1、运动时长秒计数电路目 录摘 要 3 0 引 言 41 运动时长秒计数电路总体功能与要求41.1 设计的任务要求41.2 设计思路51.3 工作原理及结构框图 52 系统电路设计基础知识介绍 62.1Multisim的功能特点及应用62.2 计数器74LS19272.3复位电路92.4晶振电路93系统电路具体实现 103.1晶振电路 103.2计数电路 113.3显示电路 123.4复位电路 134 系统电路仿真和测试144.1晶振电路的测试144.2计数电路的测试154.3显示电路的测试 164.4 复位电路的测试 174.5整体电路图 185总结 20参考文献 22附 录23致 谢24摘 要
2、 随着社会的发展，人们生活水平的提高，电子产品种类越来越多，尤其是运动时长计数早已步入人们的生活，运动时长秒计数的使用已经很频繁，运动时长计数可以根据人们的需要时间计时功能，这样更有利于精确的记录运动的时间。本文主要是针对运动时长电路的设计，采用EDA技术，将先进的计算机技术应用与电子设计与仿真过程进行了结合，改善了传统的电子电路设计方法，周期长、耗时多、效率低的不足，能够完成以下的几项基本功能；数码管指示秒计数结果，计数范围0-9999；采用晶体振荡器电路产生秒计数参照时长信号，频率稳定度5*10-6以上;有清零复位功能。本设计主要由晶振电路，计数电路，显示电路等电路组成。通过振荡电路产生秒
3、脉冲信号，秒脉冲信号输入计数器进行计数，并把累计结果以“个”、“十”、“百”、“千”的数字显示出来，当想复位时，可以直接按下按钮就可达到复位结果。通过Multisim 软件的测试仪器对创建的电路进行了分析和仿真实验，并将理论和实践相结合实现该电路的各个功能。关键词： 计数器 数码管 EDA 运动时长秒计数电路EDA辅助设计 0 引言随着电子技术和计算机技术的飞速发展，电子技术及其应用系统设计手段也日新月异；作为计时工具，运动时长秒计数器被广泛用于运动、比赛、计时，等地方，成为人们日常生活中的必要物品。由于数字集成电路的发展和广泛应用，使得数字钟的精度，运用超过老式钟表，钟表的数字化给人们生产生
4、活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。本文提出的运动时长秒计数电路是现在比较实用的一个设计电路它的优势在于成本低，耗电量小，精度高，并且功能齐全，在各个领域都有广泛的应用，且在Multisim 环境下可实现功能测试和仿真。运动时长秒计数电路EDA辅助设计主要应用了EDA在电工技术与电子技术应用系统的设计与仿真。整个系统电路由四大部分组成：第一部分是介绍电路总体功能与要求，第二部分是系统电路设计基础知识介绍，第三部分是系统电路的具体实现，第四部分是系统电路的仿真和调试。1 运动时长秒计数电路总体功能与要求1.1 设计任务与要求本课题主要是设计一个采用晶体振荡器电路产生秒计数参照
5、时长信号，频率稳定度5*10-6以上运动时长秒计数电路，该电路主要需要利用集成芯片应用相关知识解决实际问题，利用Mutisim为主要设计环境完成设计调试，电路具体要求为：1采用晶体振荡器电路产生秒计数参照时长信号，频率稳定度5*10-6以上；2数码管指示秒计数结果，计数范围0-9999；3有清零复位功能；4MULTISIM 7.0及以上版本环境下能够满足设计要求的电路。1.2 设计任务分析分析设计任务，该系统包括秒晶振电路、计数器电路、译码显示电路、控制电路3个部分构成。其中，计数器和秒脉冲发生电路是系统的主要部分。计数器完成09999循环计时功能，而控制电路具有直接控制计数器的清零功能。为满
6、足设计要求，设计控制电路及控制开关时，应该正确处理各个信号之间的时序关系。在操作直接清零时，要求计数器清零，数码显示器为零。最后将设计好的电路在Mutisim 2001环境下进行仿真测试来满足设计电路的要求。1.3 工作原理及结构框图根据设计任务的分析,整个运动时长秒计数划分为晶振电路、计数电路、显示电路，系统总体框图1.1所示，其中晶振电路发出脉冲信号，计数电路接收到脉冲信号后开始计时，复位电路控制清零复位的功能。图1.1 整体设计框图2 系统电路设计基础知识介绍2.1 MULTISIM 2001 软件的介绍Multisim2001是一个用于电路设计和仿真的EDA工具软件，提供了标准的实际元
7、（器）件库、RF库、功能强大品种齐全的仿真仪器和能满足各种需求的分析方法。Multisim2001应用于开发电子系统或IC设计时，可以降低产品的成本，缩短开发周期，提高系统的可靠性；另外，该软件也被广泛用作高等院校“电路分析”、“模拟电子线路”、“数字电路”和“通信电子线路”等课程的仿真设计平台。Multisim 2001与其他电路仿真软件相比，具有如下一些优点：1）系统高度集成，界面直观，操作方便Multisim 2001将原理图的创建、电路的测试分析和结果的图表显示等全部集成到同一个电路窗口中。整个操作界面就像一个实验工作台，有存放仿真元件的原件箱，有存放测试仪表的仪器库，还有进行仿真分析
8、的各种操作命令。测试仪表和某些仿真元件的外形与实物非常接近，操作方法也基本相同，因而该软件易学易用。2）具有数字、模拟及数字/模拟混合电路的仿真能力在电路窗口中既可以分别对数字或模拟电路进行仿真，也可以将数字元件和模拟元件连接在一起进行仿真分析。3）电路分析手段完备Multisim 2001除了提供11种常用的测试仪表用来对仿真电路进行测试之外，还提供了电路的直流工作点分析、瞬态分析、傅立叶分析、噪声和失真分析等15种常用的电路仿真分析方法。4）提供多种输入输出接口Multisim2001可以输入由PSpice等其他网表文件，并自动形成相应的电路原理图。也可以把EWB环境下创建的电路原理图文件
9、输出给Protel等常见的PCB软件进行印刷电路设计。5）使用灵活方便在Multisim 2001中，与现实元件对应的元件模型丰富，增强了仿真电路的实用性。元件编辑器给用户提供了自行创建或修改所需元件模型的工具。元件之间的连接方式灵活，允许连线任意走向，允许把子电路当作一个元器件使用，从而增大了电路的仿真规模。另外，根据电路图形的大小，程序能自动调整电路窗口尺寸，不再需要人为设置。在Multisim 2001的仪器库中存放有11台虚拟仪器可供使用，它们是数字电压表、函数信号发生器、示波器、扫频仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换仪、频谱仪、功率计、失真度分析仪和网络分析仪，这些虚拟仪器在电路
10、中以图标的形式存在，当需要观察测试数据与波形或者重新设置仪器的参数指标时，可以通过双击打开仪器的面板，就可以在进行本课程设计时，我们可以在multisim软件上进行仿真，因此我们可以选择自带译码功能的理想数码管简化电路从而得到实验结果看到具体的测试数据与波形。2.2计数器74LS192计数是一种最简单基本的运算，计数器就是实现这种运算的逻辑电路，计数器在数字系统中主要是对脉冲的个数进行计数，以实现测量、计数和控制的功能，同时兼有分频功能，计数器是由基本的计数单元和一些控制门所组成，计数单元则由一系列具有存储信息功能的各类触发器构成，这些触发器有RS触发器、T触发器、D触发器及JK触发器等。计数
11、器应用十分广泛，从各种各样的小型数字仪表，到大型电子数字计算机，几乎是无所不在，是任何数字仪表乃至数字系统中，不可缺少的组成部分。74LS192是可预置的十进制同步加/减计数器，计数器初始状态与减法还是加法无关。计数器有清零引脚MR，清零后，不论出于加减状态，计数器输出均为0。计数器还具有加载功能，加载后，计数器不论原先是什么值，输出为加载值。不进行清零和加载操作，计数器一直循环计数，无所谓从哪里开始。减法计数时，0变9时，借位输出有效，从这个角度讲，可以认为从9开始，就如加计数是9变0时进位，可以认为从0开始。十进制可逆计数器74LS192引脚图管脚及功能表。74LS192是同步十进制可逆计
12、数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能，其引脚排列及逻辑符号如下图2.1所示：图2.1引脚排列图图中：为置数端，为加计数端，为减计数端，为非同步进位输出端， 为非同步借位输出端，P0、P1、P2、P3为计数器输入端，为清除端，Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端。 表2.1 74LS192功能表输入输出MRP3P2P1P0Q3Q2Q1Q01XXXXXXX00000Xdcbadcba011XXXXX加计数011XXXXX减计数2.3复位电路复位电路是一种用来使电路恢复到起始状态的电路设备，它的操作原理与计算机有着异曲同工之妙，只是启动原理和手段有所不同。复位电路，就是利用它把电路恢复到起始
13、状态。就像计算器的清零按钮的作用一样，当你进行完了一个题目的计算后肯定是要清零的，或者你输入错误，计算失误时都要进行清零操作。以便回到原始状态，重新进行计算。和计算器清零按钮有所不同的是，复位电路启动的手段有所不同。一是在给电路通电时马上进行复位操作；二是在必要时可以由手动操作。所以复位电路是必不可少的一部分，本设计是利用了74LS192的复位端的特性来完成的，本设计用了一个开关来控制，当复位端为1时进行复位。为零时不工作。2.4晶振电路 晶振是晶体振荡器的简称,在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络,电工学上这个网络有两个谐振点,以频率的高低分其中较低的频率是串联
14、谐振,较高的频率是并联谐振.由于晶体自身的特性致使这两个频率的间隔相当的接近,在这个极窄的频率范围内,晶振等效为一个电感,所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路.这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路,由于晶振等效为电感的频率范围很窄,所以即使其他元件的参数变化很大,这个振荡器的频率也不会有很大，晶振有一个重要的参数,那就是负载电容值,选择与负载电容值相等的并联电容,就可以得到晶振标称的谐振频率。一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器(留意是放大器不是反相器)的两端接进晶振,再有两个电容分别接到晶振的两端,每个电容的另一端再接到地,这两个电容串联的容量值
15、就应该即是负载电容,请留意一般IC的引脚都有等效输进电容,这个不能忽略。一般的晶振的负载电容为15p或12.5p ,假如再考虑元件引脚的等效输进电容,则两个22p的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择。3 系统电路具体实现3.1晶振电路该电路主要由石英晶体和运算放大器组成。石英晶体本身会产生一个振荡波形，通过运算放大器产生符合74LS192要求的脉冲信号，其频率大概为1KHZ。石英晶体主要是发生脉冲信号的作用，放大器主要是把脉冲信号放大，达到总电路需要的信号。该晶振等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，这个网络有两个谐振点，频率较低的是串联谐振，较高的频率是并联谐振。晶振等效
16、一个电感，所以要完成该电路需要并联电容就会组成一个并联谐振电路。然后并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成只能够选拨振荡电路。在该电路中放大器的两端接入晶振，再由两个电容等别接到晶振的两端，每个电容的另一端接地。 图3.1晶振电路图3.2计数电路 为用74LS192实现十进制计数，就是当计数到了10时就会复位到零重新计数，信号从个位计数端UP进入后，个位74LS192计数器开始计数，等到计数到“10”时就会有一个信号从CO端（进位输出端）发送到十位74LS192计数器中，十位计数器就会显示“1”,等到十位计数到“10”时就会有一个信号从CO端（进位输出端）发送到百位74LS192计数器中，
17、百位计数器就会显示“1”，等到百位计数器计数到“10”时就会有一个信号从CO端（进位输出端）发送到千位74LS192计数器中，等到千位、百位、十位、个位都计数到“9”时，自动清零。图3.2计数电路图3.3显示电路因为计数范围是09999，所以在电路中，用四个LED数码管来显示计数范围0-9999。如图所示。 图3.3数码管显示图3.4复位电路在复位电路方面，因为复位端为1时进行工作，0时不工作。所以采用了个按键，在0，1之间进行切换，从而达到了复位的要求。 图3.4复位电路图4 系统电路仿真和测试4.1晶振电路的测试用一个示波器接在电路的输出端，开启仿真，电路开始仿真，仿真的预期的结果是通过运
18、算放大器产生符合74LS192要求的脉冲信号，其频率大概为10KHZ。仿真结果和预期结果一样，说明电路可用。仿真图如下： 图4.1晶振电路测试图4.2计数电路的测试当开关按下，电路开始仿真，74LS192的计数端收到一个脉冲信号74LS192执行计数功能，开始计数。仿真的预期的结果是LED数码管显示09的循环计数。仿真结果和预期结果一样，说明电路可用。仿真图如下：图4.2计数电路的测试图4.3显示电路的测试当开关按下，电路开始仿真，LED数码管显示数字，仿真结果和预期结果一样，说明电路可用。仿真图如下： 图4.3显示电路的测试图4.4复位电路的测试当开关按下，电路开始仿真，74LS192的清零
19、端收到一个脉冲信号，74LS192执行清零复位功能。仿真的预期的结果是LED数码管显示0。仿真结果和预期结果一样，说明电路可用。仿真图如下：图4.1复位电路测试图4.5整体电路图通过各个子模块电路图的创建和仿真,现将整个电路图展示如图图4.2 整体电路仿真图这个仿真图在计数方面，采用了4个74LS192，因为74LS192是十进制计数器，有“异步清零”和“异步置数”功能，且有进位和借位输出端，所以通过4个74LS192形成了个十百千，四个计数位，从而完成从0000-9999的计数要求。在复位电路方面，因为74LS192复位端为1时进行工作，0时不工作。所以采用了个按键，在0，1之间进行切换，从
20、而达到了复位的要求。在显示和译码方面，直接采用了软件中的数码管，因为该数码管包括了显示和译码，使该设计更加简洁。5 总结本设计包括秒脉冲发生器、计数器、译码与显示电路，复位电路4个部分组成。计时电路实现秒计时，每隔1秒钟，计时器加1其中计数器和秒脉冲电路是系统的主要部分。计数器完成09999秒计时功能，而控制电路完成计数器的直接清零功能。当计时器递加计时到9999（即定时时间到）时，显示器上显示0000。本次设计，在综合运用了数字电子技术、模拟电子技术EDA仿真技术和电工技术知识并查阅了相关的手册和文献资料，确定了运动时长秒计数电路EDA辅助设计的设计任务和总体方案，经过不断的完善和调整后最终
21、实现了运动时长秒计数电路EDA辅助设计的工作目的和要求。本设计电路主要利用对秒脉冲产生电路、计数器状态等器件功能的理解和运用，采用Multisim 2001软件中的元器件库里的常用电子器件来进行仿真和调试，根据预想方案设想出框架图，对电路进行多次修改。在此次设计中，充分运用了Multisim 2001软件所特有的虚拟仪器，通过对电路参数的修改，观察其对电路性能的影响以及各实验点的波形和整个电路的实验结果。对于整个电路中子电路的创建，用于电路的仿真与测试，从而简化电路，设计更为方便、快捷。将秒脉冲产生电路、计数器状态的组合完整的测试调秒计数器电路，通过总体调试达到了运动时长秒计数电路EDA辅助设
22、计的各项任务和要求。参考文献 1孙津平.数字电子技术M.西安:西安电子科技大学出版社,2012.2袁宏, 李忠波等.电子设计与仿真技术M.北京:机械工业出版社大学,20103聂典,丁伟.Multisim 10计算机仿真在电子电路设计中的应用M.北京: 电子工业出版社,2009.4兰吉昌.数字集成电路应用260例M.北京:化学工业出版社,2009.5卢艳红.基于Multisim10的电子电路设计、仿真与应用M.北京:人民邮电出版社,2009.6 从宏寿，李绍铭，等电子设计自动化 M.北京:清华大学出版社,2010.7 张桂红.实用新型电子元器件M.福建：科技出版社，2005.8 （美）Willi
23、am Kleitz. 数字电子技术M. 北京：科学出版社，2008.9 从宏寿，李绍铭，等.电子设计自动化Multisim在电子电路与单片机中的应用M.北京：清华大学出版社,2010.10胡俊达. 电子电气设备工艺设计与制造技术M.北京:机械工业出版社,2004.11 许晓华,何春华. Multisim10计算机仿真及应用.M. 北京：清华大学出版社，2011.12 孙肖子. 模拟电子电路及技术基础(第2版)教、学指导书.M. 西安：西安电子科技大学出版社，2009.13 董敏. 数字电子技术M. 西安：电子科技大学出版社，2010.14 张宪，宋立军传感器与测控电路M.北京: 化学工业出版社,2011.15 杨帮文.新型继电器实用手册M.北京:人民邮电出版社，2004.
