一、課程設計的目的和任務
數字式秒錶從原理上講是一種典型的數位電路，其中包括了組合邏輯電路和時序電路。本次實驗所做數字式秒錶由訊號發生系統和計時系統構成。由於需要比較穩定的訊號，所以訊號發生系統555定時器與電阻和電容組成的多諧振盪器構成，訊號頻率為100hz。
計時系統由計數器、解碼器、顯示器組成。計數器由74 ls160構成，由十進位制計數器組成了一百進製和六十進位制計數器，採用非同步進製方式。解碼器由74ls48構成，顯示器由數碼管構成。
具體過程為：由晶體**器產生100hz脈衝訊號，傳入計數系統，先進入計數器，然後傳入解碼器，將4位訊號轉化為數碼管可顯示的7位訊號，結果以「分」、「秒」、「10毫秒」依次在數碼管顯示出來。該秒錶最大計時值為99分59.
99秒，「分」和「10毫秒」為一百進製計數器組成，「秒」為六十進位制計數器組成。
在本次實驗中，我主要負責用555定時器產生乙個頻率為100hz的脈衝訊號，設計一百進製計數器和六十進位制計數器。
設計任務：
1. 設計並製作符合要求的電子秒錶。秒錶最大計時值為99分59.99秒。
2. 秒錶由6位7段led顯示器顯示，其中2位顯示「min」,4位顯示「s」,其中顯示解析度為「0.01s」。
3. 計數器最大值到99min59.99s,計數誤差不超過0.01s.
4. 具有清零、啟動計數、暫停計數及繼續計時等控制功能。
二、電路分析與設計
（一）系統分析
數字式秒錶從原理上講是一種典型的數位電路，其中包括了組合邏輯電路和時序電路。本次實驗所做數字式秒錶由訊號發生系統和計時系統構成。計時系統由計數器、解碼器、顯示器組成。
計數器由74 ls160構成，由十進位制計數器組成了一百進製和六十進位制計數器，採用非同步進製方式。解碼器由74ls48構成，顯示器由數碼管構成。具體過程為：
由晶體**器產生100hz脈衝訊號，傳入計數系統，先進入計數器，然後傳入解碼器，將4位訊號轉化為數碼管可顯示的7位訊號，結果以「分」、「秒」、「10毫秒」依次在數碼管顯示出來。該秒錶最大計時值為99分59.99秒，「分」和「10毫秒」為一百進製計數器組成，「秒」為六十進位制計數器組成。
由於數字式秒錶計數的需要，故需要在電路上加乙個控制電路，該控制電路清零、啟動計數、暫停及繼續計時等控制功能，同時100hz的時間訊號必須做到準確穩定。通常使用石英晶體振盪器電路構成數字鐘。數字電子鐘的總體圖如圖1所示。
由圖可見，數字電子鐘由以下幾部分組成：555振盪器和分頻器組成的秒脈衝發生器；防抖開關；秒錶控制開關；一百進製秒、分計數器、六十進位制秒計數器；以及秒、分的解碼顯示部分等。
圖1 原理流程圖
（二）、單元電路設計與分析
ⅰ、秒訊號發生器
⑴ 555定時器的功能
555定時器組成及工作原理如下：
圖2 555定時器電路結構圖
如圖2是555定時器電路結構的簡化原理圖和引腳標識。由電路原理圖可見，該積體電路由下述幾部分組成：串聯電阻分壓電路、電壓比較器u1和u2、基本rs觸發器、放電三極體t以及緩衝器g（u6a）組成。
（u11：6引腳，u12:2引腳，輸出uo:
3引腳，r，s引腳低電平有效）
定時器的功能主要取決於比較器，比較器u1和u2的輸出控制著rs觸發器和放電三極體t的狀態，rd為復位端。當rd=0時，輸出u0=0,t管飽和導通。此時其他輸入端狀態對電路清零0狀態無影響。
正常工作時，應將rd接高電平。當控制電壓輸入端5腳懸空時，比較器u1、u2的基準電壓分別是2ucc/3和ucc/3。如果5腳uic外接固定電壓，則比較器u1、u2的基準電壓為uic和uic/2。
由圖2中可知，若5腳懸空，當u11<2ucc/3,u12當u11<2ucc/3,u12>ucc/3時，比較器u1和u2輸出均為高電平， 即r=1, s=1。rs觸發器維持原狀態， 使uo輸出保持不變。
當u11>2ucc/3，u12>ucc/3時，比較器u1輸出低電平，比較器u2輸出高電平，即r=0，s=1，基本rs觸發器置0，放電三極體t導通，輸出uo為低電平。
當u11>2ucc/3，u12當u11<2ucc/3，u12綜上分析，可得555定時器功能表如下表1所示：
表1⑵、555構成的多諧振盪器
當接通電源ucc後，電容c上的初始電壓為0 ，比較器u1、u2輸出為1和0，使uo=1,使放電管t截止，電源通過r1、r2向c衝電。uc上公升至2ucc/3時，rs觸發器被復位，使uo=0,t導通，電容c通過r2到地放電，uc開始下降，當uc降到ucc/3時，輸出uo又翻回到1狀態，放電管t截止，電容c又開始充電。如此周而復始，就可在3腳輸出矩形波訊號。
圖3 555構成的多諧振盪器電路圖
圖4 555多諧振盪器工作波
555定時器構成的多諧振盪器的振盪週期為電容的放電時間t1和電容的充電時間t2之和：
（3）、多諧振盪器**圖
根據設計要求，需要產生乙個頻率為100hz的訊號，由於f=1/t,帶入可以算出r1=r1=4.8kω,在**軟體上**的時候我們可以設定電阻為4.75kω，加上乙個100ω的電位器來調節脈衝訊號的精確度，設定其增量為50%。
就可以得到乙個頻率為100hz的脈衝了
圖5 555構成多諧振盪器**圖
用頻率計測得555定時器產生的脈衝頻率為99.755hz,如下圖所示：
圖6 555定時器產生的脈衝頻率
ⅱ 消抖電路
長期在開關狀態下工作的高頻開關電源容易受高次諧波的干擾，為了抵抗干擾，保持電路的穩定性，需要引入了消抖電路。
消抖原理：具有鎖存功能所致，由兩個整合與非門元件構成。接在機械開關k1的後面，防止開關k1在開啟和閉合時一些假訊號串入邏輯電路。
圖7 消抖開關圖
ⅲ、分、秒、毫秒計數器電路設計
（1）、選擇計數器的方案
這裡我們選擇用計數器74ls160晶元，通過乘數法或反饋置數法構成100進製和60進製計數器。經方案論證，本課程計數器選擇方案如下：
1 100進製計數器
乘數法：將兩片74ls160計數器直接級聯則可得到100進製計數器。其電路連線如圖8
圖82 60進製計數器
乘數法：將一片74ls160設定成六進製制計數器，再將其與一片74ls160級聯，即可得到乙個60進製計數器。其電路連線如圖9：
圖974ls160是十進位制計數器，設計一百進製計數器只需將兩片74ls160級聯即可，而74ls161是十六進製制計數器，其一百進製計數器的連線相對而言較複雜。對於六十進位制計數器，從電路圖中我們同樣可以知道74ls160 的連線比74ls161的連線簡單，相對而言所需的元器件也少。綜上，我們選擇選擇了用74ls160計數器。
（2）、74ls160計數器的功能介紹
計數器74ls160d的引腳如右圖2-3-3所示，從圖中可以看到74ls160d共有16個引腳，其中有cp脈衝輸入引腳clk（下降沿有效），load為預置數控制端（低電平有效），clr為非同步清零端（低電平有效），a、b、c、d為預置數輸入端，enp和ent是計數使能端（高電平有效），rco是進製輸出端，qd、qc、qb、qa分別是計數輸出位，其工作原理圖如圖
圖10 74ls160
非同步清零：當clr端輸入為低電平時候，其它輸入端不管輸入什麼值，計數器將直接清零，也就是說輸出的qd、qc、qb、qa為0000.
② 同步預置數：當clr端輸入高電平，load端輸入低電平時，且有cp脈衝下降沿作用時完成將輸入端dcba的資料置入計數器操作，使qdqcqbqa=dcba.由於這個操作需要cp下降沿同步，所以稱為同步預置數。
圖11 74ls160計數器工作原理圖
③ 保持：當load、clr均輸入高電平時，如果enp*ent=0，此時計數器保持輸入原狀態不變，不管有沒有cp脈衝作用。不過當ent=0時，進製輸出rco=0。
④ 計數：當clr=load=1，enp=ent=1時，74ls160d處於計數狀態，對cp脈衝下降沿進行四位二進位制加計數。
（3）、計數器最終連線圖
一百進製和六十進位制計數器之間、六十進位制和一百進製之間的接法如下圖12所示
圖12 計數器
元器件明細表
三、系統實施
ⅰ、 總電路圖
圖 13 系統總原理圖
開關j1控制数字秒錶的啟動、停止及繼續計數，開關j2控制数字秒錶的清零復位。開始時把j1、j2合上，由555多諧振盪器產生脈衝訊號，用快捷方式f5**執行本電路，數字秒錶正在計數。
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目錄1 引言 1 1.1 課程設計的目的 1 1.2 課程設計的內容 1 2 eda vhdl簡介 1 2.1 eda技術 1 2.2 硬體描述語言 vhdl 2 3設計過程 4 3.1 設計規劃 4 3.2 各模組的原理及其程式 4 3.2.1控制模組 5 3.2.2時基分頻模組 5 3.2.3計...