電工電子實驗論文 電子計時器

1、電工電子綜合試驗（）電子計時器學院： 班級：學號：姓名： 電子計時器一. 實驗?zāi)康模?. 掌握常見集成電路的工作原理及使用方法。2. 學會單元電路的設(shè)計方法。二、實驗要求： 設(shè)計實現(xiàn)從00分00秒到59分59秒的數(shù)值計時器，并具有清零、分鐘校分、整點報時的功能。三、實驗內(nèi)容：1. 設(shè)計實現(xiàn)信號源單元電路2. 設(shè)計實現(xiàn)從00分00秒到59分59秒計數(shù)，譯碼，顯示單元電路。3. 設(shè)計實現(xiàn)快速校分的單元電路(,帶防抖動電路，校分時秒不計數(shù))4. 設(shè)計實現(xiàn)任意時刻復(fù)位單位電路（）5. 設(shè)計實現(xiàn)整點報時的單元電路（59分53秒，59分55秒，59分57秒低音（），59分59秒高音（）6. 實現(xiàn)00分00

2、秒到59分59秒的報時計時器。四、實驗選用元器件選用器材 元件數(shù)量CD4040 1CD4518 2CD4511 4NE555 174LS00 374LS20 174LS21 274LS74 10.047F電容 11k電阻 13K電阻 1150電阻 4雙子共陰字屏 2蜂鳴器 1開關(guān) 2五、實驗原理及框圖：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，其中控制電路可以分為校分電路、清零電路和報時電路。其具體的原理框圖如下圖所示。譯碼顯示電路報時電路脈沖發(fā)生電路 計時電路清零電路校分電路下面對計時器的工作原理按其組成進行簡單說明：5.1 脈沖發(fā)生電路脈沖發(fā)生電路是為計時

3、器提供計數(shù)脈沖的，因為是計時器，所以需要產(chǎn)生1Hz的脈沖信號。這里采用NE555集成電路和分頻器CD4040構(gòu)成。5.2計時電路計時電路鐘的計數(shù)器，可以采用二-十進制加法計數(shù)器CD4518實現(xiàn)。60秒向分位進一位，將分和秒的個位、十位分別在七段數(shù)碼顯示器上顯示出來，從0分0秒到59分59秒，然后重新清零計數(shù)。5.3清零電路 電路中存在一個清零開關(guān)，當開關(guān)打到高電位“正?！睓n時，電路正常進行計數(shù)。當開關(guān)打到低電位“清零”檔時，在任何時刻，都可以進行計數(shù)器的清零。5.4譯碼顯示電路譯碼器可以采用CD4511通過330電阻來驅(qū)動共陰極顯示器。將分和秒的個位、十位分別在七段數(shù)碼顯示器上顯示出來。5.5

4、報時電路電路每小時進行一次報時，從59分53秒開始報時，每隔一秒發(fā)一聲，共三聲低音、一聲高音，且要求59分53秒、59分55秒、59分57秒為低音，59分59秒為高音，即為“嘀”、“嘀”、“嘀”、 “嗒”實際上，需要在某一時刻報時，就將該時刻輸出為“1”的信號作為觸發(fā)信號，選通報時脈沖信號，進行報時即可。5.6校分電路電路中存在一個校風開關(guān)，當開關(guān)打到高電位“正常”檔時，計數(shù)器正常計數(shù)；當開關(guān)打到低電位“校分”檔時，分計數(shù)器進行快速校分，分計數(shù)器可以不受秒計數(shù)器的進位信號控制，而選通一個頻率較快的校分信號進行校分。而秒計數(shù)器保持。在任何時候，撥動校分開關(guān)，可以進行快速校分。即令計時器分為快速計

5、數(shù)，而秒位保持。六、元器件的介紹（邏輯功能、引腳圖）6.1 NE555集成電路 NE555是在電子科技行業(yè)廣為應(yīng)用的一種集成電路，用途十分廣泛。在本電路中，構(gòu)成時鐘發(fā)生器，是整個電路的核心。其引腳圖如下圖所示 圖（1）NE555的引腳圖 圖（2） NE555的仿真實物圖其中引腳1為接地端，引腳2和引腳6為輸入端，引腳3為輸出端，引腳4為復(fù)位清零端，引腳5為調(diào)整端（通常空置或通過一個電容接地），引腳7位放電端，引腳8為電源。其邏輯功能表如下：表（1）NE555的邏輯功能表(引腳4 )Vi1(引腳6)Vi2(引腳2)VO(引腳3)0××010111不變6.2 CD4511四片（

6、譯碼）：CD4511是一個用于驅(qū)動共陰極 LED （數(shù)碼管）顯示器的 BCD 碼七段碼譯碼器，特點如下：具有BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動功能的CMOS電路能提供較大的拉電流?？芍苯域?qū)動LED顯示器。其引腳圖及元器件圖如下： 圖（3）CD4511的引腳圖 圖（4）CD4511元器件其邏輯功能說明如下：BI：4腳是消隱輸入控制端，當BI=0 時，不管其它輸入端狀態(tài)如何，七段數(shù)碼管均處于熄滅（消隱）狀態(tài)，不顯示數(shù)字。LT：3腳是測試輸入端，當BI=1，LT=0 時，譯碼輸出全為1，不管輸入 DCBA 狀態(tài)如何，七段均發(fā)亮，顯示“8”。它主要用來檢測數(shù)碼管是否損壞。 LE：鎖定控制端，當

7、LE=0時，允許譯碼輸出。 LE=1時譯碼器是鎖定保持狀態(tài)，譯碼器輸出被保持在LE=0時的數(shù)值。 A1、A2、A3、A4、為8421BCD碼輸入端。a、b、c、d、e、f、g：為譯碼輸出端，輸出為高電平1有效。 功能表如下表所示：表（2）CD4511的邏輯功能表輸入輸出LEDCBAgfedcba字符測燈0××××××11111118滅零10×00000000000消隱鎖存111××××顯示LE=01時數(shù)據(jù)譯碼110000001111110110000100001101110001010

8、1101121100011100111131100100110011041100101110110151100110111110061100111000011171101000111111181101001110011196.3 CD4518兩片（8421BCD碼十進制計數(shù)器）：CD4518時一種常用的8421BCD碼加法計數(shù)器。其引腳圖下圖所示： 圖（5）CD4518的引腳圖 圖（5） CD4518的實物仿真圖 每一片CD4518集成電路中集成了兩個相互獨立的計數(shù)器，每個計數(shù)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)功能表如下表（3）所示：表（3）CD4518的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖輸入輸出CRCPENQ3Q2Q1Q0清零1

9、5;×0000計數(shù)01BCD碼加法計數(shù)保持0×0保持計數(shù)00BCD碼加法計數(shù)保持01×保持6.4 74LS00三片（與非）：74LS00是一種十分常見的集成電路，其中集成了4個與非門，其引腳圖如下圖所示： 圖（6）74LS00的引腳圖 圖（7）74LS00的實物圖 其邏輯功能表如下表（4）所示：表（4）74LS00的邏輯功能表輸入輸出BAQ0000111011106.5 74LS20 一片（4輸入與非）：74LS20同樣是一種與非門集成電路，與74LS00不同的是它的每個與非門有4個輸入端。其引腳圖見下圖： 圖（8）74LS20的引腳圖 圖（9）74LS20的實物

10、圖其邏輯功能表見下表（5）：表（5）74LS20的邏輯功能表輸入輸出ABCDQ0XXX1X0XX1XX0X1XXX01111106.6 74LS21 三片（4輸入與門）：74LS21是一種4輸入與門集成電路。其引腳圖見下圖： 圖（10）74LS21的引腳圖 圖（11） 74LS21的元器件邏輯功能表（6）為：輸入輸出ABCDQ0XXX0X0XX0XX0X0XXX00111116.7 共陰極雙字屏兩塊：共陰極雙字屏引腳布局圖如圖（12）所示，使用時只需將數(shù)碼管的兩個GND引腳接地，其他引腳與CD4511的相應(yīng)引腳相連即可。 圖（12）共陰極雙字屏引腳布局圖 圖（13）共陰極雙字屏實物仿真圖其邏輯

11、功能表（8）為：表（8）共陰極雙字屏的邏輯功能表顯示字型gfedcba段碼001111113fh1000011006h210110115bh310011114fh4110011066h511011016dh611111017dh7000011107h811111117fh911011116fh6.8 74LS74 一片（D觸發(fā)）：74LS74集成電路是一種D觸發(fā)器。其引腳圖見下圖： 圖（14）74LS74的引腳圖 圖（15） 74LS74的仿真元件邏輯功能表（7）為：表（7）74LS74集成電路功能表輸入輸出CPDQ清零X01X01置“1”X10X10送“0”110O1送“1”11110保持O

12、11X保持不允許X00X不確定七各單元設(shè)計的思路及方法：7.1脈沖發(fā)生電路：脈沖發(fā)生電路是為計時器提供計數(shù)脈沖的，因為設(shè)計的是計時器，所以需要產(chǎn)生1Hz的脈沖信號。這里采用NE555集成電路和分頻器CD4040構(gòu)成。555定時器不僅體積小，而且用它來構(gòu)成多諧振蕩器，波形穩(wěn)定，上升沿和下降沿小，振幅大，占空比可調(diào)，因此越來越廣泛地被用作振蕩器。而后通過CD4040產(chǎn)生幾種頻率供后面使用。信號發(fā)生器：當將NE555連結(jié)成圖13所示的自激多諧振蕩電路時，輸出端為周期矩形波。 圖（16）NE555構(gòu)成的信號發(fā)生器 圖（17）NE555的仿真元器件將圖（16）中電阻和電容的數(shù)值代入上式，可得T=0.22

13、8ms， 將圖（9）所示電路的輸出端接至CD4040的輸入端，則可以在Q12輸出端得到頻率大致為1Hz的方波信號。另外，在Q11、Q3、Q2三個輸出端得到頻率大致為2Hz、500Hz和1kHz的信號。由此，脈沖發(fā)生電路部分如圖（18）所示。脈沖發(fā)生電路：脈沖發(fā)生電路仿真圖（10）如下：圖（18）脈沖發(fā)生電路7.2 計時器電路：（包含清零電路）兩個集成電路可用一片4518所集成的兩個計數(shù)器。分別用作個位計數(shù)器和十位計數(shù)器。由CD4040所輸出的1Hz的時鐘信號，每當時鐘信號出現(xiàn)下降沿則計數(shù)器加1。當清零端輸入0， EN端輸入時鐘信號且CP端為0時計數(shù)器進行計數(shù)。當輸出為1001時需要對十位進位，

14、考慮Q3端當且僅當輸出由1001變?yōu)?000時出現(xiàn)下降沿，于是直接將Q3端作為十位計數(shù)器的輸入時鐘信號。考慮電路清零模塊，所以當使用其作為分和秒的個位進行計數(shù)時不需對其進行反饋清零，而用其進行分和秒的十位計數(shù)時，需要在Q3 Q2 Q1 Q0輸出0110時對其進行清零（因為CD4518是異步清零）。使用兩個與非門（圖中空置的輸入端為清零輸入端）。當CD4518這就使得其在短暫輸出0110后立即被清零成0000。由于計時器分秒工作原理基本一致，所以秒的計數(shù)器電路原理及實物仿真圖（19）如下所示：圖（19）秒的計數(shù)器電路原理及實物仿真圖同時考慮當且僅當十位輸出由0101經(jīng)過短暫的0110變?yōu)?000

15、時Q2輸出一個下降沿，于是利用其通過校分電路向分鐘位進位。7.3 清零電路：清零電路為了考慮到防抖動，因此在這里也采用觸發(fā)器來實現(xiàn)。因為前面74LS74還有一端沒有用著，正好可以利用剩余的部分接到開關(guān)上來實現(xiàn)同步清零。其邏輯電路圖如下圖（20）所示：圖（20）清零電路的邏輯電路及實物仿真圖正常狀態(tài)下，開關(guān)打在高電平，電路正常工作。當需要清零時，打到低電平位置，Q端輸出低電平，根據(jù)前面計時電路的電路圖，可以分析出秒和分的十位得以清零。輸出高電平，直接輸出到4518的Cr端。根據(jù)CD4518的功能表當Cr端為高電平時，進行清零。所以秒和分的個位得以清零。7.4 顯示電路：根據(jù)CD4511的邏輯功能

16、表可知，當 輸入為1而LE輸入為0時其7個輸出端分別輸出一定的信號。所以只需將這些信號接入8段數(shù)碼管相對應(yīng)的引腳即可使其顯示我們所需要的數(shù)字。然而實際上需要在每個顯示器的GND相應(yīng)的接入一個阻值為150的電阻以防電流過大使數(shù)碼管燒毀。由此可得，顯示部分電路如圖（21）所示。圖（21）部分電路圖中左側(cè)四個輸入端分別連接CD4518的4個輸出端。這樣8段數(shù)碼管就可以正常顯示計數(shù)器所記載的數(shù)字編碼了。由于電路的顯示部分不會出現(xiàn)小數(shù)，故8端數(shù)碼管的小數(shù)點引腳懸空。其實際連線仿真圖如下圖（22）所示：圖（22）顯示電路的實際仿真圖7.5 報時電路：電路每小時進行一次報時，從59分53秒開始報時，每隔一秒

17、發(fā)一聲，共三聲低音、一聲高音。即59分53秒、59分55秒、59分57秒為低音，59分59秒為高音。實際上，需要在某一時刻報時，就將該時刻輸出為“1”的信號作為觸發(fā)信號，選通報時脈沖信號，進行報時即可。對于這一要求，我們可以列一張表來形象的看出這一性質(zhì)，見下表（9）：表（9）蜂鳴器發(fā)聲情況時刻分十位分個位秒十位秒個位音高頻率m8m7m6m5m4m3m2m1s8s7s6s5s4s3s2s159分53秒0101100101010011低約500Hz59分55秒0101100101010101低約500Hz59分57秒0101100101010111低約500Hz59分59秒010110010101

18、1001高約1000Hz設(shè)使蜂鳴器發(fā)出低音的500Hz信號為f3，使蜂鳴器發(fā)出高音的1000Hz信號為f4，則可以確定蜂鳴器的輸入信號k與各變量由如下關(guān)系： K這樣，將k經(jīng)過三極管的放大接入蜂鳴器，就可以在所期望的時候進行報時了。具體邏輯電路圖如下圖所示：圖（23）報時電路的邏輯圖實際連線仿真圖如下圖所示：圖（24）報時電路的實際仿真圖7.6 校分電路：校分電路要實現(xiàn)的功能：電路中存在一個開關(guān)，當開關(guān)打到“正?！睓n時，計數(shù)器正常計數(shù)；當開關(guān)打到“校分”檔時，分計數(shù)器進行快速校分（即分計數(shù)器可以不受秒計數(shù)器的進位信號控制，而選通一個頻率較快的校分信號進行校分），而秒計數(shù)器保持。在任何時候，撥動校

19、分開關(guān)，可以進行快速校分。即令計時器分為快速計數(shù)，而秒位保持。由于D觸發(fā)器的輸出端只在時鐘的上升沿變化，而其他時刻保持上一次的電平，故可以用其構(gòu)成防顫抖電路，在校分電路中有其應(yīng)用。在電路中添加一個D觸發(fā)器效果會比較好。 在這里我們采用74LS74 D觸發(fā)器，它包括了兩個觸發(fā)器，校分電路中用到一個，而清零電路中也可用到一個，可以很好的防抖動。以下是它的原理及仿真圖，見下圖（25）：圖（25）校分電路的仿真圖其中輸出端直接與分計時器的個位時鐘端相連接。正常計時狀態(tài)下，開關(guān)連接高電平，此時Q端輸出高電平，總輸出端的信號與秒的十位進位信號相同。當開關(guān)連接低電平時，Q端輸出低電平，總輸出端輸出信號為2H

20、z的時鐘信號。此電路防顫抖的原理在于：當開關(guān)在兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時，由于機械振動，在很短的時間中（常為幾毫秒）會在高低電平之間來回波動，相應(yīng)的產(chǎn)生幾個上升沿。如果直接將開關(guān)的輸出端直接連接至分個位的時鐘的話，這些上升沿將導(dǎo)致它瞬間跳變幾個數(shù)值。然而在加上D觸發(fā)器之后，由于在沒有時鐘上升沿的時候，輸出信號保持，而其時鐘頻率相對與顫抖頻率是很小的，也就是說在開關(guān)顫抖過程中觸發(fā)器的輸出是不變的，從而避免了分計數(shù)器數(shù)值的跳變。綜上五部分，數(shù)字計時器電路的原理圖如圖（26）所示:圖（26）數(shù)字計時器電路的總的原理圖八、 實驗總結(jié)與體會：通過上學期數(shù)電相關(guān)知識的學習，同時又加上上學期的四次數(shù)電小實驗作為基礎(chǔ)

21、，在這學期的開始，我就迎來了自己大三生涯的第一門課程：電工電子綜合實驗一門動手性很強的實驗。對于平時注重理論課程，而缺乏實驗課程的我們來說，這次的電工電子實驗對我即使鍛煉學習的機會，同時也是挑戰(zhàn)。實驗前的準備：自己在實驗之前做了很充分的準備，例如利用互聯(lián)網(wǎng)查閱相關(guān)的電路圖，了解每個元件的工作原理及邏輯功能，了解模塊之間的功能及產(chǎn)生的效果，熟悉整體構(gòu)造，能的處理一些簡單的接線問題。實驗中的過程（注意事項）：自己是第二天來做實驗的，當?shù)弥覀儼嗌系谝慌鰧嶒灥暮芏嗳嗽诘谝惶炀屯瓿闪穗娐返牟寰€時，自己的信心有所增加。但當自己第二天上午去插線時才發(fā)現(xiàn)，很多事情并沒有自己想象的那么簡單。線路十分多而且雜

22、亂，想要有層次，有條理的搭接電路是一件很困難的事。而且17塊元器件，如何有效的擺放也是一件十分講究且重要的事情。擺放的不好，很有可能導(dǎo)致插線太密而造成混亂。線的選取也很重要，長短要適中，不然會擋住其他插線的位置。最后，也是最關(guān)鍵的一步就是當插好的電路出現(xiàn)問題時如何檢查電路。如果不會檢查，那就只有拔了重插，無疑這是一件很重要的一步。實驗中所遇到的問題及自己的解決辦法：首先，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。其次，連接好報時電

23、路進行測試時，不能在設(shè)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(yīng)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(yīng)位置引出，經(jīng)改接回來后報時正常。實驗后的感想：首先，要熟悉電路圖，對計時器的各種功能進行分析，并且結(jié)合數(shù)字電路所學知識及所給的元器件和電路圖認真分析個一個部分電路的功能和原理。其次，實驗線路連接要有層次，有條理。電路分塊搭接，電源，地線首先搭好，各塊電路用不同顏色連線加以區(qū)別，方便線路檢查。連線長短要合適，避免交叉，為拆線帶來方便。增強安全意識，電路出現(xiàn)問題迅速斷電，避免造成元器件損壞。再者計數(shù)器電路難度不大，正確的

24、分析好進位的特點，選好進位管腳即可，但是由于后面要接入校分和清零電路的信號，所以還得注意一些。最后是校分和清零電路，要注意它們分別和計數(shù)器中哪些端口連接，不能接錯，而這一部分電路采用D觸發(fā)器，巧妙的防止了抖動和實現(xiàn)了任意狀態(tài)清零。實驗對自己的幫助： 這次試驗教會了我許多，長達將近半天的插線培養(yǎng)了我的毅力與堅持不懈的精神，對錯誤電路的分析讓我學會了如何自己來解決問題，同時在實際的動手插線中，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)分等。最后，感謝老師在實驗中的幾次重要提醒與幫助，感謝同學對我的支援。也感謝學校提供給我這次良好的學習機會。九. 對電路的改進與創(chuàng)新：1、用晶振代替NE555 來產(chǎn)生高頻脈沖信號。經(jīng)過公式推導(dǎo)可知， 由NE555 構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生脈沖信號的周期為T=（R1+2R2）Cln2 0.7(R1+2R2)C 再經(jīng)過CD4040 分頻器的分頻，最終輸入CD4518 的計數(shù)脈沖不是準確的1