数字计时器.doc

电电工电子综合实验报告数字计时器院 系：电光学院专 业：通信工程班 级：07042201学 号：0704220100姓 名：* * *指导教师：李 元 浩时 间：2009.09.172009.09.20 目录1设计电路功能要求（1）2设计电路原理图（1）3电路逻辑原理图及工作原理（2）4各单元电路原理及逻辑设计4.1脉冲发生电路(2-3)4.2计时电路(3-4)4.3显示电路(4)4.4清零电路(5)4.5校分电路(5)4.6报时电路(6)5电路安装与调试说明(6-7)6对电路的改进意见（7）7收获体会及建议（7）8设计参考资料（7）9 附录（8-10）1设计电路功能要求本实验要求设计一个0分00秒-9分59秒的多功能数字计时器。数字计时器是由脉冲发生电路，计时电路，译码显示电路，和控制电路等几部分组成。其中控制电路由清零电路，校分电路，和报时电路组成。该数字计时器可以在控制电路的作用下具有开机清零、手动清零、快速校分和整点报时功能。设计一个脉冲发生电路，为计时器提供秒脉冲，为报时电路提供驱动蜂鸣器发声的脉冲信号；设计计时和显示电路，将分及秒的个位、十位分别在七段显示器上显示出来，从0分0秒开始，计到9分59秒，然后重新计数。将分及秒的个位、十位分别在七段显示器上显示出来，七段显示器循环显示数字000959；设计清零电路，实现手动及开机清零；设计校分电路，在校分开关控制下实现分校正；设计报时电路，使数字计时器实现在9分53秒、9分55秒、9分57秒低音（1KHz）报时，以及在9分59秒高音（2KHz）报时；2设计电路原理图图2-1 电路原理图3电路逻辑原理图及工作原理数字计时器的原理方框图如图3-1所示，该电路系统由脉冲发生电路、计时和显示电路、清零电路、校分电路和报时电路和其它附加电路等几部分组成的。脉冲发生电路由振荡器和分频器组成，振荡器产生稳定的高频脉冲信号，作为数字钟的时间基准，再经分频器输出标准的秒脉冲，同时也可得到其他不同频率的脉冲。电路要实现0分00秒至9分59秒的计时和显示功能，所以由三个计时器分别计时，分位（模10）、秒十位（模6）、秒个位（模10），然后再通过译码器，由LED数字显示管显示出来。清零电路实现开机清零和任意时刻手动清零，通过逻辑门与计时器连接，从而实现清零。校分电路实现快速校分，只要将分计数器的频率调快等操作即可实现。报时电路是根据计时电路的输出状态产生一个脉冲信号，然后去触发蜂鸣器实现报时。图3-1 数字计时器原理方框图4各单元电路原理及逻辑设计4.1脉冲发生电路脉冲发生电路是计时器的核心部分，它提供计时电路的时钟并为报时电路提供驱动信号。脉冲发生电路是由振荡器和分频器构成，其原理图如图4-1。一般来说，振荡器的振荡频率越高，及时精度越高。本实验采用的石英晶体多谐振荡器的频率为32768Hz。分频器CD4060内部有14级二分频器，有两个反相器，最大可实现分频，所以可输出的最低频率为2Hz；为了得到1Hz的脉冲，需要在振荡器后再加一级二分频器，只要将D触发器的端与D端连接在一起就可以用D触发器实现二分频，所以在CD4060的Q14端接一个D触发器，即可以输出频率为1Hz的脉冲信号。同时CD4060也可提供报时电路所需要的频率为1KHz和2KHz的脉冲信号。图4-1脉冲发生电路4.2 计时电路 计时电路由分计数器、秒十位计数器和秒个位计数器构成。一片CD4518含有两个十进制计数器，因此可以用一片CD4518组成秒计数器的个位和分计数器的十位计数。用一片74LS161构成一个模六计数器就可以实现秒十位的计数。 秒个位：连接电路时，秒信号发生器产生的秒脉冲信号送入秒个位计数器CD4518的CP端，上升沿触发，秒个位单元中的输出Q4通过非门接入74LS161的时钟端，当输入第十个脉冲时，Q4输出跃变，产生进位脉冲，完成个位与十位的进位。秒十位：秒十位记数器应实现模六功能，可以采用反馈置位法，Q1和Q3通过一与非门接入置数端，74LS161的四个数据输入端接地，这样当计数器的状态0101时，时钟到来的时候又重新置数为0000。分位：分计数器的电路与秒个位计数器相似，用CD4518实现十进制计数功能，把74LS161的Q3接到分计时电路CD4518的引脚CP端，上升沿触发，作为进位信号。电路原理图如图4-2：图4-2 计时电路图4.3 译码显示电路计时器的输出（用二进制代码表示的数），经译码器驱动数码显示器，就可以直接显示出数字。本实验采用三片CD4511显示译码器和三个七段共阴LED显示管，电路从0分00秒计到9分59秒，译码显示电路用三片四线七线译码器CD4511进行译码，然后用共阴极七段LED数码管进行显示。CD4511的输入端应与相应计数器的输出相连，而它的输出端应与数码管的管脚对应相连，而CD4511每个输出端与数码管对应管脚相连时还应连接一个300欧姆的电阻，以起保护作用。为了使CD4511工作在译码状态，必须=1，=1，=0。其电路原理图如图4-3：图4-3 译码显示电路图4.4 清零电路 清零电路要实现两项功能：开机清零和任意时刻手动清零。开机清零是指在电路刚刚上电时可以使所有的计数器自动复位，即从零开始工作。手动清零是指在电路正常工作时，按动清零开关，使计数器全部回零。开机清零是通过电容两端电压的非调变特性实现的。电路刚接通电源时，节点处的电位为1。该电位经过一个反相器接入秒十位计数器的Cr端，经过两个反相器接入分计数器和秒个位计数器的Cr端，则这三个计数器的清零端均接入有效电平，实现清零。此后，只要电源始终保持接通，电路持续计数，开机清零电路就失效了。断开清零开关时，节点1处电位为5V，此时送入各计数器清零端的信号均为无效信号，无法实现清零。而闭合清零开关时，因为电容要充电，所以节点1处电位为1，送入各计数器清零端的信号均有效，电路实现清零。 其电路原理图如图4-4：图4-4 清零电路图4.5 校分电路校分电路是由开关和逻辑门电路实现的。当校分电路开关打开时，计数器正常计数；当开关闭合时，秒个位和秒十位正常计数，分位进行快速校分，即分计数器可以不受秒计数器的进位信号的控制。当开关合上时，2Hz的信号通过与非门，秒十位计数器的次高位进位脉冲被截止，与非门输出高电平，这时2Hz的信号可以再通过一次与非门，把2Hz的脉冲送入分计数器时钟脉冲端，实现快速校分。其电路原理图如图4-5：图4-5 校分电路图4.6 报时电路报时电路由逻辑门电路组成的。需要在某一时刻报时，就将该时刻输出为“1”的信号作为触发信号，选通报时脉冲信号，进行报时。按照设计要求，数字计时器应在9分53秒、9分55秒、9分57秒发低音（频率1KHz），9分59秒发高音（频率2KHz）。它们持续的时间均为一秒，如表一所示：表4-1 秒个位计数器的状态CP（秒）Q3Q2Q1Q0功能500000510001520010530011鸣低音540100停550101鸣低音560110停570111鸣低音581000停591001鸣高音000000停当分的状态为Q3Q2Q1Q0=1001，秒十位的状态为Q3Q2Q1Q0=0101以及秒个位的Q0=1时，用秒个位的Q3、Q2、Q1的状态来控制1KHz或2KHz得信号输入：当Q2+Q1=1时，输入1KHz的信号；当Q3=1时，输入2KHz的信号。其电路原理图如图4-6：图4-6 报时电路图所用集成器件引脚功能及真值表见附录。5电路安装与调试说明根据计时器整机框图和前面所学的模块知识，将计时器的各个单元电路组合起来，构成图2-1所示的计时器原理电路图。在完成整机电路连接之前，应先对各单元电路进行逐一安装和调试，然后再进行整机的连接与调试。由于这次实验较为复杂，而且准备时间不够，实验过程中出现了很多问题。1混淆了各类元器件引脚悬空的含义。 解决方法：实验前，做好充分的预习，画出元器件的引脚图和功能表。2清零电路不能实现清零功能。 解决方法：经过检查，发现是所用电阻阻值太大，更换电阻后，电路正常工作。3秒脉冲信号发生器不能产生脉冲。 解决方法：经过检查，发现电源没有接通，重新连接之后，电路产生了所需脉冲。还有最重要的一点是连接电路时最好分块连接，逐步调试，以便及时发现问题。6对电路的改进意见 在开关处加一个RS锁存器可以消颤，使输入更稳定。 给电路增加一个定时器，该计时器可在计时范围内任意设定工作时间长短、能自动及时并具有定时警示功能的装置。7收获体会及建议这次实验相对以前做的数电实验来说复杂了很多，由于时间紧迫，在图书馆查阅了一些资料后，就设计出了大致的实验原理图。这次实验由于电路复杂，用到的元器件多，在连接的时候很容易出错，所以在连接电路的时候，分块连接，脉冲发生电路、计时和显示电路、清零电路、校分电路和报时电路，这样每连好一小块后，马上进行调试，纠正电路中的错误，直到实现该模块的功能才进行下一小块的连接。连线的时候，尽量横平竖直，不要出现线线交叉，更不要使导线跨过芯片连接，否则，当芯片损坏时不易更换。而且，所有芯片应该先把电源和接地端连好。在实验中我们应该学会用万用表来检测元器件的好坏，这样更容易帮助我们发现问题所在。总的来说，这次实验完成地比较顺利，虽然过程很繁琐，由于为了不使导线交叉，所以需要剪出大量的短导线来连接，这使得人头昏眼花的，但是相对实验成果来说，这是非常值得的，不管怎么说，付出的努力都有了回报。通过这一周的学习，我感觉有很大的收获：首先，通过学习使自己对课本上的知识可以应用于实际，使的理论与实际相结合，加深自己对课本知识的更好理解，同时实习也段练了我个人的动手能力，对我们学生来说，理论与实际同样重要，这是我们以后在工作中说明自己能力的一个重要标准；能够充分利用图书馆去查阅资料，增加了许多课本以外的知识。经过这次实验，我对数字电路有了更加深刻的理解，了解了数字电路在实践中的应用。最后，感谢老师在实验中对我的帮助。8设计参考资料数字逻辑电路与系统设计 蒋立平著 南京理工大学 2001实验电子技术 李振声主编 国防工业出版社 2001电子技术实验指导书 马鑫金编 南京理工大学 2006电子技术实验教程 赵立明主编 机械工业出版社 2008 电子技术实验及课程设计 李贵安主编 东南大学出版社 20089附录 工具及器件清单 名称型号数量直流稳压电源1剥线钳1面包板1剪刀1导线若干镊子1万用表1LED显示器共阴3译码器CD45113BCD码计数器CD45181四位二进制计数器74LS1611分频器CD40601D触发器74LS741二入与非门74LS002四入与门74LS212非门CD40691二入或门74LS321开关2晶体振荡器32768Hz1三极管（NPN）80501蜂鸣器1电容10pF120pF122uF1100 uF1电阻3002156K110K222M1各元件的引脚图及功