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电子秒表说明书

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目 录
第1章 绪论…………………………………………………………1
1.1课题背景…………………………………………………… 1
1.2设计题目和设计指标…………………………………………1
1.3设计功能…………………………………………………… 1
第2章 电路的方框图………………………………………………2
2.1电路的方框图……………………………………………… 2
2.1电路的方框图的原理说明……………………………………3
第3章 单元电路设计与分析………………………………………4
3.1多谐振荡电路……………………………………………… 4
3.2 控制电路……………………………………………………6
3.3 分频电路……………………………………………………7
3.4译码显示电路……………………………………………… 8第4章 整机电路的组成………………………………………… 10
4.1 整机电路原理图………………………………………………… 10
4.2整机电路的工作原理……………………………………… 11
第5章 电路的组装调试………………………………………… 12
5.1 合理布局……………………………………………… 12
5.2 分级调试……………………………………………… 13
结论……………………………………………………………… 14
收获和体会……………………………………………………… 15
致谢……………………………………………………………… 17
参考文献………………………………………………………… 18
附录……………………………………………………………… 19
课 程 设 计 任 务 书
课程设计题目
电子秒表
功能
技术指标

功能: 直接显示”秒”和”毫秒”的电子秒表, 计时时间( 0-999S) 。
技术指标:
1. 计数范围000~999。
2. 具有启动、 暂停、 停止功能。
工作量
三周

工作计划

3月7日 开题
3月8日 查资料, 分析原理
3月9日列元器件表, 买元器件
3月10日 画出原理框图
3月11日～3月20日 安装调试电路
3月21日作品验收
3月22日～3月23日 终检写说明书
3月24日 准备答辩
3月25日 答辩

指导教师评语

指导教师签字:
年 月 日

第１章　绪论
１.１ 课题背景
随着电子技术的发展, 电子技术在各个领域的运用也越来越广泛。人们对它的认识也逐渐加深。作为一个学习电子专业的大学生, 我们不但要有扎实的基础知识、 课本知识, 还应该有较强的动手能力。现实也要求我们既精通电子技术理论, 更要掌握电子电路设计、 实验研究和调试技术。
１.２ 技术指标
1. 计数范围000~999。
2. 具有启动、 暂停、 停止功能。
１.３ 设计功能
电子秒表是重要的记时工具,广泛运用于各行各业中。它可广泛应用于对运动物体的速度、 加速度的测量实验,还可用来验证牛顿第二定律、 机械能守恒等物理实验,同时也适用于对时间测量精度要求较高的场合.测定短时间间隔的仪表。作为一种测量工具, 电子秒表相对其它一般的记时工具具有便捷、 准确、 可比性高等优点, 不但能够提高精确度, 而且能够大大减轻操作人员的负担, 降低错误率。

第２章　方框图的设计
２.１ 电路的方框图
电路的方框图主要由脉冲产生电路、 控制及分频电路、 计数电路、 译码驱动电路及显示电路等单元电路的综合电路组成。如图2—1所示。
脉冲产生电路
控制及分频电路
计数电路
译码驱动电路
显示电路
图2-1　电子秒表电路方框图

２.２ 方框图的原理
2.2.1 脉冲产生电路
由NE555构成的多谐振荡器, 是一种能产生矩形波的自激振荡器, 也称矩形波发生器。多谐振荡器没有稳态, 只有两个暂稳态。在工作时电路在这两个稳态之间自动的交替变换, 由此产生矩形脉冲信号, 常见作脉冲信号源及时序电路中的时钟信号。而且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。

2.2.2 控制及分频电路
( 1) 清零的功能
利用74LS90的使能端, 74LS90的R01·R02=0 , R91·R92=0计数进行。
R01·R02=1时清零。将R01( 2脚) 接空相当于接高电平, R02( 3脚) 接单刀双制开关的中间端, 然后两端分别接地与电源, 则当开关合向地时计时, 当开关合向电源时清零。
( 2) 暂停的功能
用一个开关控制振荡器的输出端与分频电路的输入端的开合。合则继续, 开则暂停。
2.2.3 计数电路
74LS90 是异步二—五—十 进制加法计数器, 它既能够作二进制加法计数器, 又能够作五进制和十进制加法. 将12脚与1脚相连组成十进制计数器。并将6、 7脚接地, 2、 3脚相与得零则计数器开始计数。14脚为脉冲输入端, 将前一个芯片的11脚与后一个的14脚连接则构成74LS90十进制计数的级联。
2.2.4 译码显示电路
74LS47, 是一种常见的七段显示译码器, 该电路的输出为低电平有效, 该译码器能够驱动七段显示器显示0～9共10个数字的字形。将其与数码管相应脚相连则构成译码显示电路。

第3章 单元电路的设计与分析
3.1 多谐振荡电路
由555定时器和外接元件R1、 R2、 C构成多谐振荡器, 脚2与脚6直接相连。电路没有稳 态, 仅存在两个暂稳态, 电路亦不需要外接触发信号, 利用电源经过R1、 R2向C充电, 以及C经过R2向放电端Dc放电, 使电路产生振荡。电容C在2/3Vcc和1/3Vcc之间充电和放电, 从而在输出端得到一系列的矩形波, 对应的波形。如图3-1。
输出信号的时间参数是: T=tw1+tw2 ( 式3—1)
tw1=0.7( R1+R2) C ( 式3—2)
tw2=0.7R2C ( 式3—3)
其中, tw1为Vc由1/3Vcc上升到2/3Vcc所需的时间, tw2为电容C放电所需的时间。
555电路要求R1与R2均应不小于1KΩ, 但两者之和应不大于3.3MΩ。外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性, 555定时器配以少量的元件即可获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输出能力。
( b)
( a)

图3-1　555电路图及波形图

图3-2　555引脚图

555定时器的逻辑功能
TH

OUT
DIS
×
×
0
0
导通
＞
＞
1
0
导通
＜
＞
1
保持
保持
×
＜
1
1
截止

多谐振荡器如图3-1(a)所示。当电路刚接通电源时, 由于C (C1//C2)来不及充电, 555电路的2脚处于零电平, 导致其输出3脚为高电平。当电源经过R1、 Rp向C充电到Vc≥Vcc时, 输出端3脚由高电路平变为低电平, 电容C经R1和内部电路的放电开关管放电。当放电到Vc≤Vcc时, 输出端又由低电平转变为高电平。此时电容再次充电, 这种过程可周而复始地进行下去, 形成自激振荡。图3-1(b)是输出端及电容器C上电压的波形。

3．2 控制电路
( 1) 清零的功能
利用74LS90的使能端, 74LS90的R01·R02=0 , R91·R92=0计数进行。 R01·R02=1时清零。将R01( 2脚) 接空相当于接高电平, R02( 3脚) 接单刀双制开关的中间端, 然后两端分别接地与电源, 则当开关合向地时计时, 当开关合向电源时清零。
( 2) 暂停的功能
用一个开关控制振荡器的输出端与分频电路的输入端的开合。合则继续, 开则暂停
3．3 分频电路
计数器是一个用以实现计数功能的时序部件,它不但可用来计脉冲数,还常见作数字系统的定时,分频和执行数字运算以及其它特定的逻辑功能. 计数器种类很多.按构成计数器中的各触发器是否使用一个时钟脉冲源来分,有同步计数器和异步计数器.根据计数制的不同,分为二进制计数器,十进制计数器和任意进制计数器.根据计数的增减趋势,又分为加法,减法和可逆计数器.还有可预置数和可编程序功能计数器等等。
本次分频电路主要由74LS90完成, 如图3-6所示为74LS90的引脚排列图, 其中计数器接成十进制形式, 对频率为50HZ 的时钟脉冲进行五分频, 在输出端QD 取得周期为0.1S 的矩形脉冲, 作计数器的时钟输入。计数器③的输出端与实验装置上译码显示单元的相应输入端连接, 可显示000 ～999 秒; 000 ～999 秒计时。

图3-5 74LS90级联图

图3-6 74LS90的引脚排列图

经过不同的连接方式, 74LS90 能够实现四种不同的逻辑功能; 而且还可借助R0 (1) 、 R0 (2) 对计数器清零, 借助S9 (1) 、 S9 (2) 将计数器置9 。其具体功能详述如下:
(1)    计数脉冲从CP1 输入, QA 作为输出端, 为二进制计数器。
(2)     计数脉冲从CP2 输入, QD QC QB 作为输出端, 为异步五进制加法计数器。

表3-7  74LS90功能表
输    入
输  出
功    能
清  0
置  9
时    钟
QD  QC  QB  QA
R0(1) R0(2)
S9 (1) S9(2)
CP1   CP2
1
1
0
×
×
0
×     ×
0
0
0
0
清    0
0
×
×
0
1
1
×    ×
1
0
0
1
置    9
0     ×
×     0
0     ×
×     0
↓     1
QA   输  出
二进制计数
1     ↓
QD QC QB 输出
五进制计数
↓    QA
QD QC QB QA 输出8421BCD 码
十进制计数
QD      ↓
QA QD QC QB 输出5421BCD 码
十进制计数
1     1
不   变
保   持

(3) 若将CP2 和QA 相连, 计数脉冲由CP1 输入, QD 、 QC 、 QB 、 QA 作为输出端, 则构成异步8421 码十进制加法计数器。
(4) 若将CP1 与QD 相连, 计数脉冲由CP2 输入, QA 、 QD 、 QC 、 QB 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”; S9(1)、 S9(2) 中有”0”时, 实现异步清零功能, 即QDQCQBQA ＝0000 。
b)  置9 功能
当S9 (1)、 S9(2) 均为”1”; R0(1)、 R0(2) 中有”0”时, 实现置9功能, 即QD QCQBQA＝1001。
3．4 译码驱动电路
译码器是一个多输入, 多输出的组合逻辑电路.它的作用是把给定的代码进行"翻译", 成相应的状态,使输出通道中相应的一路有信号输出。译码器在数字系统中有广泛的用途, 不但用于代码的转换,终端的数字显示,还用于数据分配, 存贮器寻址和组合控制信号等。不同的功能可选用不同种类的译码器。
本次采用的是74LS47译码器。它是BCD-7段数码管译码器/驱动器, 74LS47的功能用于将BCD码转化成数码块中的数字,经过它解码, 能够直接把数字转换为数码管的显示数字。译码为编码的逆过程。它将编码时赋予代码的含义”翻译”过来。实现译码的逻辑电路成为译码器。译码器输出与输入代码有唯一的对应关系。74LS47是输出低电平有效的七段字形译码器, 它在这里与数码管配合使用。

3.5 显示电路
现在的许多电器设备上都有显示十进制字符显示器, 以直观的显示出电器设备的运行数据。当前广泛使用的字符显示器是七段字符显示器, 或称七段数码管。
共阳极数码管的8个发光二极管的阳极( 二极管正端) 连接在一起。一般, 公共阳极接高电平( 一般接电源) , 其它管脚接段驱动电路输出端。当某段驱动电路的输出端为低电平时, 则该端所连接的字段导通并点亮。根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。此时, 要求段驱动电路能吸收额定的段导通电流, 还需根据外电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。

第4章　整机电路的组成
４.１ 整机电路原理图
整机电路由组成整机原理图见图4-1。

图4-1整机电路原理图

4.2 整机电路的工作原理
把电路接通电源, 合上k1电路接通电源开始工作, 数码管变亮。k3合向1端则使得74ls90 R02接地, 和R01相与为0, 则秒表开始计数, 如果合向3端, 相与为1则数码管清零。如果k2断开, 振荡器与后面部分断开, 则计时暂停, 闭合则继续。计数部分的输出的二进制数信号经过译码器的译码后送数码管显示。

第５章　电路的组装与调试
５.1 合理布局
电路在安装前要将各级进行合理布局, 一般按照电路的顺序一级一级地布局, 在此过程中我们本着以下原则:
1. 了解元件管脚功能。
2. 布线尽可能少, 合理进行步线。
3. 电源线用红线, 地线用黑线。
4. 布线规律有制,尽量减少交叉。
5．美观大方。
注意事项:
1． 万用板各个所用电源, 地都连起来。
2． 防止接线短路。
3． 元件注意不可接反。
5.2 分级调试
电路的调试过程一般是先分级调试, 再级联调试, 最后整机调试与性能指标测试。
5.2.1 振荡电路的测试
示波器输出波形为

调节Rp 使得输出波形的频率为10HZ 。用555 定时器构成的多谐振荡器, 作为时钟源。
5.2.2 计数器的测试
计数器分别接成十进制形式, 将计数器( 1) ( 2) ( 3) 级连, 进行逻辑功能测试, 并记录.
5.2.3 译码显示电路的测试
看数码管的输出是否有输出, 范围为000 ～999s 。
5.2.4 控制电路
拨动K3看显示是否清零、 计时。拨动K2看显示是否暂停、 继续。

结 论
本次课程设计的题目是电子秒表, 技术指标为: 计数范围为0-999, 能够清零、 暂停。至今各项指标都已实现。整个过程历经3个星期, 从资料的查询, 方案的确定, 以及电路板的制作。
本电路由555振荡器、 控制、 分频、 计数、 译码显示几个部分组成, 各电路的功能都已实现且运行良好。
在本次设计的过程中, 本组所设计和制作的电路还存在许多的不足之处。如: 布线稍微凌乱, 原件摆放松散, 工艺有所欠缺。
经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。

收获与体会
经过本次课程设计我学到了许多课本所学不到的知识, 也颇有心得。首先我们的基本技能得到了提高, 如基本仪器仪表的使用, 常见元器件的识别、 测量、 熟练运用的能力。经过对已学知识的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。
三周的课程设计已经结束, 虽然很辛苦, 但给我带来了从未有过的体验与喜悦。在设计实践的过程中, 我深深的体会到必须要有扎实的知识基础, 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。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她们的功能, 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。
在设计电路中,完成电路图只是完成了设计的一小部分, 更加困难的是对电路的验证和纠错, 在这过程中我接触到了很多未接触过的检查方法和思想。在电路的仿真过程中出错的主要原因都主要是接线的错误所引起的。接线的时候一定要细心, 不要接错, 同时也要学会如何判别芯片的功能, 要是芯片不具备要求的功能, 或者, 不匹配, 即使接线再正确也出不来结果。这次课程设计终于顺利完成了, 在设计中遇到了很多专业知识问题, 最后在老师的辛勤指导下, 终于游逆而解。同时, 在老师的身上我们学也到很多实用的知识, 在次我们表示感谢! 同时, 对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢!
此次课程设计, 学到了很多课内学不到的东西, 比如独立思考解决问题, 出现差错的随机应变, 和与人合作共同提高, 都受益非浅, 今后的制作应该更轻松, 自己也都能扛的起并高质量的完成项目。同时我认为我们的工作是一个团队的工作, 团队需要个人, 个人也离不开团队, 必须发扬团结协作的精神。某个人的离群都可能导致导致整项工作的失败。实习中只有一个人知道原理是远远不够的, 必须让每个人都知道, 否则一个人的错误, 就有可能导致整个工作失败。团结协作是我们实习成功的一项非常重要的保证。
经过这次课程设计学习, 我越发感觉电子设计不是死板的东西, 是有很大科学性与艺术性的。不同芯片的使用, 不同的接线方法, 不同的变量, 不同的实现思路, 经过组合后几乎能够称之为艺术。这次课程设计使我对各种电路都有了大概的了解, 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。同时, 让我明白: 电子设计容不得纸上谈兵, 只有自己动手实际操作才会有深刻理解, 才会有收获, 所谓”千里之行, 始于足下”, 这次课程设计最大的意义在于让我们迈出了通往电子专业的第一步。
这次课程设计终于顺利完成了, 在设计中遇到了很多专业知识问题, 最后在老师的辛勤指导下, 终于游逆而解。同时, 在老师的身上我们学也到很多实用的知识, 在次我们表示感谢! 同时, 对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢!
在此, 感谢王老师的细心指导, 也同样谢谢其它各组同学的无私帮助!

致 谢
这次课程设计终于顺利完成了, 在设计中遇到了很多问题, 最后在王朋老师的辛勤指导下, 终于迎刃而解。在我的课程设计中对我帮助最大莫过于我的指导教师王朋老师了。
这次课程设计顺利的成功, 首先感谢指导教师王朋老师在课程设计期间所给予的关心和帮助, 是她给了我们最大的支持, 鼓励和帮助。才使我们完成本次课程设计。每当我们遇到疑难不解的问题时, 老师都能第一时间里给与我们帮住, 她这种认真负责工作态度和宽以待人的崇高品质值得我们学习和借鉴。
另外, 我还要感谢实验室的老师们, 当我们在搭建电路元件时, 给予我们很大的帮助, 有时还与我们一起讨论造成电路有问题的原因。实验室的老师们都会按时值勤, 给我们设计人员提供物质和精神上的帮助。她们能够帮助我们的尽一切的可能来帮助, 帮助不了的, 她们会与我们一起想办法来解决。
因此我要衷心地感谢老师们给予我们的关怀和照顾, 在这里请允许我向各位老师道声”老师, 您们辛苦了!
在这里, 我要再一次对我的导师及电子系的全体老师表示深深的谢意! 是在你们的支持与帮助下我们顺利的完成了此次课程设计。

参考文献
1杨欣．王玉凤.电子设计从零开始.清华大学出版社, :172-173
2余孟尝.数字电子技术基础简明教程．高等教育出版社, 1985:150-155
3彭铭泉.通用集成电路速查手册.山东科学技术出版社, : 167-168
4 高志清.数字电路逻辑设计.大连理工出版社, :192-195
5张庆权.电子元器件的选用与检测.机械工业出版社, :420-426
6 沈明山.常见电子元件手册.机械工业出版社, :260-264
7 郭培源.电子电路及电子器件.高等教育出版社, : 65-69
8 杨素行.模拟电子技术基础.高等教育出版社, : 212-220
9 刘维恒.实用电子电路基础.电子工业出版社, : 69-71
10 王武江.陈树凯.常见集成电路速查手册.冶金工业出版社, : 105-110
11 成立.电子技术.北京理工大学出版社, : 91-95

附录1 元器件清单
序号
元件名称
元件数量
1
74Ls90
3个
2
74Ls47
3个
5
NE555
1个
6
470Ω电阻
21个
7
650k电阻
1个
9
200k电位器
1个
12
200K电位器
1个
13
100n 电容
2个
16
数码管
3个
17
单刀双制开关
2个
18
自锁开关
1个
19
导线
若干