NE555+74LS192+74LS48電子秒表課程設計報告(純數電實現)

ID:349871 · 發表于 2018-6-11 22:15

《數字電子技術》

課程設計報告

題目：電子秒表設計

專業：電氣工程及其自動化

班級：15電氣（1）班

姓名：鄒*

指導教師：汪*

電氣工程學院

任務書

課題名稱	電子秒表設計
指導教師（職稱）	汪*
執行時間	2017 ~ 2018 學年第1學期第 11周
設計目的	1、掌握計數、譯碼、顯示電路設計 2、掌握分頻電路設計方法 3、學習利用軟件進行仿真。
設計要求	1.技術指標（1）、具有停止/啟動功能；（2）、當啟動時,計數器先清零再開始計時；（3）、若不需要計時或暫停計數時,計數器立即停止,但數碼管保留所計時之值。 2.設計基本要求（1）、設計一個電子秒表; （2）、擬定設計步驟；（3）、根據設計要求和技術指標設計好電路，選好元件及參數；（4）、要求繪出原理圖；（5）、撰寫設計報告。 3.設計報告要求（1）、選定設計方案；（2）、擬出設計步驟，畫出電路，分析并計算主要元件參數值。

摘要

隨著電子技術的發展，電子技術在各個領域的運用越來越廣泛。電子秒表可廣泛應用于對運動物體的速度、加速度的測量實驗和驗證牛頓第二定律等物理實驗，同時也適用于對時間測量精度要求較高的場合，測定短時間間隔的儀表。

電子秒表設計主要是通過多諧振蕩器、計數器、譯碼器、數碼顯示器芯片，實現基本要求。本課題有一個小的創新，通過開關能夠實現倒計時的功能。數字電子技術課程設計要用到仿真軟件畫出電路圖。一方面直觀的研究設計原理，另一方面需進行仿真。之后對仿真結果進行理論分析，尋找不足之處并加以改善。

通過研究可提高精度，若要提高精度常常采用石英晶體振蕩器來產生脈沖信號。精度的提高，便能廣泛應用于計算機、電視、雷達、通信等各個領域，實現電子秒表的價值。

Abstract

With the development of electronic technology, the application of electronic technology in various fields is more and more widespread. Electronic stopwatch can be widely used in the measurement of velocity and acceleration of moving objects and physical experiments such as the verification of Newton's second law. It is also suitable for measuring short time interval occasions where the precision of time measurement is high.

Electronic stopwatch design is mainly through the multivibrator, counters, decoders, digital display chips, to achieve the basic requirements. This topic I made a small innovation, through the switch to countdown function. Digital course design to use simulation software to draw the circuit diagram. On the one hand intuitive design of the principle of research, on the other hand need to be simulated. After the theoretical analysis of the simulation results to find the deficiencies and to be improved.

Continue to improve precision, if you want to improve accuracy often use quartz crystal oscillator to generate pulse signal. Improve the accuracy, can be widely used in computers, television, radar, communications and other fields, the value of electronic stopwatch.

第1章電子秒表設計思路

1.1 電子秒表設計的意義

1.2 電子秒表的設計方案

第2章電子秒表芯片簡介

2.1 時鐘脈沖發生器

2.2 計數器(74LS192)

2.3 譯碼器(74LS48)

2.4 數碼管(7SEG-COM-CATHODE)

第3章電子秒表仿真圖

3.1 仿真結果

3.2 仿真結果分析

總結

參考文

第1章電子秒表設計思路
1.1 電子秒表設計的意義

隨著電子技術的發展，電子技術在各個領域的運用越來越廣泛。電子秒表在生活中應用于對運動物體的速度、加速度的測量實驗，還可用來驗證牛頓第二定律、機械能守恒等物理實驗，同時也適用于對時間測量精度要求較高的場合，測定短時間間隔的儀表。秒表有機械秒表和電子秒表兩類。機械秒表與機械手表相仿，但具有制動裝置，可精確至百分之一秒；電子秒表用微型電池作能源，電子元件測量顯示，可精確至千分之一秒。在秒表的設計上功能不斷完善，在時間的設計上不斷的精確。人們也用電子技術和相關知識解決了一些實際問題。隨著集成技術的發展，尤其是中、大規模和超大規模集成電路的發展，數字電子技術將會更廣泛的滲透到國民經濟的各個部門。該設計使我們動手能力、實際操作能力、綜合應用能力得到更好的提升。

1.2 電子秒表的設計方案1.2.1 設計電子秒表所需器件

直流穩壓電源（+5v）、定時器（NE555）1塊、十進制可逆計數器（74LS192）2塊、譯碼器（74LS48）2塊、與非門（7400）1塊、LED數碼管（7SEG-COM-CATHODE）2塊、電阻（10WATT1k）18個、電容（CAP）2個、單刀單擲（SW-SPST）1個、單刀雙擲（SW-SPDT）1個。

1.2.2電子秒表的基本組成

電子秒表電路的基本組成框圖如圖1-2(a)所示，它主要由多諧振蕩器、計數器、譯碼器和數碼顯示器4個部分組成。

圖1-2(a) 電子秒表電路組成框圖

1.2.3電子秒表的工作原理

電子秒表設計電路圖如圖1-2(b)所示，圖中由定時器NE555，用來產生1秒的脈沖加給計數器。第U2、U4塊計數器TCU與UP相連，脈沖從U2的UP輸入，都已接成十進制計數或六進制電路，其中第U2塊是每秒進位，第U4塊是每10秒進位。兩片74LS47是譯碼器，將計數器輸來的8421BCD碼譯為十進制數分別去驅動兩個數碼管，使之作相應的顯示。開關SW2閉合開始計數，斷開停止計數；開關SW1接高電位秒表清0，接低電位可以計數。

圖1-2(b) 電子秒表設計電路圖

第2章電子秒表芯片簡介2.1 時鐘脈沖發生器

NE555定時器是模擬—數字混合式集成電路，利用它可以方便地構成脈沖產生、整形電路和定時、延時電路。用555定時器構成的自激式多諧振蕩器，是一種性能較好的時鐘源。調節電位器 RP ，使在輸出端3獲得頻率為1HZ的矩形波信號。

2.1.1 555定時器的電路結構與功能

國產雙極型555定時器的電路結構如圖2-1(a)所示，它由比較器C1和C2、SR鎖存器和集電極開路的放電三極管TD三部分組成。圖中數碼1~8為器件引腳編號。

圖2-1(a) 555定時器的電路結構圖

由圖2-1(a)可知，當TH>VR1、TH>VR2時，比較器C1的輸出vC1=0、比較器C2的輸出vC2=1，SR鎖存器被置0，TD導通，同時v0為低電平。

隨著電子技術的發展，電子技術在各個領域的運用越來越廣泛。電子秒表在生活中可廣泛應用于對運動物體的速度、加速度的測量實驗，還可用來驗證牛頓第二定律、機械能守恒等物理實驗，同時也適用于對時間測量精度要求較高的場合，測定短時間間隔的儀表。秒表有機械秒表和電子秒表兩類。機械秒表與機械手表相仿，但具有制動裝置，可精確至百分之一秒；電子秒表用微型電池作能源，電子元件測量顯示，可精確至千分之一秒。在秒表的設計上功能不斷完善，在時間的設計上不斷的精確。人們也用電子技術和相關知識解決了一些實際問題。隨著集成技術的發展，尤其是中、大規模和超大規模集成電路的發展，數字電子技術將會更廣泛的滲透到國民經濟的各個部門，目前數字電子技術已經廣泛應用于計算機、電視、雷達、通信等各個領域，并將產生越來越深的影響。該設計使我們動手能力、實際操作能力、綜合應用能力得到更好的提升。

當TH<VR1、TH>VR2時，比較器C1的輸出vC1=1、比較器C2的輸出vC2=1，SR鎖存器的狀態保持不變，因而TD和v0的狀態也保持不變。

當TH<VR1、TH<VR2時，比較器C1的輸出vC1=1、比較器C2的輸出vC2=0，SR鎖存器被置1，TD截止，同時v0為高電平。

當TH>VR1、TH<VR2時，比較器C1的輸出vC1=0、比較器C2的輸出vC2=0，SR鎖存器

=

=1，TD截止，同時v0為高電平。

這樣就得到表2-1所示的555的功能表。

表2-1 555的功能表

輸入			輸出
	TH		V0	TD狀態
0	x	x	低	導通
1	>	>	低	導通
1	<	>	不變	不變
1	<	<	高	截止
1	>	<	高	截止

2.1.2 多諧振蕩器

多諧振蕩器如圖2-1(c)所示。當電路剛接通電源時，由于C (C1//C2)來不及充電，555電路的2腳處于零電平，導致其輸出3腳為高電平。當電源通過R1、RP向C充電到VC≥VCC時，輸出端3腳由高電路平變為低電平，電容C經R1和內部電路的放電開關管放電。當放電到VC≤VCC時，輸出端又由低電平轉變為高電平。此時電容再次充電，這種過程可周而復始地進行下去，形成自激振蕩。圖2-1(b)是輸出端及電容器C上電壓的波形。

圖2-1(b) 波形圖圖2-1(c)多諧振蕩器

設計振蕩周期為1秒時，參數的確定。

由課本得電路的振蕩周期為

(1)

輸出脈沖的占空比為

(2)

由NE555的特性參數可知，占空比q可為2/3。

故得到R1=R2。

又由式(1)知

若取C=10μF，則代入上式得到

R1=48.31kΩ

2.2 計數器(74LS192)

74LS192是同步十進制可逆計數器，它具有雙時鐘輸入，并具有清除和置數等功能，利用74LS192的計數器功能實現六進制、十進制的計算和倒計時。

其引腳排列及邏輯符號見圖2-2所示：

圖2-2 74LS192引腳排列

計數器74LS192的功能表見表2-2所示

表2-2 74LS192功能表

輸入								輸出
MR		UP	DN	D0	D1	D2	D3	Q3	Q2	Q1	Q0
1	x	x	x	x	x	x	x	0	0	0	0
0	0	x	x	d	c	b	a	d	c	b	a
0	1		1	x	x	x	x	加計數
0	1	1		x	x	x	x	減計數

2.3譯碼器(74LS48)

74LS48芯片是一種常用的七段數碼管譯碼器驅動器，常用在各種數字電路和單片機系統的顯示系統中，下面我就給大家介紹一下這個元件的一些參數與應用技術等資料。

7段顯示譯碼器74LS48是輸出高電平有效的譯碼器，74LS48除了有實現7段顯示譯碼器基本功能的輸入（DCBA）和輸出（QA～QG）端外，74LS48還引入了燈測試輸入端（LT）和動態滅零輸入端（RBI），以及既有輸入功能又有輸出功能的消隱輸入/動態滅零輸出（BI/RBO）端。

圖2-3 74LS48引腳排列

（1）7段譯碼功能（LT=1，RBI=1）

在燈測試輸入端（LT）和動態滅零輸入端（RBI）都接無效電平時，輸入DCBA經74LS48譯碼，輸出高電平有效的7段字符顯示器的驅動信號，顯示相應字符。除DCBA = 0000外，RBI也可以接低電平，見表2-3中1～16行。

（2）消隱功能（BI=0）

此時BI/RBO端作為輸入端，該端輸入低電平信號時，表2-3倒數第3行，無論LT 和RBI輸入什么電平信號，不管輸入DCBA為什么狀態，輸出全為“0”，7段顯示器熄滅。該功能主要用于多顯示器的動態顯示。

表2-3 74LS48功能表

輸入						/	輸出
		D	C	B	A	/	A	B	C	D	E	F	G
1	1	0	0	0	0	1	1	1	1	1	1	1	0
1	x	0	0	0	1	1	0	1	1	0	0	0	0
1	x	0	0	1	0	1	1	1	0	1	1	0	1
1	x	0	0	1		1	1	1	1	1	0	0	1
1	x	0	1	0	0	1	0	1	1	0	0	1	1
1	x	0	1	0	1	1	1	0	1	1	0	1	1
1	x	0	1	1	0	1	0	0	1	1	1	1	1
1	x	0	1	1	1	1	1	1	1	0	0	0	0
1	x	1	0	0	0	1	1	1	1	1	1	1	1
1	x	1	0	0	1	1	1	1	1	0	0	1	1
1	x	1	0	1	0	1	0	0	0	1	1	0	1
1	x	1	0	1	1	1	0	0	1	1	0	0	1
1	x	1	1	0	0	1	0	1	1	0	0	1	1
1	x	1	1	0	1	1	1	0	0	1	0	1	1
1	x	1	1	1	0	1	0	0	0	1	1	1	1
1	x	1	1	1	1	1	0	1	1	0	0	0	0
x	x	x	x	x	x	0	0	0	0	0	0	0	0
1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
0	x	x	x	x	x	1	1	1	1	1	1	1	1

（3）燈測試功能（LT = 0）

此時BI/RBO端作為輸出端，端輸入低電平信號時，表2-3最后一行，與及DCBA輸入無關，輸出全為“1”，顯示器7個字段都點亮。該功能用于7段顯示器測試，判別是否有損壞的字段。

（4）動態滅零功能（LT=1，RBI=1）

此時BI/RBO端也作為輸出端，LT 端輸入高電平信號，RBI 端輸入低電平信號，若此時DCBA = 0000，表2-3倒數第2行，輸出全為“0”，顯示器熄滅，不顯示這個零。DCBA≠0，則對顯示無影響。該功能主要用于多個7段顯示器同時顯示時熄滅高位的零。

2.4 數碼管（7SEG-COM-CATHODE）

現在的許多電器設備上都有顯示十進制字符的字符顯示器，以直觀的顯示出電器設備的運行數據。目前廣泛使用的字符顯示器是七段字符顯示器，或稱七段數碼管。常見的七段數碼管有液晶顯示數碼管和半導體數碼管兩種。

半導體數碼管是由七段發光二極管（Light Emitting Diode）組成，簡稱LED。圖2-4是共陰極數碼管引腳排列。LED產品的種類繁多，有共陰極電路，還有共陽極電路，本設計采用共陰極電路，要驅動LED正常的顯示十進制數的十個字符，LED前面必須接一個顯示譯碼器。

圖2-4 共陰極數碼管引腳排列

第3章電子秒表仿真圖3.1 仿真結果

當連接好的電路原理圖檢查沒有錯誤后即可對它進行仿真，仿真有利于檢查和排除故障，發現并解決問題，保證實驗順利進行，做出來的實物能夠成功的實現其功能。

3.1.1當啟動前,計數器停止時，數碼管顯示00，仿真圖3-1(a);按開關SW1,計數器開始計數，一段時間后，顯示18，仿真圖3-2(b)

圖3-1(a) 停止時仿真圖

圖3-1(b) 啟動時仿真圖

3.1.2若不需要計時或暫停計數時,按開關SW2，計數器立即停止,暫停時值為48，仿真圖3-1(c);再次按開關SW2,數碼管從暫停時值開始計數，一段時間顯示值為55，仿真圖3-1(d)

圖3-1(c) 不需要計時或暫停計數時仿真圖

圖3-1(d) 再次啟動數碼管保留計數時仿真圖

3.1.3倒計時功能

斷開開關SW2，打開開關SW3，計數器啟動倒計時功能，剛開始顯示數值99，仿真圖3-1(e)；一段時間后，數碼管顯示數值88，仿真圖3-1(f)。

圖3-1(e) 倒計時功能，開始時電路仿真圖

圖3-1(f) 倒計時功能，一段時間后電路仿真圖

3.2 仿真結果分析

555時基電路構成的多諧振蕩器無需外加輸入信號就能在接通電源后自行產生矩形波輸出。但555時基電路的精度并不是很高，而且電路也會受到溫度的影響，尤其是冬季和夏季產生的誤差相對較大。本次設計中利用555產生1000HZ的脈沖信號實際上并不是精確地等于1000HZ，根據設定的參數可以算的實際上產生脈沖信號的頻率為1003.5HZ，當計時時間較長時就會產生比較明顯的誤差，而且誤差隨著計時時間的增長而變大。因此，實際應用中若要求精度較高常常采用石英晶體振蕩器來產生脈沖信號，但555定時器由于其輸出驅動電流大、功能靈活，在電子電路中也獲得廣泛應用。

總結

本次電子秒表的設計我認為具有很大的實用性，它可應用于對運動物體的速度、加速度的測量實驗還可用來驗證牛頓第二定律、機械能守恒等物理實驗，同時也適用于對時間測量精度要求較高的場合，測定短時間間隔的儀表。主要是通過數字電子技術的一些芯片，來設計本課題的三個要求。通過NE555定時器設計成多諧振蕩器來產生一秒脈沖，產生的脈沖為74LS194計數器提供脈沖信號，計數器74LS194進行計數，通過譯碼器74LS48轉換，再通過數碼管顯示出數字。本課題我做了一個小的創新，通過開關使脈沖接到計數器74LS194的減的端口DN，以此實現倒計時的功能。此次課程設計有一些不足之處，NE555定時器的具體參數查詢不到，占空比不能夠準確知道，因此秒表存在一些偏差。可以通過查閱NE555定時器的占空比，來提高計時的精度。繼續開展研究、設計可提高電子秒表的精度，若想提高精度常常采用石英晶體振蕩器來產生更精確的脈沖信號。精度提高，此設計便能廣泛應用于計算機、電視、雷達、通信等各個領域，實現電子秒表的價值。

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