数字电子技术基础课程设计说明书多人数字秒表的设计
武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书目录1 Protues简介12 多功能数字秒表方案设计与论证33多功能数字秒表总体设计34多功能数字秒表的工作原理44.1脉冲源电路44.2总清零控制电路84.3时间计数单元94.4分频器电路114.5 码驱动及显示单元144.6多功能数字秒表电路的组合155 电路的调试185.1 时钟发生器的测试185.2 计数、译码、显示单元的测试185.3 整体测试195.4 电子秒表准确度的测试196.硬件设计207.课程设计心得218.参考文献22本科生课程设计成绩评定表231 Protues简介Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。 其功能特点如下: Proteus软件具有其它EDA工具软件（例：multisim）的功能。这些功能是：（1）原理布图（2）PCB自动或人工布线（3）SPICE电路仿真具有3大功能模块:（1）个易用而又功能强大的ISIS原理布图工具；（2）PROSPICE混合模型SPICE仿真;（3） ARES PCB设计. Protues提供了丰富的资源: （1）Proteus可提供的仿真元器件资源：仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，有30多个元件库。（2）Proteus可提供的仿真仪表资源 ：示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。（3）除了现实存在的仪器外，Proteus还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似，但功能更多。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。这些都尽可能减少了仪器对测量结果的影响。 （4）Proteus可提供的调试手段 Proteus提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。 软件仿真:支持当前的主流单片机，如51系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列、68000系列等。（1）提供软件调试功能（2）提供丰富的外围接口器件及其仿真RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。这样很接近实际。在训练学生时，可以选择不同的方案，这样更利于培养学生。（3） 提供丰富的虚拟仪器利用虚拟仪器在仿真过程中可以测量外围电路的特性，培养学生实际硬件的调试能力。（4） 具有强大的原理图绘制功能电路功能仿真:在PROTUES绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件：*.HEX，可以在PROTEUS的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。 PROTEUS是单片机课堂教学的先进助手。PROTEUS不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程形象化。前者可在相当程度上得到实物演示实验的效果，后者则是实物演示实验难以达到的效果。 它的元器件、连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应。这在相当程度上替代了传统的单片机实验教学的功能，例：元器件选择、电路连接、电路检测、电路修改、软件调试、运行结果等。 课程设计、毕业设计是学生走向就业的重要实践环节。由于PROTEUS提供了实验室无法相比的大量的元器件库，提供了修改电路设计的灵活性、提供了实验室在数量、质量上难以相比的虚拟仪器、仪表，因而也提供了培养学生实践精神、创造精神的平台 随着科技的发展，“计算机仿真技术”已成为许多设计部门重要的前期设计手段。它具有设计灵活，结果、过程的统一的特点。可使设计时间大为缩短、耗资大为减少，也可降低工程制造的风险。相信在单片机开发应用中PROTEUS也能茯得愈来愈广泛的应用。 本次多功能数字秒表课程设计就是基于PROTEUS仿真软件进行仿真的设计与制作的。2 多功能数字秒表方案设计与论证电子秒表的工作原理就是不断输出连续脉冲给加法计数器，而加法计数器通过译码器来显示它所记忆的脉冲周期个数。1.时钟发生器：利用石英震荡555定时器构成的多谐振荡器做时钟源,产生脉冲。 2.记数器：对时钟信号进行记数并进位,百分之一秒和十分之一秒以及个位秒之间10进制,十位秒为六进制; 本设计采用可预置的十进制同步加法计数器74LS160构成电子秒表的计数单元。 3.译码器：对脉冲记数进行译码输出到显示单元中。4.显示器：采用4片LED显示器把各位的数值显示出来，是秒表最终的输出，共有四位，精确到百分之一秒；74LS48是BCD码到七段码的显示译码器。 5.控制器：控制电路是对秒表的工作状态（记时开始/暂停）进行控制的单元。属低电平直接触发的触发器，有直接置位、复位的功能。 3多功能数字秒表总体设计图 3-1 总体工作流程图 图 3-2 单独模块工作流程图 4多功能数字秒表的工作原理4.1脉冲源电路 用 555 实现多谐振荡产生频率为100Hz的方波（即周期为0.01秒的方波）。 图 4-1 555管脚图 图4-2 555内部原理图 （1）555电路的工作原理555电路的内部电路方框图如图4-2所示。它含有两个电压比较器，一个基本 RS触发器，一个放电开关管 T，比较器的参考电压由三只5K Q的电阻器构成的分压器提供。它们分别使高电平比较器C1的同相输入端和低电平比较器C2的反相输入端的参考电平为2/3Vcc和上1/3Vcc。C1与C2的输出端控制RS触发器状态和放电管T的开关状态。当输入信号自6脚即高电平触发输入并超过参考电平2/3Vcc时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电开关管T导通：当输入信号自2脚输入并低于1/3Vcc时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电开关管截止。4脚是复位端，当=0，555的3脚输出低电平。平时端开路或接Vcc， 5脚Vco是控制电压端，平时输出2/3Vcc作为比较器C1的参考电平，当5脚外接一个输人电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.047µf的电容器接地，起滤波作用，以消除外来的干扰，确保参考电平的稳定。T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻值的放电通路。555定时器主要是与电阻、电容构成充放电电路，并由两个比较器来检测电容器上的电压，以确定输出电平的高低和放电开关管的通断。这就很方便地构成从微秒到数十分钟的延时电路，可方便地构成单稳态触发器，多谐振荡器，施密特触发器等脉冲产生或波形变换电路。（2）构成多谐振荡器如 图4-3（a）, 由555定时器和外接元件、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，电路亦不需要外加触发信号，利用电源通过、向充电，以及通过向7脚放电端放电，其波形如 图4-3（b）所示。输出信号的时间参数是Ttw1十tw2， tw10.7(十)， tw20.7，555电路要求和均应大于或等于1K，但十应小于或等于3.3M。 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。因此这种形式的多谐振荡器应用很广。 图4-3（a） 555定时器构成多谐振荡器 图4-3（b） 555定时器构成多谐振荡器输出波形（3）组成占空比可调的多谐振荡器 图4-4 555组成占空比可调的多谐振荡器 电路如 图4-4，它比 图4-3所示电路增加了一个电位器和两个相同的二极管。D1、D2用来决定电容充、放电电流流经电阻的途径（充电时D1 导通，D2截止：放电时D2导通，D1截止）。占空比: Ptw1 / ( tw1十tw2) 0.7/0.7 (+) /(+)可见，若取=。电路即可输出占空比为 50的方波信号。如图4-5是输出为占空比50的方波 图4-5 输出占空比为 50的方波4.2总清零控制电路 如图4-6 为电路的总清零控制电路，该电路在开关合上之后会输出低电平，作用于各个74LS160的MR端，实现异步清零功能；开关断开之后输出高电平，电路处于计时状态。总清零控制电路便于实现电路的总的清零控制，同时也对时钟脉冲起到控制作用。 图4-6 电路的总清零控制电路4.3时间计数单元 记数器74160、74ls192、74LS90等都能实现十进制记数，本设计采用十进制加法计数器74LS160构成电子秒表的计数单元，如图三所示，555定时器构成的多谐振荡器作为计数器74LS160的时钟输入。计数器1及计数器2接成5421码十进制形式，其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0.10.9秒计时，计数器2及计数器3也接成8421码十进制形式，计数器3和计数4接成60进制的形式，实现秒对分的进位。计数器2及计数器3也接成8421码十进制形式.集成异步计数器74LS160简介 74LS160是异步十进制加法计数器，它既可以作二进制加法计数器，又可以作五进制和十进制加法计数器。 要实现 0.1 秒计数，须设计一个 10 进制计数器；要实现秒计数，须设计一个 60 进制计数器；要实现分计数，须设计一个 10 进制计数器，这里选用 74LS160 实现。74LS160中文资料内容说明：74LS160是十进制同步计数器（异步清除） 74LS160 为可预置的十进制同步计数器，共有 54/74160 和 54/74LS160 两种线路结构型式， 160 的清除端是异步的。当清除端/MR 为低电平时，不管时钟端CP 状态如何，即可完成清除功能。160 的预置是同步的。当置入控制器/PE 为低电平时，在 CP 上升沿作用下，输出端 Q0Q3 与数据输入端 DOD3 一致。对于54/74160，当 CP 由低至高跳变或跳变前，如果计数控制端 ENP、ENT为高电平，则/PE 应避免由低至高电平的跳变，而 54/74LS160 无此种限制。160 的计数是同步的，靠 CP 同时加在四个触发器上而实现的。当 ENP、ENT 均为高电平时，在 CP 上升沿作用下 Q0Q3 同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。对于 54/74160，只有当CP 为高电平时，ENP、ENT 才允许由高至低电平的跳变，而 54/74LS160的 ENP、ENT 跳变与 CP 无关。160 有超前进位功能。当计数溢出时，进位输出端（RCO）输出一个高电平脉冲，其宽度为 Q0 的高电平部分。在不外加门电路的情况下，可级联成 N 位同步计数器。对于 54/74LS160，在 CP 出现前，即使 ENP、ENT、MR 发生变化，电路的功能也不受影响。 如 图4-7为74LS160管脚图；如表4-1 为74LS160 的功能表。RCO 进位输出端ENP 计数控制端ENT 计数控制端Q0Q3 输出端 图4-7 74LS160管脚图表4-1
