數(shù)字計時器電子電工實驗報告.docx

電子電工綜合實驗多功能數(shù)字計時器設(shè)計姓名：劉洋洋學(xué)號：0904210139班級：電信一班院系：電光院專業(yè)：電子信息工程I、設(shè)計要求一、 實驗?zāi)康模?、 掌握常見集成電路工作原理和使用方法。2、 學(xué)會單元電路設(shè)計與組合方法。二、 實驗要求：實現(xiàn)00分00秒59分59秒數(shù)字計時器。三、 實驗內(nèi)容：1、 設(shè)計實現(xiàn)信號源電路（f1=1Hz,f2=2Hz,f3=500Hz,f4=1KHz）。2、 設(shè)計實現(xiàn)00分00秒59分59秒數(shù)字計時器（計數(shù)、譯碼、顯示）。3、 設(shè)計實現(xiàn)快速校分電路（K1，2Hz,校分時秒停止，含防抖動功能）。4、 設(shè)計實現(xiàn)可在任意時刻復(fù)位（K2）。5、 設(shè)計實現(xiàn)整點報時電路（59分53秒、59分55秒、59分57秒【三低f3】,59分59秒【一高f4】）。6、 整體完成00分00秒59分59秒數(shù)字計時器電路。四、 實驗器材：1、 集成電路：NE555一片(多諧振蕩)CD4040一片（分頻）CD4518兩片（8421BCD碼十進制計數(shù)器）CD4511四片（譯碼）74LS00三片（與非）74LS20一片（4輸入與非）74LS21三片（4輸入與門）74LS74一片（D觸發(fā)）2、 電阻：1K（一只） 3K（一只） 150（四只）3、 電容：0.047uf（一只）4、 共陰極雙字屏兩塊。五、數(shù)字計時器邏輯框圖譯碼顯示電路報時電路 計時電路 脈沖發(fā)生電路 校分電路 清零電路 、各單元設(shè)計方法、過程、邏輯圖一、 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。當(dāng)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13 周期矩形波發(fā)生電路震蕩周期T=0.695（）C，其中，所以，f=4373.401Hz，產(chǎn)生大約為4kHz 的脈沖。將圖13所示電路的輸出端接至CD4040的輸入端，從輸出端得到分頻信號1Hz（f1），作為時鐘信號；從輸出端得到分頻信號2Hz（f2），提供給校分電路D觸發(fā)器CP端和校分信號；從和輸出端分別得到8分頻、4分頻信號500Hz（）和1KHz（），提供給報時電路。于是脈沖發(fā)生電路部分如圖14所示。f2f1f3f4 圖14 脈沖發(fā)生電路二、 00分00秒59分59秒計時器電路：該電路由CD4518及74LS00組合得到。由CD4518的功能表可知，當(dāng)清零端輸入0，EN端為1且CP端輸入時鐘信號或者清零端輸入0，EN端輸入時鐘信號且CP端為0時計數(shù)器進行計數(shù)。其輸出端QD QC QB QA輸出從0000到1001的循環(huán)（本設(shè)計采用后者）。所以當(dāng)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QD QC QB QA輸出0110時對其進行清零（因為CD4518是異步清零）。所以Cr2=2QC2QB，Cr4=4QC4QB。在計時過程中，當(dāng)秒個位的狀態(tài)1QD1QC1QB1QA=1001時，秒十位需要接收一個進位信號來實現(xiàn)進位，即秒十位時鐘端EN2接收的脈沖信號產(chǎn)生由“1”到“0”的變化時秒十位開始計數(shù)，從而實現(xiàn)進位。1QD只在秒個位狀態(tài)由1001轉(zhuǎn)變?yōu)?000時產(chǎn)生由“1”到“0”的變化。綜上分析可得EN2=1QD。同樣可以分析得到：分個位時鐘端EN3=2QC，分十位時鐘端EN4=3QD。秒個位時鐘端外接脈沖信號。帶有清零電路的六十進制計數(shù)器邏輯電路圖如圖15所示。校分保持秒位信號清零信號秒個位f1=1Hz清零信號清零信號清零信號秒十位分個位分十位 圖15 計時器邏輯電路圖三、 譯碼顯示電路：根據(jù)CD4511的邏輯功能表可知，當(dāng)、 輸入均為1而LE輸入為0時其7個輸出端分別輸出一定的信號。只需將這些信號接入雙字共陰顯示器相對應(yīng)的引腳即可使其顯示我們所需要的數(shù)字。然而實際上我們需要在每個CD4511的輸出端和數(shù)碼管相應(yīng)的輸入端之間接入一個阻值為330的電阻以防電流過大使數(shù)碼管燒毀。由于電路的顯示部分不會出現(xiàn)小數(shù)，故雙字共陰顯示器的小數(shù)點引腳懸空。顯示部分電路如圖16所示。從CD4518輸出端接入信號圖16 譯碼顯示電路圖四、 控制器電路：1、 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(dāng)開關(guān)打到“正?！睓n時，計數(shù)器正常計數(shù)；當(dāng)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。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，當(dāng)開關(guān)在高低電平兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時，由于機械振動，在很短的時間內(nèi)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。故可以用其構(gòu)成防顫抖電路。校分電路如圖17所示，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(dāng)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2Hz的時鐘信號。秒計數(shù)器個位時鐘端（CP）秒計數(shù)器十位進位端分計時器個位時鐘端校分開關(guān)f2=2Hz圖16 校分電路圖2、 復(fù)位電路：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)。分、秒十位清零端f2=2Hz電路如圖17所示，正常狀態(tài)下，開關(guān)打在高電平，電路正常工作。當(dāng)需要清零時，打到低電平位置，Q端輸出低電平，根據(jù)計時器電路圖（圖15），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CD4518的Cr端。根據(jù)CD4518的功能表（表2）當(dāng)Cr端為高電平時，進行清零。所以秒和分的個位得以清零。分、秒個位清零端清零開關(guān)圖17 清零電路圖五、 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。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)：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0101100101011001高約1000Hz對于分的十位個位和秒的十位，在鳴響的時候給出的信號應(yīng)該是一樣的。所以公示中有共同項m7m5m4m1s7s5,剩下的就是考慮秒個位的區(qū)別在s1為1時，s3，s2中有一個為1即發(fā)出500HZ的低聲鳴響，在s4為1時發(fā)出1000HZ的高聲鳴響。因此，總結(jié)得出公式為： F ，其中F為最后要傳到揚聲器中的信號,f3為500HZ信號，f4為1KZ的信號。S4f4f3S3f3S2S5S1S7m1m4m5m7具體電路圖如下圖（圖18）：圖18 清零電路、各元件引腳布局圖及邏輯功能一、 NE555一片(多諧振蕩)：1、 引腳布局圖：圖1 NE555引腳布局圖圖2 NE555內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2、 邏輯功能表：(引腳4 )Vi1(引腳6)Vi2(引腳2)VO(引腳3)001 VccVcc01 VccVcc11Vcc不變表1 NE555邏輯功能表二、 CD4040一片（分頻）：1、 引腳布局圖：圖3 CD4040引腳布局圖2、 邏輯功能說明：CD4040是一種常用的12分頻集成電路。當(dāng)在輸入端輸入某一頻率的方波信號時，其12個輸出端的輸出信號分別為該輸入信號頻率的2-12-12，在電路中利用其與NE555組合構(gòu)成脈沖發(fā)生電路。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。引腳圖如圖3所示，其中VDD為電源輸入端，VSS為接地端，CP端為輸入端，CR為清零端，Q1Q12為輸出端，其輸出信號頻率分別為輸入信號頻率的2-12-12。三、 CD4518兩片（8421BCD碼十進制計數(shù)器）：1、 引腳布局圖：圖5 CD4518引腳布局圖2、 邏輯功能說明：CD4518時一種常用的8421BCD碼加法計數(shù)器。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)圖如圖6所示。3、 邏輯功能表：輸入輸出CRCPENQ3Q2Q1Q0清零10000計數(shù)01BCD碼加法計數(shù)保持00保持計數(shù)00BCD碼加法計數(shù)保持01保持表2 CD4518邏輯功能表四、 CD4511四片（譯碼）：1、 引腳布局圖：圖7 CD4511引腳布局2、 邏輯功能表：輸入輸出LEDCBAgfedcba字符測燈011111118滅零1000000000000消隱鎖存111顯示LE=01時數(shù)據(jù)譯碼110000001111110110000100001101110001010110112110001110011113110010011001104110010111011015110011011111006110011100001117110100011111118110100111001119表3 CD4511邏輯功能表五、 74LS00三片（與非）：1、 引腳布局圖：圖8 74LS00引腳布局圖2、 邏輯功能表：輸入輸出BAQ000011101110表4 74LS00邏輯功能表六、 74LS20一片（4輸入與非）：1、 引腳布局圖：圖9 74LS20引腳布局圖2、 邏輯功能表：輸入輸出ABCDQ0XXX1X0XX1XX0X1XXX0111110表5 74LS20邏輯功能表七、 74LS21三片（4輸入與門）：1、 引腳布局圖：圖10 74LS21引腳布局圖2、 邏輯功能表：輸入輸出ABCDQ0XXX0X0XX0XX0X0XXX0011111表6 74LS21邏輯功能表八、 74LS74一片（D觸發(fā)）：1、 引腳布局圖：圖11 74LS74引腳布局圖2、 邏輯功能表：輸入輸出CPDQ清零X01X01置“1”X10X10送“0”110O1送“1”11110保持O11X保持不允許X00X不確定表7 74LS74邏輯功能表九、 共陰極雙字屏兩塊：1、 引腳布局圖：圖12 共陰極雙字屏引腳布局圖2、 邏輯功能表：顯示字型gfedcba段碼001111113fh1000011006h210110115bh310011114fh4110011066h511011016dh611111017dh7000011107h811111117fh911011116fh表8 共陰極雙字屏邏輯功能表IV、 完整計時器電路圖一、 總邏輯圖：二、總元件圖：、實驗收獲及體會在本次實驗中我了解和掌握了數(shù)字電路實驗的布線要求：1、為了查找方便，連線應(yīng)該盡量用不同的顏色。例如，正電源一般用紅色絕緣皮的線，負(fù)電源用藍(lán)色，地線用黑色，信號線用黃色，也可根據(jù)條件選用其他顏色導(dǎo)線。2、多次使用過的集成電路的引腳，必須修理整齊，引腳不能彎曲，所有的引腳應(yīng)稍向外偏，這樣才能使引腳與插孔接觸良好。3、自行剪線，要根據(jù)連線的距離以及插入插孔的長度剪斷導(dǎo)線，導(dǎo)線兩頭各留6mm左右作為插入插孔的長度較合適，裸線不能太長以免出現(xiàn)短路。4、須使連線從集成電路周圍通過，不允許跨接在集成電路上，也不要使導(dǎo)線互相重疊在一起，盡可能做到橫平豎直，這樣有利于查線，更換器件及連線。5、為使電路能夠正常工作與測量，所有的地線必須連在一起，形成一個公共地參考點。 無可否認(rèn)機械時代已經(jīng)過去，電子時代已經(jīng)到來。做為新時代的我們，更應(yīng)該提高自身能力，適應(yīng)新時代的發(fā)展。知識來自實踐，多去生活中探詢所需要的。對于上述所提到的研究課題，我們應(yīng)盡量考慮到人的因素，增強時鐘的實用性和操作性，為使用者提供切實的方便，營造一種舒適的生活氛圍。所以，在設(shè)計的時候，應(yīng)該從多方面、多角度去考慮問題，而且應(yīng)該進一步提高時鐘的質(zhì)量。實驗中在連圖的過程中本想先連每一部分的內(nèi)部電路，但是后來忽略了接地端的問題，接地端應(yīng)為低電平。然而，我只接好了內(nèi)部電路，忽略了接地，所以接地端懸空，一直為高電平，所以電路不進行計數(shù)，顯示一直為0，結(jié)果以為電路存在連接問題，一直在尋找錯誤，空忙活了一個小時。所以以后在實驗過程中，一定注意每一個細(xì)節(jié)，并且養(yǎng)成分析錯誤原因的習(xí)慣，不能盲目的估計錯誤。這次綜合實驗，再次讓我認(rèn)識到了做數(shù)電實驗一定要有耐心，遇到自己的電路出不來結(jié)果不要急，以一顆平常心來做，每個人都可以完成實驗，然而要是自己心里發(fā)慌，那肯定會影響自