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数电课程设计数字电子秒表设计.doc
目 录
1. 引言......................................................................................1
1.1 设计目的..........................................................................1
1.2 设计要求..........................................................................1
2. 电路分析.............................................................................2
2.1 设计电路图......................................................................2
2.2 电路分析..........................................................................3
2.2.1 时钟脉冲发生器................................................................3
2.2.2 计数器............................................................................5
2.2.3 译码器............................................................................6
2.2.4 数码管............................................................................7
3. 设计步骤.............................................................................7
3.1 设备与元件......................................................................7
3.2 测试调整..........................................................................7
3.2.1 时钟发生器的测试.............................................................7
3.2.2 计数器的测试...................................................................7
3.2.3 电子秒表的整体测试..........................................................8
3.2.4 电子秒表准确度的测试.......................................................8
4. 参考文献.............................................................................8
5. 设计心得.............................................................................8
数字电子秒表设计
1. 引言
电子秒表在生活中的应用,它可广泛应用于对运动物体的速度、加速度的测量实验,还可
用来验证牛顿第二定律、机械能守恒等物理实验,同时也适用于对时间测量精度要求较高的
场合.测定短时间间隔的仪表。有机械秒表和电子秒表两类。机械秒表与机械手表相仿，但
具有制动装置，可精确至百分之一秒；电子秒表用微型电池作能源，电子元件测量显示，可
精确至千分之一秒。广泛应用于科学研究、体育运动及国防等方面在当今非常注重工作效率
的社会环境中，定时器能给我们的工作、生活以及娱乐带来很大的方便，充分利用定时器，
能有效的加强我们的工作效率。
数字电子秒表是利用数字电子技术把模拟信号转换成数字信号来完成的，具有直观、准
确性高的特点。
1.1 设计目的
1.建立数字电子电路系统的基本概念；
2.熟悉 555 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；
3.建立分频的基本概念。
1.2 设计要求
设计一个数字电子秒表，该秒表具有显示功能和清零、开始计时、停止计时等功能。
设计的要求如下：
1.以 0.1 秒为最小单位进行显示；
2.秒表可显示 0.1～9.9 秒的量程；
3.该秒表具有清零、开始计时、停止计时功能；
4．除了以上功能，个人可根据具体情况进行电路功能扩展。
1.3 设计内容
1.搭接电子秒表的整体设计电路；
2.校准 0.1 秒信号源；
3.测试电子秒表清零、开始计时、停止计时功能。
2. 电路分析
图 2.1.1 电子秒表电路图
R
9
(
1
)
6
R
9
(
2
)
7
Q
C
8
Q
B
9
G
N
D
1
0
Q
D
1
1
Q
A
1
2
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K
A
1
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B
1
R
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1
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2
R
0
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2
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3
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C
5
U
3
S
N
7
4
L
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0
N
R
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1
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6
R
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2
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7
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B
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D
1
1
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B
1
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(
1
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2
R
0
(
2
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3
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C
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2
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N
7
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L
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0
N
R
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6
R
9
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2
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7
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B
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D
1
1
Q
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R
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(
1
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2
R
0
(
2
)
3
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C
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T
R
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3
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4
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S
C
7
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C
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G
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D
1
U
0
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E
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5
5
P
R
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1
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0
K
1
K
R
2
1
K
R
4
2
0
0
K
R
p
S
2
S
1
0
.
1
u
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C
1
0
.
0
1
u
F
C
3
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C
C
V
C
C
V
C
C
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f
1
g
1
g
1
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1
e
1
d
1
d
1
a
1
a
1
b
1
b
1
c
1
c
1
a
2
a
2
b
2
b
2
c
2
c
2
d
2
d
2
e
2
e
2
f
2
f
2
g
2
g
2
A
1
f
2
g
3
e
4
d
5
A
6
c
8
D
P
7
b
9
a
1
0
D
S
2
D
p
y
A
m
b
e
r
-
C
A
A
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g
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A
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D
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p
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A
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r
-
C
A
V
C
C
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/
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C
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B
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C
C
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G
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D
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4
L
S
4
7
N
0
.
0
2
2
u
F
C
2
2.2 电路分析
图 2.1.1 是电子秒表完全的电路图，按功能可以分成四个单元电路进行分析，由时
钟脉冲发生器、计算器、译码器和数码管组成。其原理方框图如图 2.2.1 所示。
图 2.2.1 原理方框图
2.2.1 时钟脉冲发生器
555 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
555 定时器构成的自激式多谐振荡器，
是一种性能较好的时钟源。调节电位器
Rp ，使在输出端 3 获得频率为 50HZ
的矩形波信号。
（一）555 定时器的电路结构及其功能
图 2.2.2 为 555 定时器的内部逻辑电
路和外引脚图，从结构上看，555 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 5kΩ 电阻组成分压器组成。
（二）555 定时器的逻辑功能
图 2.2.2
555 逻辑电路图和引脚图
TH
×
TR
×
2
3
2
3
1
3
1
3
1
3
＞ ccV
＞ ccV
＜ ccV
＞ ccV
×
＜ ccV
dR
0
1
OUT DIS
0 导通
0 导通
1 保持 保持
1
1 截止
图 2.2.3 多谐振荡器电路
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，555
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τ1=（R1+R2）C，起始值 vC（0+）=
1 ，
ccV
3
2 ，带入 RC 过渡过程计算公式进行计算：
ccV
3
终了值 vC（∞）=VCC，转换值 vC（T1）=
T
1
1
ln
v
C
v
C
)0(
v
C
)
(
Tv
1
C
(
)
(
)
1
3
2
3
V
CC
V
V
CC
V
CC
1
ln
CC
（2.2.1）
1
(7.0
2ln
R
1
)
CR
2
q
T
1
T
(7.0
R
1
(7.0
R
1
R
R
1
2
2
R
R
1
2
)
CR
2
)
2
CR
2
（2.2.4）
（2）电容放电时间 T2
电容放电时，时间常数τ2=R2C，起始值 vC（0+）=
1 ，带入 RC 过渡过程计算公式进行计算：
ccV
3
vC（T2）=
T
2
7.0
CR
2
（3）电路振荡周期 T
2 ，终了值 vC（∞）=0，转换值
ccV
3
（4）电路振荡频率 f
T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C
（2.2.2）
f
1
T
43.1
2
R
1
)
CR
2
(
（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。
2.2.2 计数器
计数器是一个用以实现计数功能的时序部件,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.还有可预置数和可编程序功能计数器等
图 2.2.5 五进制计数器
等。
74LS90 是异步二 — 五 — 十 进制加法计数器，它既可以作二进制加法计数器，又
可以作五进制和十进制加法计数器。
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
振荡器的输出信号进行分频。图 2.2.1 中的 U1 是一个五进制计数器，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 2.2.5 所示。
若计数器 U1 不用，直接用 555 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 8421 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，则构成异步 8421 码十进制加法计
数器。
S2 断开秒表应清为 00，S2 接通(S1 闭合)，秒表应开始计数。
输 出
QD QC QB
QA
时
钟
CP1 CP2
功
能
输
入
清 0
R0(1)、R0(2)
1
0
×
0
×
1
×
0
×
0
置 9
S9(1)、S9(2)
0
×
1
×
0
1
0
×
×
0
×
×
↓
1
↓
×
×
1
↓
QA
0
1
0
0
0
0
0 清
1 置
0
9
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
十进制计数
保 持
QD
1
1
表 2.2.1
↓ QAQDQCQB 输出
5421BCD 码
不 变
74LS9074LS90
2.2.3 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，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 8421BCD 码形式输出，译码器电路采用 74LS47 集成块，其
功能表如下：
74LS47 功能表
2.2.4 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
0.36 寸)每段发光二极管的正向压降,随显示光(通常为红,绿,黄,橙色)的颜色不同略有差别,
通常约为 2～2.5V,每个发光二极管的点亮电流在 5～10mA.LED 数码管要显示 BCD 码所
表示的十进制数字就需要有一个专门的译码器,该译码器不但要完成译码功能,还要有相
当的驱动能力。
这个设计的数码管采用共阳型数码管。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。本电路中的两个数码管分别显示个位为 1.0—9.0、十分位为 0.1—0.9。
3. 设计步骤
3.1 设备与元件
设备：直流稳压电源一台，示波器一台，逻辑笔一支，万用表一块。元件：定时器
555 一块， 二-五-十制计数器 74LS90 三块，译码器 74LS47 两块， 共阳型数码管两只，
1kΩ电阻一只，100kΩ电阻一只，100kΩ电位器一只，电容器 0.1μF、0.01μF、0.022
μF 各一只。
3.2 测试调整
按照设计原理图进行连接实际元件连接，依次对各部分进行测试：
3.2.1 时钟发生器的测试
用示波器观察输出电压波形并测量其频率，调节器节 Rp，使输出矩形波频为 50Hz。
若无波形输出，检查 555 线路连接是否良好，555 定时器构成的多谐振荡是否起振。
3.2.2 计数器的测试
(1)S1 闭合，检查计数器 U1 的 QD 端应有周期为 0.1S 的脉冲输出，S1 断开 Q3 端无
脉冲输出。RO(1)、RO(2)、R9(1)、R9(2)接逻辑开关输出插口，CPB 接单次脉冲源,CPA
接高电平“1”，QD～QA 接实验设备上译码显示输入端 D、C、B、A，按表 2.2.1 测试其
逻辑功能，记录之。
(2) 计数器 U2 及计数器 U3 接成 8421 码十进制形式，同内容（1）进行逻辑功能测
试。记录之。
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