摘要
隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子技術(shù)在各個領(lǐng)域的運用越來越廣泛。電子秒表可廣泛應(yīng)用于對運動物體的速度、加速度的測量實驗和驗證牛頓第二定律等物理實驗，同時也適用于對時間測量精度要求較高的場合，測定短時間間隔的儀表。
電子秒表設(shè)計主要是通過多諧振蕩器、計數(shù)器、譯碼器、數(shù)碼顯示器芯片，實現(xiàn)基本要求。本課題有一個小的創(chuàng)新，通過開關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)倒計時的功能。數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計要用到仿真軟件畫出電路圖。一方面直觀的研究設(shè)計原理，另一方面需進行仿真。之后對仿真結(jié)果進行理論分析，尋找不足之處并加以改善。
通過研究可提高精度，若要提高精度常常采用石英晶體振蕩器來產(chǎn)生脈沖信號。精度的提高，便能廣泛應(yīng)用于計算機、電視、雷達、通信等各個領(lǐng)域，實現(xiàn)電子秒表的價值。
Abstract
With the development of electronic technology, the application of electronic technology in various fields is more and more widespread. Electronic stopwatch can be widely used in the measurement of velocity and acceleration of moving objects and physical experiments such as the verification of Newton's second law. It is also suitable for measuring short time interval occasions where the precision of time measurement is high.
Electronic stopwatch design is mainly through the multivibrator, counters, decoders, digital display chips, to achieve the basic requirements. This topic I made a small innovation, through the switch to countdown function. Digital course design to use simulation software to draw the circuit diagram. On the one hand intuitive design of the principle of research, on the other hand need to be simulated. After the theoretical analysis of the simulation results to find the deficiencies and to be improved.
Continue to improve precision, if you want to improve accuracy often use quartz crystal oscillator to generate pulse signal. Improve the accuracy, can be widely used in computers, television, radar, communications and other fields, the value of electronic stopwatch.
目錄
第1章 電子秒表設(shè)計思路
1.1 電子秒表設(shè)計的意義
1.2 電子秒表的設(shè)計方案
第2章 電子秒表芯片簡介
2.1 時鐘脈沖發(fā)生器
2.2 計數(shù)器(74LS192)
2.3 譯碼器(74LS48)
2.4 數(shù)碼管(7SEG-COM-CATHODE)
第3章 電子秒表仿真圖
3.1 仿真結(jié)果
3.2 仿真結(jié)果分析
總 結(jié)
參考文
第1章 電子秒表設(shè)計思路
1.1 電子秒表設(shè)計的意義隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子技術(shù)在各個領(lǐng)域的運用越來越廣泛。電子秒表在生活中應(yīng)用于對運動物體的速度、加速度的測量實驗，還可用來驗證牛頓第二定律、機械能守恒等物理實驗，同時也適用于對時間測量精度要求較高的場合，測定短時間間隔的儀表。秒表有機械秒表和電子秒表兩類。機械秒表與機械手表相仿，但具有制動裝置，可精確至百分之一秒；電子秒表用微型電池作能源，電子元件測量顯示，可精確至千分之一秒。在秒表的設(shè)計上功能不斷完善，在時間的設(shè)計上不斷的精確。人們也用電子技術(shù)和相關(guān)知識解決了一些實際問題。隨著集成技術(shù)的發(fā)展，尤其是中、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，數(shù)字電子技術(shù)將會更廣泛的滲透到國民經(jīng)濟的各個部門。該設(shè)計使我們動手能力、實際操作能力、綜合應(yīng)用能力得到更好的提升。
1.2 電子秒表的設(shè)計方案1.2.1 設(shè)計電子秒表所需器件直流穩(wěn)壓電源（+5v）、定時器（NE555）1塊、十進制可逆計數(shù)器（74LS192）2塊、譯碼器（74LS48）2塊、與非門（7400）1塊、LED數(shù)碼管（7SEG-COM-CATHODE）2塊、電阻（10WATT1k）18個、電容（CAP）2個、單刀單擲（SW-SPST）1個、單刀雙擲（SW-SPDT）1個。
1.2.2電子秒表的基本組成 電子秒表電路的基本組成框圖如圖1-2(a)所示，它主要由多諧振蕩器、計數(shù)器、譯碼器和數(shù)碼顯示器4個部分組成。
圖1-2(a) 電子秒表電路組成框圖
1.2.3電子秒表的工作原理電子秒表設(shè)計電路圖如圖1-2(b)所示，圖中由定時器NE555，用來產(chǎn)生1秒的脈沖加給計數(shù)器。第U2、U4塊計數(shù)器TCU與UP相連，脈沖從U2的UP輸入，都已接成十進制計數(shù)或六進制電路，其中第U2塊是每秒進位，第U4塊是每10秒進位。兩片74LS47是譯碼器，將計數(shù)器輸來的8421BCD碼譯為十進制數(shù)分別去驅(qū)動兩個數(shù)碼管，使之作相應(yīng)的顯示。開關(guān)SW2閉合開始計數(shù)，斷開停止計數(shù)；開關(guān)SW1接高電位秒表清0，接低電位可以計數(shù)。
圖1-2(b) 電子秒表設(shè)計電路圖
第2章 電子秒表芯片簡介2.1 時鐘脈沖發(fā)生器NE555定時器是模擬—數(shù)字混合式集成電路，利用它可以方便地構(gòu)成脈沖產(chǎn)生、整形電路和定時、延時電路。用555定時器構(gòu)成的自激式多諧振蕩器，是一種性能較好的時鐘源。調(diào)節(jié)電位器 RP ，使在輸出端3獲得頻率為1HZ的矩形波信號。
2.1.1 555定時器的電路結(jié)構(gòu)與功能國產(chǎn)雙極型555定時器的電路結(jié)構(gòu)如圖2-1(a)所示，它由比較器C1和C2、SR鎖存器和集電極開路的放電三極管TD三部分組成。圖中數(shù)碼1~8為器件引腳編號。
圖2-1(a) 555定時器的電路結(jié)構(gòu)圖
由圖2-1(a)可知，當(dāng)TH>VR1、TH>VR2時，比較器C1的輸出vC1=0、比較器C2的輸出vC2=1，SR鎖存器被置0，TD導(dǎo)通，同時v0為低電平。
隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子技術(shù)在各個領(lǐng)域的運用越來越廣泛。電子秒表在生活中可廣泛應(yīng)用于對運動物體的速度、加速度的測量實驗，還可用來驗證牛頓第二定律、機械能守恒等物理實驗，同時也適用于對時間測量精度要求較高的場合，測定短時間間隔的儀表。秒表有機械秒表和電子秒表兩類。機械秒表與機械手表相仿，但具有制動裝置，可精確至百分之一秒；電子秒表用微型電池作能源，電子元件測量顯示，可精確至千分之一秒。在秒表的設(shè)計上功能不斷完善，在時間的設(shè)計上不斷的精確。人們也用電子技術(shù)和相關(guān)知識解決了一些實際問題。隨著集成技術(shù)的發(fā)展，尤其是中、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，數(shù)字電子技術(shù)將會更廣泛的滲透到國民經(jīng)濟的各個部門，目前數(shù)字電子技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于計算機、電視、雷達、通信等各個領(lǐng)域，并將產(chǎn)生越來越深的影響。該設(shè)計使我們動手能力、實際操作能力、綜合應(yīng)用能力得到更好的提升。
當(dāng)TH<VR1、TH>VR2時，比較器C1的輸出vC1=1、比較器C2的輸出vC2=1，SR鎖存器的狀態(tài)保持不變，因而TD和v0的狀態(tài)也保持不變。
當(dāng)TH<VR1、TH<VR2時，比較器C1的輸出vC1=1、比較器C2的輸出vC2=0，SR鎖存器被置1，TD截止，同時v0為高電平。
當(dāng)TH>VR1、TH<VR2時，比較器C1的輸出vC1=0、比較器C2的輸出vC2=0，SR鎖存器
=
=1，TD截止，同時v0為高電平。 這樣就得到表2-1所示的555的功能表。
表2-1 555的功能表
2.1.2 多諧振蕩器多諧振蕩器如圖2-1(c)所示。當(dāng)電路剛接通電源時，由于C (C1//C2)來不及充電，555電路的2腳處于零電平，導(dǎo)致其輸出3腳為高電平。當(dāng)電源通過R1、RP向C充電到VC≥VCC時，輸出端3腳由高電路平變?yōu)榈碗娖�，電容C經(jīng)R1和內(nèi)部電路的放電開關(guān)管放電。當(dāng)放電到VC≤VCC時，輸出端又由低電平轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖�。此時電容再次充電，這種過程可周而復(fù)始地進行下去，形成自激振蕩。圖2-1(b)是輸出端及電容器C上電壓的波形。
圖2-1(b) 波形圖 圖2-1(c)多諧振蕩器
設(shè)計振蕩周期為1秒時，參數(shù)的確定。
由課本得電路的振蕩周期為
輸出脈沖的占空比為
由NE555的特性參數(shù)可知，占空比q可為2/3。
故得到R1=R2。
又由式(1)知
若取C=10μF，則代入上式得到
R1=48.31kΩ
2.2 計數(shù)器(74LS192)74LS192是同步十進制可逆計數(shù)器，它具有雙時鐘輸入，并具有清除和置數(shù)等功能，利用74LS192的計數(shù)器功能實現(xiàn)六進制、十進制的計算和倒計時。
其引腳排列及邏輯符號見圖2-2所示：
圖2-2 74LS192引腳排列
計數(shù)器74LS192的功能表見表2-2所示
表2-2 74LS192功能表
2.3譯碼器(74LS48)74LS48芯片是一種常用的七段數(shù)碼管譯碼器驅(qū)動器，常用在各種數(shù)字電路和單片機系統(tǒng)的顯示系統(tǒng)中，下面我就給大家介紹一下這個元件的一些參數(shù)與應(yīng)用技術(shù)等資料。
7段顯示譯碼器74LS48是輸出高電平有效的譯碼器，74LS48除了有實現(xiàn)7段顯示譯碼器基本功能的輸入（DCBA）和輸出（QA～QG）端外，74LS48還引入了燈測試輸入端（LT）和動態(tài)滅零輸入端（RBI），以及既有輸入功能又有輸出功能的消隱輸入/動態(tài)滅零輸出（BI/RBO）端。
圖2-3 74LS48引腳排列
（1）7段譯碼功能（LT=1，RBI=1）
在燈測試輸入端（LT）和動態(tài)滅零輸入端（RBI）都接無效電平時，輸入DCBA經(jīng)74LS48譯碼，輸出高電平有效的7段字符顯示器的驅(qū)動信號，顯示相應(yīng)字符。除DCBA = 0000外，RBI也可以接低電平，見表2-3中1～16行。
（2）消隱功能（BI=0）
此時BI/RBO端作為輸入端，該端輸入低電平信號時，表2-3倒數(shù)第3行，無論LT 和RBI輸入什么電平信號，不管輸入DCBA為什么狀態(tài)，輸出全為“0”，7段顯示器熄滅。該功能主要用于多顯示器的動態(tài)顯示。
表2-3 74LS48功能表
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（3）燈測試功能（LT = 0）
此時BI/RBO端作為輸出端，端輸入低電平信號時，表2-3最后一行，與及DCBA輸入無關(guān)，輸出全為“1”，顯示器7個字段都點亮。該功能用于7段顯示器測試，判別是否有損壞的字段。
（4）動態(tài)滅零功能（LT=1，RBI=1）
此時BI/RBO端也作為輸出端，LT 端輸入高電平信號，RBI 端輸入低電平信號，若此時DCBA = 0000，表2-3倒數(shù)第2行，輸出全為“0”，顯示器熄滅，不顯示這個零。DCBA≠0，則對顯示無影響。該功能主要用于多個7段顯示器同時顯示時熄滅高位的零。
2.4 數(shù)碼管（7SEG-COM-CATHODE）現(xiàn)在的許多電器設(shè)備上都有顯示十進制字符的字符顯示器，以直觀的顯示出電器設(shè)備的運行數(shù)據(jù)。目前廣泛使用的字符顯示器是七段字符顯示器，或稱七段數(shù)碼管。常見的七段數(shù)碼管有液晶顯示數(shù)碼管和半導(dǎo)體數(shù)碼管兩種。
半導(dǎo)體數(shù)碼管是由七段發(fā)光二極管（Light Emitting Diode）組成，簡稱LED。圖2-4是共陰極數(shù)碼管引腳排列。LED產(chǎn)品的種類繁多，有共陰極電路，還有共陽極電路，本設(shè)計采用共陰極電路，要驅(qū)動LED正常的顯示十進制數(shù)的十個字符，LED前面必須接一個顯示譯碼器。
圖2-4 共陰極數(shù)碼管引腳排列
第3章 電子秒表仿真圖3.1 仿真結(jié)果當(dāng)連接好的電路原理圖檢查沒有錯誤后即可對它進行仿真，仿真有利于檢查和排除故障，發(fā)現(xiàn)并解決問題，保證實驗順利進行，做出來的實物能夠成功的實現(xiàn)其功能。
3.1.1當(dāng)啟動前,計數(shù)器停止時，數(shù)碼管顯示00，仿真圖3-1(a);按開關(guān)SW1,計數(shù)器開始計數(shù)，一段時間后，顯示18，仿真圖3-2(b)圖3-1(a) 停止時仿真圖
圖3-1(b) 啟動時仿真圖
3.1.2若不需要計時或暫停計數(shù)時,按開關(guān)SW2，計數(shù)器立即停止,暫停時值為48，仿真圖3-1(c);再次按開關(guān)SW2,數(shù)碼管從暫停時值開始計數(shù)，一段時間顯示值為55，仿真圖3-1(d)圖3-1(c) 不需要計時或暫停計數(shù)時仿真圖
圖3-1(d) 再次啟動數(shù)碼管保留計數(shù)時仿真圖
3.1.3倒計時功能斷開開關(guān)SW2，打開開關(guān)SW3，計數(shù)器啟動倒計時功能，剛開始顯示數(shù)值99，仿真圖3-1(e)；一段時間后，數(shù)碼管顯示數(shù)值88，仿真圖3-1(f)。
圖3-1(e) 倒計時功能，開始時電路仿真圖
圖3-1(f) 倒計時功能，一段時間后電路仿真圖
3.2 仿真結(jié)果分析555時基電路構(gòu)成的多諧振蕩器無需外加輸入信號就能在接通電源后自行產(chǎn)生矩形波輸出。但555時基電路的精度并不是很高，而且電路也會受到溫度的影響，尤其是冬季和夏季產(chǎn)生的誤差相對較大。本次設(shè)計中利用555產(chǎn)生1000HZ的脈沖信號實際上并不是精確地等于1000HZ，根據(jù)設(shè)定的參數(shù)可以算的實際上產(chǎn)生脈沖信號的頻率為1003.5HZ，當(dāng)計時時間較長時就會產(chǎn)生比較明顯的誤差，而且誤差隨著計時時間的增長而變大。因此，實際應(yīng)用中若要求精度較高常常采用石英晶體振蕩器來產(chǎn)生脈沖信號，但555定時器由于其輸出驅(qū)動電流大、功能靈活，在電子電路中也獲得廣泛應(yīng)用。
總結(jié)本次電子秒表的設(shè)計我認為具有很大的實用性，它可應(yīng)用于對運動物體的速度、加速度的測量實驗還可用來驗證牛頓第二定律、機械能守恒等物理實驗，同時也適用于對時間測量精度要求較高的場合，測定短時間間隔的儀表。主要是通過數(shù)字電子技術(shù)的一些芯片，來設(shè)計本課題的三個要求。通過NE555定時器設(shè)計成多諧振蕩器來產(chǎn)生一秒脈沖，產(chǎn)生的脈沖為74LS194計數(shù)器提供脈沖信號，計數(shù)器74LS194進行計數(shù)，通過譯碼器74LS48轉(zhuǎn)換，再通過數(shù)碼管顯示出數(shù)字。本課題我做了一個小的創(chuàng)新，通過開關(guān)使脈沖接到計數(shù)器74LS194的減的端口DN，以此實現(xiàn)倒計時的功能。此次課程設(shè)計有一些不足之處，NE555定時器的具體參數(shù)查詢不到，占空比不能夠準(zhǔn)確知道，因此秒表存在一些偏差�？梢酝ㄟ^查閱NE555定時器的占空比，來提高計時的精度。繼續(xù)開展研究、設(shè)計可提高電子秒表的精度，若想提高精度常常采用石英晶體振蕩器來產(chǎn)生更精確的脈沖信號。精度提高，此設(shè)計便能廣泛應(yīng)用于計算機、電視、雷達、通信等各個領(lǐng)域，實現(xiàn)電子秒表的價值。
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