电子秒表设计数字逻辑专业课程设计.doc

第一章 试验概述
1.1 试验设计任务
1.1.1 设计任务
1. 设计一个电子秒表，可显示4位数，计时范围0——10分钟
2. 显示正确到0.1秒，对0.01秒进行四舍五入
3. 有暂停、开启、恢复和连续功效，显示板由发光二极管组成
2.1 试验目标和设计要求
2.1.1 试验目标
1. 学习数字电路基础RS触发器、单稳态触发器、时钟发生器、计数器和译码显示器等单元电路综合应用；
2. 了解电子秒表组成和工作原理；
3. 熟悉中规模集成电路应用；
4. 掌握电子秒表设计、调试和故障排除方法；
5. 培养书写综合试验汇报能力。
2.1.2 设计要求
1. 依据设计任务要求，综合利用数字电子技术课程中所学到理论知识和实践技能独立完成设计课题。
2. 依据课题查阅书籍，独立思索，深入研究课程设计中碰到问题，培养自己分析、处理问题能力。
3. 依据设计要求，从选择设计方案开始，首先按单元电路进行设计，选择适宜元器件，最终画出总电路图。
4. 学会电子电路连线安装和调试技能，最终实现任务要求全部功效；电路布局合理，走线清楚，工作可靠。
5. 写出完整试验汇报，调试中出现异常现象分析和讨论。

第二章 电子秒表设计过程
2.1 电路设计和元件选择
2.1.1 总体方案设计

计数器
四舍五入控制电路
分秒计数
秒个计数
秒十计数
分计数
显示
显示
显示
显示

译码
译码
译码
译码

脉冲发生电路
振荡器
分频器

图 2.1
电子秒表通常由振荡器、分频器、计数器、译码器、显示器等几部分组成。其中振荡器和分频器组成标准秒信号发生器，由不一样进制计数器、译码器和显示器组成计时系统。信号送入计数器，累计结果以分、秒、分秒数字显示出来，分、分秒由十进制计数器组成，秒由六十进制计数器组成。其原理框图（图2.1）

2.1.2 所需元件选择
1. 二输入和门、二输入和非门、二输入或门、反相器
2. 多谐振荡器：f=100Hz（集成555定时器应用） （图 2.2）
振荡周期T=0.7（R1+2R2）C，调整滑动变阻R2可输出不一样频率脉冲信号；此振荡器在电路中是为分频器和四舍五入电路提供脉冲信号。

图2.2
3. 8421编码十进制加法计数器74160 （图2.3）

图2.3
四个十进制加法计数器74160组成电子秒表计数单元，分别显示分个位、秒十位、秒个位和0.1秒；经过不一样连接方法，74160能够实现四种不一样逻辑功效以下：
1） 清零。CLR’端为清零端，只要CLR’=0，触发器均被清零，计数器输出为0；不清零时应使CLR’=1。
2） 预置数（送数）。LOAD’为预置数控制端，在LOAD’=0时加入CP脉冲上升沿，计数器就被置数，即输出QA,QB,QC,QD分别等于输入端A,B,C,D输入二进制数；不预置数时应使LOAD’=1。
3） 计数。ENP=ENT=1（CLR’=1，LOAD’=1）时，计数器处于计数状态。当计数到QA QB QC QD=1001时，进位输出RCO=1。再输入一个计数脉冲，计数器输出从1001返回到0000状态，RCO由1变0。
4） 保持。ENP=0，ENT=1（CLR’=1,LOAD’=1）时，计数器处于保持工作状态。不仅输出不变，而且进位输出也不变。ENP=1,ENT=0(CLR’=1,LOAD=1)时，计数器输出不变，进位输出RCO=0。
4.二-五-十进制计数器7490（图2.4）

图 2.4
7490含有以下逻辑功效：
1） 计数脉冲从CKA输入，CKB=1，QA作为输出端，为二进制计数器；
2） 计数脉冲从CKB输入，QB,QC,QD作为输出端，为异步五进制计数器；
3） 计数脉冲从CKA输入，CKB接输出QA，为十进制计数器；
4） 当R01=R02=1，（R91,R92不全部为1）时，实现异步清零；
5） 当R91=R92=1，（R01,R02不全部为1）时，实现置9功效。
5.LED七段译码显示器（图2.5）接到各计数器输出端，显示目前计数。

图 2.5
2.2 模块设计
2.2.1 计数器
1.分秒计数器（图2.6）

图 2.6
采取8421十进制计数器作为0.1秒计时，CLK外接脉冲信号，清零端置1，让计数器一直处于计时状态；进位信号RCO输出到秒个位。
2.秒个位、分个位
秒个位和分个位全部采取十进制计数，和0.1秒情况一样；只是CP分别接低位进位信号
3.秒十位（图2.7）
将74160采取复位法改为六进制计数器，立即输出QB,QC和非后接到清零端CLR’，当计数到6时，对计数器异步清零。清零同时向高位（分个位）提供进位信号，使分位计数增加1.

图 2.7
2.2.2 四舍五入控制电路
选择中规模计数器7490（图2.8），利用其清零功效和置9功效进行四舍五入。即利用简单逻辑门电路，当所计数是0-4暂停时，使R01=R02=1，计数器清零；当所计数是5-9暂停时，使R91=R92=1，计数器置9，同时进位，从而实现四舍五入功效。

图 2.8
2.2.3 脉冲发生电路
1.振荡器（图2.9）
振荡器是计时器关键，振荡器稳定度和频率正确度决定了计时器正确度。我采取集成电路555定时器和RC组成多谐振荡器，振荡频率f=100Hz，R为可调变阻，微调R可调出不一样频率输出。

图 2.9
2.分频器（图2.10）

图 2.10
分频器功效关键有两个：一是产生标准秒脉冲信号，二是可提供功效扩展电路所需要不一样频率信号。选择中规模计数器7490，每片为1/10分频器。
第三章 电路实现和调试
3.1 电路布线
3.1.1 模块电路图
1.计数器（图 3.1）

图 3.1
1） 图所表示，4片中规模计数器显示“分”、“秒”、“分秒（0.1秒）”，其中“秒”位为60进制计数器，“分”、“分秒”位为十进制计数器，选择74160集成块来实现。实现方法采取反馈清零法。立即十进制计数器74160输出端QB,QC和非后接到异步清零端CLR’，组成6进制计数器，再和个位十进制计数器相乘组成60进制计数器。计数器各输入端接地，ENP,ENT控制端接高电位（+Vcc），使得计数器一直处于计数状态。当“分秒”计数到9后，产生进位信号（RCO）送到秒个位，秒计时加1；当“秒”位计数到59后向“分”位进位。从而实现0——10分钟计时，且显示正确到0.1秒。
2） 计时显示。将计数器各输出端分别接到LED数码显示器4个输入端，接通电源，显示计时。
3） 计数复位。利用开关R控制计数器从计时状态转为异步清零，或是清零后继续计时，从而实现计时复位功效。

2.四舍五入控制电路（图3.2）

图 3.2
电路由计数器7490和基础门电路组成。7490含有异步清零和置9功效。利用门电路使适当输出为0——4时，R01=R02=1，合上开关Space，计数器清零；当输出为5——9时，R91=R92=1，合上开关Space，计数器置9。计数器CKA外接脉冲（f=100HZ），将输出端QD作为“分秒”计时器CP，从而实现对0.01秒四舍五入。
3.脉冲发生电路（图3.3）
脉冲发生电路由振荡器和分频器组成。通常来说，振荡器频率越高，计时精度就越高，但耗电量将增大。故一定依据需要，设计出最好电路。通常选择石英晶体来组成振荡器电路，其频率正确度比较高，不过假如精度要求不高可采取多谐振荡器。
1） 此电路振荡器为555定时器和RC组成多谐振荡器，调整振荡器R值，使得输出100Hz脉冲信号，作为0.01秒计时器和分频器输入信号。
2） 分频器由7490组成，输出QD作为0.1秒计时器输入信号，实现1/10分频。
3） 在振荡器输出端添加一个开关，控制脉冲输出，实现计时器开启、暂停和连续。

图 3.3
3.1.2 总体电路图（图 3.4）

图 3.4
将各模块合理连接起来组成整个电子秒表计时电路，其中四合五入控制电路输出QD经过一个开关Space接到“分秒”CP端CLK，开关另一端接分频信号（分频器7490输出QD）。
3.2 电路调试
3.2.1 单元电路调试
1.计时器调试
1）“秒”位计数。将秒个位、十位计数器全部连接上，并在各输出端接上译码显示器（用于显示目前计时状态，看是否正确）；在个位CP端（CLK）接入脉冲信号源（f=1Hz），测试其功效，能否正确计数0——59。
2）将“分”位、“秒”位、“分秒”位计数器级联起来进行逻辑功效测试。在“分秒”位计数器CP上接入脉冲信号（f=10Hz），观察显示器计时，若不正确，则检验线路连接是否正确，调试更正，直至计时正确。
2.多谐振荡器调试
用示波器观察输出波形并测量其频率，调整R，使得输出矩形波频率为100Hz.按动开关Space，观察脉冲波形是否改变。
3.分频器测试
接入输入信号，频率f=100Hz。用示波器观察输出QD波形并测量其频率，看是否为f=10Hz。从而确定该电路是否含有1/10分频功效。如波形显示不正确，则检验连线。
4.四舍五入电路调试
外接上脉冲信号源，输出端接上数码显示器，当合上开关Space时，观察显示器是否显示0或9；在输出QD接一个指示灯，观察当显示器显示9时，指示灯是否亮（显示0时，应该不亮），从而确定该电路是否有四舍五入功效。

3.2.2 电子秒表总体调试
1）各单元电路调试正常后，按图3.4把多个单元电路连接起来，进行电子秒表总体调试。分别测试电子秒表是否达成设计要求：
（1）可显示4位数，计时范围0——10分钟
（2）显示正确到0.1秒，对0.01秒进行四舍五入
（3）有暂停、开启、恢复和连续功效，显示板由发光二极管组成
先按一下开关R，则计数器清零；再按一下开关Space，则计数器开启开始计时，观察数码显示器计数情况是否正常，如想暂停，则按一下开关Space，计时立即停止但数码显示器保留所计时值;当再次按下Space开关，计数器接着刚才计时继续计数，实现连续计时功效；若不想继续刚才计时，则按一下R，计数器恢复到0，从新开始计数，而且计时范围为0——10分钟。
2）电子秒表正确度测试
可利用电子钟或手表秒计时对电子秒表进行校准。

结束语
刚拿到课题时候，我表现出了很大热情和爱好，复习书本相关知识、上网查资料等，我好奇着自己会设计出来会是一样什么样电子秒表，能正确实现设计要求那些功效吗？
然而，刚一开始就碰到了问题，很是打击了我信心。我用我所知道计数器74160实现六十进制计数，却怎么也不能正确计数，老是会出现19秒后才是10秒类似情况，因为时间关系最终还是没能更正过来。不过我认为有以下方法能够加以修正：
1. 利用门电路将秒个位进位信号延时1秒
2. 分别给秒个位、秒十位提供对应标准脉冲信号
3. 改用计数器7490能够处理上述问题（图4.1）

此处向分进位
图 4.1
因为采取555定时器和RC组成多谐振荡器作为时钟发生器，正确度不是很高，所以整个计数器计时不是很正确，若改用石英晶体组成振荡器能够提升计时器正确度。
总体来说我基础完成了设计全部要求，不过存在以上所说部分小问题，假如还有时间话，我相信我一定能做愈加好。整个设计过程锻炼了我分析错误原因、处理问题、独立思索能力和对EWB仿真利用。同时学会了数字电路中时钟发生器、译码显示器、计数器等单元电路综合应用和电子秒表调试、排错方法。还了解了不少以前不熟悉集成电路元件，如二/五分频十进制计数器7490、六进制/十二进制计数器7492等。

参考文件
1.王永军 李景华.《数字逻辑和数字系统》（第3版）.北京：电子工业出版社，
2.杨颂华 冯毛管.《数字电子技术基础》.陕西：西安电子科技大学出版社，