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数字秒表

来源：一二三四网

数电课程设计总结报告

课程名称：数字秒表

班级： 09自动化(一)班

学号：

姓名：

指导教师：

2011 年 12 月 21 日

1、内容摘要„„„„„„„„„„„„„„…„„„„„„„„2 2、设计课题任务及指标„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 3、系统设计方案论证…………………………………………………2 4、统需要的元器件……………………………………„……………3 5、单元电路设计…„„„„„„„„„„„„„„„„„„3

Ⅰ.电源电路…………………………………………………………3 Ⅱ.消抖电路…………………………………………………………4

Ⅲ.脉冲发生器………………………………„………………„…4 Ⅳ.74LS161 74LS160计数器……………………………………………7

Ⅴ. 复位暂停停止电路…………………………………………………9

Ⅵ.数码管……………………………………………………………9 VII.4-7线译码器74LS48………………………………………………10

6、电路图及电路的工作原理…………………………………………12 7、设计成果的评价„„„„„„„„„„„„„„„„…„„„„14 8、课程设计的收获、体会„„„„„„„„„„„„„„…„„„„14 9、参考文献„„„„„„„„„„„„„„…„„„„„………15

数字秒表

1、内容摘要：

设计一个2位LED数码显示“秒表”，显示时间为00--99S，每秒自动加1，计满显示“FF”，另设计一个“开始”按键和一个“停止”按键，按“开始”键，一个基本的数字秒表电路主要由电源、消抖开关、信号发生器、计数器、译码器及显示器组成。

关键词：电源消抖 555脉冲发生器计数器译码显示 2、设计课题任务及指标：

（1）通过本课程的选题、方案论证、设计计算、安装调试、资料整理、撰写“设计报告”等环节，初步掌握电子工程设计方法和组织实施的基本技能，深化、扩展并综合运用课堂上所学的电子电路分析设计方法以及集成电路知识完成小系统的电路设计。

（2）利用基本555脉冲发生器及计数、译码、显示等单元电路设计数字秒表。（3）在实验装置上或者利用仿真软件完成数字秒表的线路连接和调试。功能要求：

最终实现秒表的计时、暂停、复位功能。 3、系统设计方案论证

所作为数字式秒表，所以必须有一个数字显示。按设计要求，须用数码管来做显示器。题目要求最大记数值为99秒，那则需要两个个数码管。为了精度计数我们使得分辨率为0. 1秒，那么我们需要相应频率的信号发生器。选择信号发生器时，有两种方案：一种是用晶体震荡器，另一种方案是采用集成电路555定时器与电阻和电容组成的多谐振荡器。其核心部分使用三个74ls161 74ls160计数器采用串联方式构成（其中一个起到对50Hz的分频作用），这种连接方式简单，使用元器件数量少。CP脉冲是由555定时器构成的多谐振荡器，产生50赫兹脉冲，如果精度要求高，也可采用石英振荡器。在选择译码器的时候，有多种选择，74LS46，74LS47，74LS48等4-7线译码器。当然，为了减小设计的误差，还需要设计在开关端设计消抖电路、以及使用较少的门电路。为了满足复位、暂停，还应该设计上复位、暂停的开关。

系统框图如下：

4、系统需要的元器件：

74LS00 2片，74HC04 3片，74LS161 1片，74LS160 2片，74LS48 2片，LED数码显示器 2个，二极管IN1202 2个，定值电阻 R=1K 2个，R=47K 2 个，R=1.5K 2 个，R=8 2个，可变电阻R'=100K 1个，电容C=2.2u 2个，C=0.01u 2个，开关 2个，导线若干。

5、单元电路设计（绘制时序图）、参数计算和元器件选择说明（接口要求）： Ⅰ.

7805 1 R1 2K D1 D2 C3 330uF C2 C1 2200uF 0.1uF LED1 C4 0.1uF LED2

2 GND3 R5 300

P3 3 2 1 Diode 1N4007 Diode 1N4007 GND D3 D4 Diode 1N4007 Diode 1N4007 GND GND

图1：正5付电源原理图

电源电路我选用的是一般的7805芯片。7805芯片1脚输入2脚接地3脚输出。P3是220V—12V的变压器，220V电压经过变压器变成12V的交流电源，经过4个4007二极管就等于加上了绝对值。经过C1的整流、C2滤除干扰，经过7805芯片在C3的整流、C4的滤除干扰，出来的电压基本稳定在+5V。加上LED灯是为了方便检修。 Ⅱ.

VCC5VVCCR11.0kΩR21.0kΩU1A1J174LS00D4U2BKey = Space274LS00Dout

图2：消抖原理图

两个电阻R=1K。消抖原理：RS 触发器, 其原理是利用触发器的记忆作用,当开关的动片在触点附近抖动时, A 点的状态并不随之而改变。实验结果如表3; 按下按钮时, 计数器的输出数码加1; 松开按钮时,计数器的输出数码不变。实验验证了这种开关的消抖作用。

Ⅲ.脉冲发生器（由555构成的多些振荡器）电路结构

图3所示为用555定时器构成多谐振荡器的电路中，R端接高电平Vcc。Vco(5)连接0.01uF电容，起滤波作用。将Vi1(6)和Vi2(2)连接在一起，作为输入信号Vi的输入端，就构成如图3所示的多谐振荡器电路形式。将三极管Td输入端(7)通电阻R1接到电源Vcc，Td就构成集电极开路反向器形式，其输出再通过RC积分电路反馈至输入V1，就构成多谐振荡器，其波形如图下所示。

VCC5VVCCR1100kΩ20R247kΩ2122C12.2uFC210nFU4555_TIMER_RATEDVCCRSTDISTHRTRICONGNDOUToutR3100Ω0

图3：555多谐振荡

图4：555管脚图

图5：仿真脉冲波形图

多谐振荡电路一共经历两个暂稳态:在电容充电时，暂稳态持续时间为Tw1=0.7(R1+R2)C；在电容C放电时，暂稳态持续时间为Tw2=0.7R2C。因此，电路输出矩形脉冲的周期Tw为: Tw=Tw1+Tw2=0.7(R1+2R2)C

由于频率f=1.43/(R1+2R2)C=1Hz ，产生10Hz频率,所以，电容C=2.2u，定值电阻R=47K，可变电阻R=100K。端口3为脉冲发生器的输出端口。

Ⅳ. 74LS161 74LS160计数器：

VCC5VVCCR11.0kΩ23456ABCDENPENT~LOAD~CLRCLKU9DCD_HEXU2QAQBQCQDRCO14131211157546VCCVCC37109125VV174LS160D-5 V 5 V 0.01msec 100msec 1U1A74LS00D0

图6：计数器原理图

74LS161和74LS160的计数方式原理相近，74LS161是16位计数器74LS160是10位计数器。原理：这种同步可预置四位二进计数器是由四个D 型触发器和若干个门电路构成，内部有超前进位，具有计数、置数、禁止、直接（异步）清零等功能。对所有触发器同时加上时钟，使得当计数使能输入和内部门发出指令时输出变化彼此协调一致而实现同步工作。这种工作方式消除了非同步（脉冲时钟）计数器中常有的输出计数尖峰。缓冲时钟输入将在时钟输入上升沿触发四个触发器。这种计数器是可全编程的，即输出可预置到任何电平。当预置是同步时，在置数输入上将建立一低电平，禁止计数，并在下一个时钟之后不管使能输入是何电平，输出都与建立数据一致。清除是异步的（直接清零），不管时钟输入、置数输入、使能输入为何电平，清除输入端的低电平把所有四个触发器的输出直接置为低电平。有了超前进位电路后，无须另加门，即可级联出n位同步应用的计数器。它是借助于两个计数使能输入和一个动态进位输出来实现的。两个计数使能输入（ENP 和ENT）计数时必须是高电平，且输入ENT必须正反馈，以便使能动态进位输出。因而被使能的动态进位输出将产生一个高电平输出脉冲，其宽度

近似等于QA 输出高电平。此高电平溢出进位脉冲可用来使能其后的各个串联级。使能ENP 和ENT 输入的跳变不受时钟输入的影响。电路有全独立的时钟电路。改变工作模式的控制输入（使能ENP、ENT 或清零）纵使发生变化，直到时钟发生为止，都没有什么影响。计数器的功能（不管使能、不使能、置数或计数）完全由稳态建立时间和保持时间所要求的条件来决定。

PE A—D CEP CET CP MR SR Q0– Q3 TC Parallel Enable (Active LOW) Input并行启用（低电平）输入 Parallel Inputs并行输入 Count Enable Parallel Input 计数启用并行输入 Count Enable Trickle Input计数启用涓流输入 ClOCk (Active HIGH Going Edge) Input时钟输入 Master Reset (Active LOW) Input主复位（低电平）输入 Synchronous Reset (Active LOW) Input同步复位（低电平）输入 Parallel Outputs (Note b)并行输出（注b ） Terminal Count Output (Note b)终端计数输出（注b ）表1：74LS161引脚功能表：

*SR L H H H H PE X L H H H CET X X H L X CEP X X H X L 工作模式 RESET (Clear)清零 LOAD (Pn Qn)置数 COUNT (Increment)计数 NO CHANGE (Hold)保持（不变） NO CHANGE (Hold)保持（不变）表2：74LS161选择开关方式真值表：

上面的原理图的功能是让数码管显示0-9，9过后一直显示F。ABCD是所要置的数，ENP、ENT是使能端，LOAD是置数端低电平有效，CLR是清0端低电平有效，QA、QB、QC、QD为输出端，CLK是接入脉冲信号。芯片在一个脉冲来的时候才工作，这点很重要。

74LS00是二输入的与非门当数码管显示9的时候QA、QD为1，74LS00输出

为0使得74LS160置数到F（即输出端为1111）。 Ⅴ.复位暂停电路：

电路图见大原理图。

我将暂停的单刀双掷开关上拉一端电源、一端接地。控制最先计数的芯片的使能端。因为使能端是高电平工作，低电平芯片保持输出不计数，所以就可以到达暂停的效果。

我将复位的单刀双掷开关上拉一端电源、一端接地。控制3个芯片的清0端。

清零端是低电平有效。所以可以到达复位的效果。

在来一个单刀三掷开关公共端接地。开关先到的端接到暂停开关的有效暂停

端。开关后到端接到复位开关的有效端。中间端的不接线。在multisim中没有单刀三掷开关，我选用了单刀四掷开关代替。 Ⅵ.数码管：七段数码管（LED）

LED数码管由发光二极管组成，LED数码管有一般亮和超亮等不同之分，也有0.5寸、1寸等不同的尺寸。小尺寸数码管的显示笔画常用一个发光二极管组成，而大尺寸的数码管由二个或多个发光二极管组成，一般情况下，单个发光二极管的管压降为1.8V左右，电流不超过30mA。发光二极管的阳极连接到一起连接到电源正极的称为共阳数码管，发光二极管的阴极连接到一起连接到电源负极的称为共阴数码管。

图7是七段数码管（LED）BS201的示意图，图中引脚6为VCC的为共阳数码管，引脚6为GND的为共阴数码管。

.123.9abcdefgdpefVCCagb12345cabcdefgdpGNDeddpcfgb.a45678ddp6789.

图7：七段数码管

本设计采用共阴数码管与74LS48匹配。 Ⅶ.4-7线译码器74LS48：

.BIN/7-SEG4.537126BI/RBORBILTABCDSN74LS48abcdefg13121110915144537126[T2]1G21a 20,21b 20,21c 20,21V201248.SN74LS48.&CT=01312111091514.d 20,21e 20,21f 20,21g 20,21

图8:74LS48原理图

74ls48引脚功能表——七段译码驱动器功能表十进数或功能 0 1 LT H H 输入 BI/RBO RBI H x D C B A 0 0 0 0 0 0 0 1 H H a b c d e f g 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 输出 10

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 BI RBI LT

H H H H H H H H H H H H H H x H L

x x x x x x x x x x x x x x x L x

0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 x x x x 0 0 0 0 x x x x H H H H H H H H H H H H H H L L H 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 3 1 1 1 1 1 1 1 4 表1：74ls48引脚功能表

74LS48芯片是一种常用的七段数码管译码器驱动器，常用在各种数字电路系统的显示系统中。本设计中，用它与共阴极数码管连接。连接图如下：

图9：数码管驱动7段数码管

6、电路图的仿真、电路图：电路图如下：

U7U8DCD_HEXDCD_HEXU2U3QAQBQCQDRCO1413121115U1VCC5V3456710ABCDENPENT~LOAD~CLRCLKQAQBQCQDRCO1413121115563456ABCDENPENT~LOAD~CLRCLK8732422233456710ABCDENPENT~LOAD~CLRCLKQAQBQCQDRCO141312111527101011925912VCC9122091274LS160N1374LS160N74LS160N21U101OR2418U4NOTV1-5 V 5 V 0.01msec 1msec 12U5OR2U6A74LS00DU11OR2U12OR2U13AND2J119Key = SpaceJ2VCC0Key = SpaceGNDVCC5VGND

图10：最先的仿真图

图中的数码管自己集成了74LS138 （数码管驱动器）

这幅图是我最先的想法当数码管显示为1001 1001的时候让进位端经过中间的二输入的与非门输出的信号和计数器出来的信号一起控制数码管的显示。效果有点欠佳。一、因为我所用的门电路太多，使得出现竞争与冒险。二、还有最后记满数后不会是显示FF而是在FF和99直接闪烁，这是由芯片的进位是脉冲信号决定的。不过后面的一点可以改成让输出的1001 1001中的四个1经过4输入的与非门。问题就解决了。

U7VCC5VVCCR21.0kΩ233456710912ABCDENPENT~LOAD~CLRCLKU8VCC5VVCCU1QAQBQCQDRCO1413121115DCD_HEXR1U2QAQBQCQDRCO1413121115DCD_HEX731810153456710912ABCDENPENT~LOAD~CLRCLK2098191.0kΩ13456710912ABCDENPENTU3QAQBQCQDRCO1413121115~LOAD~CLRCLK74LS161D613274LS160D74LS160NU6A74LS20DVCC5VVCCR3101kΩ4R421kΩ1617C11pFC210nFU4555_TIMER_RATEDVCCRSTDISTHRTRICONGNDOUTJ1Key = SpaceJ2VCC521Key = Space0S1R5100ΩKey = Space00VCC5V 图11：最后的仿真图显示66

最后的仿真图显示66的时候，一、在这个图中的555脉冲发生器接的电容和电阻都是不对的因为在仿真的时候是一很小的单位计算的，我为了节省等待的时间我就让脉冲发生器的频率变大了几百倍。

最后的仿真图计数满了的时候显示置数到FF。二、我最后的思想和最先的思想的区别在于我用了芯片的置数端。当计数到1001 1001（99）的时候。4个1经过4输入的与非门出来为0，接入后面两个芯片的置数端。三、本来只要一个74LS161 和74LS160的。为了精度计数我们使得分辨率为0. 1秒，所以我就加了个74LS160。四、J1是复位、J2是暂停、S1是停止。 7、设计成果的评价：

因为芯片的工作原理：来了脉冲才工作的导致最后计慢数显示到FF的时候后面的数码管会延时。由于一周的时间太短，所以设计结果不很完善，只要在设计时间之余，下苦工夫，其它诸如上电清零、暂停、存储、报时、等共能都能够一一实现。

8、课程设计的收获、体会：

一周的课程设计已经结束，留给我印象最深的是要设计一个成功的电路，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。要有耐心和毅力。在整个电路的设计过程中，花费时间最多

的是利用Multisim 仿真，因为以前没有学过这个软件，只用过dxp,所以其中的一部分我们要从头学起，自行摸索的学习。在各个单元电路的连接上花费了大量时间。我们在设计时做出了两套方案以及仿真电路。实习过程中，我深刻的体会到在设计过程中，要考虑到各个元器件的功能和特性，要翻阅大量资料，参考别人的经验。只有这样才能把自己的电路设计的完美。

通过这次对数字钟的设计与制作，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，更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法。

在设计电路中,输入输出端口不一定是固定的，例如74LS161就有好几种计数共能和分频共能，在不同的功能下，它的输入和输出端口是不一样的。再就是注意数码管的共极性（是共阴极还是共阳极），不能将其 “ ＋ ” 与 “ － ” 极接错。比如，共阴极数码管和74LS48接，共阳极数码管和74LS46/74LS47接。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。对自己的设计要仔细考虑，是否可行，尤其是进位输出，着重看看进位的CP脉冲是否正确等。

总体来说，通过这次课程设计学习，让我对各种电路都有了大概的了解，也学会了常用绘图软件的使用，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：这些电路还是应该自己动手实际操作才会有深刻理解，才会有收获，所谓“一行胜千言”果然不假。 10、参考文献：

《电子技术基础实验与课程设计（第二版）》高吉祥主编电子工业出版社 2005.02.

《电子技术实验与课程设计指导数电分册》许小军主编东南大学出版社 2007.10

《电子技术实训教程》杨碧石主编电子工业出版社 2005.03 《电子技术实践与训练》黄仁欣主编清华大学出版社 2004.09 《电子技术课程设计指导》彭介华主编高等教育出版社 2007.09

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