三位数字显示的计时系统设计
正文
1、设计总体思路
1.1课程设计要求
设计并制作一个简易的三位数字显示计时系统，供运动员比赛计时用，要求如下：
1)精确到秒，最大计时为9分59秒；
2)开机时自动清零；
3)具有启停输入控制功能，按下启停输入控制键时，开始计时，再次按
下时，停止计时。

4)用7段数码管显示时间；
5)功能扩展（自选）
1.2设计目的
1)进一步熟悉和掌握常用数字电路元器件的应用。

2)巩固加深理解数字电路的基本理论知识，学习基本理论在实践中综合
运用的初步经验，掌握数字电路系统设计的基本方法及在面板上接线的方法、技术、要注意的问题。

3)培养数字电路实物制作、调试、测试、故障查找和排除的方法。

4)培养细致、认真做实验的习惯。

5)培养实践技能，提高分析解决实际问题的能力。

6)学会运用仿真软件进行电路仿真。

7)熟悉555定时器产生脉冲的应用。

1.3设计总体思路
1)主电路
用3个7段数码管显示时间，3块74LS192同步加减计数器实现计时功能，时钟脉冲用555定时电路产生秒脉冲，1块74LS76实现清零和启停功能。

2)控制电路
按下清零按钮后，使74LS192的清零端为高电平，使其清零。

按下暂停/继续按钮后，使74LS192的CP端为高电平，不再有上升沿输入，使其保持之前的数据不变，再次按下按钮后，74LS192的CP端为
低电平，当下一个高电平输入时，将有上升沿，使74 LS192计数，从而实现暂停/继续功能。

2、基本原理及框图
1)基本原理
开机启动后，给第3块74LS192一个信号，当上升沿到来时，74LS192的输出端输出加1，直到输出为9时，产生进位信号，送到第2块74LS192的UP端，直到第2块74LS192的输出为6时，使其置数为0，同时给第一块74LS192的UP端一个信号使其输出加1，循环进行。

74LS192的功能表见下表。

2)设计整体框图
设计框图如图1-1所示：
图1-1 三位数字显示的计时系统设计框图3、单元电路设计及单元电路图
3.1.秒脉冲发生电路
用555组成多谐振荡器输出秒脉冲，工作原理如下：
接通电源Vcc 后，Vcc 经电阻R 1和R 2对电容C 充电，其电压Uc 由0按指数规律上升。

当Uc ≥2/3Vcc 时，电压比较器C 1和C 2的输出分别为U c1 =0、U c2=1，基本RS 触发器被置0，Q=0，Q =1，输出U 0跃到低电平U 01.与此同时，放电管V 导通，电容C 经电阻R 2和放电管V 放电，电路进入暂稳态。

随着电容C 放电，u c 下降到U c ≤1/3Vcc 时，则电压比较器C 1和C 2的输出为U c1=1、U c2=0，基本RS 触发器被置1，Q=1，Q =0，输出u 0由低电平U 01跃到高电平U 0h 。

同时，因Q =0，放电管V 截止，电源V cc 又经过电阻R 1和R 2对电容充电。

电路又返回前一个暂稳态。

因此，电容C 上的电压Uc 将在2/3V cc 和1/3V cc 之间来回充电和放电，从而使电路产生了振荡，输了矩形脉冲。

多谐振荡器的振荡周期T 为： T=0.7（R 1+R 2）C 振荡频率f 为：
C R R )21(7.01
=
1/T =f
用555组成多谐振荡器输出秒脉冲电路，其电路图如图1-2所示：
图1-2 秒脉冲电路图
3.2. 计时单元电路
如图1-3所示。

该电路用2块74LS192组成六十进制秒显示电路，1块74LS192组成分显示电路，当00秒递增到59后，进位到分，同时使其置0。

图1-3 计数器显示电路图
3.3. 显示电路
该电路采用BCD 码数码管，如图1-4所示。

3.4. 控制电路
电路图如图1-5所示，74LS76的Q (14端子)接计数器
74LS192的清零端（MR 端）
，按下清零按钮后，Q 端由0=Q 变为1=Q ，从而使计数器的MR=1，使计数器清零。

74LS76的Q 端（11端子）接到与非门的一端，按下启动/停止键，Q 端由Q=0变为Q=1，脉冲得以通过，即启动作用，再次按下启动/停止键， Q 端由Q=1变为Q=0，此时脉冲不能通过，即起暂停的作用。

图1-4 数码管
图1-5 控制电路图
4、安装、调试步骤
系统总电路如图1-6所示。

设计出来后按以下步骤进行安装。

1)按照真值表和管脚图用3块74LS192安装成最大为9分59秒的计时器，
使其能正确显示。

2)按照管脚图和原理图对应接好数码管，使其准确显示数字。

3)安装控制电路，按下清零按钮后，计数器可以清零，按下启动/停止键
后，能启动，再次按下启动/停止键，能暂停，再次按下启动/停止键，能继续。

4)把已插入但未连接的线理清楚，然后把它们对应接入正确位置，使电路
接通。

实践表明，一个电子装置，即使用仿真软件仿真没问题，但接实物时，往往不能达到设计的预期效果。

因此电子产品做出来之后，不仅要仿真，更要进行实物测试。

这是因为设计者在设计时，很难考虑到实际的各种情况及其所处环境对电路的影响程度。

图1-6 总电路设计图
5、故障分析及电路改进
在电路的调试过程中，可谓是历经艰难险阻，通过排除故障后，才把电路给测试通过。

5.1故障产生原因
对于新设计电路来说，调试中产生的故障原因主要有以下几种情况。

1)元器件、接口处损坏。

电子电路中通常有很多的元器件在安装的过
程中，由于某种不正确操作，容易损坏电子器件。

电子器件损坏后，
将使电路不能实现它的功能。

2)电子器件与面包板接触不良。

由于线与接口处孔的大小不是很适
合，接上的线比较容易脱落：由于管脚没插好，也会导致接触不良。

3)安装的接线电路与原理图不一致，主要是某些管脚比较靠近，接线
时没注意就接错了。

4)某些电子器件的没用到的端子没有接地线或接高电平。

5)竞争与冒险现象。

当电子器件的两端同时同时变化时，容易产生竞
争冒险现象，导致电路显示不稳定。

5.2故障的分析方法
在电路的调试过程中不可避免的出现各种各样的问题，在查找故障时，需要耐心和细心，一步一步地检查。

1)安装前，对每个器件进行检查，是否有管脚缺失，是否与功能表的各
项功能一致。

2)在安装时要逐个安装、调试，检查是否达到了预定的要求。

3)在断电情况下，观察是否有器件没有与面包板接触好，是否有线脱落
的现象，是否按照了原理图上进行安装，是否有器件没有接通电源。

4)在通电情况下，用一根导线接到共阴极的LED上，另一端接到待检
查处，从信号源到输出一一进行检查，观察是否与仿真时的情况一致，是否与预期的电平一致。

5.3电路的改进
1.在电路的调试过程中，由于器件本身的原因，需对电路做进一步改进，
如从09直接跳到19，正确的跳转应该是从09跳到10，这时就需在
进位的同时给置数端一个信号，使其在进位的同时置0，从而达到预
期目标。

2.由于仿真与实际的区别，在调试的时候发现与74LS192的清零端相
连接的JK触发器输出端的高低电平恰好与仿真时相反，从而使得开
机时不能清零，当把CR输入端子交换后，发现恰好达到预期效果。

6、总结与设计调试体会
经过两个星期的实习，过程曲折可谓一言难尽。

在此期间我失落过，也曾热情高涨。

从开始时满富盛激情到最后腰酸背痛的复杂心
情，到最后调试出来后的喜悦之情。

也许生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。

设计确实很辛苦，尤其是当某些问题思考了很久，却无法解决时，那种郁闷的
心情，可谓是无法用言语进行表达。

但再苦也是值得的，我们通过课
程设计，
使我们认识到了自己理论知识的缺陷，我们学会了怎样去进行电路的设计。

首先，要逐个分析它要实现的功能，然后考虑用那些
元器件可以实现这种功能；其次，要查找这些元器件的资料，包括
功能表及工作原理等等；然后，做出连接图，用仿真软件进行仿真：
最后进行实物连接、调试。

通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合
起来，从理论中得出结论，才能提高自己的实际动手能力和独立思
考的能力。

这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，经过与同学的交流和大量的搜寻资料，终于把它给攻克了,每当我打开
电脑时，我总要看看我自己设计的电路图，总感觉有一种喜悦的心
情，因为这是自己辛勤劳动的成果。

总体来说,这次课程设计使我受益匪浅.在设计与仿真的过程中特别有趣，提高了我的设计水平,增加了我们的实际操作能力. 7、附录
元器件清单(见下表)
8、参考文献
1.谢自美主编《电子线路设计、实验、测试》武汉：华中理工出版社，2000
2.郭照南主编《电子技术与EDA技术课程设计》长沙：中南大学出版社，
2010
3.阎石主编.《数字电子技术基础》北京：高等教育出版社，2006
4.郭照南主编.《电子技术基础实验与仿真》长沙：中南大学出版社，2008
5.王俊峰主编.《电工与电子技术实验教程》.郑州：黄河水利出版社，2001
6.中国电子网. .
7.百度文库。