电子技术综合课程
设 计
课 程： 电子技术综合课程设计
题 目： 数字式秒表
所属院(系) 物理与电信工程学院
专业班级 电子 1105 班
姓 名 陈 频
数字式秒表
一、任务和要求：
设计并制作一个数字式秒表，要求如下：
1、用三位数码管及一个LED发光二极管显示秒表计时，格式如下：
开机时数码管显示000，LED灯灭；当计时超过59秒时，LED灯亮；计到1分59秒时，过一秒，LED灯灭，同时数码管重新计时显示。计时最小单位为0.1秒。
2、具有如下功能键：
开始/清零键：按第一下时计时开始，同时显示；按第二下，停止计时，恢复到初始状态；
固定显示键：按第一下时，显示固定，但计时仍继续；再按下时，显示从新时间开始。
3、要求自制0.1秒信号源。 4、设计并制作本电路所用直流电源。 二、提示和参考文献
直流稳压电源见参考资料P23 《数字电子技术实验任务书》实验六
目录 第1章 数字式秒表（方案一） ................................... 1 1.1 内容摘要 ........................................................ 1 1.2 设计目的 ........................................................ 1 1.3 设计要求 ........................................................ 1 1.4 方案论证 ........................................................ 1 1.5 单元电路分析 ................................................... 2 1.5.1 电路形成..................................................... 2 1.5.2 原理分析..................................................... 2 1.5.3 参数选择..................................................... 3 第2章 单元电路设计 ............................................ 2 2.1 5V电源 ........................................................ 5 2.2 时钟脉冲电路................................................... 5 2.3 计数电路....................................................... 5 2.4 锁存译码电路................................................... 5 2.5 显示电路....................................................... 6 2.6 控制电路....................................................... 6 2.7 电路设计总图................................................... 7 2.8 制作原理....................................................... 7 第3章 芯片介绍................................................. 9
3.1 74LS00......................................................... 9 3.2 74LS160........................................................ 9 3.3 555定时器 .................................................... 10 3.4 CD4511........................................................ 10 3.5 七段数码管.................................................... 12 3.6 74LS76........................................................ 13 3.7 7805稳压管 ................................................... 14 第4章 组装调试................................................ 15 第5章 故障分析.................................................16 第6章 电路测试与数据记录分析 .................................17 6.1 基本JK触发器测试............................................. 17 6.2 单稳态触发器测试 .............................................. 17 6.3 时钟发生器测试 ................................................ 17 6.4 设计成果评价 .................................................. 17 22
第1章 数字式秒表（方案一）
1.1内容摘要
本设计所实现的数字式秒表是电子设计技术中最基本的设计实验之一。数字秒表是采用数字电路实现对分、秒，数字显示计时装置，广泛用于体育竞赛中。该数字计数系统的逻辑结构较简单，是由微动开关、清零电路、计数电路、0·1秒脉冲发生器、闸门计数控制电路、译码及显示电路组成的电子秒表，其中核心的部分为0·1秒脉冲发生器、计数、译码及显示电路部分，而其它部分是为使电子秒表在0．1～59·9秒范围内测定时间附加上的一些外围控制电路。 1.2设计目的
1学习数字电路中基本JK触发器、单稳态触发器、时钟发生器及计数、译码显示等单元电路的综合应用。
2.学习较复杂的电子系统设计的一般方法，了解和掌握数字电路等知识解决电子信息方面常见实际问题的能力，由学生自行设计、自行制作和自行调试。
3.进行基本技术技能训练，如基本仪器仪表的使用，常用元器件的识别、测量、熟练运用的能力，掌握设计资料、手册、标准和规范以及使用仿真软件、实验设备进行调试和数据处理等。
4.培养学生的创新能力。 1.3设计要求
1．主要单元电路和元器件参数计算、选择； 2．画出总体电路图；
3．借助仿真软件在计算机上进行仿真试验。
4. 仿真成功后，在插线板上连接好设计的电路，如有问题再次进行调试。 5. 最终实现秒表的计时、停止、复位功能； 1.4方案论证
1方案1 用专用集成电路设计的秒表电路，应用时钟芯片驱动6位七段发光二极管显示时间。 2方案2 由基本数字逻辑单元进行设计,它由振荡器产生一定频率的方波脉冲，之后由分频器
对方波脉冲进行分频，以达到设计电路所需的频率脉冲，再由计数器对脉冲进行计数，最后由译码驱动器译成所能显示的字形。
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原理框图1.1：
直流电源 时钟脉冲电路 计数电路 计数控 制 电 路 数码显示电路 锁存译码电路
图1.1
备注：(1)图中直流电源的变压器为220V变9V的。
(2)图中的时钟电路由输出脉冲占空比为1/2的NE555定时器组成。 (3)计数电路由三个74LS160组成。 (4)锁存译码电路由三个HCF4511组成。
(5)数码显示电路由共阴极BCD 码—七段码译码器，和3个电阻组成。 1.5单元电路分析
1.5.1电路形式
本设计中，采用NE555作为0.1s的时钟脉冲，用三片74LS160以同步置数的方式构成计数电路，用三片CD4511构成了锁存译码电路从而驱动三块BCD 码—七段码译码器实现了计数、译码锁存等功能。
1.5.2原理分析
数字式秒表由振荡器，分频器，计数器，译码器和显示电路所组成。振荡器产生的毫秒信号输入计数进行计数，并把累计结果以分，秒，毫秒的形式表示显示出来。振荡器是整个秒表的核心，它产生一个频率标准，其精度和稳定度基本决定了秒表的计时准确性。在电路中采用晶体振荡器作为振荡源，精度高。
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1.5.3参数选择
在电源电路中，选择了220v变9v的直流电源，用整流桥进行整流，然后要用大容量的电容进行滤波，所以我们选用1000uf的电容，为了避免噪声，还得并联一个电容，我们选用0.33uf的电容来消除噪声，然后+9V接到7805的1脚（有字为正面，从左往右第一只脚为1脚），第二脚接负极，第三只脚输出为+5V，最后在第三脚与第二脚接引出线，并用100uf与0.33uf并联的电容滤波。
在脉冲信号源中，将电源接到时钟发生器NE555（为计数器提供时钟信号），我们秒表的周期必须是0.1s，占空比任意，为了简单期间，我们选用占空比为3/2，这样，我们就可以选择两个相同的电阻，根据公式T=3RCln2计算，我们选用的是10uF的电容，因此可以算出我们需要的是两个4.8KΩ的电阻，这样就可以输出周期为0.1s的脉冲。
在计数电路中，我们选用的是计数器74LS160，异步置零、同步置数。
在锁存译码电路中，为了减少芯片的使用，我们选择了CD4511，因为CD4511能同时进行译码和锁存，但CD4511为CMOS芯片，有可能电平不匹配，我们的电路没有出现电平不匹配的情况，因此译码和锁存很成功。
7476JK触发器上，为其提供电源，最终CD4511锁存和译码所产生的二进制数字通过BCD-七段译码器显示出来。
数字式秒表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59.9秒，那则需要三个七段数码管。要求计数分辨率为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74LS160计数器，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10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，而我们选择的是CD4511芯片。当然，为了波形稳定，我们还在脉冲信号输出端加了一个反相器。
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第2章 单元电路设计
2.1 5V电源
其电路图如图2.2
U37805TR1BR1C10.33u2W005G1VIGNDVO3C21000u2C3100uC40.33u+5.01VoltsTRAN-2P2S 图2.1
2.2时钟脉冲电路
在本电路中信号源由NE555定时器产生，NE555定时器是一种中规模集成电路，外形为双列直插8脚结构，体积很小，使用起来方便。只要在外部配上几个适当的阻容元件，就可以构成史密特触发器、单稳态触发器及自激多谐振荡器等，如图2.3
图2.2
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脉冲信号产生与变换电路。它在波形的产生与变换、测量与控制、定时电路、家用电器、电子玩具、电子乐器等方面有广泛的应用。
图2.3
2.3 计数电路
图2.4
2.4 锁存译码电路
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图2.5
2.5 显示电路
图2.6
2.6 控制电路
图2.7
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2.7电路设计总图
图2.8
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2.8制作原理
1.该电路由四个部分组成
基本JK触发器——单稳态触发器——时钟发生器——计数及译码显示。 2基本工作原理
（1）基本JK触发器
图中的基本JK触发器，属低电平直接触发的触发器，有直接置位、复位的功能。 它的一路输出Q作为单稳态触发器的输入，另一路输出Q作为与非门5的输入控制信号。 按动按钮开关K2（接地），则门1输出Q=1；门2输出Q=0，K2复位后Q、Q状态保持不变。再按动按钮开关K1，则Q由0变为1，门5开启，为计数器启动作好准备。Q由1变为0，送出负脉冲，启动单稳态触发器工作。
基本JK触发器在电子秒表中的职能是启动和停止秒表的工作。 （2）单稳态触发器
单稳态触发器的输入触发负脉冲信号Vi由基本JK触发器Q端提供，输出负脉冲Vo通过非门加到计数器的清除端R。
静态时，门4应处于截止状态，故电阻R必须小于们的关门电阻Roff。定时元件RC取值不同，输出脉冲宽度也不同。当触发脉冲宽度小于输出脉冲宽度时，可以省去输入微分电路的Rp和Cp。
单稳态触发器在电子秒表中的职能是为计数器提供清零信号。 （3）时钟发生器
用555定时器构成的多谐振荡器，是一种性能较好的时钟源。
调节电位器，使在输出端3获得频率为10Hz的矩形波信号，当基0本JK触发器Q=1时，门5开启，此时10Hz脉冲信号通过门5作为计数器脉冲加于计数器1的计数输入端CP2.
（4）计数及译码显示
计数器部分采用三片74ls160级联的方式构成600进制同计数器，高位芯片通过与非产生进位清零信号，从而达到整体回零的目的。
译码器部分由三片CD4511构成译码器电路：是将数码转换为一定的控制信号。在此由CD4511集成元件构成，它能将十个二进制数码转换为输出端上的电平信号以控制显示器。
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第3章 芯片介绍
3.1 74LS00
74LS00 是常用的2输入四与非门集成电路，他的作用很简单顾名思义就是实现一个与非门。 如图3.1
图3.1 74LS00引脚图
74LS00真值表： A＝1 B=1 Y=0 A＝0 B=1 Y=1 A＝1 B=0 Y=1 A＝0 B=0 Y=1 3.2 74LS160
图3.2 74LS160
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芯片同步十进制计数器（直接清零） ·用于快速计数的内部超前进位 ·用于n 位级联的进位输出 ·同步可编程序 ·有置数控制线 ·二极管钳位输入
·直接清零 ·同步计数
本电路是由4 个主从触发器和用作除2计数器及计数周期长度为除5的3位2进制计数器所用的附加选通所组成。有选通的零复位和置9输入。为了利用本计数器的最大计数长度（十进制），可将B输入同QA 输出连接，输入计数脉冲可加到输入A上，此时输出就如相应的功能表上所要求的那样。
3.3 555定时器
图3.3 555引脚图
用555构成的多谐振荡器，通过电容充放电可以形成方波来为计数器74LS90提供脉冲信号。 3.4 CD4511
CD4511是一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码—七段码译码器，特点如下：
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具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱显示器
图3.4 CD4511引脚图
表3.1
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动LED
其功能介绍如下：
BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。
LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。
LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。
A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。
a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。 3.5 七段数码管
七段数码管其实是八段，有时小数点没有使用，所以常说7段。七段数码管有10个引脚，上下最中间两个为共阴极活共阳极，因为CD4511输出为高电平，所以我们选用的为共阴极，当哪个引脚输入为高点平时，其对应的二极管发光。如图3.5 3.6
图3.5
图3.6
3.6 74LS76
触发器是构成时序逻辑电路的基本单元，触发器按逻辑功能分为RS触发器、JK触发器、D触发器、
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T触发 器和T′触发器等多种类型；按其电路结构分为主从型触发器和维持阻塞型触发器等。
JK触发器
图3.7 74LS76
（1）JK触发器符号及功能
JK触发器有两个稳定状态：一个状态是Q＝1，Q=0，称触发器处于“1”态，也叫置位状态；另一个状态 是Q＝0，Q＝1，称触发器处于“0”态，也叫复位状态。JK触发器具有“置0”、“置1”、保持和翻转功 能，符号如图l所示。
反映JK触发器的Qn和Qn、J、K之间的逻辑关系的状态表见表1。状态表中，Qn表示时钟脉冲来到之前触发 器的输出状态，称为现态，Qn+1表示时钟脉冲来到之后的状态，称为次态。
JK触发器的种类很多，有双JK触发器74LS107，双JK触发74LS114，741S112，74HC73，74HCT73等，有 下降沿触发的，也有上升沿触发的。图l所示的JK触发器是下降沿触发的。
表3.2
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3.7 7805稳压管
电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78 ×× 系列和负电压输出的79××系列。顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子象是普通的三极管，TO- 220 的标准封装，也有9013样子的TO-92封装。 用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为正6V，7909表示输出电压为负9V。
因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。如图3.8
图3.8 7805
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第4章 组装调试
我们分别负责整体布线、电源设计、计数器电路、译码电路及信号源的设计。我们先做了电源，经过安装调试后，接好了电源，用万用表测量后其值为5.02v,这样直流电源就完成了。
接下来完成的是计数电路，计数电路是由三个74LS160组成的并行输入同步置数电路，译码锁存电路是由三片CD4511构成的， CD4511构成的译码锁存电路所得到的二进制代码由BCD 码—七段码译码器来显示完成。然后是控制电路，控制电路是由两块74LS76JK触发器组成。将以上模块连接在一起就构成了所要求的计数电路。
最后是信号源，选用的是NE555、两个4.7K的电阻、10uf和0.01uf电容各一个，开始不能出现稳定的脉冲，而且频率也不是10Hz，经过无数次的调试，原因是接触不良导致脉冲不稳定，但最终还是成功完成了信号源的调试。
本设计采用Proteus 7_7仿真软件对设计电路进行了调试，在调试过程中遇到了不少的麻烦，经过多次反复的检查和排除，最终实现了全部功能。
调试方法：按模块调试，在每个模块的输入端加理想的调试信号，在输出端接示波器，观察输出波形，如果波形符合设计预期，则说明此模块工作正常，否则可按从输出到输入的顺序逐一排查，直到解决问题。当各模块调试无误后，将各模块连接起来，同时要注意接口的电平匹配问题。
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第5章 故障分析
故障1：脉冲发生器（555定时器构成的多谐振荡器）没法实现0.1秒的脉冲信号。
原因：参数不对。
排除方法：利用T=3RCLn2适当的选取定值电阻、电容的大小和可变电阻的最大阻值，最终使得其产生正确的脉冲信号。
故障2：数码管不能按顺序进行显示，只能显示2、4、6、8、0。
原因：计数器芯片74LS160管脚与CD4511管脚接线错误，还有就是LED数码管的共极性弄反（原理是接共阴极数码管，但领的器材是共阳极的）。
排除方法：对计数器74LS160和CD4511进行正确接线，我们用发光二极管对74LS160和CD4511的管脚进行测试，在其输入端输入高低电平，观察发光二极管的亮灭顺序，最终发现CD4511的管脚图不是按顺序排列的，导致76LS160不能用以往的方法与CD4511进行接线，因此导致错误。还有就是调整数码管的阴阳极接线（按共阴极的接线方法接线）。
故障3：数码管数字跳动频率不均匀。
原因：使能输入信号和清零信号的波形不是规则的脉冲方波。
排除方法：用示波器观察脉冲输出电路输出端的波形，如果不规则就加以个反相器（用74LS00代替）整形，同时，这样还能达到减小误差的目的。
故障4：计数器虽然是6进制计数，但数码管上出现6。
原因：我们的74LS160用的是异步置数，但我们没有将秒的各位和十分位接入与非门，而导致数码管上出现6，最后我们换了一个74LS20的四端与非门，将秒的十位的2和4，还有秒个位和十分位的进位引脚接入与非门，这样就真正实现了6进制计数，达到了我们预期的结果。
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第6章 电路测试与数据记录分析
6.1 基本JK触发器的测试
表6.1
操作 按动K2 按动K1 Q 的值 0 1 基本JK 触发器的测试
Q的值 1 0 基本JK 触发器实现了启动、停止、复位秒表的作用。 6.2 单稳态触发器的测试
图6.1 示波器输出波形
单稳态触发器实现了为计数器提供清零信号的作用。 6.3 时钟发生器的测试
调节RW使得输出波形的频率为50HZ 。用555 定时器构成的多谐振荡器，作为时钟源。如图6.2 6.4 设计成果评价
我们组本次课程设计所得结果与预期目标完全相符，达到了实验初课设要求中的各项性能指标，
将各模块电路拼接在一起后，刚开始没有达到老师的要求，但经过我们的细心改正和修改，最终能准确的实现所有功能，即实现了由0.1秒到59.9秒的计数、锁存、复位等功能。
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6.2 示波器输出波形
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图
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