电子课程设计电子秒表学院华科学院电子信息工程系专业、班级：电气）8220H姓名：王馨学号：200822050122指导老师：曹俊琴2010年12月目录一、 设计任务与要求 3二、 总体框图 3三、 选择器件 6四、 功能模块 1 5五、 总体设计电路图 22六、 课程设计心得 23电子秒表一、 设计任务与要求1、 计时部分由0.1s位，s个位、s十位和mn个位四个计数器组成其中 m n个位、0.1s位分别为8421BCD马十进制计数器个位和十位组成六十 进制8421BCD马计数器计数范H)-10nnno2、 用一个按键实现清零、计时、停止三种工作状态，当按键第一次按下时， 秒表开始计时当第二次按下时，秒表停止计时当第三次按下时，秒 表则清零3、 脉冲源可通过555多谐振荡器提供二、 总体框图1、总体框图图1总体框图(1)(2)(3)(4)2、模块的功能秒表控制模块：实现对秒表的暂停、计数、清零等功能的控制脉冲产生模块：能够产生脉冲信号，从而实现对计数模块的控制计数循环产生模块：可以对时钟脉冲计数，并且具有分频功能译码显示模块：构成此模块的数码管将计数循环电路模块的状态转换用数字显示出来。
3、 设计思路（1） 秒表控制模块的设计：应设计一个控制电路，实现对秒表的暂停、计数和 清零2） 脉冲产生模块的设计：可以利廊5定时器组成的多谐振荡器产生的脉冲 信号和三态门D触发器组成的单脉冲来实现对计数循环模块的脉冲控制且 根据多谐振荡器的输出脉冲频率，使秒表在规定的时间内完成状态转换3） 计数循环产生模块的设计：要选择具有对时钟脉冲选择和具有分频功能的 计数器4） 译码显示模块的设计：可选用输入显示数码管或7输入显示数码管将计 数循环电路模块的状态转换用数字显示出来4、 设计方案图2 设计方案图1、多谐振荡器电路：多谐振荡器是一种能产生矩形波的自激振也称矩形波发生器多谐’指矩形波中除了基波成分外，还有丰富的高次谐波成分多谐振荡器没有 稳态，只有两个暂稳态，在工作时，电路的状态在这两个暂稳态之间自动 地交替变换，由此产生矩形波脉冲信号，常用作脉冲信号源及时序电路中 的时钟信号具体地说，如果开始时多谐振荡器处状态，那么它在0 状态停留一段时间后将自动转入状态，在1状态停留一段时间后又将自 动转入0状态，如此周而复始，输出矩形波通过对电容、电阻的计算来 确定0.1秒脉冲，实现对计数器的时钟控制多谐振荡器在接通电源以后， 不需要外加触发信号，便能自动产生矩形脉冲。
多谐振荡器有很多种，例 如对称式多谐振荡器，非对称式多谐振荡器，石英晶体多谐振荡器， 定时器构成的多谐振荡器等等面对如此众多选择，我最终决定选择 定时器构成的多谐振荡器，基于以下原因：（1） CB555定时器属于常见器件是一种性能较好的时钟源，似石英晶 体振荡器虽然更为精确考虑到普遍性以及易实现性我选择555这个 器件2） 555定时器构成的多谐振荡器，相对其他方案更容易调整输出频率， 通过调节滑动变阻器就可实现频率调整，调节方便快捷2、 单脉冲发生器电路：由开关控制的单脉冲发生器电路由三态「旧触发器组成在此触发器中 通过三态门滤波使输出都为高电咽经过一个与非门使它的输出都为低 电平从而作为计数器清零端的控制信号触发器的输出Q为低电平时， 计数器清零3、 开关控制电路：本模块主要由74LS160构成，将电路分为三个状态、1、2当控制电路 的160显示1的时候，表示计数，当控制电路将0显示2的时候，表示 停止当160显示0的时候，表示清零160显示1时，160的QA管脚输出高电平，与时钟信号一起经过与门， 进入计时器的时钟信号端当60显示2时，160的QA输出低电平，计 时停止当160显示0时，160的四个输出管脚全为低电平，经过非门后 在一同进入四输入的与非门，进入计时器的清零端，计时器清零。
4、 与门：与门的两个输入分别为脉冲信号和计数躁的输出端当脉冲发生器的输 出为高低电平,QA端输出高电平时，其输出为高低电平，脉冲信号通过与 门使计数器工作此时进入计时状态当QA端输出为低电平时脉冲信号 无法通过与门送到计数器，此时计数器进入暂停状态5、 计数器：计数器是由触发器组成的时序电路，其功能是用触发器的状态记录输入端 的时钟脉冲个数它常用于计数、分频、定时及产生数字系统的节拍脉冲 灯，种类非常多，如74LS16Q74LS161,74LS190,74LS192等结合这次设 计的具体情况，秒表的计数为十进制，而这些计数器中S160为十进制 计数器且在生活中广泛应用，比较普遍，此芯片还具有异步清零和同步置 数功能可用于控制秒表清零和暂停等功能的实现，因此选用160计数 器其中的六十进制也是用S74US160组成，其中一 片74LS160用置数法 接成六进制计数器，然后两片异步串联连接，形成六十进制计数器，该计 数器最大计数值为596、 译码显示：常用的数码管有4输入的和7输入的，结合本设计，由于选用74US160 计数器芯片，此芯片的输出为位，若选用7输入数码管还需增加BCEF七段显示译码器74LS48将74LS160的输出经译码后传给7输入数码管, 而显示数字。
因此在本设计中使用输入数码管三、器件选择表1器件选择序 号芯片选择 器件功能 数11片74LS00D两输入与非门274LS160D可预置BCD异步清零十进制加法计数器3LM555CM定时器（用来构成多谐振荡器）411,74LS04N非门52片74LS20D四输入的与非门61片74LS08N两输入的与门71片74LS244DW二态门81片74LS74DD触发器各器件的逻辑框图、逻辑符号、逻辑功能表、内部原理图具体如下:（1）74LS00D （两输入与非门）逻辑符号逻辑框图:… 03)图3 74LS00的逻辑框图引出端符号：1A-4A 1B4B输入端1Y-4Y输出端图l4ls00逻辑符逻辑功能表:表2 74LS00逻辑功能表逻辑功能描述如下:INPUTSOUTPUTYABHHLLXHXLH其中A B为输入端，Y为输出端当输入端A=0, B=0时，输出端Y为高电平，即Y=1；当输入端A=0，B=1时，输出端Y为高电平，即Y=1；当输入端A=1, B=0时，输出端Y为高电平，即Y=1；当输入端A=1, B=1时，输出端Y为低电平，即Y=0；即两个输入端^ B的输入电平只要有一个是低电平，输出端Y就为高电平1； 只有A B两个输入端的电平同时为时，输出端Y才为低电平0。
内部原理图：Vcc 4J? 4A 4Y 3B 3A 3Yj 74LS00 r&L r&i"图5 74^0内部原理图也（2）74LS160D （可预置BCD异步清零十进制加法计数器）逻辑框图： 逻辑符号：—tr - g—CLR . 1 ]6]VCC wad CLK[ 2 151RCO ::AL 3 ]4jQA clk —74LS160 QAB[ 4 13. Qb a 如C[ 5 12]Qc : QCD[ 6 11]Qd d —如FNP[ 7 10]ENTGND[ 8 9] LOAD图6 74LS160逻辑框图 图7 74LS160逻辑符号引 出 端符号© : 进位 输ENP 端计数 控制tCD 端输ENT 端计数 控制 端CP 时钟输入端 （上升沿/CLR 异步清除输入端（低电平有/LOAD 同步并行输入置数端（低电平有效） 逻辑功能表:表3 74LS160D逻辑功能表CPRDLDEP ET工作状态X0XX X置0 （异步）10X X预置数（I可步）X1101 保持（包括C)X11X0 保持（C=))_n_1111 计数逻辑功能描述如下： _由逻辑图与功能表知，在74LS160中卤为预置数控制端，D0-D3为数据输入 端，C为进位输出端，RD为异步置零端，Q0-Q3位数据输出端£?和ET为工作 状态控制端。
当Rd =0时所有触发器将同时被置零，而且置零操作不受其他输入端状态的 影响当R =1、LD =0时，电路工作在预置数状态这时G16-G19的输出始 终是1,所以FR）- FF1输入端J、K的状态由D0-D3的状态决定当R D= LD =1 而EP=0ET=1时由于这时门G16-G19的输出均为0亦即FF0-FF3均处在J=K=0 的状态，所以CP信号到达时它们保持原来的状态不变同日的状态也得到保 持如果ET=0、则EP不论为何状态，计数器的状态也保持不变，但这时进位输 出C等于0O 当Rd = LD =EP=ET=1时，电路工作在计数状态从电路的000状 态开始连续输入10个计数脉冲时，电路将从1111的状态返回0000的状态，C 端从高电平跳变至低电平利用端输出的高电平或下降沿作为进位输出信号内部原理图:ZD THG】G12&]1J>C1FFx玖CPg2d & —G3ErG$sG7i_GTEbC、\EF“-:—16Gm 「(3) LM555CM逻辑框图:DTHTRz &JTj<> ClR二K]1KFF;&11J->C1R1T|ikI：F\ grr >C1 R_ 5. 乜图8 74LS160D内部原理图逻辑符号VCC RdUOCOGNDDTHTR图9逻辑功能表：LM555CM逻辑框图UORdCO图10 LM555CM逻辑符号输入阈值输入V”）触发输入V J复位（屿输出（勺放电管TXX00导通宇11戈止必矿E3 E101辛通_ GJ1卜变表4 LM555OM逻辑功能表不变逻辑功能描述如下：555定时器的主要功能取决于比较器，较器的输出控制RS触发器和放电 管T的状态。
图中$为复位输入端，当Rd为低电平时，不管其他输入端的状态 如何，输出为低电平因此在正常工作时，应将其接高电平 由图可知，当5脚悬空时，比较器C和C比较电压分别为2/3V和1/3V 当v>2/3V，v >1/3V时，比较器C输出低电平，比较器C.输出高电平，基本 I 1 CC 12 CC 1 2RS触发器被置 0,放电三极管 T导通，输出a雌电/平当2V3、，v| <1/3Vr时，比较器C输出高电平，比较器C输出低电 平，基本 RS触发器被置1,放电三极管T截止，输出端为高电平 当v2/3V，v >1/3V时，基本RS触发器R=1、S=1,触发器状态不变， 电路亦保持原状态不变综合上述分析可得555定时器功能表如初所示如 果在电压控制端（脚）施加一个外加电压（其值在）-V *之间），比较器的参 考电压将发生变化,路相应的阈值触发电平也将随之变例 而影响电路的 工作状态由555定时器组成的多谐振荡器如图项所示，其中R 1、R2和电容C为外 接元件其工作波如H）所示内部原理图:（4） 74LS04N非门：逻辑框图： 逻辑符号Ful 13 |12| 11 |w|)rn1A——74LS04——6A——6Y——5A 5Y——4A 4YVu患1Y——2A——2Y——3A——LJ Ld L±l Ld Ld Ua IdGND3Y——图12 74LS04逻辑框图 图13 74LS04逻辑符号输入输出LHHL逻辑功能表： 表5 74LS04逻辑功能表逻辑功能描述如下： 当输入端为低电平0时，输出端为高电平1； 当输入端为低电平1时，输出端为高电平）； 即输出端的电平与输入端的电平总是相反的。
内部原理图：L_d L1J LJ M M L1J图j4"74LS04内部原理图（5）74LS20D四输入与非门:■，Tw I图15 74LS20逻辑框图逻辑功能:表6 74LS20功能表ABC1111 00XXX1X0XX1XX0X1XXXX1这个74l s20芯片的功能很简单，就是包含两个输入与非门，内含两组4与非 门第一组：1,2, 4, 5输入6输出第2组：9,10,12,13输入8输出内部原理图：2n 口Outfit图16 74LS20内部原理图（6）74LS08 四2输入与门74LS08为四组2输入端与门正逻辑决有54/ 7408.54/ 74S08>54/ 74LS08三种线路结构型式，其主要电特性的典型值如下：型号tpLHtphlPd54/740817.5ns12ns78inW54/74S084.5ns5 ns125mW54/74LS088 nsWns17inW引出端符号1A—4A输入端1B-4B输入端1Y—4Y输出端Vrr M A.I Y4 A3 ¥3Al Bl tl A2 17 V2 GMO双列直插封装图17 74LS08逻辑图与管脚表7 74LS08功能表Y = ABInpuUOuipmABVLLLLHLHLLHIIH(7)数码显示管：所谓的八段就是指数码管里有八个4由发光二极管通过控制不同的LED 的亮灭来显示出不同的字形数码管又分为共阴极和共阳极两种类型实共阴 极就是将八个1由的阴极连在一起让其接地这样给任何一个LED的另一端高 电平，它便能点亮。
而共阳极就是将八1^的阳极连在一起其原理图如下MMMklMMszMc d p--t5V+引脚图共阴极 共阳极其中引脚图的两个皿端连在一起是公共端，共阴数码管要将其接地共 阳数码管将其接正5伏电源一个八段数码管称为一侈个数码管并列在一起 可构成多位数码管，它们的段选线(艮a, b, c, d, e,f, g, dp)连在一起，而各自 的公共端称为位选线显示时，都从段选线送入字符编码，而选中哪个位选线， 那个数码管便会被点亮数码管的段，对应一个字节的位，a对应最低位， dp对应最高位所以如果想让数码管显示数字，那么共阴数码管的字符编码为 00111111即0x3f ；共阳数码管的字符编码为1000000即0xc0可以看出两 个编码的各位正好相反其阴极共阳极四、功能模块各模块之间的连接关系:图18各模块之间的连接关系（1） 多谐振荡器电路VGG图19多谐振荡器电路设电容的初始电压U =0, t = 0时接通电源，由于电容电压不能突变所以高、低触发端VTH = VTL =0< 3 Vcc，比较器A 1输出为高电平，A?输出为低电平，即RD = 1, SD =0 （1表示高电位,0表示低电位） R-S触发器置1,定时器输出U0 = 1此时Q = 0,定时器内部放电三极管截止，电源V经R], R2向 电容C充电，u逐渐升高。
当u上升到1V时，A输出由0翻转为1,这时c c 3 cc 2RD =d L , R触发顺保持状态不变所以）
充电时间 T = (R + R )Cln2 " 0.7(R + R )C1 1 2 1 2放电时间T RCln2 0.7RC ^矩形波的振荡周期 T = T + T = ln2(R + 2R )C " 0.7(R + 2R )C1 2 1 2 1 2因此改变R1、R2和电容C的值，便可改变矩形波的周期和频率对于矩形波，除了用幅度，周期来衡量外，还有一个参数：占毒比^(脉宽t ) / (周期T) I.指输出一个周期内高电平所占的时间图)(所示 W电路输出矩形波的占空比q = |1 =〈 =5*%T T + T R + 2 R根据设计要求将秒表精度定为.1s，因此需要多谐振荡器产生周期为. 1s的脉 冲根据脉冲周期计算公式：T = T + T2=(R + R )C ln ——^r— + R C ln ~?^2 1 V - V 2 0 — V要求电源电压取5^输出脉冲占空比为/3，可得电阻R1, R2为4.8KQ多谐振荡器每隔0. 1s发出一个脉冲使计数器发生一次状态转换，根据状态转换 的次数就可以达到计时的目的软件仿真结果(2) 单脉冲发生器电路XLA1U20AU18BVEG-7—^4LS04PL2-3-4- AAAA 1111G-11111.：『•••・如IX图21单脉冲发生器电路(3) 开关控制电路:■3VVCC^LOSlD^CL-Zl-ENP - SCO ENT . . • •_LA>CLK■74E&160D74LS04DU1'4A74LS00I>■8图22开关控制电路(4) 计数器及译码模块:U7U80CQ HEX攻。
'HEXU9A ..3OOOOooooU10B:MLS贝U10C；;; 74LS04D1'oooo.#图23计数器及译码电路计数部分采用十进制计数器4LS160No 74LS160N有低电平触发的异步清零 端和同步置数端以及控制状态转换的时钟输入端本设计方案中应用到了异 步清零端和时钟输入端异步清零端为有效低电平时全部计数器立即置零，而实现了秒表的清零功能当时钟输入端有时钟脉冲信号输入时便可实现计数器状态的循环转换， 实现计时功能当秒表处于计时功能时，芯片的时钟输入端送入周期逾1s的脉冲信号， 即U7芯片的状态每隔0. 1s实现一次变搠此U7芯片输出作为秒知.1s计数位的输入与四输入译码显示器相连当U7芯片完成一次十状态转换后便会从进位输出输出一个脉冲信号表示已计数十淞此可将U7芯片的进位输出制©与U4芯片的时钟输入端相 连，U7的进位脉冲作为U4芯片的时钟控制脉冲经分析可知最初周期为1s 的时钟信号经过U7芯片分频后从其进位输出端输出周期为s的时钟信号这 个时钟信号控制山芯片每1s转换一次状态，因此可将4芯片作为秒表个位计 数位的输入与四输入译码显示器相连当U4芯片完成一次十状态转换后，便会从进位输出端）输出一个脉冲信 号表示已计数十次此可将U4芯片的进位输出端RC与U5的时钟输入端相连， U4的进位脉冲作为U5芯片的时钟控制脉冲。
此时可将5芯片作为秒十位计数 位的输入与四输入译码显示器相连U4芯片和U5芯片组成六十进制计数器当U5芯片完成一次六状态转换后， 便会从进位输出鄢©输出一个脉冲信号表示已计数六次B芯片的CB端经过 一个非门与CA端和CC端同时作为三输入与非门的输入其输出端输出的进位 脉冲作为U6芯片的时钟控制脉7因此匕可将U6芯片作为分钟个位计数位的输入 与四输入译码显示器相连计 数 器 的 软 件 仿 真下 %泌 套泌1/4 = USI7 =74LS1-€OD17 4LS1■260图24 0. 1S位进位仿真图■2 b图25 s个位进位仿真图图26 s十位进位仿真图U54'1-a.oooo.U7U8IIU10BECD'HEX博口 'HEXDUl'Ot：74-LS«34T>USA ..1374】商ED7404N'''aoooo• -CPQLJQ ,纪.OppO,显o g74LS04II■28图27nin个位仿真图五、总体设计电路图图28总体设计电路图此电子秒表的整体工作电路原理如下：(1) 通过调节多谐振荡器的滑动变阻器使得其输出周期为S的脉冲信号2) 由开关控制的单脉冲发生器电路由三态门和触发器组成在此触发器中通过三态门滤波使输出都为高电再经过一个与非门使它的输出都 为低电平，从而作为计数器清零端的控制信号。
触发器的输出Q为低 电平时，计数器清零3）开关控制电路主要E由74LS160构成，将电路分为三个状态1、2当控 制电路的160显示1的时候表示计数当控制电路的160显示2的时候， 表示停止当160显示0的时候，表示清零160显示1时，160的QA管脚输出高电平，与时钟信号一起经过与门， 进入计时器的时钟信号端当60显示2时，160的QA输出低电平，计 时停止当160显示0时，160的四个输出管脚全为低电平，经过非门后 在一同进入四输入的与非门，进入计时器的清零端，计时器清零通过硬件实验验证了电子秒表设计的设计的正设性所要求的各个控制情况 都实现六、课程设计心得：此次课程设计学到了很多课内学不到的东西匕如独立思考解决问题与 人合作共同提高，这些都让我受益匪浅在此，感谢老师的细心指导，也同样谢谢其他同学的无私帮助！通过本次课程设计我感触很y这是我做的第一次课程设计I开始到结束 是在匆匆忙忙的生活中度过的在这两个星期的日子里可以说是苦多于甜但 是可以学到很多很多的东闸时不仅可以巩固以前所学过的知而且学到了 很多在书本上所没有学到过的知通过这次设计进一步加深了对数字电子以 及各种器件的了解让我对它有了更加浓厚的兴趣。
设计电路过程中我遇到很 多问题，所以慢慢的平时很少讨论问题的我跟同学对设计的交流成了家常便饭， 在整个过程中付出了很多的努力当看到显示屏上自己设计的电路仿真结果实 现时，我觉得任何困难都值得，一种成就感油然而生通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要有理论知识 是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论， 才能真正为社会服务从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力设计 的过程中难免会遇到各种各样的问题进在设计的过程中发现了自己的不足之 处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固本次课程设计为我们提供了一个可以在知识的天空里自由翱翔的空间； 了一个可以在知识的海洋里扬帆远行的空间它为我们的学习生活增添了一道亮 丽的风景线，为我们的理想之塔增砖添瓦为我们的知识小帆鼓风助力们必 将坐着智慧小船乘千里风破万里浪S拓进取，勇往直前，朝着我们的理想彼岸 前进总的来说这次设计的电灯控制开关还是比较成功的设计中遇到了很多 问题，最后在康老师的辛勤的指导下迎刃而解于觉得平时所学的知识有了实 用的价值，达到了理论与实际相结合的目的^又学到了不少知识而且锻炼了 自己的能力使自己对以后的路有了更加清楚的认识I时，对未来有了更多的 信心。
在这次设计中有同学老师对我给予了很大的帮助,我向他们表示衷心的 说一声谢谢！。