電子電工綜合實驗（二）-多功能數(shù)字計時器設(shè)計

1、電子電工綜合實驗（二） 多功能數(shù)字計時器 PAGE 14 -目 錄一、設(shè)計內(nèi)容簡介 2二、設(shè)計要求2三、電路整體設(shè)計原理31、整體電路設(shè)計原理思路32、基本電路原理圖 4四、分部電路設(shè)計原理1、脈沖發(fā)生電路 42、計時電路 53、譯碼顯示器6 4、報時電路 65、校分電路 7 6、清零電路8五、實驗中遇到的問題及解決方法8六、實驗總結(jié)體會9七、附錄1、元器件清單102、器件引腳圖和功能表 113、參考書目14多功能數(shù)字計時器設(shè)計內(nèi)容簡介：運用所學(xué)集成電路的工作原理和使用方法，用中小規(guī)模集成電路設(shè)計一個數(shù)字計時鐘，可以完成0分00秒到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

2、分、整點報時等功能。設(shè)計要求：1、設(shè)計一個脈沖發(fā)生電路，為計時器提供秒脈沖、為報時電路提供驅(qū)動蜂鳴器的脈沖信號；2、設(shè)計計時電路，完成0分00秒到9分59秒的計時功能； 3、設(shè)計報時電路，使數(shù)字鐘從9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9分53秒、9分55秒、9分57秒發(fā)低音（頻率500Hz），9分59秒發(fā)高音（頻率2000Hz）；4、設(shè)計校分電路，在任何時候，撥動校分開關(guān)，可進(jìn)行快速校分；5、設(shè)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(guān)，可以進(jìn)行計時器清零；6、系統(tǒng)級聯(lián)調(diào)試，將以上電路進(jìn)行級聯(lián)完成計時器的所有功能；電路整體設(shè)計原理：電路分為六個部分

3、：計時電路、譯碼顯示器、脈沖發(fā)生電路、校分電路、清零電路和報時電路組成。具體原理框圖如下圖所示：整體電路設(shè)計原理思路利用晶體震蕩器加一些電路產(chǎn)生頻率為1Hz的秒脈沖信號，送入到秒個位的CP脈沖輸入端，那么秒個位就以一秒為時間間隔進(jìn)行計數(shù)，提供了整個計時電路最基本的驅(qū)動信號。有了秒脈沖以后，后面的就很簡單了。當(dāng)秒個位達(dá)到9秒并且在新一個秒脈沖來到時，秒十位加一。我們可以在秒個位的四位二進(jìn)制的最高位()和最低位()加一個與非門連接到秒十位的脈沖輸入端。當(dāng)秒個位到達(dá)9時，與非門的輸出為低電平0，在下一個脈沖來到時，輸出變?yōu)楦唠娖?。由此產(chǎn)生了一個上升邊沿的觸發(fā)信號，使秒十位加一。再考慮到秒十位是六進(jìn)

4、制的，只有05六種狀態(tài)。我們實際用的是74161芯片，利用它的置數(shù)功能，當(dāng)秒十位為二進(jìn)制0101，且下一個脈沖到來時實現(xiàn)置數(shù)0000，這樣就實現(xiàn)了六進(jìn)制的翻轉(zhuǎn)。具體的做法是在秒十位的二進(jìn)制輸出的最低位（）和第三位()加一個與非門連接到74161的置數(shù)控制端（），實現(xiàn)置數(shù)功能(這里用的是全部置為零)。同樣的，依照上面的進(jìn)位思想，在秒個位為9，秒十位為5，且一個新的秒脈沖來到時產(chǎn)生分的進(jìn)位信號。實際的做的方法是在74161輸出端的和通過與非門接到分位的4518的脈沖輸入端。基本電路原理圖分部電路設(shè)計原理：脈沖發(fā)生電路在這個部件的核心就是一個石英晶振，它的振蕩頻率是32768Hz（Hz），通過406

5、0芯片（實際上就是一個分頻器）取其14端為輸出端，得到的頻率為2Hz，再通過一個二分頻器件就得到了單位秒脈沖信號。電路圖如下：計時電路整個計時電路采用異步計數(shù)，用產(chǎn)生的秒脈沖去觸發(fā)10進(jìn)制計數(shù)器4518，實現(xiàn)秒的個位計數(shù)，再用秒的個位觸發(fā)秒的十位。該位是六進(jìn)制，用74161實現(xiàn)模6計數(shù)。分的個位用秒的十位去觸發(fā)，用4518計數(shù)。計時電路如下圖所示。譯碼顯示器各計數(shù)器的輸出分別接到三個顯示譯碼器CD4511上，顯示譯碼器的接法如下圖所示。顯示部分采用共陰極七段LED數(shù)碼管來實現(xiàn)。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（74

6、161）計數(shù)器輸出QA，QB，QC，QD與譯碼器CD4511的輸入A，B，C，D對接，譯碼器的輸出a，b，c，d，e，f，g分別與數(shù)碼管的相應(yīng)端對接并在接地端接入限流電阻。報時電路在某個需要報時的時刻，應(yīng)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(jìn)行報時。該電路要求從9分53秒開始，每隔一秒發(fā)一聲，共發(fā)三低音，一聲高音：即9分53秒、9分55秒、9分57秒發(fā)低音，9分59秒發(fā)高音。校分電路當(dāng)校分開關(guān)打到“正?！睜顟B(tài)時，計數(shù)器正常計數(shù)；當(dāng)開關(guān)打到“校分”狀態(tài)時，秒個位和秒十位正常計數(shù)，分位以2Hz的速度進(jìn)行快速校分，即分計數(shù)器可以不受秒計數(shù)器的進(jìn)位信號的控制。為了消除機械開關(guān)的抖

7、動給電路帶來干擾，采用防抖動開關(guān)。起始狀態(tài)開關(guān)s2閉合，雙與非門構(gòu)成的RS鎖存器處于0狀態(tài)，D觸發(fā)器也處于0狀態(tài)，分計數(shù)器正常計數(shù)。s2斷開，s1閉合，RS鎖存器變?yōu)?狀態(tài)，D觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，變?yōu)?狀態(tài)，電路快速校分。s2閉合，s1斷開，RS鎖存器重新處于0狀態(tài)，s2斷開，s1閉合，RS鎖存器變?yōu)?狀態(tài)，D觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，為0狀態(tài)，電路停止校分，正常計數(shù)。原理圖如下：清零電路清零電路應(yīng)具有開關(guān)清零和不掉電清零兩種清零功能。該電路通過電容沖放電來實現(xiàn)。剛開機時，由于電容兩端電壓為零且不能突變，清零電路輸出端輸出低電平，計數(shù)器處于清零狀態(tài)。電容C通過電阻R充電使兩端的電壓緩慢升高，當(dāng)電容兩端的電壓高于反相

8、器的翻轉(zhuǎn)電壓時反相器翻轉(zhuǎn)輸出高電平，計數(shù)器處于正常計數(shù)狀態(tài)。以此完成開機清零功能。在計數(shù)器正常工作時按下清零開關(guān)，電容迅速放電，同時輸出低電平使反相器翻轉(zhuǎn)輸出低電平，計數(shù)器處于清零狀態(tài)。放開清零開關(guān)電容C又開始充電，延遲一段時間后計數(shù)器又變?yōu)橛嫈?shù)狀態(tài)，即完成不掉電清零功能。電路原理圖如下：五、實驗中遇到的問題及解決方法在做實驗前沒有上機模擬，只是根據(jù)原理圖完成實驗電路的連接。實驗前，指導(dǎo)老師規(guī)定了電源和地線的連接方法，這樣確實有許多好處，很方便的看出輸入端接的是高電平還是低點平。在實驗中我一直用著這種連線方法，只要輸入端接高電平就用紅線（或淺色線），低電平就用黑線（或深色線），為電路的檢查帶來

9、了很多便利。在電路某一模塊功能的實現(xiàn)過程中也是采用相同顏色電線搭接的，方便檢查線路。由于連線比較規(guī)則，基礎(chǔ)電路部分很快就做完了，基本沒有遇到什么困難。還有在實驗過程中出現(xiàn)問題時不要急于求助其他同學(xué)或者老師，多是連線的問題，只有自己仔細(xì)排查，因為別人不可能比你自己更熟悉電路，更容易發(fā)現(xiàn)錯誤，解決問題。 做完實驗，在完成實驗報告時，用軟件（multisim 8.0）模擬電路。卻發(fā)現(xiàn)了問題，計數(shù)器的分位雖然在59到00秒的時候有跳變，但在39到40秒的變化過程中也出現(xiàn)了跳變。檢查線路，沒有發(fā)現(xiàn)線路問題，用示波器觀察，發(fā)現(xiàn)分的進(jìn)位信號，即分計數(shù)器的CP端輸入信號，在39到40秒時有一個瞬間變化，產(chǎn)生了

10、一個上升沿，觸發(fā)了計數(shù)器進(jìn)行了計數(shù)。原因是由于multisim軟件中的元件多為理想化元件，在電路中又用的是異步電路，就產(chǎn)生了該問題。六、實驗總結(jié)體會：電子電工綜合實驗（二），設(shè)計多功能數(shù)字計時器，相對來說是比較復(fù)雜的實驗。做完實驗，學(xué)到的東西也很多。首先，熟悉電路圖，對計時器的各種功能進(jìn)行分析，并且結(jié)合數(shù)字電路所學(xué)知識及所給的元器件和電路圖認(rèn)真分析個一個部分電路的功能和原理。這是進(jìn)行以后實驗的基礎(chǔ)。其次，實驗線路連接有層次，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

11、成元器件損壞。再次，實驗中出現(xiàn)問題，冷靜處理。仔細(xì)檢查線路，自行分析出錯原因。學(xué)會使用儀器對線路進(jìn)行檢查與調(diào)試。必要時向同學(xué)，老師尋求幫助。通過自己解決實驗中遇到的問題，提高了能力，鞏固了理論知識，也增強了信心?？傊?，本實驗鍛煉了我的動手能力，學(xué)到了很多書本上學(xué)不到的電路調(diào)試經(jīng)驗，我還懂得了做任何事情都要有條理。要細(xì)心，要耐心。七、附錄：附錄（元器件名稱）工具（剪刀、鑷子、播線鉗） 一套接線板 一塊導(dǎo)線 若干名 稱型 號數(shù) 量顯示字共陰3譯碼器（驅(qū)動共陰）45113BCD碼計數(shù)器45181四位二進(jìn)制計數(shù)器741611分頻器40601D觸發(fā)器74741非門40691二入與非門74002四入與門7

12、4212二入與門74321蜂鳴器1晶振32768Hz1開關(guān)2三極管（NPN）3DG61電容10p20p22uf111電阻47010k22M3301413附錄2（所用器件的引腳圖和功能表）一、14位二進(jìn)制串行計數(shù)器/分頻器和振蕩器CD40601.引腳圖2.功能表CPCr功能0計數(shù)任意011復(fù)位二、譯碼器CD45111.引腳圖2.功能表輸 入輸 出LEDCBAgfedcba字符測燈0 XXXXXX11111118滅零10X00000000000消隱鎖存111XXXX顯示LE=01時數(shù)據(jù)譯碼1100000011111101100001000111011100010101001121100011100

13、11113110010011011104110010111011015110011011111006110011100011117110100011111118110100111011119三、CD4518雙四位同步BCD碼加法計數(shù)器1.引腳圖2.功能表輸入輸出CrCPEN清零1XX0000計數(shù)01BCD碼加法計數(shù)保持0X0保持計數(shù)00BCD碼加法計數(shù)保持01X保持四、CC4069(反相器)引腳圖五、74LS00（與非）引腳圖六、74LS21（與門）引腳圖七、74LS74（雙D觸發(fā)器）引腳圖 八、74LS32(或門) 引腳圖九、74LS1611. 引腳圖 2. 功能表輸 入輸 出CPDCBA清零X0XXXXXXX00000送數(shù)10XXdcbadcba