1、電工電子綜合實驗報告多功能數(shù)字計時器設(shè)計 2011-1-1目錄 摘要 關(guān)鍵詞3一、實驗?zāi)康?二、設(shè)計內(nèi)容簡介3三、設(shè)計功能要求3四、設(shè)計電路原理圖4五、電路邏輯總原理圖及工作原理4六、各單元電路原理及邏輯設(shè)計51.秒脈沖信號發(fā)生電路52.計時電路63.譯碼顯示電路74.清零電路85.校分電路96.報時電路107附加電路11七、實驗中遇到的問題（產(chǎn)生原因及解決方法）12八、實驗總結(jié)及體會13附錄：1.參考文獻(xiàn)143.元器件清單144.芯片管腳圖及功能表142.電路總圖17多功能數(shù)字計時器設(shè)計摘 要:數(shù)字計時器由秒脈沖信號發(fā)生器、計時電路、譯碼顯示電路、校分電路、清零電路、報時電路等幾部分單元電路

2、組成，設(shè)計完成后可實現(xiàn)多種功能的綜合應(yīng)用。本文首先介紹了實驗內(nèi)容與設(shè)計的功能要求,然后較詳細(xì)地闡述了各單元電路的相關(guān)原理，并對相關(guān)電路圖進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞:脈沖信號發(fā)生電路、計時電路、報時電路、校分電路、清零電路、起停電路 正 文:一、實驗?zāi)康? 掌握常見集成電路的工作原理和使用方法。2 學(xué)會單元電路的設(shè)計方法。二、設(shè)計內(nèi)容簡介本實驗采用中小規(guī)模集成電路設(shè)計一個數(shù)字計時器。數(shù)字計時器是由脈沖發(fā)生電路，計時電路，譯碼顯示電路，和控制電路等幾部分組成。其中控制電路由清零電路，校分電路和報時電路組成。三、設(shè)計功能要求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（f

3、1=1hz,f2=1khz,f3=2khz）。2、設(shè)計一個計時電路，完成0分00秒9分59秒的計時功能。3、設(shè)計報時電路，使數(shù)字計時器從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1khz），9分59秒發(fā)高音（頻率2khz）。4、設(shè)計校分電路，在任何時候，撥動校分開關(guān)，可以2hz進(jìn)行校分。5、設(shè)計清零電路，具有開機(jī)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。7、可增加數(shù)字計時器附加功能，例如數(shù)字計時器定時功能、電路起停功能、電路采用動態(tài)顯示等。四、設(shè)計電

4、路原理圖 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，其中控制電路按照設(shè)計要求可以由校分電路、清零電路和報時電路組成。具體的原理框圖如下：五、電路邏輯總原理圖及工作原理工作原理：由振蕩器產(chǎn)生的穩(wěn)定的高頻脈沖信號，作為數(shù)字鐘的時間基準(zhǔn)，再經(jīng)分頻器輸出標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖。秒計數(shù)器記滿60后向分計數(shù)器進(jìn)位。計數(shù)器的輸出經(jīng)譯碼器送顯示器。記時出現(xiàn)誤差時可以用校時電路進(jìn)行校分，校秒。擴(kuò)展電路必須在主體電路正常運行的情況下才能進(jìn)行功能擴(kuò)展。六、各單元電路原理及邏輯設(shè)計1.秒脈沖發(fā)生電路脈沖信號發(fā)生電路完成為計時電路提供計數(shù)脈沖的功能。實驗中采用32768hz的石英晶體多諧振蕩器作為

5、脈沖信號源。經(jīng)分頻器cd4060的多級分頻，從q14q4可分別獲得2，4，8，1024,2048hz等不同頻率的輸出信號。再將2hz的脈沖信號經(jīng)二分頻電路得到1hz的秒脈沖信號。d觸發(fā)器可實現(xiàn)倍頻器。將d觸發(fā)器的端與d端扭接在一起實現(xiàn)倍頻器，則q端的輸出信號即為1hz的秒脈沖信號。另外，4060的管腳q4和管腳q5提供2khz，1khz備用。器件：32768hz晶體管、20m電阻、20pf電容、10pf電容、cc4060、74ls74。2.計時電路 計時電路由分計數(shù)器、秒十位計數(shù)器、秒個位計數(shù)器構(gòu)成。分計數(shù)器和秒個位計數(shù)器用cd4518bcd碼計數(shù)器直接實現(xiàn)十進(jìn)制計數(shù)功能；秒十位計數(shù)器由74l

6、s161做成一個從00000101的模六計數(shù)器實現(xiàn)。連接時，脈沖信號發(fā)生器生成的1hz脈沖信號送入秒個位計數(shù)器（cd4518a）的cp端，秒個位單元中的輸出q1、q4通過一個與非門接入74ls161的時鐘端作為時鐘信號完成秒個位與十位的級聯(lián)（接與非門是因為74ls161的clk是上升沿觸發(fā)，而1q4在90的跳變時是下降沿 “1001”“0000”）。秒十位記數(shù)的模六用反饋置數(shù)法，2q1和2q3通過一與非門接入置數(shù)端，同時數(shù)據(jù)輸入端均接地，實現(xiàn)00000101的模六功能。將計數(shù)位2q1、2q3與非后作為驅(qū)動信號送入分計數(shù)器（cd4518b）的en端，完成分計數(shù)。則數(shù)字計數(shù)器整體的計數(shù)功能即可實現(xiàn)

7、。1hz時鐘信號器件:cd4518、74ls161、74ls00秒個位輸出秒十位輸出分位輸出3.譯碼顯示電路顯示電路采用三片cd4511顯示譯碼器和三個七段共陰數(shù)碼管，電路從0分00秒計到9分59秒。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計數(shù)器輸出qa，qb，qc，qd與譯碼器cd4511的輸入a，b，c，d對接。由于led數(shù)碼管實際上是一組發(fā)光二極管，因此將譯碼器的輸出a，b，c，d，e，f，g分別與數(shù)碼管的相應(yīng)端對接。連接cd4511與顯示器時，應(yīng)當(dāng)在兩者的管腳之間串上300的電阻，用來限流。器件: cc4511、3

8、00電阻、led共陰數(shù)碼管。原理圖:接計時電路5、清零電路 該電路完成開機(jī)清零和控制清零功能。其中秒個位和分位的清零端即cc4518的管腳7和15（高電平有效）接在第一個非門之后，秒十位74ls161的清零端即管腳1（低電平有效）接在第二個非門之后。剛開機(jī)時，由于電容上的電壓不能突變，電容兩端為低電平，經(jīng)過第一個非門輸出高電平，接到cc4518的管腳7和15，實現(xiàn)秒個位和分位的清零。在經(jīng)過第二個非門輸出低電平，接到74ls161的管腳1，實現(xiàn)秒十位的清零。開機(jī)后，開關(guān)打開為正常工作狀態(tài)，按下開關(guān)后，電容被短路，第一個非門的輸入端為低電平，兩個非門的輸出端分別為高電平和低電平，原理同上，實現(xiàn)控制

9、清零功能 （異步清零）。器件：cc4069、10k電阻、22f電容。接4518清零端（分位和秒個位）接74161清零端（秒十位）4、校分電路當(dāng)校分電路開關(guān)打開時，計數(shù)器正常計數(shù)；當(dāng)開關(guān)合上時，秒個位和秒十位正常計數(shù)，分位進(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。其工作原理是：當(dāng)校分開關(guān)打開即在“1”電平，與非門2被選通，與非門1被封鎖，秒進(jìn)位產(chǎn)生的脈沖送至分計數(shù)器的時鐘端；當(dāng)開關(guān)關(guān)閉即在“0”電平時，與非門1被選通，與非門2被封鎖，校分信號送至分計數(shù)器的時鐘端。由于校分電路的信號直接送到分計數(shù)器的時鐘端，開關(guān)的顫動產(chǎn)生的脈沖會導(dǎo)致分計數(shù)器的觸發(fā)，從而影響校分功能，所以對校分開關(guān)

10、應(yīng)加一個rs鎖存器構(gòu)成消顫開關(guān)。器件：22f電容，10k電阻，74ls00消顫開關(guān)接74ls161ld引腳接分位時鐘端輸入2hz計數(shù)脈沖6.報時電路該電路完成報時功能。設(shè)計要求為在9分53秒、9分55秒、9分57秒各報出一個低音，在9分59秒報出一個高音。具體設(shè)計過程如下：各時刻各位對應(yīng)的二進(jìn)制碼如下圖：時間（dec）分位（bin）秒十位(bin)秒個位（bin）9:531001010100119:551001010101019:571001010101119:591001010110011將秒個位的3（0011）、5（0101）、7（0111）取或，通過卡諾圖的化簡可得應(yīng)該從秒個位取1q1（

11、1q2+1q3）21q1（1q2+1q3）&分位的9（1001）&秒十位的5（0101），所得的結(jié)果和1khz的信號與就可得到在9分53秒、9分53秒、9分57秒報出低音的驅(qū)動信號。3分位的9（1001）&秒十位的5（0101）&秒個位的9（1001）&2khz的信號與就得到在9分59秒報出高音的驅(qū)動信號。4將2和3中得到的信號取或，就可以得到最終的報時驅(qū)動信號。器件：74ls21、74ls32、蜂鳴器、三極管。原理圖：秒個位d秒個位a2khz信號秒個位a1khz信號秒個位b秒個位c分位d分位a秒十位c秒十位a7.起停原理及電路圖(7分57秒自動停止5秒)自動起停就是在某一個設(shè)定時刻自動停止，

12、在設(shè)定好的一定時間后，記時又自動重新開始，在此過程中無須人工干預(yù)。此次自動起停功能具體設(shè)計為：在7分57秒自動停止5秒后又重新開始計數(shù)。根據(jù)74161的功能表，當(dāng)沒到設(shè)定的停止時間時，load一直是“0”信號輸入，使得在置數(shù)輸入端預(yù)置的0111置數(shù)至端，由端與1hz求與后輸入秒個位的cp端，正常計數(shù)。直至7分57秒，“1”信號輸入load，74161在1hz的脈沖信號下，0111，1000，1001，1010，1011計數(shù)，端輸出“0”信號，1hz的信號無法進(jìn)入秒個位的信號端，正好五秒的等待，端重新輸出為“1”。完成自動起停功能。原理圖: 1hz信號連接秒個位時鐘信號輸入端秒個位a秒個位b秒個

13、位c秒十位a秒十位c分位c分位b分位a七、實驗中遇到的問題（產(chǎn)生原因及解決方法）1、在接完秒脈沖發(fā)生電路之后,用示波器觀察輸出端口信號發(fā)現(xiàn)輸出波形不是一條規(guī)則的上下跳變的直線,諧波分量較多,原因是受到外界干擾較大,后來將電路進(jìn)行優(yōu)化,能直接用管腳相連的地方盡量不用導(dǎo)線,最后問題圓滿解決,在示波器上觀察到規(guī)則的上下跳變波形。2、在接完顯示電路后進(jìn)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。3、在連接好較分電路進(jìn)行測試時,發(fā)現(xiàn)合上較分開關(guān)后分為始終顯示8

14、(即所有數(shù)碼管均被點亮)不變。重新連線后問題依舊存在,最后發(fā)現(xiàn)原來是本來應(yīng)該接2hz信號的端口錯接到了2khz上,以至分為變化太快給人以始終全亮的感覺。改接回2hz信號后較分正常。4、連接好報時電路進(jìn)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。八、實驗總結(jié)體會實驗過程總體來說還算順利，由于大二下學(xué)期模電實驗使用的是相同的電路板等實驗儀器，對于電路的搭建方法和注意事項已基本熟悉，第一天不到一個小時即完成了9分59秒計時電路的搭建和調(diào)試

15、，但后來由于較分電路的消顫開關(guān)的設(shè)計有問題花費了大量時間進(jìn)行改進(jìn)和調(diào)試，另外報時電路部分線路由于疏忽接錯了位置也耗費了不少時間。最終于第二天順利完成所有電路（附加電路是起停）。相比于前面的模電實驗，這次實驗綜合性較強(qiáng)，最大難點在于沒有現(xiàn)成的電路，所有的電路都需要自己根據(jù)要求進(jìn)行設(shè)計。其實本次實驗真正花在實驗室中搭建電路的時間只是九牛一毛，而實驗前的準(zhǔn)備階段才是真正的考驗。對于我這種之前幾乎沒有任何電路設(shè)計經(jīng)驗的人來說設(shè)計過程之艱難與痛苦可想而知。首先先要查閱資料熟悉所給的每一個芯片的功能和使用方法，然后針對要求設(shè)計電路并用軟件仿真，在此期間查閱了大量資料也參考了一些他人的方案，經(jīng)過討論、修改最

16、終完成總電路的設(shè)計，可謂千呼萬喚始出來完成了電路的設(shè)計，也算是跨過了最大的難關(guān)，接下來就是進(jìn)實驗室搭建電路。搭建電路最重要的就一個 “穩(wěn)”字，切忌心浮氣躁。首先腦海中必須思路清晰：自己正在搭建電路的哪一塊，下一步要連哪根線，同時每連完一塊芯片后最好能檢查一下，畢竟如果因為一些小失誤最后不得不返工就因小失大了。在每搭建完一部分電路后要及時進(jìn)行調(diào)試檢測，比如搭完脈沖產(chǎn)生電路后可以用示波器觀察脈沖輸出端是否有5v的1hz脈沖，再如搭完顯示電路后即可檢驗電路是否正常（此時沒有用到的芯片的引腳要根據(jù)功能相應(yīng)置1或置0）。9分59秒計時功能是這次實驗的最基本功能，在它能正常工作的前提下才能向下進(jìn)行搭建。在

17、電路搭建過程中如果發(fā)現(xiàn)之前的電路有問題經(jīng)簡單調(diào)試或檢查無過的情況下最好是把相應(yīng)模塊線都拔了重新連接，畢竟線實在太多，檢查起來力不從心而且很容易產(chǎn)生浮躁情緒，進(jìn)而形成惡性循環(huán)。這次試驗中也讓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；整個實驗的電路比較復(fù)雜，但都是建立在簡單的單一功能基礎(chǔ)上的，因此每一部分的電路是下一步的基礎(chǔ)，一定要做到每一部分線路正確，然后再開始下一部分電路的連接。全部連好之后，要認(rèn)真檢查，無誤后再加電源，以免燒毀元件。 總之本次實驗對于我的自學(xué)解決問題的能力和理論結(jié)合實踐能力都是一次絕佳的鍛煉，最后在此感謝老師給予的指導(dǎo)和建議以及同學(xué)給予的幫助！附錄1、參考文獻(xiàn)電子線路實踐教程 王建新 姜萍 編著 科學(xué)出版社數(shù)字電路 蔣立平 編著 兵器工業(yè)出版社2、總電路圖3、元器件清單工具：剪刀、鑷子、剝線鉗 元器件清單：名稱型號數(shù)量顯示字共陰3譯碼器cc45113bcd碼計數(shù)器cc45181四位二進(jìn)制計數(shù)器74ls1612分頻器cc40601d觸發(fā)器74ls741非門cc40691二入與非門74ls002四入與門74ls212二入或門74ls321晶振32768hz1蜂鳴器1電容10p120p122u2電阻33021