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课题1 简易数字秒表
课题说明:
在体育比赛、时间准确测量等场合通常要求计时精度到1%秒(即10 ms)甚至更高的计时装置,数字秒表是一种精确的计时仪表,可以担当此任。本课题的设计任务设计一个以数字方式显示的计时器,即数字秒表。
设计内容:
数字秒表需求分析,信号及属性定义;
电路原理设计、分析、参数计算,画出电路原理图;
电路安装与实验测试。
设计要求:
量程99.99 S,计时精度1%秒,计时结果动态显示,十进制格式;
设置启动、清除信号,清除信号使输出结果,使电路复位到初始状态;
设置暂停、停止信号,暂停、停止时均保持当前结果,直到清除信号有效时止;
总体设计思路:
数字秒表由4个部分组成:精确的时钟源、十进制计数器、译码器、七段码或液晶显示电路。
时钟源产生符合精度要求的基准时钟,本设计中取10毫秒即可。十进制计数器需要4个,分别对应4个十进制位,输出为BCD码。若采用七段码显示器则译码器完成BCD到七段码的译码,由4位显示电路动态显示结果。
综上所述,数字秒表应具有以下结构(如图所示):
四
无
图1 数字秒表总体框图
具体电路设计:
(1)基本计时功能
图2 基本计时电路
由5片74ls90芯片构成分频、计数电路, 第一个74ls90用来将实验箱上的1kHz基准时钟脉冲十分频得到100Hz时钟脉冲,从而达到题目要求的测量精度1%秒,后四个74ls90级联后用来计数,逢十进一,共有四位,故该秒表最大量程为99.99秒。由于实验箱上译码驱动电路和七段码显示器已经连在一起,故只需将74ls90正确级联即可。
(2)启动、暂停功能
图3 启动、暂停电路
只要能控制基准时钟脉冲的加入就能实现秒表的启动和暂停,故可选用与门,将一个开关与基准时钟脉冲相与。当开关接高电平时,脉冲加入,正常计数,秒表工作;当开关接低电平(地)时,脉冲截止,停止计数,秒表暂停。
(3)清零功能
图4 清零电路
由于74ls90有置零端,故实现秒表清零功能比较简单,只需将四个计数用74ls90的置零端连在一起,由一个开关统一控制即可。因为74ls90的置零端是高电平有效,所以当开关接高电平时,计数器清零,也就是秒表清零。
(4)自动停止功能
图5 自动停止电路
考虑到该秒表的最大量程为99.99秒,当计时到99.99秒时计数器会重新计数,也即秒表会从00.00秒开始自动重新计时,这有违正常的秒表功能,故到99.99秒时应该停止计时,并维持在99.99秒的读数不变,直到人工清零并重新开始计时。
为了实现这一功能,首先要确定到达99.99秒状态时的特征,可以发现只有99.99秒时四个计数用74ls90的Q3和Q0端才同时输出高电平,因为9的二进制数是1001。将四个74ls90的Q3和Q0端相与非,再同基准时钟脉冲相与,就能在到了99.99秒时截断时钟脉冲,从而使秒表停止计时。因为只有99.99秒时与非的结果为低电平,而其他任意时刻均为高电平。
所用元器件:
74ls90五个,74ls08一个,74ls10一个,74ls20一个,74ls04一个
其中核心元器件是74ls90,下面重点介绍其构成及功能。
将CKB与Q0相连,时钟脉冲从CKA输入,构成8421BCD码十进制计数器。74ls90有两个清零端R0(1)、R0(2)和两个置九端R9(1)、R9(2)。该设计中仅用其清零功能。
表1 74ls90功能表
R0(1) R0(2) R9(1) R9(2) Q3 Q2 Q1 Q0 1 1 0 X
1 1 X 0
X X 1 1 0 0 0 0
0 0 0 0
1 0 0 1 X 0 X 0
0 X 0 X
0 X X 0
X 0 0 X 计数
秒表总体逻辑电路图:
图6 数字秒表的主体逻辑电路图
逻辑开关A接地,逻辑开关B接高电位时,数字秒表开始计时;逻辑开关B接地时,实现暂停功能;逻辑开关A接高电位时,实现清零功能。
设计心得:
通过对数字秒表的设计,我从其中学习到了很多东西。当我们拿到一个课题时,一定要先仔细分析要求,然后做出总体设计方案,再进一步细化各单元电路,最后将整个电路组合在一起,画出最终的逻辑电路图。接下来在实验箱上布线时要有足够的耐心,找准芯片的每个脚,连线不宜过快,否则很容易越连越乱,不得不返工重做。
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课题说明:
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