多功能計時電路的設計

1、研究生電類綜合實驗（C1）系: 名:材料科學與工程學院口，號:指導教師: 實驗日期:話:績:多功能計時電路的設計數(shù)字鐘1. 設計內(nèi)容簡介要求大家運用所學集成電路的工作原理和使用方法，學會在單元電路的基礎上進行 小型數(shù)字系統(tǒng)設計。要求設計一個數(shù)字計時器，可以完成0分00秒一9分59秒的計時功能，并在控制電路的作用下具有開機清零、快速校分功能。采用中小規(guī)模集成電路實 現(xiàn)，培養(yǎng)大家分析問題解決問題的能力，提高大家設計電路、調(diào)試電路的實驗技能。設計制作一個0分00秒9分59秒的多功能計時器，設計內(nèi)容如下：1）設計一個脈沖發(fā)生電路，為計時器提供秒脈沖（1HZ 02）設計計時電路：完成0分00秒9分59秒

2、的計時、譯碼、顯示功能；3）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 對計時器進行手動清零。4）設計校分電路：在任何時候，撥動校分開關，可進行快速校分。（選做）5）系統(tǒng)級聯(lián)。將以上電路進行級聯(lián)完成計時器的所有功能。2. 總體電路連接圖圖總體電路連接圖3.實驗原理及框圖圖三位計時器示意圖計時電路示意圖如圖所示，計時電路完成計時功能，并且將計時結(jié)果傳送至顯示電路，進 而實現(xiàn)顯示功能。原理框圖如圖所示，主要由計時電路，秒信號發(fā)生電路，清零電路和譯碼顯 示電路組成。計時電路在秒信號的作用下，產(chǎn)生0:00-9:59的循環(huán)計時，清零電路控制計時電路的清零端，實現(xiàn)時鐘的清零，最

3、終將計時電路的輸出送至譯碼顯示電路，實現(xiàn)時鐘的顯示。圖數(shù)字鐘的原理框圖4單元電路設計1秒信號發(fā)生電路圖秒信號發(fā)生電路秒信號發(fā)生電路為計時電路提供驅(qū)動信號，電路原理如圖所示。為提供較為精確的 秒信號，本設計中振蕩電路采用 215Hz的石英晶體管為主體的晶振電路，并作為電路的秒 信號源。由于振蕩電路產(chǎn)生的源信號為 215Hz,而秒的基準信號頻率為1Hz,則需要對215Hz 信號進行分頻，得到1Hz信號。分頻器采用CD4060和74LS74來實現(xiàn)，CD406Q為14位二 進制串行計數(shù)器，各管腳功能如表所示，功能表如表所示。雖然CD4060內(nèi)部有14級由T觸發(fā)器構(gòu)成的二分頻器，但實際輸出端只有10個：

4、QQ0、Q2Q4。QQ以及Qi并不引出。、CFP為晶振電路的引出端，需接外部石英晶體。Cr為復零端，為高電平或正脈沖時振蕩器停振。從輸出功能看，CD4060能得到10種不同的分頻系數(shù)，最小為24分頻，最 大為214分頻，即將215Hz送入該芯片，最大分頻輸出 Q4輸出信號頻率為2Hzo由于CD4060最多能完成14級二分頻，所以還需要再加一級二分頻，才能把 4060輸 出的2Hz信號變成秒信號。外接二分頻器可采用D觸發(fā)器（74LS74）構(gòu)成的二分頻電路，74LS74管腳功能如表所示，該芯片有上片和下片兩個D觸發(fā)器，2Hz信號經(jīng)過二分頻電路得到1Hz的秒脈沖信號，即將D觸發(fā)器的同相位輸出Q端與觸

5、發(fā)信號D端連接在一起，復 位端和控制端接電源，使該兩端口無效，則Q端的輸出信號即為1Hz的秒脈沖信號。所用器件：215Hz晶體管1個、22血 電阻1個、20pF電容1個、10pF電容1個、 CD4060（分頻器）1片、74LS74 （ D觸發(fā)器）1片。表74LS74管腳功能管腳號引腳代碼引腳功能1復位信號21D觸發(fā)信號31CP時鐘信號4控制51Q同相位輸出6反相位輸出7GND地8反相位輸出92Q同相位輸出10控制112CP時鐘信號122D觸發(fā)信號13復位信號14VCC電源2.計時電路該電路是本實驗的關鍵部分，由分計數(shù)器、秒十位計數(shù)器和秒個位計數(shù)器構(gòu)成，電 路均使用CD4518BC碼計數(shù)器來實現(xiàn)

6、。CD4518管教如圖所示，該計數(shù)器為雙十進制同步加 法計數(shù)器，片子內(nèi)部封裝兩個相同且獨立的十進制計數(shù)器，每個計數(shù)器中都含有四位二 進制的技術單元，每個計數(shù)器含有兩個時鐘輸入端“CP和“ EN，簡稱雙時鐘，可以根據(jù)使用要求來選擇不同的時鐘輸入，兩者所不同在于：“CP端對時鐘的上升沿有效，“ EN端對時鐘的下降沿有效。該計數(shù)器功能表如表所示。圖CD4518管教圖表CD4518功能表功能輸入輸出CCPEN清零1xx0000計數(shù)0T1BCD碼加法計數(shù)保持0x0保持計數(shù)00JBCD碼加法計數(shù)保持01x保持計時整體電路如圖所示，分位計數(shù)器和秒個位計數(shù)器均是從0-9循環(huán)計數(shù)（模10計數(shù)），可采用CD451

7、8直接實現(xiàn)十進制計數(shù)功能；秒十位計數(shù)器為六進制計數(shù)器，需要將 CD4518的模10計數(shù)變換為一個從05循環(huán)的模六計數(shù)：當4518計數(shù)到6時，將Q, QB 引到與門74LS21的輸入端，此時74LS21輸出一個高電壓，送回至4518的Cr端，實現(xiàn)復 位（4518回0）,由于4518的Cr端為異步復位，因此4518需要計數(shù)到6時才引出復位 信號，并且6狀態(tài)非常短暫，顯示器并不顯示，所以實際效果還是0-5顯示。74LS21為四1個與門的2個輸入與門，片子內(nèi)部封裝兩個相同且獨立的四輸入與門，該電路中只用到 輸入，因此需要將該與門的其他兩個輸入端接5V電源+極，不可懸空不接。搭建電路時，首先將所有芯片電

8、源端（VCc和 GND端）分別連接至5V電源+、-極；對 于秒個位計數(shù)器，將秒信號發(fā)生電路輸出的秒信號 （1Hz信號）送入秒個位計數(shù)器的2CP 端，同時2EN端接5V電源+極，2Cr端接5V電源-極（注意：當清零電路搭建完成后，需 將清零電路的輸出替換2Cr端的5V電源-極），秒個位計數(shù)器即可完成09循環(huán)計數(shù)；對 于秒十位計數(shù)器，將秒個位計數(shù)器的輸出2QD端送入秒十位計數(shù)器的2EN端，完成秒個位到秒十位的進位（當秒個位計數(shù)器從 9跳至0時，2QD端得到09循環(huán)計數(shù)過程中唯一的 下降沿，將此下降沿送至秒十位計數(shù)器的 2EN端，即可實現(xiàn)秒十位計數(shù)器加1,實現(xiàn)進 位），同時2CP端接5V電源+ 極，

9、秒十位計數(shù)器即可在進位信號的驅(qū)動下完成05循環(huán)計數(shù)。對于分位計數(shù)器，將秒十位計數(shù)器的輸出2QC端送入分位計數(shù)器的2EN端，完成秒十位到分位的進位（當秒十位計數(shù)器從5跳至0時，2Q端得到05循環(huán)計數(shù)過程中唯一的下 降沿，將此下降沿送至分位計數(shù)器的 2EN端，即可實現(xiàn)分位計數(shù)器加1,實現(xiàn)進位），同 時2CP端接5V電源+極，2Cr端接5V電源-極（注意：當清零電路搭建完成后，需將清零 電路的輸出替換2Cr端的5V電源-極），分位計數(shù)器即可完成09循環(huán)計數(shù)。所用器件：CD4518（計數(shù)器）3片、74LS21（與門）1片。圖計時電路3清零電路該電路具有開機清零和手動清零功能。電路原理如圖所示，將圖計時

10、電路的秒個位 和分位的清零端即CD4518勺管腳15 （高電壓有效）原來的接5V電源-極導線拔開，將非門輸出送至2Cr端，而秒十位CD4518的清零端原來接74LS21的輸出，需要將此輸出和圖 中非門輸出送入一個或門，再將或門輸出送至秒十位CD4518勺清零端，才能同時實現(xiàn)秒十位計數(shù)器的清零功能和模6計數(shù)功能。電路管腳連接如圖所示，對于清零電路，電路正 常工作時開關打開，剛開機時，由于電容上的電壓不能突變，電容兩端初始為低電壓， 經(jīng)過一個非門輸出高電壓，送到 CD4518勺2Cr端，整個計時電路清零，進而實現(xiàn)電路開 機時清零，當電容充滿電以后，非門的輸入端為高電壓，非門輸出低電壓，2Cr端無效

11、，CD4518實現(xiàn)正常計數(shù)，電路正常工作。按下開關后，電容、電阻組成一個回路，電容放電，當電容儲存電量放完后，電容 兩端電壓為低電壓，即非門的輸入端為低電壓，非門輸出高電壓，送到CD4518勺2Cr端，整個計時電路清零，進而實現(xiàn)電路手動清零。所用器件：CD4069（非門）1片、74LS32 （或門）1片，1k Q電阻2個、10卩F電容1 個、開關1個。圖清零電路原理圖圖清零電路管腳連接圖4 譯碼顯示電路譯碼顯示電路采用三片CD4511顯示譯碼器和三個七段共陰數(shù)碼管，分位、秒十位和 秒個位各采用一片CD4511和一個數(shù)碼管。CD4511的作用是將計數(shù)器QQ輸出的二進制代 碼譯成特定的輸出信號以供

12、顯示器按代碼的原意顯示成數(shù)字，譯碼器采用CD4511七段字型譯碼器，由ag各腳輸出段信號，以控制點亮 LED數(shù)碼管的字型段，CD4511的輸入端 ABCD依次接計數(shù)器的QQ,即8421 （BCD碼輸出，CD4511有三個使能管腳，功能如表 所示。表CD4511使能管腳功能引腳代碼管腳功能功能說明燈測試端該管腳低電壓（0）有效，送入0， CD4511輸出arg 全為1,數(shù)碼管亮。消隱端該管腳低電壓（0）有效，送入0，CD4511輸出 rg 全為0,數(shù)碼管滅。鎖存端該管腳高電壓（1）有效，送入1，CD4511輸入鎖存 原來數(shù)據(jù)，輸出不變。圖所示為七段型發(fā)光二極管構(gòu)成的數(shù)碼顯示器，由于此二極管由高電

13、壓驅(qū)動，陰極 共用，所以為共陰極。圖共陰極七段數(shù)碼顯示器電路從0:009:59循環(huán)計時，譯碼電路分別進行譯碼，采用共陰極七段LED數(shù)碼管進行循環(huán)顯示。CD4511的輸入接到相應計數(shù)器的輸出，而它的輸出端與數(shù)碼管的相應端相 連，數(shù)碼管通過300Q的電阻接地，電路連接如圖所示。所用器件：CD4511（譯碼器）3片、300Q電阻3個、LED數(shù)碼顯示管3個。圖譯碼顯示電路5總結(jié)搭建和調(diào)試電路過程中遇到的問題，解決方案及處理結(jié)果。遇到的問題有，中間計數(shù)器出現(xiàn)只能到 2,無法繼續(xù)計數(shù)，以及發(fā)生進制方面的錯誤 電子電路的調(diào)試具體步驟：1、通電觀察：通電后不要急于測量電氣指標，而要觀察電路有無異?，F(xiàn)象，例如有

14、 無冒煙現(xiàn)象，有無異常氣味，手摸集成電路外封裝，是否發(fā)燙等。如果出現(xiàn)異?，F(xiàn)象， 應立即關斷電源，待排除故障后再通電。2、靜態(tài)調(diào)試：靜態(tài)調(diào)試一般是指在不加輸入信號，或只加固定的電平信號的條件下 所進行的直流測試，可用萬用表測出電路中各點的電位，通過和理論估算值比較，結(jié)合 電路原理的分析，判斷電路直流工作狀態(tài)是否正常，及時發(fā)現(xiàn)電路中已損壞或處于臨界 工作狀態(tài)的元器件。通過更換器件或調(diào)整電路參數(shù)，使電路直流工作狀態(tài)符合設計要 求。3、動態(tài)調(diào)試：動態(tài)調(diào)試是在靜態(tài)調(diào)試的基礎上進行的，在電路的輸入端加入合適的 信號，按信號的流向，順序檢測各測試點的輸出信號，若發(fā)現(xiàn)不正?，F(xiàn)象，應分析其原 因，并排除故障，再

15、進行調(diào)試，直到滿足要求。6 實驗完成后的收獲和感受作為一名材料學院的學生，接觸到的課程以及實驗可能與這個實驗有比較大的區(qū)別， 但是通過這個實驗， 讓我對電路設計有了一定的了解， 雖然在實驗過程中遇到了許多問題， 但通過老師的耐心指導，加上自己耐心的分析連線，最終檢測成功。由于專業(yè)不是這 類 的，所以很少接觸這類實驗，這次實驗相對以前做的數(shù)電實驗來說復雜了很多， 由于時 間緊迫，在老師詳細的講解后，在老師的指導下找到了實驗原理圖。這次 實驗由于電路 復雜，用到的元器件多，在連接的時候很容易出錯，所以在連接電 路的時候，分塊連接， 計時和顯示電路、清零電路、計時啟停控制電路，這樣每 連好一小塊后，

16、馬上進行調(diào)試， 糾正電路中的錯誤，直到實現(xiàn)該模塊的功能才進 行下一小塊的連接。連線的時候，盡量 橫平豎直，不要出現(xiàn)線線交叉，更不要使 導線跨過芯片連接，否則，當芯片損壞時不易 更換，而且，所有芯片應該先把電 源和接地端連好。在實驗中我們應該學會用萬用表來 檢測元器件的好壞，這樣更 容易幫助我們發(fā)現(xiàn)問題所在。總的來說，這次實驗完成地比較順利，雖然過程很繁瑣，由于為了不使導線 交叉， 所以需要剪出大量的短導線來連接，這使得人頭昏眼花的，但是相對實驗 成果來說，這 是非常值得的，不管怎么說，付出的努力都有了回報。通過這幾天 的學習，我感覺有很 大的收獲：首先，通過學習使自己對課本上的知識可以應用 于實際，使的理論與實際