电子秒表设计1.电子秒表结构设计与设计方案：充分运用芯片74LS90的逻辑功能，用四片74LS90芯片实现秒表示00：00—99：99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电路图如图1.1所示图1.1 2.电子秒表单元电路的设计 2.1 秒表的设计思路 用四个LED数码管显示“秒表”，显示时间为00：00-99：99秒，每厘秒自动加一电子秒表分为脉冲源、秒计数、厘秒计数、译码驱动电路和显示电路另外设计控制电路，使秒表启动、停止、复位框图如2.1所示 图2.1秒表总体框图2.2脉冲源的设计 振荡器是电子秒表的核心，振荡器产生脉冲振荡器的频率精度决定了电子秒表计时的准确程度，通常选用石英晶体构成的振荡器一般来说，振荡器的频率越高，计时精度越高用555定时器构成的多谐振荡器如图2.2.1 图2.2.1 多谐振荡器电路图2.2.2 多谐振荡器的工作波形 接通电源后，电容C被充电，当Vc上升到2Vcc/3时，使Vo为低电平，同时放电三极管T导通，此时电容C通过R2和T放电，Vc下降。
当Vc下降到Vcc/3时，Vo翻转为高电平电容器C放电所需时间为： (1) 当放电结束时，T截止，Vcc将通过R2、Rp、R1向电容C充电，Vc由Vcc/3上升到2Vcc/3，所需时间为： （2） 当Vc上升到2Vcc/3时，电路又翻转为低电平如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波，电路的工作波形如上图3.2.2所示，其振荡周期为： （3） f = 1/T = 100Hz （4） 输出方波占空比为： （5） 脉冲源电路的职能是为秒表提供脉冲源以驱动芯片74LS90工作2.3电路直接置位、复位功能的设计 电路的直接置位、复位功能利用集成与非门构成的基本RS触发器实现，属于低电平直接触发的触发器，有直接置位、复位的功能。
如图2.3所示图2.3 由基本RS触发器构成的具有直接置位、复位功能的逻辑电路它的一路输出作为单稳态触发器的输入，另一路输出 Q作为与非门的输入控制信号，控制脉冲源CP的放行与禁止 按动按钮开关K2（接地），则门1输出＝1；门2输出Q＝0，K2复位后Q、状态保持不变再按动按钮开关K1 ,则Q由0变为1，门5开启, 为计数器启动作好准备由1变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2.4 电路清零功能的设计 电路清零功能利用集成与非门构成的微分型单稳态触发器实现 其逻辑电路图如图2.4.1所示 图2.4.1 微分型单稳态触发器 而图2.4.2为其各点的波形图 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2.4.2 单稳态触发器波形图 图2.5.1 74LS90引脚排列2.5计数及译码显示功能设计 计数功能主要利用二—五—十进制加法计数器74LS90来实现因要求电子秒表显示时间为00：00—99：99秒，因此需四片74LS90芯片，其与译码显示单元的相应输入端连接，可显示00：00—99:99秒图2.5.1为74LS90引脚排列通过不同的连接方式，74LS90可以实现四种不同的逻辑功能；而且还可借助R0(1)、R0(2)对计数器清零，借助S9(1)、S9(2)将计数器置9其具体功能详述如下：(1)计数脉冲从CP1输入，QA作为输出端，为二进制计数器2)计数脉冲从CP2输入，QDQCQB作为输出端，为异步五进制加法计数器3)若将CP2和QA相连，计数脉冲由CP1输入，QD、QC、QB、QA作为输出端，则构成异步8421码十进制加法计数器4)若将CP1与QD相连，计数脉冲由CP2输入，QA、QD、QC、QB作为输出端，则构成异步5421码十进制加法计数器5)清零、置9功能a)异步清零 当R0(1)、R0(2)均为“1”；S9(1)、S9(2)中有“0”时，实现异步清零功能，即QDQCQBQA＝0000。
b)置9功能当S9(1)、S9(2)均为“1”；R0(1)、R0(2)中有“0”时，实现置9功能，即QDQCQBQA＝100174LS90芯片功能表如表2.5.1所示由四片74LS90芯片构成的计数器电路如图2.5.2所示74LS90构成的计数器与相应的译码显示器相连构成电子秒表显示电路表2.5.1 74LS90芯片功能表 清 0置 9时 钟QD QC QB QAR0(1)、R0(2)S9(1)、S9(2)CP1 CP2110××0× ×0000清 00××011× ×1001置 90 ×× 00 ×× 0↓ 1QA 输 出二进制计数1 ↓QDQCQB输出五进制计数↓ QAQDQCQBQA输出8421BCD码十进制计数QD ↓QAQDQCQB输出5421BCD码十进制计数1 1不 变保 持 图2.5.2 74LS90构成的计数器2.6 译码驱动及显示单元 计数器实现了对时间的累计以8421BCD码形式输出，选用显示译码电路将计数器的输出数码转换为数码显示器件所需要的输出逻辑和一定的电流，选用CD4511作为显示译码电路，选用LED数码管作为显示单元电路。
2.7 电子秒表总设计电路图 2.7.1 电子秒表工作原理 接通电源后，按动按钮开关K2（接地），则门G1输出＝1；门G2输出Q＝0，K2复位后Q、状态保持不变再按动按钮开关K1 ,则Q由0变为1，门G5开启, 为计数器启动作好准备由1变0，送出负脉冲，启动单稳态触发器工作 门G5开启时，脉冲信号CP被放行，因此芯片74LS90（0）开始工作，由于该芯片计时精度为0.01s，因此变化很快，看不清数字逐渐从0加到9，但理论上可知，当该芯片计时到9时，此时74LS90的输出端QDQCQBQA=1001，进位输出，因此74LS90（1）芯片开始工作该芯片计时精度为0.1s，因此也不能看到数字从0加到9，但理论上，当该芯片计时到9时，该芯片输出端QDQBQCQA=1001，进位输出，因此芯片74LS90（2）开始工作，该芯片计时精度为1s，可以观察到数字逐渐从1累加到9，然后驱动芯片74LS90（3）工作，如此进行下去，直到显示99：99秒 在计数期间，如不需要计时或暂停计时，按动一下开关K2，此时Q由1变为0，门G5关闭，脉冲信号CP被禁止，但数码管仍保留所计时之值。
再按一下开关，则可继续计时 如计时停止后需重新开始计时，按动开关K1，则实现清零，再按动开关K2，计时开始如此循环 2.7.2 电子秒表总电路图 电子秒表总电路图如图2.7.2所示图2.7.2 电子秒表总电路图4.组装与调试 4.1 组装 为了节约实验器材，节省成本，本次实物连接只进行０：０－９：９秒计时按各单元电路图将实物图连接在电路板上，并逐级对各单元电路进行检查，确保各单元电路连接准确4.2 调试 4.2.1 时钟发生器的测试 用示波器观察输出电压并测量其频率，调节Rw，使输出矩形波频率为10Hz4.2.2 计数器的测试 将计数器74LS90（3） 、74LS90(2)、74LS90(1)、74LS90(0)接成8421BCD码十进制形式，并将4个芯片级联，CP2与本芯片QA端相接，CP1与下一级ＱＤ端相接，QD-ＱＡ接实验设备上译码显示输入端Ｄ、Ｃ、Ｂ、Ａ，按表２.５.１测试其逻辑功能经测试该电路可以进行十进制计数 4.2.3 电子秒表的整体测试 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，则计数器清零后便开始计时，观察数码显示管计数情况是否正常，如不需要计时或暂停计时，按一下按钮开关K2，计时立即停止，但数码管仍保留所计时之值。
经调试，结果与预测结果相同 4.2.4 电子秒表准确度的调试 利用电子钟或手表的秒计时对电子秒表进行校准4.3 调试中出现的故障、原因及排除方法 调试计数显示电路时，开始总显示２０，这与预测结果不一致，之后对电路进行检查，排除电路接错的可能，并对电路各接点进行检查，观察是否接触不良经检查后再次进行测试发现显示数字变为０８，说明某些接点接触不良，将芯片移至另外一处地方重新连接相应电路进行测试，这次发现显示００，然后将计数显示电路与时钟信号电路这两个单元电路连接，接通电源后发现计数良好，说明时钟信号电路与计数显示电路正常，再将控制电路连接上去，并进行调试，结果发现该电路控制正常最后对整体电路调试，结果与预测结果相吻合 综合上述调试结果进行分析，开始时电路不能正常工作的原因应为电路板接触不良，电路板某些插孔短路、断路所致，而导线工作正常5. 元器件介绍 5.1 元器件清单 元器件清单下表所示名称型号数量备注计数器 74LS90 4译码器 CD4511 4LED数码显示管 LG5011AH 4 集成与非门 74LS00 2开关 2555定时器 1滑动变阻器 1电阻 7电容 4导线 若干5.2 元器件介绍 5.2.1 555定时器 内部电路由分压。