ge
7、nerator and counter, decoder display. I believe that through this experiment, will further deepen the understanding of the digital cell circuits, but also on the basis of a certain electronic design understanding for future study and work to lay a certain foundation. Keywords: electronic stopwatch,
8、the basic RS flip-flop, one-shot, the clock generator, counters, decoding display 目 录1 电子秒表介绍12 电子秒表功能要求及元器件介绍332.2 元器件介绍32.2.1 74LS00与非门32.2.2 基本RS触发器42.2.3 555定时器52.2.4 555多谐振荡器72.2.5 74LS90计数器82.2.6 单稳态触发器103 电路设计11113.1.1 工作原理11113.2 核心电路设计133.2.1 计数器设计133.2.2 主控电路设计134 PCB板的制作154.1 PCB板设计的设计原则7
9、154.1.1 布局154.1.2 布线154.1.3 焊盘164.2 PCB板电路抗干扰措施164.2.1 电源线设计164.2.2 地线设计164.3 制板164.4 焊接的基本常知识174.5 元器件的安装185 系统测试195.1 基本RS触发器的调试195.2 555多谐振荡器的调试195.3 计数器的调试195.4 译码器的调试205.5 电子秒表的整体调试20205.7.1 设计小结215.7.2 设计收获及体会215.7.3 改善设计的建议21参考文献23致谢24附录1电子秒表装配图25附录2电子秒表PCB版图26附录3电子秒表实验原理图27附录4电子秒表电路板实图281 电子
10、秒表介绍电子秒表是一种较先进的电子计时器,目前国产的电子秒表一般都是利用石英振荡器的振荡频率作为时间基准,采用6位液晶数字显示时间。电子秒表的使用功能比机械秒表要多, 它不仅能显示分、秒,还能显示时、日、月及星期,并且有1l00s的功能。一般的电子秒表连续累计时间为59min 59.99s,可读到1l00s,平均日差0.5s。 电子秒表配有三个按钮,如图所示。图中为秒表按钮, 为功能变换按钮, 为调整按钮,基本显示的计时状态为“时”、“分”、“秒”。 电子秒表的基本使用方法如下: (1) 在计时器显示的情况下,将按钮 按住2s,即可出现秒表功能,如图(a)所示。按一下按钮 开始自动计秒,再按一
11、下 按钮,停止计秒,显示出所计数据,如图(b)所示。按住 两秒,则自动复零,即恢复到图(a)所示状态。 (2) 若要纪录甲、乙两物体同时出发,但不同时到达终点的运动,可采用双计时功能方式。即首先按住 两秒钟,秒表出现如图(a)所示的状态。然后按一下 ,秒表开始自动计秒。待甲物体到达终点时再按一下 ,则显示甲物体的计秒数停止,此时液晶屏上的冒号仍在闪动,内部电路仍在继续为乙物体累积计秒。把甲物体的时间记录下后,再按一下 ,显示出乙物体的累积计数。待乙物体到达终点时,再按一下 ,冒号不闪动,显示出乙物体的时间。这时若要再次测量就按住 两秒,秒表出现 (a)所示的状态。若需要恢复正常计时显示,可按一
12、下 ,秒表就进入正常计时显示状态,在图(c)中显示出9h 17min 18s。(3) 若需要进行时刻的校正与调整,可先持续按往 ,待显示时、分、秒的计秒数字闪动时,松开 ,然后间断地按 ,直到显示出所需要调整的正确秒数时为止。如还需校正分,可按一下 ,此时,显示分的数字闪动,再间断地按 ,直到显示出所需的正确分数时为止。时、日、月及星期的调整方法同上。2 电子秒表功能要求及元器件介绍 电子秒表通过十分巧妙的设计仅用8块数字芯片便实现了其计数功能。结构简单成本低廉。电子秒表的显示是由2位LED数码管组成,能够显示0S-9.9S。当需要计时的时候只需要按下计时按钮就可以计时,当需要暂停与清零时也可
13、以通过控制按钮就可以实现。2.2 元器件介绍2.2.1 74LS00与非门(一)电路组成 在图2.1中,引脚7和14分别接地(GND)和电源(+5V左右)。图2.1 74LS00与非门电路图和引脚以及真值表(二)工作原理1 1.输入有低电平时 设输入端A为低电平0.35V,B为高电平3.4V。由图2.2可知,与A端相连的肖特基二极管VD3正偏,流过R1的IR1通过VD3流入A输入端。假设UVD3=0.35,则UB2=0.7V,三极管V2、V5、V6截止,UC2约为5V左右。V3和V4导通,输出高电平UOH=UC2-UBE3-UBE4=5-0.7-0.7=3.6V。考虑到R4上存在着电压,应产生
14、一定的电流,V3的基极也有一定的电流,在R2上会产生一定的压降,实际的输出高电平约为3.4V。在此状态下,输出管V5截止,故称截止状态或关门状态。此时,V3和V4导通,从输出端看进去的等效电阻是很图2.2 74LS00与非门工作原理小的,相当于射极跟随器的输出电阻。2. 输入全为高电平时 输入全为高电平3.4V,VD3、VD4截止,电源电压VCC通过电阻R1向V2注入基极驱动电流,使V2饱和,V2导通后,就向V5的基极注入电流,使V5管工作于抗饱和状态,故输出低电平UOL=0.35V。这时,UE2=0.7V,UC2=UE2+UCES2=1V,UC2这个电压不足以使V3和V4都导通,所以V4截止
15、,输出端和电源之间可看成开路,减少了电路功耗.此时,输出管V5饱和导通,故称为导通状态或开门状态。由以上分析可知,当电路的任一输入端有低电平时,输出为高电平;当输入全为高电图平时,输出为低电平,即偶0或1,全1出0。电路输出与输入为与非逻辑关系,即 Y=2.2.2 基本RS触发器K2用集成与非门构成的基本RS触发器属于低电平直接触发的触发器,有直接置位和复位的功能。本次设计所用的基本RS触发器构成图如图Q1 Q2Q1K2图2.3 基本RS触发器结构图基本RS触发器的一路输出Q1作为单稳态触发器的输入,另一路输出Q2作为多谐振荡器输出端的控制信号。R SQ1 Q21 00 10 11 01 1保
16、持0 0K1禁止表2.1 基本RS触发器的功能表根据基本RS触发器的功能表(表2.1)可知,当按动按钮开关S2到接地时,则门1的输出Q1=1(高电平),门2的输出Q2=0(低电平),S2复位后Q1、Q2的状态保持不变。再按动按钮开关S1,则Q2由0变为1,为计数器启动作好准备。Q1由1变为0,送出负脉冲,启动单稳态触发器工作。该基本RS触发器在电子秒表中的职能是启动和停止秒表的工作。2.2.3 555定时器2555定时器(又称时基电路)是一个模拟与数字混合型的集成电路。按其工艺分双极型和CMOS型两类,其应用非常广泛。之所以称为555,是因为该集成电路内部有三个5K的分压电阻。图2.4是555
17、定时器内部组成框图。它主要由两个高精度电压比较器A1、 A2,一个RS触发 器,一个放电三级管和三个5K电阻的分压器而构成。1 脚:外接电源负端VSS或接地,一般情况下接地。2脚:低触发端。 3脚:输出端Vo。图2.4 555定时器内部组成框图4脚: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,时基电路输出为“0”,该端不用时应接高电平。 5脚:VCF电容接地,以防引入干扰。6脚:TH高触发端。 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。8脚:外接电源VCC,双极型时基电路VCC的范围是4.5 16V,CMOS型时基电路VCC清零端高触发端TH低触
18、发端Qn+1放电管T功能00导通直接清零10导通置011截止置11Qn不变保持表2.2 555定时器的功能表由于555定时器有着特定的功能,它可构成多种数字元件,例如555单稳态触发器、多谐振荡器、施密特触发器等,因此555定时器在电子技术领域得到了广泛的应用。2.2.4 555多谐振荡器3 本次设计中所用的多谐振荡器是由555定时器构成,其电路图如图 Vo对于555多谐振荡器,当电源接通后,电容C被充电,VC上升,当VC上升到2/3VCC时,触发器被复位,同时放电BJT T 导通,此时V0为低电平,电容C通过R2和T放电,使VC下降。当下降到1/3VCC时, 图2.5 555定时器电路图触发
19、器又被置位,V0翻转为高电平。电容器放电所需时间为:TPL=R2Cln2=0.7R2C (2-1)当放电结束时,T截止,VCC将通过R1、R2向电容C充电,VC由1/3VCC上升到2/3VCC所需的时间为: TPH=(R1+R2)C ln2=0.7(R1+R2)C (2-2)当VCC上升到2/3VCC时,触发器又发生翻转,如此周而复始,在输出端就得到一个周期性的方波,其频率为: F=1/(TPL+TPH)=1.43/(R1+2R2)C (2-3)在本次设计中,555多谐振荡器为计数器(1)提供频率为50HZ的矩形脉冲信号。2.2.5 74LS90计数器74LS90计数器是一种异步的二-五-十进
20、制加法计数器,它既可以作为二进制的计数器,又可以作为五进制和十进制的加法计数器。在本次设计中它既被用来构成五进制计数器(1),又被用来构成十进制计数器(2)与计数器(3)。图2.6为74LS90的引脚排列图。 通过不同的连接方式,74LS90可以实现4种不同的逻辑功能;而且还可以借助R0(1)、R0(2)对计数器清零,借助R9(1)、R9(2)将计数器置9,表2.3为其功能表。其具体功能如下:(1) 当计数器脉冲从CK1输入,QA作为输出端,为二进制计数器。(2) 当计数器脉冲从CK2输入,QD QC QB作为输出端,为异步五进制加法计数器。(3) 若将CK2和QD相连,计数脉冲由CP1输入,
21、QA QB QC和QD作为输出端,则构成异步8421码十进制加法计数器。 输入 输出 功能 清0 置9 时钟QD QC QB QAR0(1)R0(2)R9(1)R9(2)CKA CKB 1 1 0 X X 0 X X 0 0 0 0 清00 X X 0 1 1 X X 1 0 0 1 置90 XX 00 X X 0 1 QA输出 二进制计数 1 QD QC QB输出 五进制计数 QAQD QC QB QA输出8421BCD码 十进制计数QD QD QC QB QA输出5421BCD码 十进制计数 1 1 不变 保持表2.3 74LS90计数器功能表4(4) 若将CK1和QA相连,计数脉冲由CP
22、2输入,QA QB QC和QD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”,且R9(1)、R9(2)中有“0”时,可以实现异步清零功能,即Q3Q2Q1Q0=0000。 b 置9功能:当S9(1)、S9(2)均为“1”,且R0(1)、R0(2)中有“0”时,可以实现置9功能,即QAQBQCQD=1001。 74LS90计数器除了有以上功能外还有分频作用。因74LS90计数器可以构成二、五、十三种计数器,即可实现二分频、五分频和十分频。 2.2.6 单稳态触发器图2.7为用集成与非门构成的微分型单稳态触发器,图2.8为各
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