三位数字显示器课程设计

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1、太 原 理 工 大 学数字电路逻辑设计课程设计报告书课 题 名 称 三 位 数 字 显 示 计 时 系 统姓 名 刘 金 明学 号 07100594院 、 系 、 部 现 代 科 技 学 院专 业 电 子 信 息 工 程 2007 级 学 生 数 字 电 路课 程 设 计三 位 数 字 显 示 器 课 程 设 计一 、 设 计 目 的 ：了 解 计 时 器 主 体 电 路 的 组 成 及 工 作 原 理 。1 .熟 悉 集 成 电 路 及 有 关 电 子 元 器 件 的 使 用 。2 .在 Multisim 仿 真 软 件 上 仿 真 并 成 功 运 行 。3 .通 过 实 际 电 路 方 案

2、 的 分 析 比 较 ， 设 计 计 算 ， 元 件 选 取 ， 安 装 调 试 等环 节 ， 初 步 掌 握 简 单 实 用 电 路 的 分 析 方 法 和 工 程 设 计 方 法 。4 .熟 悉 5 5 5 方 波 振 荡 器 的 应 用 ， 计 数 器 的 级 联 及 其 计 数 、 译 码 、 显 示电 路 的 整 体 配 合 ；二 、 设 计 任 务 与 要 求 ：设 计 一 个 三 位 数 字 显 示 的 时 间 计 时 系 统 （ 秒 表 ） ， 以 供 运 动 员 比 赛 用 。要 求 ：（ 1 ） 以 1 秒 为 最 小 单 位 进 行 显 示 ；（ 2 ） 秒 表 由 3

3、三 位 数 码 管 显 示 ， 最 大 计 时 9 分 5 9 秒 。（ 3 ） 具 有 清 零 、 启 动 计 时 、 暂 停 计 时 、 继 续 计 时 等 控 制 功 能 。（ 4 ） 除 了 以 上 功 能 ， 个 人 可 根 据 具 体 情 况 进 行 电 路 功 能 扩 展 。三 、 设 计 原 理 ：实 现 一 个 三 位 数 字 显 示 的 秒 表 系 统 ， 需 要 振 荡 器 （ 脉 冲 冲 源 ） 、 秒 计数 电 路 及 译 码 显 示 电 路 等 组 成 部 分 。 秒 计 数 电 路 满 6 0 向 分 计 数 电 路进 位 （ 显 示 0 0 5 9 s） ， 分

4、 计 数 电 路 满 足 1 0 （ 显 示 0 9 ） 后 清 零 ， 等 待重 新 计 时 。 控 制 开 关 为 两 个 ： 启 动 （ 继 续 ） /暂 时 计 时 开 关 和 复 位 开关 。 原 理 框 图 如 下 ：译 码 显 示 系 统分 个 位计 数 器 秒 十位 计 秒 个 位计 数 器启 动 、 暂 停 、 复 位 等 控 制 电 路 秒脉冲图 为 秒 表 原 理 框 图其 中 ：（ 1 ） 显 示 器 ： 采 用 3 片 LED 显 示 器 把 各 位 的 数 值 显 示 出 来 ， 是秒 表 最 终 的 输 出 ， 有 分 、 秒 、 和 毫 秒 位 。（ 2 ） 记

5、 数 器 ： 对 时 钟 信 号 进 行 记 数 并 进 位 ,毫 秒 和 秒 之 间 1 0 进制 ,秒 和 分 之 间 6 0 进 制 。（ 3 ） 控 制 器 ： 控 制 电 路 是 对 秒 表 的 工 作 状 态 （ 记 时 开 始 /暂 停 /继 续 /复 位 等 ） 进 行 控 制 的 单 元 ， 可 由 触 发 器 和 开 关 组 成 。(4)时 钟 发 生 器 ： 利 用 石 英 震 荡 555定 时 器 构 成 的 多 谐 振 荡 器 做时 钟 源 ,产 生 100HZ的 脉 冲 ;(3)译 码 器 ： 对 脉 冲 记 数 进 行 译 码 输 出 到 显 示 单 元 中 ；设

6、 计 内 容 ：1.搭 接 电 子 秒 表 的 整 体 设 计 电 路 ；2.校 准 1 秒 信 号 源 ；3.测 试 电 子 秒 表 清 零 、 开 始 计 时 、 停 止 计 时 功 能 。电 路 分 析 ：实 验 电 路 图 如 下 所 示 ：四 、 实 验 器 件 简 绍 ：1 、 时 钟 脉 冲 发 生 器 ：5 5 5 定 时 器 是 模 拟 数 字 混 合 式 集 成 电 路 ， 利 用 它 可 以 方 便 地 构 成脉 冲 产 生 、 整 形 电 路 和 定 时 、 延 时 电 路 。 用 5 5 5 定 时 器 构 成 的 自 激 式多 谐 振 荡 器 ， 是 一 种 性 能

7、 较 好 的 时 钟 源 。 调 节 电 位 器 Rp ， 使 在 输 出端 3 获 得 频 率 为 5 0 HZ 的 矩 形 波 信 号 。2 、 5 5 5 定 时 器 的 电 路 结 构 及 其 功 能 ：图 2 .2 .2 为 5 5 5 定 时 器 的 内 部 逻 辑 电 路 和 外 引 脚 图 ， 从 结 构 上 看 ，5 5 5 电 路 由 2 个 比 较 器 、 1 个 基 本 RS 触 发 器 、 1 个 反 相 缓 冲 器 、1 个 集 电 极 开 路 的 放 电 晶 体 管 和 3 个 5 k 电 阻 组 成 分 压 器 组 成 。TH TR dR OUT DIS 0 0

8、 导 通 ccV32 ccV31 1 0 导 通ccV32 ccV31 1 保 持 保 持 ccV31 1 1 截 止5 5 5 定 时 器 逻 辑 功 能 表多 谐 振 荡 器 如 图 2 .2 .3 所 示 。当 电 路 刚 接 通 电 源 时 ， 由 于 C (C1 /C2 )来 不 及 充 电 ， 5 5 5 电 路 的 2 脚处 于 零 电 平 ， 导 致 其 输 出 3 脚 为 高 电 平 。 当 电 源 通 过 R1 、 Rp 向 C 充电 到 Vc Vcc 时 ， 输 出 端 3 脚 由 高 电 路 平 变 为 低 电 平 ， 电 容 C 经 R1和 内 部 电 路 的 放 电

9、 开 关 管 放 电 。 当 放 电 到 Vc Vcc 时 ， 输 出 端 又 由 低电 平 转 变 为 高 电 平 。 此 时 电 容 再 次 充 电 ， 这 种 过 程 可 周 而 复 始 地 进 行下 去 ， 形 成 自 激 振 荡 。 图 2 .2 .4 是 输 出 端 及 电 容 器 C 上 电 压 的 波 形 。图 2 .2 .4 波 形 图 图 2 .2 .5 多 谐 振 荡 器 电 路振 荡 频 率 的 估 算 ： （ 为 了 电 路 更 直 观 ， 见 图 2 .2 .5 ）（ 1 ） 电 容 充 电 时 间 T1。 电 容 充 电 时 ， 时 间 常 数 1=（ R1+R2

10、） C， ， 起 始值 vC（ 0+） = ccV31 ， 终 了 值 vC（ ） =VCC， 转 换 值 vC（ T1） = ccV32 ， 带 入 RC过 渡 过 程 计 算 公 式 进 行 计 算 ：CRR VV VV Tvv vvTCCCC CCCC CC CC )(7.0 2ln 3231ln )()( )0()(ln 2111 111 （ 2.2.1） 21 21 21 211 2 )2(7.0 )(7.0 RR RR CRR CRRTTq （ 2.2.4）（ 2） 电 容 放 电 时 间 T2电 容 放 电 时 ， 时 间 常 数 2=R2C， 起 始 值 vC（ 0+） = c

11、cV32 ， 终 了 值 vC（ ） =0， 转 换 值 vC（ T2） = ccV31 ， 带 入 RC 过 渡 过 程 计 算 公 式 进 行 计算 ： CRT 22 7.0（ 3 ） 电 路 振 荡 周 期 T T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C （ 2.2.2）（ 4 ） 电 路 振 荡 频 率 f CRRTf )2( 43.1121 （ 2.2.3）（ 5） 输 出 波 形 占 空 比 q定 义 ： q=T1/T， 即 脉 冲 宽 度 与 脉 冲 周 期 之 比 ， 称 为 占 空 比 。3 、 计 数 器 ：计 数 器 是 一 个 用 以 实 现 计 数 功 能 的 时 序

12、部 件 ,它 不 仅 可 用 来 计 脉 冲 数 ,还 常 用 作 数 字 系 统 的 定 时 ,分 频 和 执行 数 字 运 算 以 及 其 它 特 定 的 逻 辑 功 能 . 计 数 器 种 类 很 多 按 构 成 计 数器 中 的 各 触 发 器 是 否 使 用 一 个 时 钟 脉 冲 源 来 分 ,有 同 步 计 数 器 和 异 步计 数 器 .根 据 计 数 制 的 不 同 ,分 为 二 进 制 计 数 器 ,十 进 制 计 数 器 和 任 意进 制 计 数 器 .根 据 计 数 的 增 减 趋 势 ,又 分 为 加 法 ,减 法 和 可 逆 计 数 器 .还有 可 预 置 数 和

13、可 编 程 序 功 能 计 数 器 等 等（ 1 ） 分 频 器 电 路 ：通 常 ， 数 字 钟 的 晶 体 振 荡 器 输 出 频 率 较 高 ， 为 了 得 到 0.1Hz的 秒 信号 输 入 ， 需 要 对 振 器 的 输 出 信 号 进 行 分 频 。 图 2 .3 .1 中 的 U1 是 一 个十 进 制 计 数 器 ， 对 振 荡 器 的 输 出 信 号 进 行 分 频 。 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 时 间 计 数 单 元 的 时 钟 输 入 。 单 元 电 路

14、 2 .2 .5 所 示 。若 计 数 器 U1 不 用 ， 直 接 用 5 5 5 产 生 的 信 号 作 计 数 脉 冲 是 可 以 实 现 的 。根 据 多 谐 振 荡 电 路的 频 率 公 式 （ 2 .2 .3 ） ， 直 接 产 生 0.1S（ 10Hz） 的 脉 冲 ， 可 以 调 节 电 路的 R 和 C 的 数 值 。（ 2 ） 时 间 计 算 ：计 数 器 U2 及 计 数 器 U3 接 成 8 4 2 1 码 十 进 制 形 式 ， 将 CP2 （ 即 CKB）和 QA相 连 ， 计 数 脉 冲 由 CP1 输 入 ， QD、 QC、 QB、 QA作 为 输 出 端 ，

15、则构 成 异 步 8 4 2 1 码 十 进 制 加 法 计 数 器 。S2 断 开 秒 表 应 清 为 0 0 ， S2 接 通 (S1 闭 合 )， 秒 表 应 开 始 计 数 。4 、 译 码 器 ：译 码 器 是 一 个 多 输 入 ， 多 输 出 的 组 合 逻 辑 电 路 .它 的 作 用 是 把 给 定 的代 码 进 行 翻 译 ， 成 相 应 的 状 态 ,使 输 出 通 道 中 相 应 的 一 路 有 信 号 输 出 。译 码 器 在 数 字 系 统 中 有 广 泛 的 用 途 ， 不 仅 用 于 代 码 的 转 换 ,终 端 的 数字 显 示 ,还 用 于 数 据 分 配

16、， 存 贮 器 寻 址 和 组 合 控 制 信 号 等 。 不 同 的 功能 可 选 用 不 同 种 类 的 译 码 器 。 译 码 器 可 分 为 通 用 译 码 器 和 显 示 译 码 器两 大 类 。 前 者 又 分 为 变 量 译 码 器 和 代 码 变 换 译 码 器 。计 数 器 实 现 了 对 时 间 的 累 计 以 8 4 2 1 BCD 码 形 式 输 出 ， 译 码 器 电 路 采用 7 4 LS4 7 集 成 块 ， 其 功 能 表 如 下 ：7 4 LS4 7 功 能 表5 、 数 码 管 ：一 个 LED数 码 管 可 用 来 显 示 一 位 0 9 十 进 制 数 和 一 个 小 数 点 .小型 数 码 管 (0 .5 寸 和 0 .3 6 寸 )每 段 发