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数字跑表

学号：0120911360205

课程设计

题目数字跑表设计

学院自动化学院

专业自动化

班级0902

姓名

指导教师杨莉林伟

2011 年7 月 6 日

课程设计任务书

学生姓名：专业班级：自动化0902 指导教师：杨莉林伟工作单位：自动化学院

题目: 数字跑表设计

初始条件：

1．运用所学的模拟电路和数字电路等知识；

2．用到的元件：实验板、电源、连接导线、74系列芯片、555芯片或微处理器等。

要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1．设计一个具有、‘分’、‘秒’、‘1/100秒’的十进制数字显示的计时器。

2．要有外部开关，控制计数器的直接清零、启动和暂停/连续计时功能；

3．严格按照课程设计说明书要求撰写课程设计说明书。

时间安排：

第1天下达课程设计任务书，根据任务书查找资料；

第2～4天进行方案论证，软件模拟仿真并确定设计方案；

第5天提交电路图，经审查后领取元器件；

第6～8天组装电路并调试，检查错误并提出问题；

第9～11天结果分析整理，撰写课程设计报告，验收调试结果；

第12～14天补充完成课程设计报告和答辩。

指导教师签名： 2011年 6月26日

系主任（或责任教师）签名： 2011年 6月26日

1 设计意义及要求 (5)

1.1 设计意义 (5)

1.2 设计要求 (5)

2 方案设计 (6)

2.1 设计思路 (6)

2.2 方案设计 (7)

2.3 方案比较 (9)

3 部分电路设计 (10)

3.1 计数单元 (10)

3.2 启动和暂停单元 (14)

3.3清零功能单元 (16)

3.4脉冲输出电路 (17)

3.5 译码及显示电路 (19)

4 调试与检测 (21)

4.1 调试中故障及解决办法 (21)

4.2 调试与运行结果 (21)

5 仿真操作步骤及使用说明 (24)

结束语 (25)

参考文献 (26)

附录1:.................................................... 错误！未定义书签。

引言

在人类伟大的历程中，我们的祖先创造了无数的文明，影响了一代又一代的人，岁月滑过了一代又一代，进入21世纪，我们的生活变得更加精彩缤纷。

过去的三个世纪，我们经历了第一次工业革命，人类开始进入蒸气时代，第二次工业革命，人类开始进入电气时代并在信息革命资讯革命中达到顶峰。现在正处于第三次工业革命。可见，科学技术的迅猛发展，我们的生活更加便利和幸福，总之，我们的生活已经离不开科学技术。电子技术属于其中的一门，各个领域都可以看见它的身影。汽车，飞机，计算机，电话是典型的应用。

数字跑表作为一个简易的数字集成电路的应用，在很多地方起到非常重要的作用，例如，我们上体育用的停表，实验用的电子停表以及我们自己用电子表就是它的应用的典型例子。数字跑表使用简单，携带方便，广泛应用与各个领域中。

数字跑表具有计时功能，本次设计的数字跑表可以精确到0.01秒，在一定条件下能做到符合要求的准时计时。

数字跑表的设计

1 设计意义及要求

1.1 设计意义

通过对本次数字跑表课程设计，我们自己设计，自己分析，自己动手，使我们加深了对已经学的模拟电子技术和数字电子技术方面的理解和初步应用。将之运用到实践中去，加深自己的理解。为以后的学习和工作打下一个坚实的基础。

掌握用各种进制计数器设计所需进制计数器的转换、译码器和数码管的使用、门电路的控制作用以及用555定时器产生时序脉冲等。各种电路的组合需要经过精密的计算和思考，整合各个功能电路，使之能达到数字跑表的基本要求。在课程设计中，我们用到了很多的芯片，这对我们熟悉各种芯片的功能用途很有帮助，可以阔宽我们的视野，发散我们的设计，分析与理解思维。同时可以让我们明白同一个问题可以有多种解决的方法，通过对不同方法的比较，学会选择最优解。

总之，此次设计对我们的作用非常大，可以提高自己的个项及综合能力，并将理论与实践相结合，认识到理论与实际的差距，并能分析其中的误差，使自己能更好的运用自己所学，和没有学的，完成其他功能更多、更加复杂、完善的电子产品设与制作。现在的设计是简单的，基础的，将来我们会遇到更多复杂的问题。不管如何，我相信，这次的设计对我们的将来很有用处，会是一笔无价的财富。

1.2 设计要求

(1).设计一个具有、‘分’、‘秒’、‘1/100秒’的十进制数字显示的计时器；

(2).要有外部开关，控制计数器的直接清零、启动和暂停/连续计时功能。

2 方案设计

2.1 设计思路

1).用多功能计数器产生一百进制和六十进制的计数器，实现数字跑表的计数功能。 2).利用555定时器构成的多谢振荡器产生时序脉冲，在特定的参数下可以实现产

生100HZ 的脉冲，即周期为0.01s,这样也是我们所设计的数字跑表的精度，达到数字跑表的计时要求。

3).利用各种逻辑门电路对计数器进行控制，实现数字跑表的清零，启动、暂停。 4).利用译码器和数码管实现译码及显示功能。

5).考虑到电路存在的各种延时及干扰等实际因素，在理论的基础上添加一下元器件，减少延时和干扰。例如用触发器设计防开关震动。系统框图如图2-1

图2-1系统框图

555多谐振荡器产生时序脉冲计数器

译码器

数码管显示电路

开关

开关与逻辑门电路

启动/暂停

清零

2.2 方案设计

2.2.1设计方案一（个人方案）电路图

Q 3G N D 1

V C C

TR 2

555

0.3k

1uF

VCC

GND

47nF

U1(Q)

C2(2)

VCC

A 7Q A 13

B 1Q B 12

C 2Q C 11

D 6Q D 10B R B O 4Q

E 9R B 5Q

F 15L T

Q G

74LS48

A 7Q A 13

B 1Q B 12

C 2Q C 11

D 6Q D 10B R B O 4Q

E 9R B 5Q

F 15L T

Q G

74LS48

A 7Q A 13

B 1Q B 12

C 2Q C 11

D 6Q D 10B R B O 4Q

E 9R B 5Q

F 15L T

Q G

U1074LS48A 7Q A 13B 1Q B 12C 2Q C 11D 6Q D 10B R B O 4Q E 9R B 5Q F 15L T

Q G

U1174LS48A 7Q A 13B 1Q B 12C 2Q C 11D 6Q D 10B R B O 4Q E 9R B 5Q F 15L T

Q G

U1274LS48A 7Q A 13B 1Q B 12C 2Q C 11D 6Q D 10B R B O 4Q E 9R B 5Q F 15L T

Q G

U1374LS48D 03Q 014D 14Q 113D 25Q 212D 3

Q 311R C O

E N P 7E N T 10C L K 2L O A D 9M R

74LS160

D 03Q 014D 14Q 113D 25Q 212D 3

Q 311R C O

E N P 7E N T 10C L K 2L O A D 9M R

74LS160

D 03Q 014D 14Q 113D 25Q 212D 3

Q 311R C O

E N P 7E N T 10C L K 2L O A D 9M R

74LS160D 03Q 014D 14Q 113D 25Q 212D 3

Q 311R C O

E N P 7E N T 10C L K 2L O A D 9M R

74LS160D 03Q 014D 14Q 113D 25Q 212D 3

Q 311R C O

E N P 7E N T 10C L K 2L O A D 9M R

74LS160D 03Q 014D 14Q 113D 25Q 212D 3

Q 311R C O

E N P 7E N T 10C L K 2L O A D 9M R

74LS1604

U14:B

74LS00

U14:C

74LS00

U15:A

74LS08

U16:A

74LS32

U16:B

74LS32

U16:C

74LS32

U16:D

74LS32

U17:A

74LS04

U17:B

74LS04

U17:C

74LS04

U17:D

74LS04

10k

图2-2-1 方案一

上图的元器件排列如下图所示

U13 U12 U11 U10 U9 U8

U7 U6 U5 U4 U3

U14 U16 U17 U18 U20

U15 U19 U21 U22 U23

U24

其中UI 为用555定时器构成的多谢振荡器 U2-U6为74LS160十进制加法器 U7-U13为7448译码器

U14 U15 U18 U19 为或门电路 U16 U20 为与非门电路 U17为与门电路

U21 U22 U23 U24 为非门电路

如图2-2-1所示，该电路由时序脉冲源、计数器、译码器、数码管及逻辑控制电路组成。

时序脉冲源由555定时器构成的多谐振荡器，设置特定的参数如R5=0,3K,R6=7K,C2=10uf.可以产生频率为100Hz 的时序脉冲，为计数器U1提供时序脉冲，使之计数。计数器由6个74LS 160（十进制加法器）芯片计数器组成，通过芯片间的连接实现微秒、秒、分计时电路。计数器输出连接译码器，译码器再连接数码管，起显示作用。逻辑门控制计数器的启动/暂停及清零。

接通电源后，将启动开关打到高电平端，电路即开始计时，将开关打到低电平端，电路就暂停计时，按下清零开关，计时清零。这样就实现了数字跑表的各项基本功能。

2.2.2设计方案二（小组方案）电路图简单说明

Q 3G N D

V C C

TR 2

555

0.03k

0.7k C1

0.047F

10uF

C K A 14Q 012C K B

Q 19Q 28Q 3

11R 012R 023R 916R 927

74LS90

C K A 14Q 012C K B

Q 19Q 28Q 3

R 012R 023R 916R 927

U374LS90

C K A 14Q 012C K B

Q 19Q 28Q 3

R 012R 023R 916R 927

74LS90C K A 14Q 012C K B

Q 19Q 28Q 3

R 012R 023R 916R 927

U574LS90C K A 14Q 012C K B

Q 19Q 28Q 3

R 012R 023R 916R 927

U674LS90A 7Q A 13B 1Q B 12C 2Q C 11D 6Q D 10B R B O 4Q E 9R B 5Q F 15L T

3Q G

74LS48

A 7Q A 13

B 1Q B 12

C 2Q C 11

D 6Q D 10B R B O 4Q

E 9R B 5Q

F 15L T

Q G

74LS48

A 7Q A 13

B 1Q B 12

C 2Q C 11

D 6Q D 10B R B O 4Q

E 9R B 5Q

F 15L T

Q G

U1074LS48A 7Q A 13B 1Q B 12C 2Q C 11D 6Q D 10B R B O 4Q E 9R B 5Q F 15L T

Q G

U1174LS48A 7Q A 13B 1Q B 12C 2Q C 11D 6Q D 10B R B O 4Q E 9R B 5Q F 15L T

Q G

U1274LS48C K A 14Q 012C K B

Q 19Q 28Q 3

R 012R 023R 916R 927

74LS90

A 7Q A 13

B 1Q B 12

C 2Q C 11

D 6Q D 10B R B O 4Q

E 9R B 5Q

F 15L T

Q G

U1374LS48R3

10k

U14:A

74LS32

U14:B

74LS32

U14:C

74LS32

U14:D

74LS32

清零端（合上开关清零启动暂停

图2-2-2方案二电路图

如图2-2-2所示，电路的计数原理与方案一基本相同，这里不再讲解。控制清零部分利用Q1、Q2接与门，输出再接或门，在接地开关的连接端上拉电阻接电源，再接到或门的输入另一输入端，输出接RD(1)和RD(2).若清零断开，则可实现清零功能。

2.3 方案比较

通过对比方案一和方案二可以看出：方案一的控制清零电路比较繁琐，利用了较多的门电路，而方案二则先得比较简介、明了。同时可以看到，方案二中上拉电阻接电源可以有效的将不确定的信号通过一个电阻嵌位在高电平,电阻同时起限流作用。考虑到实际情形，我认为方案二更具有可行性，也更科学，比较具有实际意义，因此选择方案二作为小组方案，更加合理。

3 部分电路设计

3.1 计数单元

电路采用6个74LS160芯片构成数字跑表的主体计时部分，74LS160为同步十制加法器。其引脚图如图3-1

图3-1-1 74LS 160集成计数器引脚图

74LS160功能表如表3-1所示

表3-1-1 74LS90功能表

0 X

X X X 异步置零 0 1

X X 同步预置数 X 1 1 0 1 保持 X

1 1 X 0 保持（但C=0） 1

加计数

C P R

D L D ET

工作状态 Q 3 Q 2 Q 1 Q 0 C

C E E

74LS160R

L D 3 D 2 D 1 D 0

Vcc 4B 4A 4Y 3B 3A 3Y

┌┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴┐

│14 13 12 11 10 9 8│

Y = AB ）│

│1 2 3 4 5 6 7│

└┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬┘

1A 1B 1Y 2A 2B 2Y GND

图3-2 74LS08引脚图

其功能表如表3-1-2所示

表3-1-2 74LS08功能表

A B Y

L L L

L H L

H L L

H H H

Vcc 4B 4A 4Y 3B 3A 3Y

┌┴—┴—┴—┴—┴—┴—┴┐

__ │14 13 12 11 10 9 8│

Y = AB ）│

│ 1 2 3 4 5 6 7│

└┬—┬—┬—┬—┬—┬—┬┘

1A 1B 1Y 2A 2B 2Y GND

图3.1-3 2输入与非门引脚图

表3-1-3 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

Vcc 4B 4A 4Y 3B 3A 3Y

┌┴—┴—┴—┴—┴—┴—┴┐

│14 13 12 11 10 9 8│

）│ Y = A+B

│ 1 2 3 4 5 6 7│

└┬—┬—┬—┬—┬—┬—┬┘

1A 1B 1Y 2A 2B 2Y GND

图3.1-4 2输入四或门 74LS32

表3-1-4 74LS32真值表

A B 0

--------------

0 0 0

0 1 1

1 0 1

1 1 1

计数器部分由6个74LS160组成，构成了数字跑表的以下3个部分。

1).“1/100秒”电路如图3-1-5所

D 03Q 014D 14Q 113D 25Q 212D 3

Q 311R C O

E N P 7E N T 10C L K 2L O A D 9M R

74LS160

D 03Q 014D 14Q 113D 25Q 212D 3

Q 311R C O

E N P 7E N T 10C L K 2L O A D 9M R

74LS160

图3-1-5 1/100秒电路图

如图3-1-5所示，此电路是利用74LS160芯片组成的100进制计数器。U2和U3中均将D0-D3接地，LOAD 接VCC,Q0-Q3接译码器7448的A0-A3,U2的ENT ENP 接VCC,U2的RCO 接到U3的ENT ENP ,由于74LS160是十进制加法器，且上升沿触发，所以满十，RCO 进一，触发U3计数。当U3满十，则U3的RCO 有进一，连接到U4的ENT ENP 端因而上述的U2和U3可设计成100进制。

2).“秒”电路图如图3-1-6所示

D 03Q 014D 14Q 113D 25Q 212D 3

Q 311R C O

E N P 7E N T 10C L K 2L O A D 9M R

74LS160

D 03Q 014D 14Q 113D 25Q 212D 3

Q 311R C O

E N P 7E N T 10C L K 2L O A D 9M R

74LS160

图3-1-6 秒电路图

如图3-1-6所示，，此电路是利用74LS160芯片组成的60进制计数器。U4和U5中均将D0-D3接地，LOAD 接VCC,Q0-Q3接译码器7448的A0-A3,U4的ENT ENP 接U3的RCO 端，U4的RCO 连到U5的ENT ENP 端，Q1 Q2分别连到或门74LS32,再连到与非门74LS00,在与U4和U5的清零端MR 端连接。由于74LS160是十进制加法器，且上升沿触发，所以当U4满十，RCO 进一，触发U5计数。当U5输出6，即Q1=1,Q2=1时，U5清零，因而上述的U4和U5可设计成60进制。

3).“分”电路与秒电路类似。

D 03Q 014D 14Q 113D 25Q 212D 3

Q 311R C O

E N P 7E N T 10C L K 2L O A D 9M R

74LS1

D 03Q 014D 14Q 113D 25Q 212D 3

Q 311R C O

E N P 7E N T 10C L K 2L O A D 9M R

74LS160

图3-1-7 分电路图

U5的Q1和 Q2通过与门74LS08连到U6的ENT ENP 端，其他的和秒电路一样。

3.2 启动和暂停单元

启动/暂停控制电路图如图3-2所示

Q 3G N D 1

V C C

TR 2

555

VCC

GND

U1(Q)

VCC

图3-2启动/暂停控制电路图

如图3-2所示，启动/暂停部分采用，开关接电源时，启动计时，开关再断开时暂停。

3.3清零功能单元

清零电路如入3-3所示

10k

图3-3 清零电路图

如图3-3所示，清零部分使用电源和开关，通过与门电路作用可实现对数字跑表的清零作用。导线分别通过非门连到U2 U3 U4 U6。另2条导线连到或门电路。当开关打开时计数器只能通过自己实现清零，当开关关闭时，外部电路使计数器强制清零。

3.4脉冲输出电路

555多谐振荡器脉冲输出电路如图3-4-1所示

Q 3G N D 1

V C C

TR 2

555

0.3k

1uF

VCC

GND

47nF

U1(Q)

C2(2)

VCC

图3-4-1脉冲产生电路图

如图3-4所示，采用555定时器构成的多谐振荡器产生频率为100HZ 的时序脉冲，3脚为脉冲输出端，其中参数选择为：

R5=0.3Ω，R6=7K Ω，C1=47nF,C2=1μF 。

555定时器的引脚图如图3-4-2所示：

图3-4-2 555定时器引脚图

1 2 3 6 5

7 8 555 定时器

Q TIRG GND CI

THR DIS VCC

3.5 译码及显示电路

译码器选择4线-7线译码器即74LS48芯片，数码管选7段数码管7SEG-COM-ANODE。 74LS48引脚图如图3-5-1所示

图3-5-1 74LS48引脚图

74LS48功能表如表3-5-1所示：

十进制或功能

输入RBO/

输出

LT RBI D C B A a b c d e f g

0 H H L L L L H输出H H H H H H L

1 H X L L L H H L H H L L L L

2 H X L L H L H H H L H H L H

3 H X L L H H H H H H H L L H

4 H X L H L L H L H H H H H H

5 H X L H L H H H L H H L H H

6 H X L H H L H H L H H H H H

7 H X L H H H H H H H L L L L

8 H X H L L L H H H H H H H H

9 H X H L L H H H H H H L H H

7段数码器的引脚图如图3-5-2所示：

图3-5-2 7段数码管引脚图

此处使用的是共阴极数码管，须将图3-5-2 中的“—”端接地。此部分使用4线-7线译码器的四个输入端分别接计数器的4个输出端，再将译码器的7个输出端接到数码管的7个输入端，这样就构成了译码及显示电路。