数字秒表的设计与制作一．设计要求设计并制作一个数显电子秒表，要求：1）能直接显示“分”“秒”“毫秒”的电子秒表；2) 要求最大能显示9”59’999；3）能通过按键启动计时，并能通过按键停止计时，并保留显示计时时间；4）能通过按键复位。

二．题目分析：数字秒表是一种常用的秒计时装置，它能实现手控记秒、停摆、清零功能，它的设计原理就是利用数字逻辑中的知识。

通过对该数字秒表的设计要求的分析，设计的此数字秒表主要由信号发生器、分频器、译码器、十进制计数器、六十进制计数器、一千进制计数器、控制电路组成。

在整体秒表中最关键的如何获得一个精确的1000HZ计时脉冲。

除此之外，数字秒表还需要有清零控制端以及启动控制端，以便数字时钟能随意启动计时、停止计时以及暂停计时。

分频器用来产生1000HZ计时脉冲；十进制计数器是用来对分进行计数；六十进制计数器是用来对秒进行计时，一千进制计数器是用来对毫秒进行计时；译码器是完成对7段数码管显示的控制。

按计数要求，须用数码管来做显示器，题目要求最大能显示9ˊ59〞999，需要六个数码管，超过最大显示的数字要重新从0开始计数。

复位开关用来使计时器清零，并做好清零准备，复位开关可以在任意情况下使用，即使在计数过程中，只要按一下复位开关，计时进程终止，并对计时器清零。

三．总体方案：因为数字秒表，所以必须有一个数字显示。

按设计要求，须用七段数码管来做显示器。

题目要求最大记数值为9”59’999，那则需要六个数码管。

要求计数分辨率为0.001秒，那么我们需要相应频率的信号发生器。

选择信号发生器时，有两种方案：一种是用晶体震荡器，另一种方案是采用集成电路555定时器与电阻和电容组成的多谐振荡器。

由于晶体振荡器产生的脉冲更加的稳定，所以我们选择用晶体振荡器产生脉冲。

CP脉冲是由晶体振荡器构成的多谐振荡器，产生1000HZ脉冲。

秒计数60进制，分计数10进制，毫秒计数1000进制，输出为6片与CD4511芯片匹配的6片共阴极数码管，最大计时时长为9ˊ59〞，超过最大显示的数字要重新从0开始计数。

暂停功能采用阻断CP脉冲输入设置，具有较高的优先级。

清零功能用与非门并联计数器同步清零（清零时控制脉冲为高，计数器内部清零脉冲为无效高状态，计数器被强迫清零），由开关控制。

四．原理图设计：4.1总体方框图数字式秒表实际上是一个频率（1000HZ）进行计数的计数电路。

由于数字式秒表计数的需要，故需要在电路上加一个控制电路，该控制电路含清零、启动计时、暂停及继续计数等控制功能，同时1000HZ的时间信号必须做到准确稳定。

通常使用石英晶体振荡器电路来产生脉冲。

数字电子钟的总体方框图如图所示。

由图可见，数字秒表由以下几部分组成：晶体振荡器和分频器组成的秒脉冲发生器；防抖开关；秒表控制开关；一百进制秒、分计数器、六十进制秒计数器；以及秒、分的译码显示部分等。

2.总原理图如下图图4-2-1所示：该电路由五部分组成：（1）信号发生电路（2）控制电路（3）消抖电路（4）计数器（5）显示译码器五．各部分定性说明以及定量计算：1.秒信号发生器1.1晶体振荡器图5-1-1石英晶体的电抗频率特性和符号图5-1-2 石英晶体多谐振荡器如图2-1-1所示，给出了石英晶体的符号和电抗的频率特性，把石英晶体与对称式多谐振荡器中的耦合电容串联起来，就组成了如图2-1-2所示的石英晶体多谐振荡器。

由此可见，石英晶体多谐振荡器的振荡频率取决于石英晶体的固有谐振频率f0 ，而与外接电阻，电容无关，如石英晶体固有频率是5MHZ，那么输出的频率也是5MHZ。

其实石英晶体的谐振频率由石英晶体的结晶方向和外形尺寸所决定，具有极高的频率稳定性。

它的频率稳定度（Δfo / fo）可达10-10~10-11，足以满足大多数数字系统对频率稳定度的要求。

在图2-1-2电路中，若取TTL电路7404用作G1和G2两个反相器，Rf=1kΩ，C=0.05μF，则其工作效率可达几十兆赫。

1.2分频器74HC192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能，下面我们介绍74ls192引脚图,74hc192功能表等资料。

◆ CPU为加计数时钟输入端，CPD为减计数时钟输入端。

◆ LD为预置输入控制端，异步预置。

◆ CR为复位输入端，高电平有效，异步清除。

◆ CO为进位输出：1001状态后负脉冲输出，◆ BO为借位输出：0000状态后负脉冲输出。

图5-1-37hc192功能表：工作原理：当信号源工作时，由石英晶体(固有频率为100KHZ)多谐振荡器输出的100KHZ 频率。

经过两个分频器74HC192两次十分频之后，得到1KHZ的频率。

分频电路图如下图图5-1-4脉冲输入端口脉冲输出端口图5-1-42. 消抖电路及其原理消抖原理：具有锁存功能所致，由两个集成与非门元件构成。

接在机械开关K的后面，防止开关K在打开和闭合时一些假信号串入逻辑电路。

消抖原理：具有锁存功能所致，由两个集成与非门元件构成。

接在机械开关K的后面，防止开关K在打开和闭合时一些假信号串入逻辑电路。

图5-2-1 防抖开关3. 计数电路的设计 这里我们选择用计数器74HC192芯片，通过乘数法或反馈置数法构成1000进制、60进制计和10进制的数器。

经方案论证，计数器选择方案如下：● 1000进制计数器将三片74HC192计数器直接级联则可得到1000进制计数器。

其电路连接如图5-3-1图5-3-1● 60进制计数器将一片74HC192设置成六进制计数器，再将其与一片74LS160级联，即可得到一个60进制计数器。

其电路连接如图5-3-2脉冲输出端口脉冲输入端口图5-3-2● 10进制计数器,74HC192是同步十进制可逆计数器，只需将其连接成加计数器即可. ● 总体计数电路图如下图5-3-2图5-3-24.译码部分CD4511是一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码—七段码译码器，特点：具有BCD 转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS 电路能提供较大的拉电流。

可直接驱动LED 显示器。

CD4511 是一片 CMOS BCD —锁存/7 段译码/驱动器，引脚排列如图 2 所示。

其中a b c d 为 BCD 码输入，a 为最低位。

LT 为灯测试端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检查显示器是否有故障。

BI 为消隐功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示时， B1端应加高电平。

另外 CD4511有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数9(1001)时，显示字形也自行消隐。

LE 是锁存控制端，高电平时锁存，低电平时传输数据。

a ～g 是 7 段输出，可驱动共阴LED数码管。

另外，脉冲输入端口脉冲输出端口CD4511显示数“6”时，a 段消隐；显示数“9”时，d 段消隐，所以显示6、9这两个数时，字形不太美观 图3是 CD4511和CD4518配合而成一位计数显示电路，若要多位计数，只需将计数器级联，每级输出接一只 CD4511 和 LED 数码管即可。

所谓共阴 LED 数码管是指 7 段 LED 的阴极是连在一起的，在应用中应接地。

限流电阻要根据电源电压来选取，电源电压5V 时可使用300Ω的限流电阻。

用CD4511与共阴极 LED （数码管）显示器并行接口方法如图5-4-1： CD4511 引 脚 图其功能介绍如下：BI ：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。

LT ：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。

它主要用来检测数码管是否损坏。

LE ：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。

LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。

A1、A2、A3、A4、为8421BCD 码输入端。

a 、b 、c 、d 、e 、f 、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。

CD4511具有锁存、译码、消隐功能，通常以反相器作输出级，通常用以驱动LED 。

其引脚图如图5-4-1所示。

各引脚的名称：其中7、1、2、6分别表示A 、B 、C 、D ；5、4、3分别表示LE 、BI 、LT ；13、12、11、10、9、15、14分别表示 a 、b 、c 、d 、e 、f 、g 。

左边的引脚表示输入，右边表示输出，还有两个引脚8、16分别表示的是VDD 、VSS 。

CD4511的工作原理 1.CD4511的工作真值表如下表表5-4-12.锁存功能译码器的锁存电路由传输门和反相器组成,传输门的导通或截止由控制端LE的电平状态。

当LE为“0”电平导通，TG2截止；当LE为“1”电平时，TG1截止，TG2导通，此时有锁存作用。

如图3-3（3）译码CD4511译码用两级或非门担任，为了简化线路，先用二输入端与非门对输入数据B、C进行组合，得出四项，然后将输入的数据A、D一起用或非门译码。

（4）消隐BI为消隐功能端，该端施加某一电平后，迫使B端输出为低电平，字形消隐。

消隐控制电路如图3-4所示。

消隐输出J的电平为J==（C+B）D+BI如不考虑消隐BI项，便得J=（B+C）D据上式，当输入BCD代码从1010---1111时，J端都为“1”电平，从而使显示器中的字形消隐。

5 .数码管5.1 七段数码管工作原理在这个部分我们用七段数码管（LED）来显示结果，七段数码管有七个发光段，即a.b.c.d.e.f.g，根据设计要求的需要，我们使用了六个数码管。

如图5-5-1所示。

图5-5-1数码显示与发光段之间的对应关系如下表所示。

表5-5-1BCD码显示数码发光管BCD码显示数码发光管0000 abcdef 0101 acdfg0001 bc 0110 cdefg0010 abdeg 0111 Abc0011 abcdg 1000 abcdefg0100 bcfg 1001 abcfg5.2 七段数码管内部结构介绍七段数码管内部由发光二极管构成。

在发光二极管两端加上适当的电压时，就会发光。

发光二极管有两种接法：即共阴极接法和共阳极接法，如下图5-5-2,5-5-3所示。

图 5-5-2图5-5-36.元器件清单六．在设计过程中遇到的问题及排除措施：故障1：脉冲发生器（晶体振荡器构成的多谐振荡器）没法实现0.001s的脉冲信号。

排除方法：适当的选取定值电阻、电容的大小、检查线路是否接线正确。

故障2：数码管不显示排除方法：检查LED数码管接入是否错误，检查接入保护电阻是否正确,检查译码器和计数器是否连接正确。

故障3：数码管显示后，分进位显示错误，无法正常进位排除方法：检查各个进位线路是否正常连接，六十进制是否正常。