廣東石油化工學院數(shù)電實驗-數(shù)字式跑表

1、課程設計說明書（小初號字距4磅黑體加黑居中）課程名稱：數(shù)字電子技術課程設計 題 目：數(shù)字式跑表 學生姓名：專 業(yè)：班 級： 學 號： 指導教師： 日 期：2015 年 4 月 12 日 一、設計任務基本要求跟提高要求：設計一個以0.01s為基準計時信號的實用數(shù)字式跑表。1、基本要求：（1）跑表計時顯示范圍099min59.99s（2）具有清零、啟動計時、暫停計時及繼續(xù)計時功能，操作按鍵（或開關） 不超過2個（3）時鐘源誤差不超過0.01s2、提高要求：（1）顯示最大值可達23h59min59.99s，有整點、半點提醒功能（2）有定時功能（3）有倒計時功能二、設計步驟： （1）設計出符合設計基本

2、要求的解決方案。 （2）設計出單元電路。 （3）利用proteus 7.9軟件對個單元電路及整體電路進行仿真。（4） 撰寫設計報告。圖1 ：數(shù)字跑表輸入輸出示意圖三、設計思路： 本數(shù)字跑表首先要從最低位的百分秒計數(shù)器開始，按照系統(tǒng)時鐘進行計數(shù)。計數(shù)至100后向秒計數(shù)器進位，秒計數(shù)器以百分秒計數(shù)器的進位位為時鐘進行計數(shù)。計數(shù)至60后向分計數(shù)器進位，最大可達到99min59.99s。 在實際的設計中，為了使計數(shù)器更加簡單，計數(shù)器使用高低位兩個計數(shù)器實現(xiàn)。100進制計數(shù)器分別是高位10進制計數(shù)器，低位10進制計數(shù)器；60進制計數(shù)分別是高位6進制計數(shù)器，低位10進制計數(shù)器。這樣整個數(shù)字跑表使用6個計數(shù)

3、器實現(xiàn)。從左到右分別為分十位，分個位，秒十位，秒個位，百分秒十位，百分秒個位。數(shù)字跑表巧妙地運用進位位作為計數(shù)時鐘來減少計數(shù)的位數(shù)。如果統(tǒng)一使用系統(tǒng)時鐘作為計數(shù)時鐘，那秒計數(shù)器將是一個6000進制的計數(shù)器，而分計數(shù)器將是一個3600000進制的計數(shù)器。這樣將極大的浪費FPGA的邏輯資源。而使用進位位作為計數(shù)時鐘，只需要一個100進制的計數(shù)器和兩個60進制的計數(shù)器。四、元件介紹：1、74LS160計時器:圖3：74ls160外引線排列圖圖4：74LS160管腳圖及功能表 這種同步可預置十進計數(shù)器是由四個D型觸發(fā)器和若干個門電路構成，內(nèi)部有超前進位，具有計數(shù)、置數(shù)、禁止、直接（異步）清零等功能。對

4、所有觸發(fā)器同時加上時鐘，使得當計數(shù)使能輸入和內(nèi)部門發(fā)出指令時輸出變化彼此協(xié)調一致而實現(xiàn)同步工作。這種工作方式消除了非同步（脈沖時鐘）計數(shù)器中常有的輸出計數(shù)尖峰。緩沖時鐘輸入將在時鐘輸入上升沿觸發(fā)四個觸發(fā)器。 電路有全獨立的時鐘電路。改變工作模式的控制輸入（使能ENP、ENT或清零）縱使發(fā)生變化，直到時鐘發(fā)生為止，都沒有什么影響。計數(shù)器的功能（不管使能、不使能、置數(shù)或計數(shù)）完全由穩(wěn)態(tài)建立時間和保持時間所要求的條件來決定。2、譯碼器圖5：七段數(shù)碼管七段顯示譯碼電路7段數(shù)碼管又分共陰和共陽兩種顯示方式。如果把7段數(shù)碼管的每一段都等效成發(fā)光二極管的正負兩個極，那共陰就是把abcdefg這7個發(fā)光二極管

5、的負極連接在一起并接地；它們的7個正極接到7段譯碼驅動電路74LS48的相對應的驅動端上（也是abcdefg）。此時若顯示數(shù)字1，那么譯碼驅動電路輸出段bc為高電平，其他段掃描輸出端為低電平，以此類推。如果7段數(shù)碼管是共陽顯示電路，那就需要選用74LS47譯碼驅動集成電路。共陽就是把abcdefg的7個發(fā)光二極管的正極連接在一起并接到5V電源上，其余的7個負極接到74LS47相應的abcdefg輸出端上。 圖6：74LS48管腳圖表2：74LS48引腳功能表-七段譯碼驅動器功能表74LS48除了有實現(xiàn)7段顯示譯碼器基本功能的輸入（DCBA）和輸出（YaYg）端外，7448還引入了燈測

6、試輸入端（LT）和動態(tài)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(tài)滅零輸出（BI/RBO）端。  由7448真值表可獲知7448所具有的邏輯功能： （1）7段譯碼功能（LT=1，RBI=1） 在燈測試輸入端（LT）和動態(tài)滅零輸入端（RBI）都接無效電平時，輸入DCBA經(jīng)7448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1中116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1倒數(shù)

7、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(tài)，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(tài)顯示。（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1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(tài)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 

8、;= 0000，表1倒數(shù)第2行，輸出全為“0”，顯示器熄滅，不顯示這個零。DCBA0，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。3、開始、暫停、清零單元圖7：開始暫停清零電路在這個單元實現(xiàn)功能比較簡單，利用74LS192計數(shù)器的異步置零，把計數(shù)器的置零端MR都連在一起，當CLR接低電平時，計數(shù)器正常計數(shù)，當CLR接高電平時，計數(shù)器被置零；開始、暫停、繼續(xù)計時僅用一個開關START/PAUSE進行控制，閉合START/PAUSE,計數(shù)器接入時鐘脈沖正常計數(shù)，打開開關，計數(shù)器暫停，數(shù)碼管顯示暫停，再次閉合開關，計數(shù)器正常工作，數(shù)碼管繼續(xù)顯示，這樣就同時完成了開始

9、、暫停、繼續(xù)計時功能。4、脈沖輸出電路圖8：脈沖產(chǎn)生電路圖 圖9：555定時器引腳采用555定時器構成的多諧振蕩器產(chǎn)生頻率為100HZ的時序脈沖，3腳為脈沖輸出端，其中參數(shù)選擇為：, , ,圖10：555定時器構成的多諧振蕩波形圖 圖11：多諧振蕩器的波形圖接通電源后，假定是高電平，則T截止，電容C充電。充電回路是VCCR1R2  C地，按指數(shù)規(guī)律上升，當上升到時（TH、端電平大于），輸出翻轉為低電平。是低電平，T導通，C放電，放電回路為CR2T地，按指數(shù)規(guī)律下降，當下降到時（TH、端電平小于），輸出翻轉為高電平，放電管T截止，電容再次充電，如此周而復始，產(chǎn)生振蕩，經(jīng)分析可

10、得    輸出高電平時間  輸出低電平時間 振蕩周期  把參數(shù)帶入公式，得符合基本要求的時鐘源誤差不超過0.01S五、具體設計：1方案一：（1）我們組是分步驟進行的，首先做了個99min59.99s的計時器，由74LS160和74LS48等元件組成 。由倆個開關組成，一個清零按鈕，一個啟動暫停按鈕。在此基礎上，我們進一步添加了倆個7段數(shù)碼管顯示跑表的小時，把分鐘轉化為60進制，小時轉為24進。在轉24小時遇到很多困難，參考了李繼凱的數(shù)電書里的29進制的例子，成功改到了23h59min59.99s。圖12：60進制計

11、數(shù)器（2）第二步我們就添加整點半點提醒，先弄比較簡單的整點，當每個160的Q0Q1Q2Q3=0000時經(jīng)過或非們和與門輸出1再傳給帶555定時器的蜂鳴器。以此類推，半點就是從左往右算第三個數(shù)碼管顯示3就可以了。圖13：99min的160計時器圖14：23h的160計時器2.方案二：（1） 顯示最大值可達23h59min59.99，因為計數(shù)器要有減數(shù)，得把74LS160改為74LS192，這樣以來基本就把整個電路從新做過。但前面做了那些再來一次就容易多了。把分改為60進制，小時改為100進制，很快就改為了23h99min59.99s，但接下來的提醒功能和到計時功能還是弄了很久，（2） 提醒功能用

12、了555定時器來改變蜂鳴器的聲音大小的延遲長短，老是弄不到，不斷的查找錯誤，把線看了一遍又一遍，刪了一些重新畫過，最后勉強把蜂鳴器聲音響很小聲，設置那些參數(shù)還是這樣，不知道哪出問題了，于是只能這樣。（3） 倒計時用了很多開關，要把60進制的改為100的才可以，這是美中不足的地方。沒辦法，畢竟能力有限。（4） 鐘源誤差不超過0.01s。剛開始以為就簡單的把脈沖頻率改100HZ就可以了，然后發(fā)現(xiàn)要用的555定時器構成多諧震蕩器，在通過計算改變電容電阻參數(shù)來將頻率改為0.01（3）74LS192管腳與功能表：圖15：74LS192管腳與功能表74ls192是同步十進制可逆計數(shù)器，它具有雙時鐘輸入，并

13、具有清除和置數(shù) 等功能。 同160相似（介紹略）。圖三：含蜂鳴器23h的 160計數(shù)器六、調試與檢測 ： 按照小組方案原理圖，方案一我們在24進制遇到了問題，然后我們看書看圖原來是接錯線，照書再接一次，還是不行，最后把前面有一條線去掉就可以了。方案一不能清零功能和蜂鳴器響同時實現(xiàn)，因為160是同步置零，只有一個端口，但方案二把160改為192異步置數(shù)功能層解決了這個問題。但接到時候還是遇到很多問題，通過層檢查的方法，經(jīng)過認真仔細的連線，注意到各芯片之間不要混搭，連線要清晰?？刂齐娐反嬖陂_始/暫停開關和啟動/清零開關，在計數(shù)過程中使用各開關，觀察顯示器，看是否實現(xiàn)各功能。若不能實現(xiàn)，則檢查各個邏

14、輯門電路線路連接是否正確，直到正確實現(xiàn)功能為止。待檢查線路連接正確無誤后，接通電源，合上開關，啟動計時功能，通過觀察顯示器， 可以看到，電路實現(xiàn)了數(shù)字跑表的計時功能，且各開關也具有開始/暫停和啟動/清零/整點半點提醒/倒計時功能，唯一沒做的就是定時功能，還在繼續(xù)研究，其他各功能都正常。七、總電路工作原理及元器件清單1原理圖：圖四：總原理圖（最終版）2.最終元件清單：元件序號型號主要參數(shù)數(shù)量備注174LS1928用于計數(shù)274LS478用于譯碼3數(shù)碼管8用于顯示數(shù)字4非門（）7控制高位輸入5與非門（74LS00）4實現(xiàn)與非功能6與或門6實現(xiàn)與或功能7與門6實現(xiàn)與功能8555定時器2實現(xiàn)蜂鳴器延時

15、響9或門1實現(xiàn)或功能10電容5控制電流或者電壓11電阻4存電荷或者發(fā)電荷3.電路完整工作過程描述：（1).方案一：我們都把各個開關都取了名字，方便看。開始時100/60進制1開關切換到99min59.99（右端）開關100/60進制閉合，此時六個顯示器都處于計時99min59.99s狀態(tài)，計時開始。 （2). 開始/暫停開關閉合表示開始，反正暫停。清零開關低電平（下端）清零。（3).SW8、SW9、SW10、SW11全閉合，同時加減置換下端表示加法，下端表示減法，加減置換1左端表示加法，右端表示減法。（4). 當計時到24時59分59秒99微妙時，在下一個時序脈沖到來后顯示器顯示“ 00 00

16、 00 00”，完成一個計時循環(huán)，并且系統(tǒng)自動跳到下一個計時循環(huán)。八、結論與心得這一周的課程設計，我們選擇了中到難的數(shù)字式跑步，剛好在上學期學過了一個做60進制的計數(shù)器，所以對這次設計比較有信心，相對其他的題目，這個還算是簡單，不過提高部分還是蠻難的，不管怎樣，通過這次課程設計，我們自己設計，自己分析，自己調試，可以更加深入學習各種電子元件的原理與使用方法，加深對已經(jīng)學的模擬電子技術和數(shù)字電子技術方面的理解和初步應用，并將之運用到實踐中去，加深自己的理解，為以后的學習和工作打下一個堅實的基礎。體會到了團隊的重要性，分工進行，一起討論，效率比自己在那傷腦筋提高很多，還有個感覺，自己也沒進實驗室，所以覺得要自己動手學習，把理論用到實踐中去才能真正的學得會。在我桌上貼著這樣一句話“在現(xiàn)實世界中考慮理論問題，在理論世界思考現(xiàn)實問題”。除此之外，我還掌握用各種進制計數(shù)器設計所需進制計數(shù)器的轉換、譯碼器和數(shù)碼管的使用、門電路的控制作用以及用555定時器產(chǎn)生時序脈沖等。各種電路的組合需要經(jīng)過精密的計算和思考，整合各個功能電路，使之能達到數(shù)字跑表的基本要求。慢慢提升我對電子這個專業(yè)的興趣，知道動手能力的重要性?？?/p>