篮球竞赛30s计时器设计 - 图文

西华大学课程设计说明书 1前言

随着科学技术与计算机应用的不断发展，以单片机作为核心的测量控制系统层出不穷。在被测信号中，较多的是以模拟和数字开关信号。此外还经常遇到以频率为参数的测量信号。例如流量，转速晶体压力传感以及参变量－频率转换后的信号等等。对于这些以频率为参数的被测信号通常采用测频法，测频率的测量在生产和科研部门中经常使用，也是一些大型系统实时检测的重要组成部分。数字频率计是直接用十进制数字来显示被测信号频率的一种测量装置。它不仅可以测量正弦波、方波、三角波、尖脉冲信号和其他具有周期特性的信号的频率，而且还可以测量它们的周期。经过改装，可以测量脉冲宽度，做成数字式脉宽测量仪；可以测量电容做成数字式电容测量仪；在电路中增加传感器，还可以做成数字脉搏仪、计价器等。因此数字频率计在测量物理量方面应用广泛。数字式频率计基于时间或频率的A/D转换原理，并依赖于数字电路技术发展起来的一种新型的数字测量仪器。由于数字电路的飞速发展，所以，数字频率计的发展也很快。通常能对频率和时间两种以上的功能数字化测量仪器，称为数字式频率计(通用计数器或数字式技术器)。本设计以ICM7216D大规模集成电路为核心，将被测频率信号送入设计电路，利用它内部的各种功能完成频率的测量。并采用动态扫描的方法通过6位数码管显示出相应的频率数值。大规模集成电路测量的频率精度高，速度快，并且设计简单方便，较一般逻辑电路所构成的数字频率计要精简的多，同时还具有时间显示功能，为各种生活工作提供了方便。

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西华大学课程设计说明书 2总体方案设计

数字频率计主要由ICM7216D大规模集成电路及其他辅助电路组成，一个简易的数字频率计需要由时基信号发生器，闸门电路，门控电路，放大整形电路及计数译码显示，这几部分组成。ICM7216D大规模集成电路把计数，锁存，位，和段驱动，量程及小数点选择等电路集成在一片芯片上，是一个综合性能极强的元件。

2.1方案比较

方案一：采用了八块CD4000系列CMOS数字集成电路块。整机主要由输入电路，秒基准电路，锁存信号及清零脉冲发生电路、计数及显示电路以及电源部分等组成。输入电路应该根据被测脉冲的具体条件来决定。被测脉冲可以有很多类型。

常见的有三角波、正弦波、矩形波等等。每种渡又都可有正向型、交流型、及

负向型之分。

图2.2 方案一的方框图

方案二：用ICM7216D大规模集成电路，它把计数，锁存，译码，位和段驱动，

量程及小数点选择等电路集中起来。只需一块芯片即可完成上述所有元件所集合起来的功能，这对我们的线路设计和功能的实现无疑是一个极大的方便。但是同样需要时基电路产生基准时钟脉冲，这里同样需要555时基电路（或者使用晶振电路产生标准始终脉冲），对于待测波形也必须经过整流之后才能进入ICM7216D，所以跟方案一的原理基本上保持一致，只要通过ICM7216D大规模集成电路也可以完成所有的功能，而且从电路的设计上简化了许多步骤，这样将节约更多设计电路的时间。

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2.2 方案二的方框图

2.2方案选择

用ICM7216D大规模集成电路，它把计数，锁存，译码，位和段驱动，量程及小数点选择等电路集中起来。只需一块芯片即可完成上述所有元件所集合起来的功能，这对我们的线路设计和功能的实现无疑是一个极大的方便。虽然跟方案一的原理基本上保持一致，但是通过ICM7216D大规模集成电路也可以完成所有的功能，从根本上简化了设计步骤，这样将节约更多设计电路的时间，并且体现了大规模集成电路的高效率性。

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西华大学课程设计说明书 ３单元模块的设计

３.1放大整形电路

放大整形电路是由晶体管3DG100与74LS00等组成，其中3DG100组成放大器将待测波形进行放大。与非门74LS00构成施密特触发器，它对放大器的信号进行整形，使之成为矩形脉冲。如图3.1

图3.1 放大整形电路原理图

3.2晶振电路

晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。高级的精度更高。有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器（VCO）。晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。

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图3.2 晶振电路原理图

３.3 时基电路（可选）

通常情况下需要一个时基电路产生一个标准时间（高电平持续时间为1S），一般选择定时器555构成的多谐振荡器产生（如果使用外时钟振荡）。可以根据振荡器的公式算出电阻和电容的大小来确定振荡周期。

３.4量程选择电路

这部分电路主要用来实现一些测量待测脉冲的功能，如图3.3,3.4

图3.3 量程选择电路

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图3.4 控制电路

3.2元器件的选择

由ICM7216D构成的10MHZ频率计电路，它采用+5V单电源供电。高精度晶振体和C1和C2，R3构成10MHZ并联振荡电路，以产生时间基准频率信号，经过内部分频后产生闸门时间。被测频率从28脚输入。开关S1-S5选择不同的工作模式，例如，当S4接通时，将1脚与D4连接为数据保持状态，但LED消隐。当S5接通时，全部数码管显示8，小数点也都亮。S1-S5下面分别串联一只隔离二极管，防止开关接通时短路。S6为量程选择开关，将14脚分别与D1，D2,D3,D4连接，可依次获得0.01S,0.1S,1S和10S的闸门时间。SB1是复位清零按钮。SB2是读数保持按钮，其功能与开关S4不同，当SB2按下时计数器复零，但锁存器内部原有的数据被保存显示出来。

如附录电路图所示，位输出用的8根输出线，一端分别接到D1-D8的引脚上，另一端对应排列接至LED数码管。同样7段输出a,b,c,d,e,f,g与小数点均与DP端接通，第8位显示器的小数点用来表示输出频率过载。也可在DP端与D8端之间外接一发光二极管作过载指示。

如附录中电路图所示，R1和C3用来减小噪声，R3给内部振荡电路提供直流偏执，C2用来微调振荡频率，R2是下拉电阻，使保持端在常态下呈低电平。

ICM7216D要求输入信号的高电平大于3.5V，低电平小于1.9V，脉宽大于50ns，所以实际应用中，需根据具体情况增加一些辅助电路。如用场效应管源极跟随器作输入缓冲级，后面再加一级宽带电压放大器，整形器，电平转换器，将被测信号变成标准的数字信号再输入28脚。 3.3特殊器件的介绍

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西华大学课程设计说明书 ３.3.1ICM7216D大规模集成电路 1 ICM7216D简要介绍

主要功能为一个频率计数器（ DC到为10MHz ）

4个内部闸门时间： 0.01s ， 0.1s ， 1s 在频率计数模式中 直接驱动数字和LED数码管显示屏（共同阳极和共同阴极版本） +5V单电源供电

高度稳定的振荡器，用途为1MHz或为10MHz晶体 内部产生的小数点，进位等功能 运低功耗模式

保持和重置投入额外的灵活性

2 ICM7216D参数及时序图

最高供电电压（VDD-VSS）：6.5V 最高位数字的输出电流：400MA 最大输出电流：60MA

输入输出端的最大电压：(VDD+0.3V)至(VSS-0.3V) 温度范围：-25摄氏度至85摄氏度

图3.5 ICM7216D时序图

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图3.6 ICM7216D的典型性能曲线

3 ICM7216D大规模集成电路内部结构

要实现计数，锁存，译码，位和段驱动，量程及小数点选择等功能，必然内部是由大规模的逻辑电路组成，通过各个元件的功能组合起来才能实现这整体的作

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用，这些功能可以分为如图3.7的几个模块来实现。

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图3.7 ICM7216D的内部结构及框架图

３ICM7216D各引脚功能

ICM7216D的引脚功能如下图所示。图中控制输入端有五种工作模式，例如，将1

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脚与3脚端接后，为允许外时钟输入模式。工作状态端在采样期内输出低电平。

西华大学课程设计说明书 D1-D8为位控制端，ICM7216D以500HZ频率依次对D8-D1（从高位到低位）扫描，当某一位控制端呈低电平时，计数器，显示器被清零，13脚为外部小数点输入端，当13脚悬空时，随着量程的改变，小数点位置自动移位。a-g为段输出驱动端，DP为小数点输出端，均为高电平有效，它与D1-D8的位扫描信号作同步输出，因此可自动显示小数点的位置（27脚为保持，26脚为晶振出，25脚为晶振入）。如图

3.7图 ICM7216D各引脚功能

3.3.2 555定时器

555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成电路,其内部结构及管脚排列如图3.8所示。

设电容的初始电压uc＝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Vtl=Vth＝0

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A∞西华大学课程设计说明书 A∞ 图3.8 555定时器内部结构及管脚排列

图3.9 555定时器组成的多谐振荡器与其工作波形

器组成的多谐振荡器如图3.9(C)所示，其中R1、R2和电容C为外接元件。其工 作波如图3.9（D）所示。，定时器内部放电三极管截止，电源Vcc经R1，R2向电容C充电，uc逐渐升高。当uc上升到Vcc/3时，A2输出由0翻转为1，这时R=S，R-S触发顺保持状态不变。所以0

t=t1时刻，uc上升到2Vcc/3，比较器A1的输出由1变为0，这时R=0，S=1，R-S触发器复0，定时器输出u0=1。t1

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过R2放电。uc按指数规律下降，当uc<2Vcc/3时比较器A1输出由0变为1，Ｒ－

Ｓ触发器的R=S=1，Q的状态不变，u0的状态仍为低电平。

t=t2时刻，uc下降到1/3Vcc，比较器A2输出由1变为0，R---S触发器的R=1，S=0，触发器处于1，定时器输出u0=1。此时电源再次向电容C放电，重复上述过程。

通过上述分析可知，电容充电时，定时器输出u0=1，电容放电时，u0=0，电容不断地进行充、放电，输出端便获得矩形波。多谐振荡器无外部信号输入，却能输出矩形波，

其实质是将直流形式的电能变为矩形波形式的电能。

由图（D）可知，振荡周期T=T1+T2。T1 电容充电时间，T2为电容放电时间。

充电时间 T1=(R1+R2)*0.7C 放电时间 T2=0.7*R2*C 矩形波的振荡周期T=T1+T2

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：占空比q，q=（脉宽tw）/（周期T），tw指输出一个周期内高电平所占的时间。图（C）所示电路输出矩形波的占空比q? 西华大学课程设计说明书 T1T1R?R2??1。 TT1?T2R1?2R2３.3.3数码显示器

数码显示器可显示系统的运行状态及工作数据，我们所选用的是发光二极管（LED）显示器，它分为两种，共阴极（BS201/202）与共阳极（BS211/212），我们所选的是共阴极，它是将发光二极管的阴极短接后作为公共极，当驱动信号为高电平时，阴极必须接低电平，才能够发光显示。如图4.0

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图4.0 共阴极LED数码管

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西华大学课程设计说明书 ４电路调试

接通电源后，用双踪示波器（输入耦合方式置ＤＣ档）观察时基电路的输出波形，看是否与要求的波形相符合，其中高电平脉冲时间为1s，低电平脉冲为0.25秒，否则重新调节时基电路中的电阻值，直到满足要求为止。（如果接外时钟输入）

在放大电路输入端加入f=1000HZ,Vpp=1V的正弦信号，用示波器观察放大

电路和整形电路的输出波形，应为与被测信号同频率的脉冲波，显示器上的读数应为1000HZ。

对ICM7216D的功能端进行检测，对芯片的28脚进行检测，确保待测波形经放大整形已转化成标准矩形脉冲，再检查芯片25，26脚的晶振输入和晶振输出，是否有标准时钟信号产生，具体检测方法，同接入外时钟标准电路相同。

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5系统功能和参数

5.１功能

整个系统的功能包括计数，锁存，位，和段驱动，量程及小数点选择，放大整流等，综合起来说就是测出被测波形的单位时间内变化的次数。

5.２系统参数

在设计系统的过程中，要注意各元件的额定值，因此在适当的地方加上一些

电阻电容是相当有必要的，如果违背这个原理的话，可能导致某个电路模块被烧坏，从而影响整个电路系统的运行。

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西华大学课程设计说明书 ６设计总结

在这次数字电路课程设计中，我收获到了很多课堂上不能学习到的东西，在这个漫长的设计过程中，我学会了自己去发现去探索某些没有学习过的新事物，通过网骆上查询设计中每个我们所需要的元件，通过英特网这个途径，我了解到了每个元件的工作原理及它的内部结构，还有它能执行的功能，及每个管脚的作用。通过这个设计，我接触了更多新的电路和元件。在设计的过程中，不断的寻找功能更全面，实现越简单的方法，并学会了先在我们的大脑里建立几种方案，然后从各个方面的因素进行考虑，最终选出较优化的方案，以进行实施，频率计数器的设计方法虽然很多，我们从网络里了解到ICM7216D这块芯片更能全面的实现这些功能。所以我们凭着一种敢于选择新元件的勇气进行设计，最后完成了电路图的设计。但是我们并不能因为这次完成了设计而停止不前，或许电路里面还存在着很多问题，或者还有地方不够完善，这些都需要我们去不断地完善他们，比如量程不够大，测量不够精确等等问题，这些可能还要通过修改和添加新的电路以求完善。总的来说在这次课程设计中有巩固，有提高。我希望下次能做得更好，也感谢老师的精心辅导。

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西华大学课程设计说明书 附录

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