武汉理工数字电子设计:74LS90实现秒表电路与触发器应用

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电子秒表电路的设计是一份针对数字电子技术基础课程的实践项目,主要涉及电子计时器的设计和实现。该文档详细探讨了如何利用现代电子元件构建一个功能丰富的电子秒表,这种秒表以石英振荡器作为时间基准,具备高精度的1/100s功能,能够显示分钟、秒、小时、日期以及星期等信息。 设计的核心部分包括以下几个关键组件: 1. 基本RS触发器(74LS90):这是一种低电平直接触发的触发器,通过集成与非门构成,它具有置位和复位功能,能够控制秒数的计数和显示。当输入S为1时,触发器置位,Qn+1变为1;当输入R为1时,触发器复位,Qn+1变为0。 2. 单稳态触发器:利用集成与非门构建的微分型单稳态触发器,为秒表的清零提供负脉冲输出,确保计数器在合适的时间重置。 3. 多谐振荡器:基于555定时器的多谐振荡器为整个电路提供稳定的脉冲源,驱动秒表的持续运行。 4. 计数器:通过计数器电路,将基本RS触发器的输出进行累加,实现从0.1秒到60秒的秒数显示。 5. 译码显示器:七段式数字显示器是常用的选择,能够通过不同的发光段组合显示出0到9的阿拉伯数字,直观地显示秒数。 在整个设计过程中,学生需理解并掌握这些电子元件的特性,以及它们在电路中的作用和相互协作。此外,设计还包括电路的搭建、测试和调试,确保电子秒表的准确性和可靠性。通过这个课程设计,学生可以加深对数字电子技术基础理论的理解,提升实际操作技能,为未来在数字测量仪表和相关系统的设计与开发打下坚实基础。
2023-02-27 上传
摘要 在数字测量仪表和各种数字系统中,都需要将数字量直观的显示出来,数字显示电路 通常由译码驱动器和显示器等部分组成。数码显示器就是用来显示数字、文字或符号的 器件。七段式数字显示器是目前常用的显示方式,它利用不同发光段的组合,可以显示0~ 9等阿拉伯数字。充分运用芯片74LS90的逻辑功能,用四片74LS90芯片实现秒表示 0.1~60秒。利用集成与非门构成的基本RS触发器(低电平直接触发)实现电路的直接置位 、复位功能。利用集成与非门构成的微分型单稳态触发器为计数器清零提供输出负脉冲 。利用555定时器构成的多谐振荡器为电路提供脉冲源以驱动电路工作。 关键词:基本RS触发器,单稳态触发器,多谐振荡器,译码显示器。 1电子秒表简介 电子秒表是一种较先进的电子计时器,目前国产的电子秒表一般都是利用石英振荡器 的振荡频率作为时间基准,采用6位液晶数字显示时间。电子秒表的使用功能比机械秒表 要多,它不仅能显示分、秒,还能显示时、日、月及星期,并且有1/l00s的功能。 本实验设计的电子秒表电路的基本组成框图如图1-1所示,它主要由基本RS触发器、 单稳态触发器、多谐振荡器、计数器和译码显示器5个部分组成。 图1-1 电子秒表电路的基本组成框图 2单元电路设计及相关元器件的功能简介 2.1基本RS触发器 本实验设计电路所选用的基本RS触发器为用集成与非门构成的基本RS触发器。属低电 平直接触发的触发器,有直接置位、复位的功能。其功能表如表2-1所示。 "R "S "Qn "Qn+1 "功 能 " "0 "0 "0 "不用 "不允许 " "0 "0 "0 "不用 " " "0 "1 "0 "0 "Qn+1=0,置0 " "0 "1 "1 "0 " " "1 "0 "1 "1 "Qn+1=1,置1 " "1 "0 "0 "1 " " "1 "1 "1 "1 "Qn+1=Qn,保持 " "1 "1 "0 "0 " " 表2-1 基本RS触发器 如图2- 1所示,它的一路输出作为单稳态触发器的输入,另一路输出Q作为与非门5的输入 控制信号。切换按钮开关K1(接地),则门1输出 =1;门2输出Q=0,K1复位后Q、 状态保持不变。再切换按钮开关K2,则Q由0变为 1,门5开启,为计数器启动作好准备;由1变为0,送出负脉冲,启动单稳态触发器 工作。 基本RS触发器在电子秒表中的职能是启动和停止秒表的工作. 图2-1 基本RS触发器 2.2单稳态触发器 本实验设计电路所选用的单稳态触发器为用集成与非门构成的微分型单稳态触发器, 如图2-2所示。 图2-2 单稳态触发器 单稳态触发器的输入触发负脉冲信号vi 由基本RS触发器端提供,输出负脉冲vO 通过非门加到计数器的清除端R。静态时,门4应处于截止状态,故电阻R必须小于门的关 门电阻ROff 。定时元件RC取值不同,输出脉冲宽度也不同。当触发脉冲宽度小于输出脉冲宽度时, 可以省去输入微分电路的RP 和CP 。 单稳态触发器在电子秒表中的职能是为计数器提供清零信号。 图2-3 单稳态触发器波形图 2.3多谐振荡器 本实验实验设计电路所选用的时钟发生器为用555定时器构成的多谐振荡器,是一种 性能较好的时钟源。如图2-4所示。调节电位器 RW ,使在输出端3获得频率为50HZ的矩形波信号,当基本RS触发器Q=1时,门5开启,此 时50HZ脉冲信号通过门5作为计数脉冲加于计数器 的计数输入端CP2。 图2-4 多谐振荡器 NE555定时器是一种电路结构简单、使用方便灵活、用途广泛的多功能电路。利用 闭合回路的反馈作用可以产生自激振荡。TTL电路延迟时间短,难以控制频率。电路接 入RC回路有助于获得较低的振荡频率,由于门电路的作用时间极短,TTL电路自有几十纳 秒,所以想获得稍低一些的振荡频率式很困难的,而且频率不易调节。在电路中接入RC 电路可以有助于获得较低的振荡频率,而且通过改变R,C的数值可以很容易实现对频率的 调节。 振荡电路是数字秒表的核心部分,电容充放电的速度决定了电路的振荡频率。R1 、R2、C决定了多谐振荡器的周期,即决定了形成的方波的频率利用闭合回路中的负反馈 作用可以产生自激振荡,利用闭合回路中的延迟负反馈作用也能产生自激振荡,只要负反 馈作用足够强。为了得到频率更加准确的频率信号,加入了电容和电阻,其中电容为0.0 1uf和0.1uf,电阻为100K欧姆。 2.4计数及译码显示电路 二—五—十进制加法计数器74LS90构成电子秒表的计数单元,其功能表如表2- 2所示,引脚图如图2-5所示。 74LS90是一种较为典型的异步十进制计数器。它由1个一位二进制和1个异步五进制 计数器组成。如果计数脉冲由CP1端输入,输出由QA端引出,即得二进制计数器;如果 计数脉冲CP2端输入,输出由Q
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电子秒表的设计 目 录 一、设计要求………………………………………………… 2 二、设计的目的与作用……………………………………… 2 三、设计的具体体现 ………………………………………2 1. 电子秒表的基本组成……………………………… 3 2.电子秒表的工作原理…………………………………3 3.电子秒表的原理图……………………………………4 4. 单元电路设计…………………………………………4 5.设计仿真与PCB制版…………………………………12 四、心得体会…………………………………………………17 五、附录………………………………………………………18 六、参考文献…………………………………………………20 一、设计要求 1. 以0.01秒为最小单位进行显示。 2. 秒表可显示0.01~59:59:99秒的量程。 3. 该秒表具有清零、开始计时、停止计时功能。 二、设计方案 方案一:通过单片机来实现电子秒表 基于51单片机电子秒表,设计简单,而且技术准确,缺点是价格相比于数字电路实现的 秒表技术要昂贵。 方案二:采用数字电路来实现秒表计数,优点是价格便宜,计数精确,反应较快,缺 点是,电路芯片较多,设计电路复杂。 经过比较选择了较为经济适用的数字电路。 二、设计的目的与作用 1.培养我们运用有关课程的基础理论和技能解决实际问题,并进一步提高专业基本技能 、创新能力。通过课程设计,学习到设计写作方法,能用文字、图形和现代设计写作方 法系统地、正确地表达课程设计和研究成果。 2. 熟悉555方波振荡器的应用。 3.熟悉计数器的级联及计数、译码、显示电路的整体配合。 4.建立分频的基本概念。 三、设计的具体体现 1.电子秒表的基本组成 电子秒表电路的基本组成框图如图所示,它主要由基本RS触发器、多谐振荡器、计数器 和数码显示器4个部分组成。 电子秒表电路的基本组成(方框图)如下: 图(1)电子秒表基本组成方框图 2.电子秒表的工作原理 由555定时器构成多谐振荡器,用来产生50Hz的矩形波。第 块计数器作5分频使用, 将555输来的50Hz的脉冲变为0.1秒的计数脉冲,在输出端Qd取得,作为第2块计数器的始 终输入,第2、第3块计数器QA与CP2相连,都已接成8421码十进制计数电路 ,第4块接成六进制形式,其输出端与译码显示器的相应输入端连接,可显示00:00:00 ——59:59:99s 3.电子秒表的原理图 图(2)原理图 4. 单元电路设计 (1)由NE555P组成的多谐振荡器(多谐振荡器) ne555是一种应用特别广泛作用很大的的集成电路,属于小规模集成电路,在很多电 子产品中都有应用。ne555的作用是用内部的定时器来构成时基电路,给其他的电路提供 时序脉冲。ne555时基电路有两种封装形式有,一是dip双列直插 8脚封装,另一种是sop- 8小型(smd)封装形式。其他ha17555、lm555、ca555分属不同的公司生产的产品。内部 结构和工作原理都相同。ne555的内部结构可等效成23个晶体三极管.17个电 阻.两个二极管.组成了比较器.RS触发器.等多组单元电路.特别是由三只精度较高5k电阻 构成了一个电阻分压器.为上.下比较器提供基准电压.所以称之为555。 555内部结构及引脚如下图所示: 图(3)555内部结构及引脚图 (A)、555时钟电路可以构成多谐振荡器,真值表如下: "RST "THR "TRI "OUT "TD " "0 "X "X "0 "导通 " "1 ">2\3VCC ">1\3VCC "0 "导通 " "1 "<2\3VCC ">1\3VCC "不变 "不变 " "1 "<2\3VCC "<1\3VCC "1 "截止 " "1 ">2\3VCC "<1\3VCC "1 "截止 " 表(1)555功能真值表 注明:6脚为THR,触发器输入端,低电平有效。 2脚为TRI,阀值输入端,高电平有效。4脚为RST,总复位端,低电平有效。 7脚为DIS,放电端。5脚为CON,控制端。1脚接地,8脚接电源。 3脚为输出端。TD为内部三极管。 (B)时钟信号产生电路 图(4)555组成的多谐振荡器 NE555定时器是一种电路结构简单、使用方便灵活、用途广泛的多功能电路。利用闭 合回路的反馈作用可以产生自激振荡。TTL电路延迟时间短,难以控制频率。电路接入R C回路有助于获得较低的振荡频率,由于门电路的作用时间极短,TTL电路自有几十纳秒 ,所以想获得稍低一些的振荡频率式很困难的,而且频率不易调节。在电路中接入RC电 路可以有助于获得较低的振荡频率,而且通过改变R,C的数值可以很容易实现对频率的 调节。 振荡电路是数字秒表的核心部分,电容充放电的速度决定了电路的振荡频率R1 .R2 .C决定了多