数字式秒表

数字式秒表

一、课程设计的目的和任务

数字式秒表从原理上讲是一种典型的数字电路，其中包括了组合逻辑电路和时序电路。本次实验所做数字式秒表由信号发生系统和计时系统构成。由于需要比较稳定的信号，所以信号发生系统555定时器与电阻和电容组成的多谐振荡器构成，信号频率为100HZ。计时系统由计数器、译码器、显示器组成。计数器由74 LS160构成，由十进制计数器组成了一百进制和六十进制计数器，采用异步进位方式。译码器由74LS48构成，显示器由数码管构成。具体过程为：由晶体震荡器产生100HZ脉冲信号，传入计数系统，先进入计数器，然后传入译码器，将4位信号转化为数码管可显示的7位信号，结果以“分”、“秒”、“10毫秒”依次在数码管显示出来。该秒表最大计时值为99分59.99秒，“分”和“10毫秒”为一百进制计数器组成，“秒”为六十进制计数器组成。

在本次实验中，我主要负责用555定时器产生一个频率为100Hz的脉冲信号，设计一百进制计数器和六十进制计数器。 设计任务：

1. 设计并制作符合要求的电子秒表。秒表最大计时值为99分59.99秒。 2. 秒表由6位7段LED显示器显示，其中2位显示“min”,4位显示“s”,其中显示分辨率为“0.01s”。

3. 计数器最大值到99min59.99s,计数误差不超过0.01s. 4. 具有清零、启动计数、暂停计数及继续计时等控制功能。 二、电路分析与设计 （一）系统分析

数字式秒表从原理上讲是一种典型的数字电路，其中包括了组合逻辑电路和时序电路。本次实验所做数字式秒表由信号发生系统和计时系统构成。计时系统由计数器、译码器、显示器组成。计数器由74 LS160构成，由十进制计数器组成了一百进制和六十进制计数器，采用异步进位方式。译码器由74LS48构成，显示器由数码管构成。具体过程为：由晶体震荡器产生100HZ脉冲信号，传入计数系统，先进入计数器，然后传入译码器，将4位信号转化为数码管可显示的7位信号，结果以“分”、“秒”、“10毫秒”依次在数码管显示出来。该秒表最大计时值为99分59.99秒，“分”和“10毫秒”为一百进制计数器组成，“秒”为六十进制计数器组成。由于数字式秒表计数的需要，故需要在电路上加一个控制电路，该控制电路清零、启动计数、暂停及继续计时等控制功能，同时100HZ的时间信号必须做到准确稳定。通常使用石英晶体振荡器电

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路构成数字钟。数字电子钟的总体图如图1所示。由图可见，数字电子钟由以下几部分组成：555振荡器和分频器组成的秒脉冲发生器；防抖开关；秒表控制开关；一百进制秒、分计数器、六十进制秒计数器；以及秒、分的译码显示部分等。

消 抖 电 路 暂停计数、继续计数开关 清零开关 排阻 排阻 排阻 数码管显示分钟 数码管显示秒 数码管显示毫秒 图1 原理流程图

（二）、单元电路设计与分析 Ⅰ、秒信号发生器 ⑴ 555定时器的功能

555定时器组成及工作原理如下：

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图2 555定时器电路结构图

如图2是555定时器电路结构的简化原理图和引脚标识。由电路原理图可见，该集成电路由下述几部分组成：串联电阻分压电路、电压比较器U1和U2、基本RS触发器、放电三极管T以及缓冲器G（U6A）组成。（U11：6引脚，U12:2引脚，输出Uo:3引脚，R，S引脚低电平有效）

定时器的功能主要取决于比较器，比较器U1和U2的输出控制着RS触发器和放电三极管T的状态，RD为复位端。当RD=0时，输出U0=0,T管饱和导通。此时其他输入端状态对电路清零0状态无影响。正常工作时，应将RD接高电平。当控制电压输入端5脚悬空时，比较器U1、U2的基准电压分别是2Ucc/3和Ucc/3。如果5脚Uic外接固定电压，则比较器U1、U2的基准电压为Uic和Uic/2。

由图2中可知，若5脚悬空，当U11<2Ucc/3,U12

当U11<2Ucc/3,U12>Ucc/3时，比较器U1和U2输出均为高电平， 即R=1, S=1。RS触发器维持原状态， 使Uo输出保持不变。

当U11>2Ucc/3，U12>Ucc/3时，比较器U1输出低电平，比较器U2输出高电平，即R=0，S=1，基本RS触发器置0，放电三极管T导通，输出Uo为低电平。

当U11>2Ucc/3，U12

当U11<2Ucc/3，U12

综上分析，可得555定时器功能表如下表1所示：

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表1

输 入 RD 0 1 1 1 1 U11 X >2Ucc/3 <2Ucc/3 <2Ucc/3 >2Ucc/3 U12 X >Ucc/3 >Ucc/3

当接通电源Ucc后，电容C上的初始电压为0 ，比较器U1、U2输出为1和0，使Uo=1,使放电管T截止，电源通过R1、R2向C冲电。Uc上升至2Ucc/3时，RS触发器被复位，使Uo=0,T导通，电容C通过R2到地放电，Uc开始下降，当Uc降到Ucc/3时，输出Uo又翻回到1状态，放电管T截止，电容C又开始充电。如此周而复始，就可在3脚输出矩形波信号。

图3 555构成的多谐振荡器电路图

图4 555多谐振荡器工作波

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555定时器构成的多谐振荡器的振荡周期为电容的放电时间t1和电容的充电时间t2之和：

（3）、多谐振荡器仿真图

根据设计要求，需要产生一个频率为100HZ的信号，由于f=1/T,带入可以算出R1=R1=4.8KΩ,在仿真软件上仿真的时候我们可以设置电阻为4.75KΩ，加上一个100Ω的电位器来调节脉冲信号的精确度，设置其增量为50%。就可以得到一个频率为100HZ的脉冲了

图5 555构成多谐振荡器仿真图

用频率计测得555定时器产生的脉冲频率为99.755Hz,如下图所示：

图6 555定时器产生的脉冲频率 Ⅱ 消抖电路

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