電子課程設(shè)計公用電話計時器樣本

簡易電話計時器設(shè)計摘要本設(shè)計是用中小規(guī)模集成電路設(shè)計一種公用電話計時系統(tǒng)。通過本設(shè)計使其完畢如下幾項基本功能：每3分鐘計時一次；顯示通話次數(shù)，最多為99次；每次定期誤差不大于1秒；具備手動復(fù)位功能；具備聲響提示功能，計數(shù)器譯碼顯示，聲響提示3分鐘定期器重要由12位異步二進(jìn)制計數(shù)器/分頻器CD4040來實現(xiàn)，通話次數(shù)計數(shù)器顯示電路由二位十進(jìn)制計數(shù)器完畢，采用中規(guī)模集成計數(shù)器CD4029，74LS47構(gòu)成。聲響提示電路由555集成電路完畢。核心詞復(fù)位、聲響、計數(shù)器、分頻器目錄1設(shè)計任務(wù)與基本規(guī)定………………21.1設(shè)計任務(wù)……………21.2基本規(guī)定……………22系統(tǒng)總體方案…………32.1系統(tǒng)工作原理………………………32.2系統(tǒng)設(shè)計框圖………………………33單位電路模塊設(shè)計…………………43.1原則信號源…………43.2分頻器………………53.3分鐘定期器…………63.4通話次數(shù)計數(shù)器顯示電路…………83.5復(fù)位電路……………103.6聲響提示電路………………………114調(diào)試及成果…………144.1原則信號源調(diào)試…………………144.23分鐘信號測量…………………144.3計數(shù)顯示電路調(diào)試………………144.4聲響提示電路調(diào)試………………144.5成果5課程設(shè)計體會………………………156參照文獻(xiàn)……………16附：總電路圖…………171.設(shè)計任務(wù)與基本規(guī)定1.1設(shè)計任務(wù)用中小規(guī)模集成電路設(shè)計一種公用電話計時系統(tǒng)。1.2基本規(guī)定每3分鐘計時一次。顯示通話次數(shù)，最多為99次。每次定期誤差不大于1秒。具備手動復(fù)位功能。具備聲響提示功能。本設(shè)計重要有原則信號源，分頻器，3分鐘定期器，計數(shù)器譯碼顯示，聲響提示等電路構(gòu)成，其工作原理為：當(dāng)按下復(fù)位按鍵時，復(fù)位電路保證3分鐘電路及二位十進(jìn)制計數(shù)器同步清零，此時電話通話次數(shù)為零。當(dāng)松開復(fù)位按鍵時，計時開始，3分鐘定期器功能時每三分鐘輸出一種脈沖，該脈沖被送到計數(shù)譯碼器顯示電路，便顯示出通話次數(shù)；同步該脈沖被送到聲響提示電路，可控制聲響時間及聲調(diào)，實現(xiàn)聲響提示功能。該設(shè)計分頻器，3分鐘定期器重要由12位異步二進(jìn)制計數(shù)器/分頻器CD4040來實現(xiàn)，通話次數(shù)計數(shù)器顯示電路由二位十進(jìn)制計數(shù)器完畢，采用中規(guī)模集成計數(shù)器CD4029，74LS47構(gòu)成。聲響提示電路由555集成電路完畢。2.系統(tǒng)總體方案2.1工作原理當(dāng)按下安慰按鍵時，復(fù)位電路保證3分鐘電路及二位十進(jìn)制計數(shù)器同步清零，此時電話通話次數(shù)為零。當(dāng)松開復(fù)位按鍵時，計時開始，此時由原則信號發(fā)生器產(chǎn)生f0=32768Hz信號通過十二級分頻得到f0=8Hz脈沖輸入3分鐘定期器，選用f0=8Hz因素時考慮到設(shè)計規(guī)定定期精度所選定。3分鐘定期器功能時每三分鐘輸出一種脈沖，該脈沖被送到計數(shù)譯碼器顯示電路，便顯示出通話次數(shù)；同步該脈沖被送到聲響提示電路，可控制聲響時間及聲調(diào)，實現(xiàn)聲響提示功能。2.2系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1為該計時器工作框圖，重要有原則信號源，分頻器，3分鐘定期器，計數(shù)器譯碼顯示，聲響提示等電路構(gòu)成。圖1.計時器工作框圖3.單位電路模塊設(shè)計3.1原則信號源CD4011是四-2輸入與非門集成電路,CD4040是12位二進(jìn)制串行計數(shù)器/分頻器是由T型觸發(fā)器構(gòu)成二進(jìn)制計數(shù)器，多位二進(jìn)制計數(shù)器重要用于分頻和定期，使用極其簡樸和以便。產(chǎn)生脈沖信號電路諸多，例如由集成門電路構(gòu)成多諧振蕩器，由555定期器構(gòu)成方波發(fā)生器等。由于該原則信號源規(guī)定頻率穩(wěn)定性及輸出信號精度比較高，故采用由CD4011與非門（CMOS）電路及晶體原件構(gòu)成多諧振頻率信號如圖2所示，晶振標(biāo)稱頻率為32768Hz。由于石英晶體選頻特性非常好，只有其串聯(lián)諧振頻率信號才最容易通過，而其她頻率會被晶體大大衰減，因此電路在滿足震蕩條件下，其輸出頻率僅取決于晶體標(biāo)稱頻率，與其她原件參數(shù)無關(guān)。電路中電阻R是保證G1門工作在線性狀態(tài)而加入，電容C抑制告辭諧波，以保證輸出頻率穩(wěn)定。G3門是為了改進(jìn)輸出波形質(zhì)量，增長帶負(fù)載能力而加入緩沖級。圖2原則信號源電路及分頻器3.2分頻由于f=32768Hz頻率比較高，為了得到低頻信號且又能滿足定期規(guī)定脈沖，可采用CD4040二進(jìn)制計數(shù)器/分頻器進(jìn)行分頻。CD4040是由12個T型觸發(fā)器構(gòu)成串行二進(jìn)制計數(shù)器/分頻器。復(fù)位端高電平有效，2個輸入端，一種是時鐘CP，一種是復(fù)位清零端，有12個分頻輸出端Q1-Q12,最大分頻系數(shù)為212=4096，n位二進(jìn)制計數(shù)器最高位輸出信號頻率fn與計數(shù)器脈沖頻率fcp關(guān)系為fn=fcp/2n現(xiàn)選取12位異步二進(jìn)制計數(shù)器CD4040，則CD4040計數(shù)器最高位輸出頻率為f12=f0=fcp/212=8Hz電路如圖2，CR為清零端。表1CD4040功能表輸入輸出L不變L進(jìn)入下一狀態(tài)XH所有輸出為L3分鐘定期器CD4001輸入阻抗很高，因此對薄弱電流很敏感。當(dāng)感應(yīng)電功率很小時，雖然有電壓，但電流太低，因此說這種狀況下高阻輸入由于對電流需求很小，只要電壓就可以觸發(fā)，因此使用它時候，對人體觸摸會有反映。無論是人還是鉗子，它都是導(dǎo)電，盡管剪線鉗子外是絕緣，于由它是金屬，它能接受空間中任何無線電波，當(dāng)它與觸片接觸時，金屬間空間電位差也會使這一瞬間產(chǎn)生放電而有電流進(jìn)入CD4001，人體也不例外，并且人體比較大，接受空間中電磁波能力更強(qiáng)。市電電源在燈附近是必然存在，電力線也產(chǎn)生很強(qiáng)電磁輻射，事實上，人體觸發(fā)它時候，重要是人體接受到交流感應(yīng)信號(50Hz)作用在上邊而觸發(fā)?？煽毓枧c燈電路是串聯(lián)，如果是單向，會通過一種整流橋連接，這樣對于燈來說，仍可通過雙向電流，雙向可控硅就直接與燈串聯(lián)了，普通來說由于電路要用直流電，因此都采用單向可控硅加整流橋方式，整流出來電流兼作電源用。正由于這個因素，這種燈只能延時點(diǎn)亮，由于一旦觸發(fā)，整流橋過來電壓被短路，只能通過一種二極管隔離開，使用電容中剩余電量進(jìn)行觸發(fā)維持。此外，由于待機(jī)時必要有薄弱電流通過才干工作，因此只能用于白熾燈，若是節(jié)能燈，很也許就無法觸發(fā)了。該電路是本系統(tǒng)核心。n位二進(jìn)制計數(shù)器輸出狀態(tài)與計數(shù)脈沖個數(shù)關(guān)系為：(N)D=2n-1Qn-1+2n-2Qn-2+……+20Q0由于輸入脈沖周期T0=1/f0定期為3分鐘=180秒所需要輸入脈沖個數(shù)N為：N=180/T0=180f0=1440個又由于(N)D=(1440)D=()B即規(guī)定計數(shù)器模等于1440，運(yùn)用反饋清零法，可設(shè)計出該電路。如圖3所示，當(dāng)CD4040合計到1440個脈沖時，G1輸出為1，G2輸出為0，G3被置為1。一旦4040CR端為高電平，其輸出及時被清零，由于CR構(gòu)成觸發(fā)器具備記憶功能，故G3輸出不變，當(dāng)f0上升沿到來時，G3輸出為0，CD4040清零信號解除。可見G3輸出信號fT是周期為3分鐘，輸出高電平為1/16秒窄脈沖。二極管D1作用見圖5.復(fù)位電路。圖3三分鐘定期電路3.4通話次數(shù)計數(shù)器顯示電路該電路由二位十進(jìn)制計數(shù)器完畢，可采用中規(guī)模集成計數(shù)器CD4029構(gòu)成。74LS47是一種7段碼數(shù)碼管驅(qū)動芯片，通過它解碼，可以直接把數(shù)字轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管顯示數(shù)字。譯碼為編碼逆過程。它將編碼時賦予代碼含義“翻譯”過來。實現(xiàn)譯碼邏輯電路成為譯碼器。譯碼器輸出與輸入代碼有唯一相應(yīng)關(guān)系。74LS47是輸出低電平有效七段字形譯碼器，它在這里與數(shù)碼管配合使用。譯碼器選用OC門輸出七段顯示譯碼器74LS47，顯示屏采用共陽極七段LED數(shù)碼管。其中R是限流電阻，即當(dāng)74LS47輸出為低電平時，流入其輸出端電流要不大于74LS47最大容許灌電流。若R過小，流入74LS47灌電流增大；若R過大，則LED數(shù)碼管太暗。普通R選取200W～500W（在5V電源下）。CD4029通過控制輸入端可構(gòu)成二進(jìn)制或者BCD計數(shù)器，它有3個控制端，即二進(jìn)制/十進(jìn)制轉(zhuǎn)換B/D，加/減轉(zhuǎn)換U/D和預(yù)置數(shù)LD，此外它尚有4個置數(shù)端D0-D3,4個輸出端Q0-Q3,脈沖輸入端CP，進(jìn)位輸入端eq\x\to(CI),進(jìn)位輸出端eq\x\to(CO)。CD4029具備優(yōu)先進(jìn)位功能四位二/十進(jìn)制加/減計數(shù)器，進(jìn)位功能可以依照加法和減法或者二進(jìn)制和十進(jìn)制來擬定CP上升沿進(jìn)行計數(shù)。電路如圖4所示。由于CD4029無清零端，實現(xiàn)復(fù)位功能需要置數(shù)清零。譯碼器選用OC門輸出七段顯示譯碼器74LS47，顯示屏采用共陽極七段LED數(shù)碼管。其中R是限流電阻，即當(dāng)74LS47輸出為低電平時，流入74LS47灌電流增大；如果R過大，則LED數(shù)碼管太暗。普通R選取200Ω-500Ω（在5V電源下）。表24029功能表LLLHLHLHHLHH保持H保持圖4通話時間顯示電路3.5復(fù)位電路依照設(shè)計規(guī)定，在每次通話之前一定要清零。當(dāng)復(fù)位按鍵按下時，3分鐘定期電力和通話次數(shù)計數(shù)電路均被清零。如圖5所示。當(dāng)復(fù)位開關(guān)按下時，+5V電源同步加到2分鐘定期器清零端和通話次數(shù)指數(shù)段，使其逼迫清零。但由于二極管D1存在，+5V電源加不到門電路CD4001輸出端，避免了CD4001損壞。此外。由于D2作用，使得3分鐘定期脈沖僅能加到3分鐘定期器清零端和通話次數(shù)計數(shù)器計數(shù)脈沖輸入端，而傳送不到通話次數(shù)計數(shù)器置數(shù)端上來，從而實現(xiàn)了正常計數(shù)。圖5復(fù)位電路3.6聲響提示電路該電路重要功能是每到一種3分鐘時間，提示時間為5秒鐘。555集成定期器是模仿功能和數(shù)字邏輯功能相結(jié)合一種雙極型中規(guī)模集成器件。外加電阻、電容可以構(gòu)成性能穩(wěn)定而精準(zhǔn)單穩(wěn)電路。TTL集成定期器555定期器外引線排列圖和內(nèi)部原理框圖如圖6,7所示，它是由上、下兩個電壓比較器、三個5kΩ電阻、一種RS觸發(fā)器、一種放電三極管TD以及功率輸出級構(gòu)成。虛線邊沿標(biāo)注數(shù)字為管腳號。其中，1腳為接地端；2腳為低電平觸發(fā)端，由此輸入低電平觸發(fā)脈沖；6腳為高電平觸發(fā)端，由此輸入高電平觸發(fā)脈沖；4腳為復(fù)位端，輸入負(fù)脈沖（或使其電壓低于0.7V）可使555定期器直接復(fù)位；5腳為電壓控制端，在此端外加電壓可以變化比較器參照電壓，不用時，經(jīng)0.01uF電容接地，以防止引入干擾；7腳為放電端，555定期器輸出低電平時，放電晶體管TD導(dǎo)通，外接電容元件通過TD放電；3腳為輸出端，輸出高電壓約低于電源電壓1V—3V，輸出電流可達(dá)100～200mA，因而可直接驅(qū)動繼電器、發(fā)光二極管、批示燈等；8腳為電源端，可在+4.5～+18V范疇內(nèi)使用，比較器C1反相輸入端⑤接到由三個5kΩ電阻構(gòu)成分壓網(wǎng)絡(luò)2/3Vcc處（⑤也稱控制電壓端），同相輸入端⑥為閥值電壓輸入端。比較器C2同相輸入端接到分壓電阻網(wǎng)絡(luò)1/3Vcc處，反相輸入端②為觸發(fā)電壓輸入端，用來啟動電路。兩個比較器輸出端控制RS觸發(fā)器。RS觸發(fā)器設(shè)立有復(fù)位端④，當(dāng)復(fù)位端處干低電平時，輸出③為低電平?？刂齐妷憾刷菔潜容^器C1基準(zhǔn)電壓端，通過外接元件或電壓源可變化控制端電壓值，即可變化比較器C1、C2參照電壓。不用時可將它與地之間接一種O．01μF電容，以防止干擾電壓引入。輸出電流可達(dá)100～200mA，能直接驅(qū)動低阻抗揚(yáng)聲器。圖6TTL電路555電路構(gòu)造圖7555集成電路引腳排列表3555芯片功能表eq\o(\s\up13(——),TR)觸發(fā)eq\o(\s\up13(),TH)閾值eq\o(\s\up13(—),R)復(fù)位eq\o(\s\up13(),D)放電端eq\o(\s\up13(),OUT)輸出H導(dǎo)通LH原狀態(tài)H截止HL導(dǎo)通L555構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)電路當(dāng)電源接通后，Vcc通過電阻R向電容C充電，待電容上電壓Vc上升到2/3Vcc時，RS觸發(fā)器置0，即輸出Vo為低電平，同步電容C通過三極管T放電。當(dāng)觸發(fā)端②外接輸入信號電壓Vi＜1/3Vcc時，RS觸發(fā)器置1,即輸出Vo為高電平，同步，三極管T截止。電源Vcc再次通過R向C充電。輸出電壓維持高電平時間取決于RC充電時間，當(dāng)t=tW時，電容上充電電壓為；因此輸出電壓脈寬tW=RCln3≈1.1RC（普通R取1kΩ～10MΩ，C＞1000pF）值得注意是：t重復(fù)周期必要不不大于tW，才干保證放一種正倒置脈沖起作用。由上式可知，單穩(wěn)態(tài)電路暫態(tài)時間與Vcc無關(guān)。因而用555定期器構(gòu)成單穩(wěn)電路可以作為精密定期器。實現(xiàn)此功能可用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器加多謝振蕩器完畢。運(yùn)用555定期器構(gòu)成電路如圖8.依照定期時間規(guī)定，可擬定電阻R1，電容C1值。由于T0=1.1R1C1，T0=5秒，取C1=10uF，可得R1=4.7K圖8聲響提示電路4.調(diào)試及成果4.1．原則信號源調(diào)試運(yùn)用示波器觀測振蕩器輸出波形與否對的。若用萬用表直流量程測量其輸出，應(yīng)為2.5V左右輸出。然后用示波器觀測分頻器CD4040Q11端輸出，檢查與否有8Hz信號輸出。4.2．3分鐘信號測量3分鐘定期信號脈沖輸出高電平時間極短，故運(yùn)用示波器測量時，把示波器掃描速度開關(guān)打在“掃描停止”檔，觀測光點(diǎn)變化。4.3．計數(shù)顯示電路調(diào)試一方面外加入1Hz左右脈沖信號，觀測計數(shù)器、譯碼、顯示電路與否正常工作。4.4．聲響提示電路調(diào)試一方面調(diào)試多諧振蕩器，將第二片555定期器4腳接高電平，用示波器觀測輸出波形。然后將3分鐘定期脈沖輸出到第一片555定期器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中，同步將第二片5554腳接到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出端，用示波器觀測輸出波形變化或用揚(yáng)聲器監(jiān)聽。4.5成果通過這次設(shè)計最后實現(xiàn)了設(shè)計規(guī)定，當(dāng)按下復(fù)位按鍵時，復(fù)位電路保證3分鐘電路及二位十進(jìn)制計數(shù)器同步清零，此時電話通話次數(shù)為零。當(dāng)松開復(fù)位按鍵時，計時開始，3分鐘定期器功能時每三分鐘輸出一種脈沖，該脈沖被送到計數(shù)譯碼器顯示電路，便顯示出通話次數(shù)；同步該脈沖被送到聲響提示電路，可控