电子秒表的设计与制作

1课题五电子秒表的设计与制作电子秒表作为典型的数字电路应用产品，它的电路组成涉及到触发器，单稳态触发电路，时钟发生电路及计数器，译码显示等数字电路中常用的单元电路。通过对一个简易的电子秒表的设计与制作，可以使学生熟悉这些单元电路的综合应用及一个数字电路小系统的安装与调试方法。1.设计内容和要求用数字集成组件设计.安装与调试，1只电子秒表，设计要求为：1．两位数码管显示，计时范围为0.1~0.9S，步进为0.1S。2．制成的电子秒表应具有起动，停止与清零等基本功能。3．计数精度要求为在9.9S计数时间内，时间误差不超过±10ms。4．可以用外接直接电流。完成对电路的选择，参数设计，安装与调式，达到设计要求。2.设计方案的选择对电子秒表的设计虽然有多种方案，但主体电路都是对高稳定的时钟信号进行分频、计数译码与显示，再配以方便的使能按键，如起动、停止、保存和清除等。对于本课题，选择的设计方案如图3—5—1所示。图3-5-1电子秒表设计方案方框图图中，时钟发生器产生频率较高的，脉冲波以提高系统的计时精度，由于设计要求中对精度的要求并不高，选用普通器件组成一个方波发生器产生100Hz的脉冲波。100Hz的脉冲波经十分频电路获得10Hz的脉冲波，作为0.1S位计时器的脉冲源。0.1S位设计2成一个十进制计数器，其进位输出即为秒脉冲，作为秒位计数器的时钟。启动开关给闸门电路一个高电平以打开闸门，100Hz脉冲源作为分分频电路的时钟，若分频电路也是一个十进制计数器，则进位输出即为10HZ的时钟脉冲信号。启动、停止开关控制电路应在起动端产生一个高电平使闸门打开，同行在它的停止端应提供一个供清零信号产生电路的起动信号，同时清零信号使输出各计数器瞬间清零。当停止端输出高电平时，启动端必须为低电平以封锁闸门，使各计数器停止计数并保持。3.单元电路的设计⑴启动和停止开关控制电路设置两个按键开关K1,K2,K1作为启动开关，K2作为停止开关，且按下为低电平，松开为高电平。对开关控制电路的要求是：当K2按下，停止端为高电平，清零电路不工作。启动端为低电平，闸门关闭，分频器不工作；当K1按下，停止端由高电平变成低电平，使负脉冲触发的清零信号电路产生清空信号对计数器立即清零，启动端由低电平变为高电平，闸门打开，分频器不工作；再按停止开关K2，启动端输出低电平而封锁闸门，停止计数，但停止端由低电平变为高电平，清零电路不工作而无清零信号产生，计数器保持原计数状态。K1，K2两开关不允许同时按下。由上分析，开关控制电路可用一个基本触发器来完成。启动端设为Q端，停止端为Q端，特性表如表3-7所示。表3-7启动、停止开关控制电路特性表1k2knQ1nQ1111010110100000010101010111001*1*状态不定3图3-5-2起动停止开关控制电路用两只与非门组成的开关控制电路如图3-5-2所示。图中G1，G2可选用四2输入与非门74LS00，R1，R2为输入端保护电阻，取R1=R2=3K(2）清零信号产生电路对清零信号的要求是：在闸门电路打开的瞬间，对各计数器立即清零，但清零信号为低电平，且宽度twT（T为时钟源周期，若取时钟源为100Hz方波，则T=10ms）。很显然，清零电路是一个由负脉冲触发，且输出暂态仍为低电平的单稳态电路。电路可采用与非门组成的微分型单稳态电路，也可以用555定时器组成单稳态触发器，负脉冲触发，但暂稳态为高电平，再加一级反相器以获得低电平清零信号。综上分析：本课题选用与非门组成的微型单稳态电路。如图3-5-3所示。图3-5-3清零信号产生电路图中R3、C1组成无源微分电路，由启动停止控制电路Q端，提供控制信号uI。稳态时，ud为高电平，uo亦为高电平，uo1,uI2均为低电平。当K1按下，Q有高电平变为低电平的瞬间，uI有一个下跳使ud下跳，当ud有一个下跳到G3的阀值电平VTH时，将产生正反馈，反馈过程如下：4正反馈使uo1迅速跳变为高电平。由于电容上的电压不能突变，故UI2也同时跳至高电平，并使uo变成低电平，这时即使ud回到高电平，uo仍维持低电平不变。与此同时，G3,G4之间的R4、C2组成的微分环节中，C2开始放电，UI2随着放电时间推迟，当UI2下降到G4的阀值电平VTH时，又引起一个正反馈过程：结果使uo1、uI2迅速跳变为低电平，并使uo返回高电平的稳态。由上分析，图3-5-3的单稳态电路可满足本课题的设计要求，参数选择如下：根据单稳态电路暂态脉冲宽度为tw=RC㏑2=0.69RC,若取暂态脉冲宽度为50us取C2=1000pF，则R4=269.0CtWC=5010-6／0.69100010-6=72463取R4=75K,由R3C1组的微分电路、应满足R3C1R4C2,取R3=10K,C1=510PF。（3）时钟发生器电路时钟发生器的主要任务是产生较高、稳定性的100Hz的时钟信号，实质上是一个方波发生器。组成方波（脉冲波）发生器的电路形式也很多，如用与非门组成的多谐振荡器、用555定时器组成的多谐振荡器等等。本课题的时钟电路选用555定时器组成的时钟发生电路。如图3-5-4所示。图3-5-4时钟发生器电路电路参数设计如下：由T1=2ln)2(135CRRP=100Hz若取C3=0.1uF则5RP+2R5=1／10010-60.69=144.3K,取R5=51K,RP1为100K电位器取R4=0.01uF（4）计数及分频器电路由方框图可知，100Hz时钟源通过闸门先进入十分频，获得0.1S级的时钟。作为一个十进制计数器的CP，计数输出X0.1S位的译码显示。其进位脉冲又作为一个十进制计数器的时钟-秒脉冲，完成秒位的计数、译码显示。选择十进制同步加法计数器74LS160作为计数器，电路图如3-5-5所示。图3-5-5分频、计数、译码显示电路表3-874LS160功能表图中74LS160为集成同步十进制计数器，其功能表如表3-8所示。如功能表知；要使74LS160处于计数工作状态，异步置零端RD,同步置数端LD,工作状态控制端EP、ET均为高电平。当时钟脉冲上升沿到来时，计数器翻转，当Q3Q2Q1Q0=1001时，进位端6C=1，再来一个CP上升沿，C由1变为0且Q3Q2Q1Q0=0000。三片74LS160构成串联进位方式，因74LS160（0）输入CP为100Hz脉冲，则C的频率为10Hz，每0.1S通过G6为74LS160（1）提供一个时钟上升沿，同理，74LS160（1）也接成一个十进制计数形式，每隔1S为74LS160（2）提供一个时钟上升沿，G7的作用同G6,74LS160（1）的Q3Q2Q1Q0=1001时，C产生一个上升沿，若不加G7，则74LS160（2）将提前一个CP翻转。三个计数器的RD端均接来自于单稳态电路的清零信号端，当启动开关K1按下一次单稳态产生一个脉宽为50uS的负脉冲，使各计数器RD在50uS时间内为低电平而实现计时器清零一次。（5）译码显示单元电路选择电路如图3-5-5上半部分。根据LED数码管是共阴还是共阳结构，选择相应的BCD码输入的四线—七段译码／驱动器。图3-5-5中，LED选用七段显示共阳极数码管，故译码器选用低电平有效的七段译码／驱动器74LS47(或74LS247)。图中，四线输入A3、A2、A1、A0分别接对应位计数器输出Q3、Q2、Q1、Q0端，7个输出端口分别按LED的a,b,c,d,e,f,g端。秒位数码管的h端为小数点控制端，要显示小数点，对共阳结构h端应接低电平。4．总电路图由上设计，将各单元电路连接，得电子秒表总电路如图3-5-6所示。7图3-5-6电子秒表总电路图5．实验与调试（1）电路装配图的绘制由于数字电路中，中、小规模集成电路芯片比较多，造成引线过多过密，在安装调试的过程中往往造成错接、多接、少接，故障检查费时太多。为了使于安装、检查，在装配之前必须认真查阅相关芯片的管脚功能图，并按管脚排列画出该电路的装配图。由总电路图可知，电子秒表的G1、G2、G3、G5可用1片四二输入与非门74LS00，高G4、G6、G7为3只反相器，可选用1片六反相器74LS04(只用三个单元)，1片555定时器，三片74LS160，二片74LS47，其管脚功能及管脚图见附录三四。两只LED数码管参考管脚如图3-5-7所示。图中对共阳极结构③、⑧脚接地，⑩脚为小数点位，不用可悬空，若显示小数点⑩脚接地。对于共阴结构，③、⑧、⑩应接+5V电源。8图3-5-7LED数码管的管脚电子秒表总装配图如图3-5-8所示。图3-5-8电子秒表总装配图⑵根据装配图，在插线板上对电路各元器件合理布局，可以一次安装分单元调试，最后再联调，也可以逐级安装调试，直至整个系统。整体安装的好处是可以根据安装图9合理布线，如用红线做+5V电源线，一次将各芯片电源线连接并检查无错无漏，用蓝线作为地线、将各芯片地线接通并逐级检查无误，再用其它颜色的连接线逐级安装各功能电路。⑶各级安装调试及功能测试①启动、停止控制电路的安装与调试任意选择74LS00中的两个与非门，如装配图中所示，连接成基本RS触发器，接通+5V电源，按表3-7分别按下K1、K2,测量Q,Q端是否符于逻辑要求，即先按下K2,万用表直流电压挡测量Q,Q，是否是Q=1，Q=0,并注意高电平、低电平的幅值是否达到要求。再按一下K1,应该为Q=0，Q=1。可多试几次，保证动作可靠。②清零电路的安装与调试按图3-5-3所示单稳态电路和图3-5-8门电路的选择，以74LS00的第3单元与非门作为G3,74LS04第1单元反相器作为G4。两个微分环节R3C1、R4C2,本单元电路因跨接2片集成组件，一定要注意连接无误，电源、地线一定要正确接通。通电后可用示波器观测G4输出有没有负向脉冲波，方法是按一下K1，示波器应显示一次负向脉冲波形。若没有产生清零信号，应检查启动停止电路的逻辑状态。R3C1微分环节有没有产生负向尖脉冲触发信号。波形出现后，应测量脉冲宽度、幅度。③时钟发生电路的安装与调试时钟发生电路是用1片555定时器,组成的多谐振荡器，波形周期为10ms。根据设计要求，秒表最大计时9.9s内，时间误差不能超过±10ms，电子秒表三级计数器计数长度为1000。由此推算，时钟源的周期误差应在±0.01ms内，本级调试的主要工作量是周期的调试，选择C3为高质量电容，精心调整Rp，使方波周期在10ms±0.01ms范围内。根据相关文献记载，用555定时器组成的方波发生器，误差只能做到±1%，而本课题的精度要求在±0.1%，很难达到设计要求。解决的办法是采用石英晶体振荡器与与非门组成方波发生器，利用石英晶体的高精度以达到对稳定度的要求，请读者参阅相关资料。④分频、计数、译码与显示电路的安装与调试分频、计数实质上是一个三级串联进位方式的十进制计数器，0.1S位和S位译码显示均为标准形式。芯片多、引线多，功能端的电平要求严格是这部分电路的特点，但只要芯片质量检查没有问题，引线连接无误，一般会正常工作。若出现不能正常显示的情况，应逐级逐片检查，方法选用示波器观察如各计数器的Q端波形，用万用表检查使能端电平等。106.元器件清单序号名称符号规格型号数量1电阻R1,R20.125W3K22电阻R30.125W10K13电阻R40.125W75K14电阻R50.125W51K15电容器RP0.125W100K16电容器C1510PF17电容器C2CB1000PF18电容器C30.01UF19四2输入与非门G1,G2,G3,G574LS00110六反相器G4,G6,G774LS04111同步加法计数器74LS160312四段七段译码器74LS47213LED数码管共阳214按键K1,K227.设计任务①分析电子表的设计要求，研究设计方案图3-5-1的优缺点。②为了满足时间精度要求，时钟电路应如何改进，试更新设计一个用石英晶体振荡器产生方波的时钟电路。③画出电子秒表的总电路图，说明电路的工作原理，并比较电原理图与装配图的区别。