电子秒表电路的设计

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 0 0 0 0 1 1 1 1 S 0 0 1 1 0 0 1 1 Qn 0 0 0 1 1 0 1 0 Qn+1 不用 不用 0 0 1 1 1 0 表2-1 基本RS触发器

功 能 不允许 Qn+1=0,置0 Qn+1=1,置1 Qn+1=Qn,保持 如图2-1所示，它的一路输出Q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Q =1；门2输出Q=0，K1复位后Q、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；Q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Q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①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0.01uf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QA～QD端引出即得五进制计数器；如果将QA与CP2相连，

计数脉冲由CP1输入，输出由QA～QD引出，即得8421码十进制计数器。因此，又称此电路为二——五——十进制计数器。

输 入 清 0 置 9 钟 R0(1)、R0(2) S9(1)、S9(2) CP1 CP2 0 × 1 1 × 0 0 × × 0 ↓ 1 1 ↓ 0 × × 0 0 × × 0 QD ↓ 1 1 QAQDQCQB输出5421BCD码 不 变 保 持 十进制计数 ↓ QA QA 输 出 QDQCQB输出 QDQCQBQA输出8421BCD码 二进制计数 五进制计数 十进制计数 1 1 × × 100置1 9 × × 000清0 0 QD QC QB QA 时 功 能 输 出 表2-2 74LS90的功能表

图2-5 74LS90的引脚图

本实验所设计的计数及译码显示电路如图2-6所示。其中计数器1接成五进制形式，对频率为50HZ的时钟脉冲进行五分频，在输出端QD取得周期为0.1S的矩形脉冲，作为计数器②的时钟输入。计数器2、计数器3和计数器4接成8421码十进制形式，其输出端与实验装置上译码显示的相应输入端连接 ,可显示0.1-99.9S.

图2-6 计数及译码显示电路

3总电路设计图及其原理

图3-1 电子秒表总电路图

根据各单元电路原理，可得总电路图如图3-1所示。

其中，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，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。由555定时器构成多谐振荡器，用来产生50Hz的矩形波。第Ⅰ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、第4块计数器QA与CP2相连，都已接成8421码十进制计数电路，其输出端与译码显示器的相应输入端连接，可显示0.1-0.9s,1-9s,10-90s.

4电路仿真

利用电子设计软件multisim对电路仿真，根据图3-1所示电子秒表总电路图在软件multisim中绘制出其仿真电路图，如图4-1所示。

图4-1仿真电路图

开启仿真器实验电源开关，切换按钮开关K1（接地），则Q =1，Q=0；K1复位后Q、Q 状态保持不变。再切换按钮开关K2，则Q由0变为1，门5即图中U8A开启，为计数器启动作好准备，同时Q由1变为0，送出负脉冲，启动单稳态触发器工作。适当调节可变电阻，使输出端3获得频率为50HZ的矩形波信号。双击示波器XSC3，观察示波器的输出波形如图4-2所示。

图4-2 XSC3的波形

此外XSC1和XSC2的波形图分别如图4-3和图4-4所示。

图4-3 XSC1的波形图

图4-4 XSC2的波形图

由仿真可知，该设计电路满足要求。

5安装及调试

由于电路中使用器件较多，设计前必须合理安排各器件在实验装置上的位置，使电路逻辑清楚．接线较短。应按照设计任务的次序．将各单元电路逐个进行接线和调试．即分别测试基本RS触发器、单稳态触发器、时钟发生器及计数器的逻辑功能．待备单元电路工作正常后，再将有关电路逐级连接起来进行测试，直到测试电子秒表整个电路的功能。这样的测试方法有利于检查和排除故障，保证实验顺利进行。

（1）测试基本RS触发器的逻辑功能。

（2）对单稳态电路进行静态测试：用直流数字电压表测量A、B、D、F各点电位值，并记录；然后进行动态测试：输入端接IKHZ连续脉冲源，用示波器观察并描绘D点F点波形．如嫌单稳输出脉冲持续时间太短．难以观察，可以适当加大微分电容c(如改为0．1 µF)待测试完毕．再恢复4700PF。

（3）对时钟发生器进行调试：参照由555定时器构成的多谐振荡器的测试方法来测试该部分的逻辑功能，用示波器观察输出电压波形并测量其频率．调节Rw，使输出矩形波频率为50Hz。

（4）计数器的测试：计数器①接成五进制形式记录测试过程。R0（1）、R0（2）、S9（2）接逻辑开关输出插口，CP2接单次脉冲源，CP1接高电平“1”，QD~QA接实验设备上译码显示输入端口D、C、B、A，按表2-2测试其逻辑功能并记录;计数器②及计数器③接成8421码十进制形式，记录测试过程;将计数器①、②、③级连．进行逻辑功能测试，并记录。

(5)电子秒表的整体测试:各单元电路测试正常后．按图3-1把几个单元电路连接起来，进行电子秒表的总体测试。先按一下按钮开关K2．此时电子秒表不工作，再按一下按钮开关K1．，则计数器清零后使开始计时，观察数码管显示计数情况是否正常。如不需要计时或暂停计时．按一下开关K1，计时立即停止，但数码管保留所计时之值。

(6)利用电子钟或手表的秒计时对电子秒表进行校准。

6设计心得

通过这几天对电子秒表电路的设计使我对数字电子技术基础课程有了更深一步的了解，同时发现了自己的很多不足，看到了自己的实践经验还是比较缺乏，理论联系实际的能力还亟需提高。

同时，经过这次课程设计，我们对前面的路有了更多的信心，因为在这个过程中，我们学到了不少实用的东西，对于一些专业基础课有了更深层次的掌握，并且提高了动手能力和独立解决问题的能力。此次的数电课设，不仅让我加深了对数字电子电路理论知识的理解，还加强和同学交流沟通的能力，在设计电路时和同组成员共同讨论解决问题，同时设计出的电路经过Multisim软件仿真达到预期的效果，不仅让小组所有成员共同获得努力后成功的欣喜，而且了解了Multism软件的使用。诸多在此次学习到的知识或是能力必将有用于之后的学习或是将来的工作，这也是此次课程设计的目的所在。

总而言之，本周课程设计不但锻炼了我们最基本的数字电路的设计能力，更重要的是让我们更深刻的认识了数字电子技术基础课程在实际中的应用。

参考文献

[1] 伍时和主编. 数字电子技术基础. 武汉理工大学出版社，2009 [2] 康华光主编. 电子技术基础—数字部分. 高等教育出版社，2000 [3] 罗中华等主编. 数字电路与逻辑设计. 清华大学出版社，2004 [4] 周新民主编. 工程实践与训练教程 武汉理工大学出版社，2009

[5] 张新喜主编. Multisim10电路仿真及应用. 机械工业出版社出版，2010年2月

附录1

元件清单

序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

品 名 计数器 555定时器 与非门 或非门 反相器 七段译码显示器 发光二极管 开关 电阻 电阻 电阻 电阻 可变电阻 电容 电容 电容 电容 型 号/规 格 74LS90 LM555CN 74ALS00M 4001BP 4009BCP DCD-HEX LED SPST 3KΩ 1KΩ 470Ω 100KΩ 100KΩ 510pF 4.7nF 10nF 100nF 数 量 4 1 5 1 1 4 1 2 2 1 2 1 1 1 1 1 1