代码收藏家技术教程 2024-09-18

数字秒表电路设计详解：纯逻辑电路构建，Multisim仿真实践，存储功能实现

通过百度网盘分享的文件：数字秒表设计_Multisim原件&74系列芯片手册.zip
链接：https://pan.baidu.com/s/1jGjgDj3S1Yzd7GorkSHFcQ?pwd=0000
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本项目来源于作者的数字电路课程设计：可实现计时，锁存（一组数据），解锁，清零功能

设计要求及指标：

最大记时长度99.9秒的秒表。时间分辨率0.1秒。

两个按键，一个用于复位，另外一个用于启停。复位按键仅在停止计时时有效，如果是在计时状态按下复位，则实际上是锁存当前计时，如果再按复位，则解除锁定。如果在锁存状态下按启停按钮，则实际停止计时，用3位数码管显示计时

仿真软件：Multisim

1.设计基本原理及分析

本设计中电子秒表所能够容纳的最大数值为99.9s，即需要3个十进制加法计数器，除此以外还需要用到3个数码管来显示时间，同时选择了7段共阴极数码管驱动芯片对其进行驱动。此电路要求计数分辨率为0.1s，信号源也须满足周期为0.1s的振荡频率要求。

对于信号源，计划运用555定时器与电阻 R 及电容 C 组成一个多谐振荡器，该多谐振荡器可以为整个电路提供一个周期为0.01s的方波信号，然后通过一个十进制加法计数器对其进行10分频，进而提供0.1s的周期方波信号。

为了实现不同种类的功能，一个数字式电子秒表需要增加控制信号来调整电路，这样可以使电路具有更多样化的功能。通过加入控制电路，该电子秒表可以实现以下功能：从初始状态启动计时、计时状态进入锁存状态、从锁存状态解锁继续显示计数时间、暂停计时、从暂停状态清零并回到初始状态，计划用两个D触发器存储两个按键的状态，并配合74系列逻辑门电路实现组合逻辑的控制。

对于锁存状态需要存储并持续显示锁存的时间，计划用D锁存器来实现存储的控制，用多路数据选择器控制显示的时间，并用前面提到的两个按键的组合逻辑对其进行控制。

（1）555震荡电路设计

芯片：LM555CM ，74ls160

555组成多谐振荡器的工作原理如下：

接通电源 Vcc 后，Vcc 经电阻 R1和 R2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 C1和 C2的输出分别为UC1=0、UC2=1，基本 RS 触发器被置0，Q=0、Q’=1,输出 U0跃到低点平 UoL。

与此同时，放电管 V 导通，电容 C 经电阻 R2和放电管 V 放电，电路进入暂稳态。随着电容 C 放电，Uc 下降到 Uc≤1/3Vcc 时，则电压比较器 C1和 C2的输出为 Uc1=1、Uc2=0，基本 RS 触发器被置1，Q=1，Q’=0，输出 U0 由低点平 UoL 跃到高电平 UoH。同时，因 Q’=0，放电管 V 截止，电源 Vcc 又经过电阻 R1和 R2对电容 C 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2/3Vcc 和1/3Vcc 之间来回充电和放电，从而使电路产生了振荡，输出矩形脉冲。

振荡频率：

$f=\frac{1}{(R1+R2)Cln2}=100Hz$

因为需要10Hz信号，还需通过74ls160进行10分频。（也可以直接改变1uF电容的值，不用10分频，产生10Hz信号。）

（2）计数电路设计

芯片：74ls160

因为实验中的计数需求是逢十进一，而且需要输出高电平来驱动共阴极数码管，因此采用74LS160作为计时芯片。74LS160是常用的数字逻辑芯片，为十进制计数器，具有计数、置数、禁止、清零等功能，其内部是由 D 触发器和逻辑门电路构成的。

为了实现三个逢十进一的进位，我们将三个74ls160计数芯片进行级联，将上一级的进位端连到下一位的时钟端作为计数信号，同时为了保证时序上的一致性，在中间连接一个非门，利用进位信号的下降沿作为时钟计数信号的上升沿，保证了上一级计数由9到0的时候下一级再计数加一，而不是在计数到9，下一级立马计数加一，以免会出现8的下一个状态有短暂的19而不是9的这种错误的状况。

（3）锁存电路以及显示控制电路设计

锁存芯片：74ls373 数选芯片：74ls157

锁存电路采用74ls373 (D锁存器)来存储锁存操作记录下的时间，74LS373是一种8位锁存器，采用三态输出，具有输入数据存储、输出数据驱动、数据总线隔离等多种功能。此外根据要求，数码管显示的时间有两种状态，显示计时时间/显示锁存时间，需要对两种时间进行选择，74ls157数选芯片可以实现四路并行数据的2选1，通过选择输入端和选通输入端控制输出的信号。

（4）数码管显示驱动设计（译码电路）

芯片：74ls48

"74LS48 芯片是一种常用的七段数码管译码器驱动器，被广泛应用于各种数字电路和单片机系统的显示系统中。在设计中，该芯片用于驱动SEVEN_SEG_COM_K 数码管。该芯片的主要功能是对输入信号进行译码，并控制相应的输出，以实现七段数码管的显示效果。输出端口最好在接入数码管的对应端口之前串联一个电阻，保证数码管不会烧掉。

74LS48 芯片是一款特殊的译码器，其输出在高电平有效。除了基本的输入（DCBA）和输出（Ya～Yg）端之外，74LS48 还引入了灯测试输入端（LT）和动态灭零输入端（RBI），以及具有输入和输出双重功能的消隐输入/动态灭零输出端（BI/RBO）。

（5）组合逻辑控制模块设计

要完成数字秒表电路的控制部分首先要搞清需要实现的功能，用到的芯片的控制端的逻辑，以及状态转移的变化。

首先根据要求，此电路需要两个按键，一个用于复位（K2），一个用于启停（K1），复位按键仅在停止计时时有效，如果是在计时状态按下复位，则实际上是锁定当前计时，并显示锁定的时间，但是计时器还在继续工作，如果再按复位，则解除锁定，并显示计数器的时间，如果在锁定状态下按启停按钮，则实际停止计时，再按复位键后清零，并回到初始状态。经过多次实际的仿真迭代，决定采用如下所示的状态转移图。并根据状态转移图列出了状态转移表。

状态	Q1	Q2	输入	Q1’	Q2’	功能	显示
初始/暂停	1	X	K1	0	1	启动	计数
初始/暂停	1	X	K2	1	1	清零	计数
计时	0	1	K1	1	1	暂停	计数
计时	0	1	K2	0	0	锁存	锁存
锁存	0	0	K1	1	0	暂停	计数
锁存	0	0	K2	0	1	解锁	计数