摘要
隨著電子技術(shù)的發(fā)展,電子技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的運(yùn)用越來(lái)越廣泛。電子秒表可廣泛應(yīng)用于對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的速度、加速度的測(cè)量實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證牛頓第二定律等物理實(shí)驗(yàn),同時(shí)也適用于對(duì)時(shí)間測(cè)量精度要求較高的場(chǎng)合,測(cè)定短時(shí)間間隔的儀表。
電子秒表設(shè)計(jì)主要是通過(guò)多諧振蕩器、計(jì)數(shù)器、譯碼器、數(shù)碼顯示器芯片,實(shí)現(xiàn)基本要求。本課題有一個(gè)小的創(chuàng)新,通過(guò)開(kāi)關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)倒計(jì)時(shí)的功能。數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)要用到仿真軟件畫(huà)出電路圖。一方面直觀的研究設(shè)計(jì)原理,另一方面需進(jìn)行仿真。之后對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行理論分析,尋找不足之處并加以改善。
通過(guò)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(lái)產(chǎn)生脈沖信號(hào)。精度的提高,便能廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、電視、雷達(dá)、通信等各個(gè)領(lǐng)域,實(shí)現(xiàn)電子秒表的價(jià)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(jì)思路
1.1 電子秒表設(shè)計(jì)的意義
1.2 電子秒表的設(shè)計(jì)方案
第2章 電子秒表芯片簡(jiǎn)介
2.1 時(shí)鐘脈沖發(fā)生器
2.2 計(jì)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(jì)思路
1.1 電子秒表設(shè)計(jì)的意義隨著電子技術(shù)的發(fā)展,電子技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的運(yùn)用越來(lái)越廣泛。電子秒表在生活中應(yīng)用于對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的速度、加速度的測(cè)量實(shí)驗(yàn),還可用來(lái)驗(yàn)證牛頓第二定律、機(jī)械能守恒等物理實(shí)驗(yàn),同時(shí)也適用于對(duì)時(shí)間測(cè)量精度要求較高的場(chǎng)合,測(cè)定短時(shí)間間隔的儀表。秒表有機(jī)械秒表和電子秒表兩類(lèi)。機(jī)械秒表與機(jī)械手表相仿,但具有制動(dòng)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(cè)量顯示,可精確至千分之一秒。在秒表的設(shè)計(jì)上功能不斷完善,在時(shí)間的設(shè)計(jì)上不斷的精確。人們也用電子技術(shù)和相關(guān)知識(shí)解決了一些實(shí)際問(wèn)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(huì)更廣泛的滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門(mén)。該設(shè)計(jì)使我們動(dòng)手能力、實(shí)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(jì)方案1.2.1 設(shè)計(jì)電子秒表所需器件直流穩(wěn)壓電源(+5v)、定時(shí)器(NE555)1塊、十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器(74LS192)2塊、譯碼器(74LS48)2塊、與非門(mén)(7400)1塊、LED數(shù)碼管(7SEG-COM-CATHODE)2塊、電阻(10WATT1k)18個(gè)、電容(CAP)2個(gè)、單刀單擲(SW-SPST)1個(gè)、單刀雙擲(SW-SPDT)1個(gè)。
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(jì)數(shù)器、譯碼器和數(shù)碼顯示器4個(gè)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(jì)電路圖如圖1-2(b)所示,圖中由定時(shí)器NE555,用來(lái)產(chǎn)生1秒的脈沖加給計(jì)數(shù)器。第U2、U4塊計(jì)數(shù)器TCU與UP相連,脈沖從U2的UP輸入,都已接成十進(jìn)制計(jì)數(shù)或六進(jìn)制電路,其中第U2塊是每秒進(jìn)位,第U4塊是每10秒進(jìn)位。兩片74LS47是譯碼器,將計(jì)數(shù)器輸來(lái)的8421BCD碼譯為十進(jìn)制數(shù)分別去驅(qū)動(dòng)兩個(gè)數(shù)碼管,使之作相應(yīng)的顯示。開(kāi)關(guān)SW2閉合開(kāi)始計(jì)數(shù),斷開(kāi)停止計(jì)數(shù);開(kāi)關(guān)SW1接高電位秒表清0,接低電位可以計(jì)數(shù)。
圖1-2(b) 電子秒表設(shè)計(jì)電路圖
第2章 電子秒表芯片簡(jiǎn)介2.1 時(shí)鐘脈沖發(fā)生器NE555定時(shí)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(shí)、延時(shí)電路。用555定時(shí)器構(gòu)成的自激式多諧振蕩器,是一種性能較好的時(shí)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(hào)。
2.1.1 555定時(shí)器的電路結(jié)構(gòu)與功能國(guó)產(chǎn)雙極型555定時(shí)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(kāi)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(hào)。
圖2-1(a) 555定時(shí)器的電路結(jié)構(gòu)圖
由圖2-1(a)可知,當(dāng)TH>VR1、TH>VR2時(shí),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(shí)v0為低電平。
隨著電子技術(shù)的發(fā)展,電子技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的運(yùn)用越來(lái)越廣泛。電子秒表在生活中可廣泛應(yīng)用于對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的速度、加速度的測(cè)量實(shí)驗(yàn),還可用來(lái)驗(yàn)證牛頓第二定律、機(jī)械能守恒等物理實(shí)驗(yàn),同時(shí)也適用于對(duì)時(shí)間測(cè)量精度要求較高的場(chǎng)合,測(cè)定短時(shí)間間隔的儀表。秒表有機(jī)械秒表和電子秒表兩類(lèi)。機(jī)械秒表與機(jī)械手表相仿,但具有制動(dòng)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(cè)量顯示,可精確至千分之一秒。在秒表的設(shè)計(jì)上功能不斷完善,在時(shí)間的設(shè)計(jì)上不斷的精確。人們也用電子技術(shù)和相關(guān)知識(shí)解決了一些實(shí)際問(wèn)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(huì)更廣泛的滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門(mén),目前數(shù)字電子技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、電視、雷達(dá)、通信等各個(gè)領(lǐng)域,并將產(chǎn)生越來(lái)越深的影響。該設(shè)計(jì)使我們動(dòng)手能力、實(shí)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(shí),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(shí),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(shí)v0為高電平。
當(dāng)TH>VR1、TH<VR2時(shí),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(shí)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(shí),由于C (C1//C2)來(lái)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(guò)R1、RP向C充電到VC≥VCC時(shí),輸出端3腳由高電路平變?yōu)榈碗娖剑娙軨經(jīng)R1和內(nèi)部電路的放電開(kāi)關(guān)管放電。當(dāng)放電到VC≤VCC時(shí),輸出端又由低電平轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖健4藭r(shí)電容再次充電,這種過(guò)程可周而復(fù)始地進(jìn)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(jì)振蕩周期為1秒時(shí),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(jì)數(shù)器(74LS192)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,利用74LS192的計(jì)數(shù)器功能實(shí)現(xiàn)六進(jìn)制、十進(jìn)制的計(jì)算和倒計(jì)時(shí)。
其引腳排列及邏輯符號(hào)見(jiàn)圖2-2所示:
圖2-2 74LS192引腳排列
計(jì)數(shù)器74LS192的功能表見(jiàn)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(dòng)器,常用在各種數(shù)字電路和單片機(jī)系統(tǒng)的顯示系統(tǒng)中,下面我就給大家介紹一下這個(gè)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(shí)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(cè)試輸入端(LT)和動(dòng)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(dòng)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(cè)試輸入端(LT)和動(dòng)態(tài)滅零輸入端(RBI)都接無(wú)效電平時(shí),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(dòng)信號(hào),顯示相應(yīng)字符。除DCBA = 0000外,RBI也可以接低電平,見(jiàn)表2-3中1~16行。
(2)消隱功能(BI=0)
此時(shí)BI/RBO端作為輸入端,該端輸入低電平信號(hào)時(shí),表2-3倒數(shù)第3行,無(wú)論LT 和RBI輸入什么電平信號(hào),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(dòng)態(tài)顯示。
表2-3 74LS48功能表
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(3)燈測(cè)試功能(LT = 0)
此時(shí)BI/RBO端作為輸出端,端輸入低電平信號(hào)時(shí),表2-3最后一行,與及DCBA輸入無(wú)關(guān),輸出全為“1”,顯示器7個(gè)字段都點(diǎn)亮。該功能用于7段顯示器測(cè)試,判別是否有損壞的字段。
(4)動(dòng)態(tài)滅零功能(LT=1,RBI=1)
此時(shí)BI/RBO端也作為輸出端,LT 端輸入高電平信號(hào),RBI 端輸入低電平信號(hào),若此時(shí)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(gè)零。DCBA≠0,則對(duì)顯示無(wú)影響。該功能主要用于多個(gè)7段顯示器同時(shí)顯示時(shí)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(jìn)制字符的字符顯示器,以直觀的顯示出電器設(shè)備的運(yùn)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(chēng)七段數(shù)碼管。常見(jiàn)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(jiǎn)稱(chēng)LED。圖2-4是共陰極數(shù)碼管引腳排列。LED產(chǎn)品的種類(lèi)繁多,有共陰極電路,還有共陽(yáng)極電路,本設(shè)計(jì)采用共陰極電路,要驅(qū)動(dòng)LED正常的顯示十進(jìn)制數(shù)的十個(gè)字符,LED前面必須接一個(gè)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(méi)有錯(cuò)誤后即可對(duì)它進(jìn)行仿真,仿真有利于檢查和排除故障,發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題,保證實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行,做出來(lái)的實(shí)物能夠成功的實(shí)現(xiàn)其功能。
3.1.1當(dāng)啟動(dòng)前,計(jì)數(shù)器停止時(shí),數(shù)碼管顯示00,仿真圖3-1(a);按開(kāi)關(guān)SW1,計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù),一段時(shí)間后,顯示18,仿真圖3-2(b)圖3-1(a) 停止時(shí)仿真圖
圖3-1(b) 啟動(dòng)時(shí)仿真圖
3.1.2若不需要計(jì)時(shí)或暫停計(jì)數(shù)時(shí),按開(kāi)關(guān)SW2,計(jì)數(shù)器立即停止,暫停時(shí)值為48,仿真圖3-1(c);再次按開(kāi)關(guān)SW2,數(shù)碼管從暫停時(shí)值開(kāi)始計(jì)數(shù),一段時(shí)間顯示值為55,仿真圖3-1(d)圖3-1(c) 不需要計(jì)時(shí)或暫停計(jì)數(shù)時(shí)仿真圖
圖3-1(d) 再次啟動(dòng)數(shù)碼管保留計(jì)數(shù)時(shí)仿真圖
3.1.3倒計(jì)時(shí)功能斷開(kāi)開(kāi)關(guān)SW2,打開(kāi)開(kāi)關(guān)SW3,計(jì)數(shù)器啟動(dòng)倒計(jì)時(shí)功能,剛開(kāi)始顯示數(shù)值99,仿真圖3-1(e);一段時(shí)間后,數(shù)碼管顯示數(shù)值88,仿真圖3-1(f)。
圖3-1(e) 倒計(jì)時(shí)功能,開(kāi)始時(shí)電路仿真圖
圖3-1(f) 倒計(jì)時(shí)功能,一段時(shí)間后電路仿真圖
3.2 仿真結(jié)果分析555時(shí)基電路構(gòu)成的多諧振蕩器無(wú)需外加輸入信號(hào)就能在接通電源后自行產(chǎn)生矩形波輸出。但555時(shí)基電路的精度并不是很高,而且電路也會(huì)受到溫度的影響,尤其是冬季和夏季產(chǎn)生的誤差相對(duì)較大。本次設(shè)計(jì)中利用555產(chǎn)生1000HZ的脈沖信號(hào)實(shí)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(shí)際上產(chǎn)生脈沖信號(hào)的頻率為1003.5HZ,當(dāng)計(jì)時(shí)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生比較明顯的誤差,而且誤差隨著計(jì)時(shí)時(shí)間的增長(zhǎng)而變大。因此,實(shí)際應(yīng)用中若要求精度較高常常采用石英晶體振蕩器來(lái)產(chǎn)生脈沖信號(hào),但555定時(shí)器由于其輸出驅(qū)動(dòng)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(jì)我認(rèn)為具有很大的實(shí)用性,它可應(yīng)用于對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的速度、加速度的測(cè)量實(shí)驗(yàn)還可用來(lái)驗(yàn)證牛頓第二定律、機(jī)械能守恒等物理實(shí)驗(yàn),同時(shí)也適用于對(duì)時(shí)間測(cè)量精度要求較高的場(chǎng)合,測(cè)定短時(shí)間間隔的儀表。主要是通過(guò)數(shù)字電子技術(shù)的一些芯片,來(lái)設(shè)計(jì)本課題的三個(gè)要求。通過(guò)NE555定時(shí)器設(shè)計(jì)成多諧振蕩器來(lái)產(chǎn)生一秒脈沖,產(chǎn)生的脈沖為74LS194計(jì)數(shù)器提供脈沖信號(hào),計(jì)數(shù)器74LS194進(jìn)行計(jì)數(shù),通過(guò)譯碼器74LS48轉(zhuǎn)換,再通過(guò)數(shù)碼管顯示出數(shù)字。本課題我做了一個(gè)小的創(chuàng)新,通過(guò)開(kāi)關(guān)使脈沖接到計(jì)數(shù)器74LS194的減的端口DN,以此實(shí)現(xiàn)倒計(jì)時(shí)的功能。此次課程設(shè)計(jì)有一些不足之處,NE555定時(shí)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。可以通過(guò)查閱NE555定時(shí)器的占空比,來(lái)提高計(jì)時(shí)的精度。繼續(xù)開(kāi)展研究、設(shè)計(jì)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(lái)產(chǎn)生更精確的脈沖信號(hào)。精度提高,此設(shè)計(jì)便能廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、電視、雷達(dá)、通信等各個(gè)領(lǐng)域,實(shí)現(xiàn)電子秒表的價(jià)值。
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