數(shù)字式跑表(誤差0.01s)課程設(shè)計(jì)論文

題    目：      數(shù)字式跑表      

數(shù)字式跑表

• 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求
  

設(shè)計(jì)一個(gè)以0.01s為基準(zhǔn)計(jì)時(shí)信號(hào)的實(shí)用數(shù)字式跑表。

基本要求：

（1）跑表計(jì)時(shí)顯示范圍0~99min59.99s

（2）具有清零、啟動(dòng)計(jì)時(shí)、暫停計(jì)時(shí)及繼續(xù)計(jì)時(shí)功能，操作按鍵（或開關(guān)） 不超過2個(gè)

（3）時(shí)鐘源誤差不超過0.01s

提高要求：

（4）顯示最大值可達(dá)23h59min59.99s，有整點(diǎn)、半點(diǎn)提醒功能

（5）有定時(shí)功能

（6）有倒計(jì)時(shí)功能

• 設(shè)計(jì)的總體概況
  

滿足的要求：

1.基本要求

①具有清零、啟動(dòng)計(jì)時(shí)、暫停計(jì)時(shí)及繼續(xù)計(jì)時(shí)功能（清零、啟動(dòng)計(jì)時(shí)、暫停計(jì)時(shí)及繼續(xù)計(jì)時(shí)按鍵為兩個(gè)）

②時(shí)鐘源誤差不超過0.01s（計(jì)算誤差約為0.00005s）

2.提高要求

③顯示最大值可達(dá)23h59min59.99s，有整點(diǎn)、半點(diǎn)提醒功能（LED燈的亮作為提醒，亮?xí)r為一分鐘）

④有定時(shí)功能（通關(guān)按鍵的置數(shù)實(shí)現(xiàn)）

⑤有倒計(jì)時(shí)功能（初始時(shí)間為23h50min50.00s,可調(diào)為23h59min59.99s）

設(shè)計(jì)圖如下

1.001.jpg (89.72 KB, 下載次數(shù): 158)

下載附件

2017-7-30 20:37 上傳

操作說明：

清零：紅字標(biāo)注的清零按鍵實(shí)現(xiàn)清零功能

開始計(jì)時(shí)、繼續(xù)、暫停：紅字標(biāo)注的開始暫停按鍵按下則實(shí)現(xiàn)開始計(jì)時(shí)或繼續(xù)計(jì)時(shí)，斷開為暫停計(jì)時(shí)

加計(jì)時(shí)減計(jì)時(shí)：將除0.01秒與1秒的置數(shù)開關(guān)（K1~K6）往上打?yàn)榧佑?jì)數(shù)往下打?yàn)闇p計(jì)數(shù)。最大加計(jì)數(shù)為24小時(shí)，最大減計(jì)數(shù)要設(shè)初始值為24小時(shí)減0.01秒。

定時(shí)：首先斷開開始/暫停開關(guān)

（以下開關(guān)為藍(lán)色字標(biāo)注）

⑴0.01s置數(shù)：斷開K2開閉K1為加置數(shù)，結(jié)束后都斷開；  斷開K1開閉K2為減置數(shù)，結(jié)束后都斷開

⑵              1s置數(shù)：斷開K4,開閉K3為加置數(shù)，結(jié)束后打開K4，斷開K3，K4初始閉合；  斷開K6,開閉K5為加置數(shù)，結(jié)束后打開K6，斷開K5，K6初始閉合            

⑶1min置數(shù)：藍(lán)色字標(biāo)注的1分置數(shù)開關(guān)，斷開閉合即可置數(shù)

⑷              1h置數(shù)：藍(lán)色字標(biāo)注的1時(shí)置數(shù)開關(guān)，斷開閉合即可置數(shù)

• 總體設(shè)計(jì)思路分析以及部分元件的選擇
  

首先，選題后要明白這是個(gè)什么東西。本次實(shí)驗(yàn)選做的題目是數(shù)字式跑表，要求是只能選用基本的數(shù)字元器件。跑表要求的是顯示時(shí)間，而顯示時(shí)間就要用到顯示器，所學(xué)的基本顯示器為數(shù)碼管，故需要數(shù)碼管。已知的數(shù)碼管有七段數(shù)碼管和BCD碼數(shù)碼管，七段數(shù)碼管需要輸入七個(gè)變量，所以一般情況下需要譯碼器來實(shí)現(xiàn)�？紤]到驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的時(shí)序邏輯電路部分時(shí)，需要的是計(jì)時(shí)器，用到的只能是計(jì)數(shù)器，74161/163為16進(jìn)制的加法計(jì)數(shù)器，不帶減法，而且所設(shè)計(jì)的電路大部分為10進(jìn)制的計(jì)時(shí)，所以不考慮，74160/162也是加法計(jì)數(shù)器，不考慮。最后選擇的是74192，相比74190，74192的置數(shù)與清零功能是分開的，選擇74190的話，在實(shí)驗(yàn)是，只能犧牲置數(shù)功能來清零，不考慮。74192屬于雙時(shí)鐘同步十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器。輸出為四位輸出，與BCD碼顯示的數(shù)碼管完全符合，故選擇BCD碼顯示的數(shù)碼管。在74192的輸入端，輸入的是時(shí)鐘信號(hào)，故需要時(shí)鐘信號(hào)的發(fā)生器，在protues中，有產(chǎn)生時(shí)鐘的脈沖源，但是不符合實(shí)驗(yàn)要求。經(jīng)查資料，最后選擇的是555定時(shí)器組成的多諧振蕩器來產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，其為震蕩頻率可調(diào)的電路。

• 單元電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算
  

1、555定時(shí)器組成的多諧振蕩器

圖2 555定時(shí)器組成的多諧振蕩器

工作原理：

由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器如圖2所示，R1,R2和C是外接定時(shí)元件，電路中將高電平觸發(fā)端（6腳）和低電平觸發(fā)端（2腳）并接后接到R2和C的連接處，將放電端（7腳）接到R1,R2的連接處。由于接通電源瞬間，電容C來不及充電，電容器兩端電壓為低電平，小于（1/3）Vcc,故高電平觸發(fā)端與低電平觸發(fā)端均為低電平，輸出為高電平。這時(shí)，電源經(jīng)R1,R2對(duì)電容C充電，使電壓按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)上升到（2/3）Vcc時(shí)，輸出為低電平，把從（1/3）Vcc上升到（2/3）Vcc，電容C通過電阻R2和放電管放電，電路進(jìn)人第二暫穩(wěn)態(tài)，其維持時(shí)間的長(zhǎng)短與電容的放電時(shí)間有關(guān)，隨著C的放電，下降，當(dāng)下降到（1/3）Vcc時(shí)，輸出為高電平，Vcc再次對(duì)電容C充電，電路又翻轉(zhuǎn)到第一暫穩(wěn)態(tài)。

電容放電時(shí)間tPL為：

電容充電時(shí)間tPH為：

所以振蕩周期T為：

振蕩頻率f為：

1.008.jpg (32.44 KB, 下載次數(shù): 151)

下載附件

2017-7-30 20:37 上傳

圖3為設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中的555多諧振蕩器部分，要想多諧振蕩器產(chǎn)生每個(gè)震蕩周期為0.01s的脈沖，則f的值為100Hz，取常見的不大不小的電容值C1為1uF,此時(shí)經(jīng)計(jì)算可得（R1+2R2）的值14500歐姆，此時(shí)，查閱常見的電阻阻值，經(jīng)過計(jì)算對(duì)比，可取R1為4.3K，R2為5.1K。經(jīng)計(jì)算可得震蕩周期T誤差為0.00005s，小于實(shí)驗(yàn)允許誤差0.01s。

• BCD碼顯示數(shù)碼管
  

七段顯示BCD碼數(shù)碼管。74LS192 的四個(gè)輸出正好對(duì)應(yīng)數(shù)碼管的四個(gè)輸入。實(shí)現(xiàn)數(shù)字的顯示。使用的是四個(gè)輸入端的數(shù)碼管，數(shù)碼管本身有譯碼器，不需要外接譯碼器。數(shù)碼管是共陰極，74LS192的輸出高電平，直接輸入數(shù)碼管就可以顯示。

實(shí)驗(yàn)部分：

                 

1.009.jpg (12.74 KB, 下載次數(shù): 133)

下載附件

2017-7-30 20:37 上傳

圖4  數(shù)碼管接74LS192

3、74LS192計(jì)數(shù)器

74LS192的功能表

74LS192是同步十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器，它具有雙時(shí)鐘輸入，并具有清除和置數(shù)等功能，其引腳排列及邏輯符號(hào)如下所示：

圖5  74LS192的引腳排列及邏輯符號(hào)

CPU為加計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端，CPD為減計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端。      

  LD為預(yù)置輸入控制端，異步預(yù)置。   

  CR為復(fù)位輸入端，高電平有效，異步清除。     

  CO為進(jìn)位輸出：1001狀態(tài)后負(fù)脈沖輸出，     

  BO為借位輸出：0000狀態(tài)后負(fù)脈沖輸出。

表1   74LS192功能表

設(shè)計(jì)部分：

1.015.jpg (54.29 KB, 下載次數(shù): 140)

下載附件

2017-7-30 20:37 上傳

圖6為省區(qū)0.1s和省去0.01s時(shí)74LS192的電路接線圖。

1.016.jpg (36.74 KB, 下載次數(shù): 150)

下載附件

2017-7-30 20:37 上傳

1、將UP與DN在高電平1與時(shí)鐘之間切換的開關(guān)

74LS192在實(shí)現(xiàn)加計(jì)數(shù)時(shí)由其功能表可知當(dāng)減計(jì)數(shù)時(shí)鐘端DN接1，加計(jì)數(shù)時(shí)鐘端UP接脈沖時(shí)即可實(shí)現(xiàn)加計(jì)數(shù)；相反的，則實(shí)現(xiàn)減計(jì)數(shù)。圖7左上角的開關(guān)部分就是將DN與UP在高電平1與時(shí)鐘CL自由切換的開關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)加計(jì)數(shù)和減計(jì)數(shù)。（設(shè)計(jì)時(shí)，開關(guān)往上，則UP接時(shí)鐘，DN接高電平1；反之，UP接1，DN接時(shí)鐘）

2、10s位與10min位的置數(shù)時(shí)機(jī)與置數(shù)按鍵的實(shí)現(xiàn)

在加計(jì)數(shù)時(shí)10s位與10min位滿6進(jìn)1所以可以設(shè)置與非門在這兩個(gè)位在計(jì)數(shù)到6，即0110時(shí)返回一個(gè)低電平0給本身的的置數(shù)口LD非，從而實(shí)現(xiàn)置數(shù)0000，同時(shí)在與非門的非之前產(chǎn)生一個(gè)高電平1到下一個(gè)192的上升時(shí)鐘UP口，使之加1。

在減計(jì)數(shù)時(shí)10s位與10min位減到0時(shí)，在下一個(gè)時(shí)鐘來臨時(shí)與非門如果檢測(cè)到9即1001時(shí)與非門的輸出端輸出一個(gè)低電平0給本身的的置數(shù)口LD非，從而實(shí)現(xiàn)置數(shù)為5即0101，同時(shí)在與非門的非之前產(chǎn)生一個(gè)高電平1到下一個(gè)192的下降時(shí)鐘DN口，使之加1，實(shí)現(xiàn)借位，從而下一個(gè)192實(shí)現(xiàn)減一。

c、(置數(shù)按鍵)通過觀察可知，無論是加計(jì)數(shù)還是減計(jì)數(shù)時(shí)，總有某些置數(shù)端口（D0~D3）是一直接地的故可如圖7左下角（加減置數(shù)開關(guān)）般的部分置數(shù)端口接地，從而實(shí)現(xiàn)某些端口可以在接0與1間切換，具體操作如上。

d、圖7中間的下方座半部分開關(guān)為10s位與10min位在加減計(jì)數(shù)時(shí)對(duì)使用兩個(gè)與非門之間的切換，提高其利用率。右半部分為其與門部分的輸出端口加減輸出開關(guān)，從而決定輸出的信號(hào)是接下一個(gè)UP或DN。

3、時(shí)位與10時(shí)位部分

圖7最右端的兩個(gè)與非門為時(shí)位與10時(shí)位開關(guān)對(duì)兩個(gè)與非門在加計(jì)數(shù)和減計(jì)數(shù)的使用。加計(jì)數(shù)時(shí)僅在24時(shí)時(shí)即0010和0100兩個(gè)1需要與非；在減計(jì)數(shù)時(shí)，則在99時(shí)時(shí)即1001和1001四個(gè)1需要與非，故需要四輸入端與非門，同時(shí)使兩位芯片分別置數(shù)為2和3.置數(shù)由之前所說的置數(shù)開關(guān)實(shí)現(xiàn)。

• 清零開關(guān)和中斷繼續(xù)開關(guān)
  

• 將所有74LS192的清零端連在一起接地，同時(shí)接可以彈起的開關(guān)BUTTON，開關(guān)的另一端接電源，當(dāng)按下按鍵時(shí)，所有的192芯片的清零端同時(shí)為高電平，即可實(shí)現(xiàn)清零。
• 原本的電路是利用開關(guān)使0.01s的192芯片的UP和DN同時(shí)變?yōu)?可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的保持，但是使電路更加復(fù)雜，不利于其他功能的實(shí)現(xiàn)。后改為直接在脈沖的輸出端接一個(gè)開關(guān)。修改后，UP和DN其中一個(gè)為高電平一個(gè)為高阻態(tài)，由于時(shí)鐘信號(hào)不再輸入，可以實(shí)現(xiàn)暫停功能。缺點(diǎn)在于，暫停時(shí)，開閉置數(shù)開關(guān)會(huì)使數(shù)據(jù)的改變，需要更多的置數(shù)，造成不便。
  

• 定時(shí)功能
  

1.017.jpg (25.32 KB, 下載次數(shù): 152)

下載附件

2017-7-30 20:37 上傳

圖8置數(shù)開關(guān)

定時(shí)功能：在開關(guān)打向暫停時(shí)由置數(shù)功能實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)的置數(shù)開關(guān)分為4個(gè)置數(shù)開關(guān)，分別為0.01s,1s,1min和1h的置數(shù)開關(guān)，可實(shí)現(xiàn)8位時(shí)間的置數(shù)。

具體實(shí)現(xiàn)：分與時(shí)部分是由于暫停時(shí)，與非門中與門的輸出為低電平，故使得這兩個(gè)位UP和DN其中一個(gè)一直為高電平，另一個(gè)則因開關(guān)的變換使其中一個(gè)UP或DN在高低電平中變換，從而產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖實(shí)現(xiàn)置數(shù)功能。在0.01s和1s處，由于設(shè)計(jì)時(shí)沒有思考得完全，只能外加一個(gè)低電平，使其中的UP或DN其能夠在高低電平中由開關(guān)自由切換，從而實(shí)現(xiàn)置數(shù)，需要注意的是，不能直接加低電平作為0信號(hào)輸入，否則會(huì)警告電平?jīng)_突。

• 半整點(diǎn)提醒功能
  

1.018.jpg (26.62 KB, 下載次數(shù): 156)

下載附件

2017-7-30 20:37 上傳

圖9  半整點(diǎn)提醒電路部分

半整點(diǎn)功能的實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)單來說，就是滿足某個(gè)條件或者某幾個(gè)條件就能使LED燈燈變亮。

半整點(diǎn)提醒：當(dāng)10分位為3，即0011時(shí)，LED1則亮，想讓LED1只亮1分鐘的話又要使分位等于0時(shí)，LED1亮，將兩者與則可實(shí)現(xiàn)半點(diǎn)時(shí)，LED1亮1分鐘。同理，當(dāng)1時(shí)位不為0，10分位為0，1分位為0時(shí)，將它們?nèi)齻�(gè)與即可實(shí)現(xiàn)LED2在整點(diǎn)時(shí)亮一分鐘，在兩者間接一個(gè)二極管可讓整點(diǎn)時(shí)LED1與LED2同時(shí)亮，具體的調(diào)試不可行。

5、仿真的調(diào)試

在每一部分電路的設(shè)計(jì)好時(shí)，先進(jìn)行調(diào)試，再進(jìn)行下一部分電路的設(shè)計(jì)。在調(diào)試時(shí)，調(diào)試的方法可以分為兩種：第一，在進(jìn)行較高位的調(diào)試時(shí)，由于等太長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行調(diào)試不現(xiàn)實(shí)，可以將其電路換至低位進(jìn)行調(diào)試，也可以分解電路為一部分一部分進(jìn)行調(diào)試。第二，利用置數(shù)功能進(jìn)行調(diào)試，暫停時(shí)，把相應(yīng)的開關(guān)放到位，再進(jìn)行置數(shù)加減，觀察其變化情況。

經(jīng)過逐步調(diào)試，本次設(shè)計(jì)的數(shù)字式跑表絕大多數(shù)部分可行。

• 實(shí)驗(yàn)心得
  

首先，拿到題目后，看到跑表器這個(gè)詞還是有點(diǎn)抽象，要經(jīng)過查資料才逐步了解到跑表器的工作狀態(tài)，然后再開始著手實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)前，對(duì)于上個(gè)學(xué)期的數(shù)電知識(shí)也逐漸模糊，但是知道跑表器的工作情況后還是有入手的地方，不過又要重新溫習(xí)一下相關(guān)的內(nèi)容，這一步做的比較快也比較順利。

第二步，需要對(duì)整體功能的構(gòu)思，然后再對(duì)局部電路圖的構(gòu)思，最后再考慮局部電路圖的實(shí)現(xiàn)，

在實(shí)驗(yàn)圖逐步成型之后，發(fā)現(xiàn)了諸多在一開始所想不到的問題。例如，在完成本實(shí)驗(yàn)的基本要求時(shí)是比較輕松的，比較不自在的地方是對(duì)電路圖的修改，其中比較令人頭疼的地方是本來排好版的地方突然又需要加多一部分元件或者是線路，拉開所需的位置的話，本來連好的線變得彎曲不自然，又要清除原來的線，再畫過，在制作附加功能的時(shí)候更是如此。這樣，不得不使用大量的跳線，這樣的話會(huì)使審視電路圖的時(shí)候不夠直觀，會(huì)影響思路。

在許多地方，完全可以將圖簡(jiǎn)化，但是需要太多的地方思考，由于前面的制作過多，簡(jiǎn)化圖可能會(huì)使前面的功能不能實(shí)現(xiàn)，而且要改的話也比較復(fù)雜，容易弄混思路，要的時(shí)間也多，所以在制作時(shí)，考慮最簡(jiǎn)單的思路。半整點(diǎn)提示燈就是一個(gè)很明顯的例子。

在調(diào)試時(shí)，經(jīng)常會(huì)碰到不如自己料想的情況，這樣常常會(huì)使人氣餒，要改的話也可能要從頭到尾分析，這樣，對(duì)前面思考不深刻的話很難改，所以在制作的時(shí)候，最好加上一些有必要的標(biāo)注，而且，當(dāng)?shù)牡诙�天再看前一天的�?nèi)容，在思路方面也比較連接起來。

本次設(shè)計(jì)仍然有很多不足的地方，上面所提到的圖太復(fù)雜只是其中的一個(gè)方面，但是在做完實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)后也讓人覺得在數(shù)電方面提高了很多。這也讓人不得不思考到，單單只利用一些簡(jiǎn)單的基本數(shù)字邏輯元件是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須懂得綜合利用，才能使得圖更加簡(jiǎn)化，成本更加低，設(shè)計(jì)更利于市場(chǎng)的采納。