電工電子綜合實驗2之多功能數(shù)字計時器設計

1、電工電子綜合實驗報告多功能數(shù)字計時器設計指導老師：李元浩自動化學院2015-9-1目錄 摘要 關鍵詞3一、實驗目的3二、設計內(nèi)容簡介3三、設計功能要求3四、設計電路原理圖4五、電路邏輯總原理圖及工作原理4六、各單元電路原理及邏輯設計51.秒脈沖信號發(fā)生電路52.計時電路63.譯碼顯示電路74.清零電路85.校分電路96.報時電路107附加電路11七、實驗中遇到的問題（產(chǎn)生原因及解決方法）12八、實驗總結及體會13附錄：1.參考文獻143.元器件清單144.芯片管腳圖及功能表142.電路總圖17多功能數(shù)字計時器設計摘 要:數(shù)字計時器由秒脈沖信號發(fā)生器、計時電路、譯碼顯示電路、校分電路、清零電路、

2、報時電路等幾部分單元電路組成，設計完成后可實現(xiàn)多種功能的綜合應用。本文首先介紹了實驗內(nèi)容與設計的功能要求,然后較詳細地闡述了各單元電路的相關原理，并對相關電路圖進行了分析。關鍵詞:脈沖信號發(fā)生電路、計時電路、報時電路、校分電路、清零電路、起停電路 正 文:一、實驗目的1 掌握常見集成電路的工作原理和使用方法。2 學會單元電路的設計方法。二、設計內(nèi)容簡介本實驗采用中小規(guī)模集成電路設計一個數(shù)字計時器。數(shù)字計時器是由脈沖發(fā)生電路，計時電路，譯碼顯示電路，和控制電路等幾部分組成。其中控制電路由清零電路，校分電路和報時電路組成。三、設計功能要求1、設計一個脈沖發(fā)生電路，為計時器提供秒脈沖、為報時電路提供

3、驅(qū)動蜂鳴器的脈沖信號（f1=1Hz,f2=1KHz,f3=2KHz）。2、設計一個計時電路，完成0分00秒59分59秒的計時功能。3、設計報時電路，使數(shù)字計時器從59分53秒開始報時，每隔一秒發(fā)一聲，共發(fā)三聲低音，一聲高音；即59分53秒、59分55秒、59分57秒發(fā)低音（頻率1kHz），59分59秒發(fā)高音（頻率2kHz）。4、設計校分電路，在任何時候，撥動校分開關，可以2HZ進行校分。5、設計清零電路，具有開機自動清零功能，并且在任何時候，按動清零開關，可以進行計時器清零。6、系統(tǒng)級聯(lián)調(diào)試，將以上電路進行級聯(lián)完成計時器的所有功能。7、可增加數(shù)字計時器附加功能，例如數(shù)字計時器定時功能、電路起停

4、功能、電路采用動態(tài)顯示等。四、設計電路原理圖 數(shù)字計時器是由計時電路、譯碼顯示電路、脈沖發(fā)生電路和控制電路等幾部分組成的，其中控制電路按照設計要求可以由校分電路、清零電路和報時電路組成。具體的原理框圖如下：五、電路邏輯總原理圖及工作原理工作原理：由振蕩器產(chǎn)生的穩(wěn)定的高頻脈沖信號，作為數(shù)字鐘的時間基準，再經(jīng)分頻器輸出標準秒脈沖。秒計數(shù)器記滿60后向分計數(shù)器進位。計數(shù)器的輸出經(jīng)譯碼器送顯示器。記時出現(xiàn)誤差時可以用校時電路進行校分，校秒。擴展電路必須在主體電路正常運行的情況下才能進行功能擴展。六、各單元電路原理及邏輯設計1.秒脈沖發(fā)生電路脈沖信號發(fā)生電路完成為計時電路提供計數(shù)脈沖的功能。實驗中采用3

5、2768Hz的石英晶體多諧振蕩器作為脈沖信號源。經(jīng)分頻器CD4060的多級分頻，從Q14Q4可分別獲得2，4，8，····1024,2048Hz等不同頻率的輸出信號。再將2Hz的脈沖信號經(jīng)二分頻電路得到1Hz的秒脈沖信號。D觸發(fā)器可實現(xiàn)倍頻器。將D觸發(fā)器的端與D端扭接在一起實現(xiàn)倍頻器，則Q端的輸出信號即為1Hz的秒脈沖信號。另外，4060的管腳Q4和管腳Q5提供2kHZ，1kHZ備用。器件：32768Hz晶體管、20M電阻、20PF電容、10PF電容、CC4060、74LS74。2.計時電路 計時電路由分計數(shù)器、秒十位計數(shù)器、秒個位計數(shù)器構成。分計數(shù)器和

6、秒個位計數(shù)器用CD4518BCD碼計數(shù)器直接實現(xiàn)十進制計數(shù)功能；秒十位計數(shù)器由74LS161做成一個從00000101的模六計數(shù)器實現(xiàn)。連接時，脈沖信號發(fā)生器生成的1HZ脈沖信號送入秒個位計數(shù)器（CD4518A）的CP端，秒個位單元中的輸出Q1、Q4通過一個與非門接入74LS161的時鐘端作為時鐘信號完成秒個位與十位的級聯(lián)（接與非門是因為74LS161的CLK是上升沿觸發(fā)，而1Q4在90的跳變時是下降沿 “1001”“0000”）。秒十位記數(shù)的模六用反饋置數(shù)法，2Q1和2Q3通過一與非門接入置數(shù)端，同時數(shù)據(jù)輸入端均接地，實現(xiàn)00000101的模六功能。將計數(shù)位2Q1、2Q3與非后作為驅(qū)動信號送

7、入分計數(shù)器（CD4518B）的EN端，完成分計數(shù)。則數(shù)字計數(shù)器整體的計數(shù)功能即可實現(xiàn)。1Hz時鐘信號器件:CD4518、74LS161、74LS00秒個位輸出秒十位輸出分位輸出3.譯碼顯示電路顯示電路采用三片CD4511顯示譯碼器和三個七段共陰數(shù)碼管，電路從0分00秒計到9分59秒。四線七線譯碼器CD4511的，分別接高電平， LE端接低電平，此時器件處于譯碼狀態(tài)。電路連接過程中將CD4518計數(shù)器輸出QA，QB，QC，QD與譯碼器CD4511的輸入A，B，C，D對接。由于LED數(shù)碼管實際上是一組發(fā)光二極管，因此將譯碼器的輸出a，b，c，d，e，f，g分別與數(shù)碼管的相應端對接。連接CD4511

8、與顯示器時，應當在兩者的管腳之間串上300的電阻，用來限流。器件: CC4511、300電阻、LED共陰數(shù)碼管。原理圖:接計時電路5、清零電路 該電路完成開機清零和控制清零功能。其中秒個位和分位的清零端即CC4518的管腳7和15（高電平有效）接在第一個非門之后，秒十位74LS161的清零端即管腳1（低電平有效）接在第二個非門之后。剛開機時，由于電容上的電壓不能突變，電容兩端為低電平，經(jīng)過第一個非門輸出高電平，接到CC4518的管腳7和15，實現(xiàn)秒個位和分位的清零。在經(jīng)過第二個非門輸出低電平，接到74LS161的管腳1，實現(xiàn)秒十位的清零。開機后，開關打開為正常工作狀態(tài)，按下開關后，電容被短路，

9、第一個非門的輸入端為低電平，兩個非門的輸出端分別為高電平和低電平，原理同上，實現(xiàn)控制清零功能 （異步清零）。器件：CC4069、10K電阻、22F電容。接4518清零端（分位和秒個位）接74161清零端（秒十位）4、校分電路當校分電路開關打開時，計數(shù)器正常計數(shù)；當開關合上時，秒個位和秒十位正常計數(shù)，分位進行快速校分，即分計數(shù)器可以不受秒計數(shù)器的進位信號的控制。其工作原理是：當校分開關打開即在“1”電平，與非門2被選通，與非門1被封鎖，秒進位產(chǎn)生的脈沖送至分計數(shù)器的時鐘端；當開關關閉即在“0”電平時，與非門1被選通，與非門2被封鎖，校分信號送至分計數(shù)器的時鐘端。由于校分電路的信號直接送到分計數(shù)器

10、的時鐘端，開關的顫動產(chǎn)生的脈沖會導致分計數(shù)器的觸發(fā)，從而影響校分功能，所以對校分開關應加一個RS鎖存器構成消顫開關。器件：22f電容，10k電阻，74LS00消顫開關接74LS161LD引腳接分位時鐘端輸入2Hz計數(shù)脈沖6.報時電路該電路完成報時功能。設計要求為在9分53秒、9分55秒、9分57秒各報出一個低音，在9分59秒報出一個高音。具體設計過程如下：各時刻各位對應的二進制碼如下圖：時間（DEC）分位（BIN）秒十位(BIN)秒個位（BIN）9:531001010100119:551001010101019:571001010101119:591001010110011將秒個位的3（001

11、1）、5（0101）、7（0111）取或，通過卡諾圖的化簡可得應該從秒個位取1Q1（1Q2+1Q3）21Q1（1Q2+1Q3）&分位的9（1001）&秒十位的5（0101），所得的結果和1KHz的信號與就可得到在9分53秒、9分53秒、9分57秒報出低音的驅(qū)動信號。3分位的9（1001）&秒十位的5（0101）&秒個位的9（1001）&2KHz的信號與就得到在9分59秒報出高音的驅(qū)動信號。4將2和3中得到的信號取或，就可以得到最終的報時驅(qū)動信號。器件：74LS21、74LS32、蜂鳴器、三極管。原理圖：秒個位D秒個位A2kHz信號秒個位A1kHz信號秒個

12、位B秒個位C分位D分位A秒十位C秒十位A7.起停原理及電路圖(7分57秒自動停止5秒)自動起停就是在某一個設定時刻自動停止，在設定好的一定時間后，記時又自動重新開始，在此過程中無須人工干預。此次自動起停功能具體設計為：在7分57秒自動停止5秒后又重新開始計數(shù)。根據(jù)74161的功能表，當沒到設定的停止時間時，LOAD一直是“0”信號輸入，使得在置數(shù)輸入端預置的0111置數(shù)至端，由端與1Hz求與后輸入秒個位的CP端，正常計數(shù)。直至7分57秒，“1”信號輸入LOAD，74161在1Hz的脈沖信號下，0111，1000，1001，1010，1011計數(shù)，端輸出“0”信號，1Hz的信號無法進入秒個位的信

13、號端，正好五秒的等待，端重新輸出為“1”。完成自動起停功能。原理圖: 1Hz信號連接秒個位時鐘信號輸入端秒個位A秒個位B秒個位C秒十位A秒十位C分位C分位B分位A七、實驗中遇到的問題（產(chǎn)生原因及解決方法）1、在接完秒脈沖發(fā)生電路之后,用示波器觀察輸出端口信號發(fā)現(xiàn)輸出波形不是一條規(guī)則的上下跳變的直線,諧波分量較多,原因是受到外界干擾較大,后來將電路進行優(yōu)化,能直接用管腳相連的地方盡量不用導線,最后問題圓滿解決,在示波器上觀察到規(guī)則的上下跳變波形。2、在接完顯示電路后進行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)秒十位上的數(shù)為一個不變的數(shù)，不能完成計數(shù)功能。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)74LS161的一些不用的管腳沒有連接高電平而是直接懸空，在將

14、暫時用不到的引腳重新連接高電平后，秒十位能完成模六計數(shù)功能。3、在連接好較分電路進行測試時,發(fā)現(xiàn)合上較分開關后分為始終顯示8(即所有數(shù)碼管均被點亮)不變。重新連線后問題依舊存在,最后發(fā)現(xiàn)原來是本來應該接2Hz信號的端口錯接到了2kHz上,以至分為變化太快給人以始終全亮的感覺。改接回2Hz信號后較分正常。4、連接好報時電路進行測試時，不能在設計的時間點報時，而是在每分鐘的20秒到30秒時間段內(nèi)持續(xù)報時，經(jīng)檢查電路，原來是將本應該從4511芯片輸入端引出的分、秒各位信號錯誤地從4511的輸出口的對應位置引出，經(jīng)改接回來后報時正常。八、實驗總結體會實驗過程總體來說還算順利，由于大二下學期模電實驗使用

15、的是相同的電路板等實驗儀器，對于電路的搭建方法和注意事項已基本熟悉，第一天不到一個小時即完成了9分59秒計時電路的搭建和調(diào)試，但后來由于較分電路的消顫開關的設計有問題花費了大量時間進行改進和調(diào)試，另外報時電路部分線路由于疏忽接錯了位置也耗費了不少時間。最終于第二天順利完成所有電路（附加電路是起停）。相比于前面的模電實驗，這次實驗綜合性較強，最大難點在于沒有現(xiàn)成的電路，所有的電路都需要自己根據(jù)要求進行設計。其實本次實驗真正花在實驗室中搭建電路的時間只是九牛一毛，而實驗前的準備階段才是真正的考驗。對于我這種之前幾乎沒有任何電路設計經(jīng)驗的人來說設計過程之艱難與痛苦可想而知。首先先要查閱資料熟悉所給的

16、每一個芯片的功能和使用方法，然后針對要求設計電路并用軟件仿真，在此期間查閱了大量資料也參考了一些他人的方案，經(jīng)過討論、修改最終完成總電路的設計，可謂千呼萬喚始出來完成了電路的設計，也算是跨過了最大的難關，接下來就是進實驗室搭建電路。搭建電路最重要的就一個 “穩(wěn)”字，切忌心浮氣躁。首先腦海中必須思路清晰：自己正在搭建電路的哪一塊，下一步要連哪根線，同時每連完一塊芯片后最好能檢查一下，畢竟如果因為一些小失誤最后不得不返工就因小失大了。在每搭建完一部分電路后要及時進行調(diào)試檢測，比如搭完脈沖產(chǎn)生電路后可以用示波器觀察脈沖輸出端是否有5V的1Hz脈沖，再如搭完顯示電路后即可檢驗電路是否正常（此時沒有用到

17、的芯片的引腳要根據(jù)功能相應置1或置0）。9分59秒計時功能是這次實驗的最基本功能，在它能正常工作的前提下才能向下進行搭建。在電路搭建過程中如果發(fā)現(xiàn)之前的電路有問題經(jīng)簡單調(diào)試或檢查無過的情況下最好是把相應模塊線都拔了重新連接，畢竟線實在太多，檢查起來力不從心而且很容易產(chǎn)生浮躁情緒，進而形成惡性循環(huán)。這次試驗中也讓我了解到有許多小竅門可以用來方便檢查錯誤。如元件的布局要合理，并且元件之間的連線要做到盡量少交叉，連線要清晰；不同功能的元件或者端口之間可以用不同的顏色的線加以區(qū)分；整個實驗的電路比較復雜，但都是建立在簡單的單一功能基礎上的，因此每一部分的電路是下一步的基礎，一定要做到每一部分線路正確，

18、然后再開始下一部分電路的連接。全部連好之后，要認真檢查，無誤后再加電源，以免燒毀元件。 總之本次實驗對于我的自學解決問題的能力和理論結合實踐能力都是一次絕佳的鍛煉，最后在此感謝老師給予的指導和建議以及同學給予的幫助！附錄1、參考文獻電子線路實踐教程 王建新 姜萍 編著 科學出版社數(shù)字電路 蔣立平 編著 兵器工業(yè)出版社2、總電路圖3、元器件清單工具：剪刀、鑷子、剝線鉗 元器件清單：名稱型號數(shù)量顯示字共陰3譯碼器CC45113BCD碼計數(shù)器CC45181四位二進制計數(shù)器74LS1612分頻器CC40601D觸發(fā)器74LS741非門CC40691二入與非門74LS002四入與門74LS212二入或門74LS321晶振32768Hz1蜂鳴器1電容10p120p122u2電阻3302110k222M14、芯片管腳圖及功能表 功能表：CC4518邏輯功能表輸入輸出CrCPEN清零1××