大学毕业设计秒级精度的可调式定时器的设计与制作

1、秒级精度的可调式定时器的设计与制作作者：陈帅【摘要】：设计并制作一个秒级精度的可调式定时器，能够产生高稳定度的脉冲信号，经分频可得到秒时基信号用于定时控制电路。本定时器是一种控制精度可达秒级的定时控制电路，可用于需要精确控制定时的电路中。电路中采用石英晶体振荡器作为时基信号源，通过数字电路的分频，取得精确的秒信号。再通过一只数字分频电路将秒信号进一步分频，从不同的分频输出端控制信号，组成定时可调的定时控制电路，将定时输出的控制信号去触发一个由555电路组成的单稳态电路，并通过继电器去控制被控电路的工作状态。本电路定时时间范围为22048S，通过选择开关分11级输出。【关键词】：石英晶体振荡器

2、多级数字分频电路 NE555 单稳态电路 继电器引言随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，电子技术的飞速进步，用数字电路技术实现的自动化控制，例如555定时器，它是一种电路结构简单、使用灵活、用途广泛的多功能电路。只要外部少数几个阻容元件便可组成施密特触发器、单稳态触发电路、多谐震荡器等电路。555定时器的电源电压范围宽，双极型555定时器为516V，COMS555定时器为318V。可以提供与TTL及COMS数字电路兼容的接口电平。555定时器还可以输出一定的功率，可驱动微电机、指示灯、扬声器等。它的脉冲波形的产生与变换、仪器与仪表、测量与控制、家用电气与电子玩具等领域都有广泛的应用。随着科技

3、的不断发展，生产工作等方面自动化程度不断提高，尤其是随着我们进入纳米时代，人们越来越重视测量的精确化。当实现生产的自动化时，做一项工作要多少秒？当火箭发射时，需要多少秒进行第二次、第三次点火？当你遇到生命危险时，需要自动求救装置多少秒自动进行求救？这些都需要一个高精度的定时装置。秒级精度的可调式定时器可以帮助你进行高精度的定时。 第一章、 主电路的设计方案一. 设计要求（1）该电路具有定时控制电路，控制外围电路; (2) 定时时间22048S；（3）时间精确度小于1S；（4）自制+12V稳压直流电源。二设计方案1.方案一电路采用14位二进制串行计数/分频器CD4060构成高精度秒时基信号源，它

4、的振荡电路由32768Hz的电子钟表用石英晶体振荡器产生。经过2分频电路、多级可调时预置电路产生触发脉冲，控制定时输出电路进行定时。设计电路框图如图1。高精度秒时基信号源2分频电路多级可调定时预置电路定时输出电路图12.方案二方案二是由555定时器构成多谐振荡器，利用充放电时间差来产生高精度秒时基信号源，不需要 2次分频，再通过多级可调定时预置电路来控制定时输出电路进行定时。设计电路框图如图2。高精度秒时基信号源多级可调定时预置电路定时输出电路图23.方案的确定虽然方案二的电路结构比方案一简单，所需的元器件也比较少，但是方案一由CD4060产生的秒时基信号源比方案二由555定时器产生的秒时基信

5、号源频率更稳定，所产生的信号源更精确，更符合任务书要求。为使电路具有更高的Q值以提高振荡频率的稳定性，这里选择CMOS非门，从减小电路功耗的角度来考虑， 这也是一种较好的选择，因此，电路的其它部分也应尽量采用CMOS集成电路来实现，方案一符合这一要求。方案一所需的元器件实验室也可以购得，所需的元件价钱不高，因此我选用方案一。第二章、电路的工作原理一 主电路原理本定时器是由石英晶体振荡器产生的高稳定度的脉冲信号，通过数字电路多级分频后取得1Hz的秒时基信号，再通过多级数字分频电路的分频，取得多种时间的控制信号并通过继电器控制工作电路。本电路定时时间范围为22048S，通过选择开关分11级输出。电

6、路图如图3。图3所示为精密数字式定时控制电路。该控制器由高精度秒时基信号源、2分频电路、多级可调定时预置电路和定时输出电路与继电器驱动电路组成。 图3二 构成电路各硬件部分原理分析1.高精度秒时基信号源高精度秒时基信号源是由14位二进制串行计数/分配器CD4060、电子钟表用石英晶体振荡器(它固有频率为32768Hz)等组成。CD4060内包含两个反相器，这两个反相器可通过外接RC元件或石英晶体组成振荡器。本电路由石英晶体振荡器产生的32768Hz脉冲信号经CD4060内部14级二进制计数器，每个计数器可用作一个2分频，其分频范围为24-214，即1616384。后由脚(Q14)输出，输出的脉

7、冲频率为2Hz。a. 晶体振荡器电路一般输出为方波的数字式晶体振荡器电路通常有两类，一类是用TTL门电路构成；另一类是通过CMOS非门构成的电路，如图4所示，从图上可以看出其结构非常简单。该电路广泛使用于各种需要频率稳定及准确的数字电路，如数字钟、电子计算机、数字通信电路等。图4图4所示电路中，CMOS非门U1与晶体、电容和电阻构成晶体振荡器电路，U2实现整形功能，将振荡器输出的近似于正弦波的波形转换为较理想的方波。输出反馈电阻为非门提供偏置，使电路工作于放大区域，即非门的功能近似于一个高增益的反相放大器。电容、与晶体构成一个谐振型网络，完成对振荡频率的控制功能，同时提供了一个180度相移，从

8、而和非门构成一个正反馈网络，实现了振荡器的功能。由于晶体具有较高的频率稳定性及准确性，从而保证了输出频率的稳定和准确。晶体XTAL的频率选为32768HZ。该元件专为数字钟电路而设计，其频率较低，有利于减少分频器级数。从有关手册中，可查得C1、C2均为30pF。当要求频率准确度和稳定度更高时，还可接入校正电容并采取温度补偿措施。由于CMOS电路的输入阻抗极高，因此反馈电阻R1可选为10M。较高的反馈电阻有利于提高振荡频率的稳定性。b.分频电路 分频电路原理由于晶体振荡器输出频率为32768HZ，为了得到1HZ的秒信号输入， 需要对振荡器的输出信号进行15级2进制分频。CD4060在数字集成电路

9、中可实现的分频次数最高，而且CD4060还包含振荡电路所需的非门，使用方便。CD4060计数为级进制计数器，可以将32768z的信号分频为z，其内部框图如图5所示，从图中可以看出，CD4060的时钟输入端两个串接的非门，因此可以直接实现振荡和分频的功能。图5综上所述，可选择CD4060同时构成振荡电路和分频电路。在和之间接入振荡器外接元件可实现振荡，并利用时计数电路中多一个2分频器（后述）可实现15级2分频，即可得1Hz信号。 CD4060 功能简介：CD4060由一振荡器和14级二进制串行计数器位组成，振荡器的结构可以是RC或晶振电路。CR为高电平时，计数器清零且振荡器使用无效，所有的计数器

10、位均为主从触发器。在 （和CP0）的下降沿计数器以二进制进行计数，在时钟脉冲上使用施密特触发器对时钟上升和下降时间无限制。CD4060的功能表见表1；引脚图见图6。引出端符号： 时钟输入端 CP0 时钟输出端 反相时钟输出端 Q4- Q10,Q12-Q14 计数器输出端 第14级计数器反相输出端表 1 ：功能表CD4060引脚图：图 62.二分频电路 二分频电路原理CD4069与CD4013组成缓冲级和2分频器，由秒时基信号源输出的2Hz信号源经CD4069反相和缓冲，送入CD4013二分频，得到1Hz（秒）的信号，该信号加至CD4040的CP端，以作为时钟控制信号。CD4013为D触发器CD

11、4013,在本电路中被接成双稳态电路，使其每输入两个脉冲，它的输出端输出一个脉冲，实现2分频功能。 CD4013功能简介：CD4013是一双D触发器,由两个相同的、相互独立的数据型触发器构成。每个触发器有独立的数据、置位、复位、时钟输入和Q及Q输出，此器件可用作移位寄存器，且通过将Q输出连接到数据输入，可用作计算器和触发器。在时钟上升沿触发时，加在D输入端的逻辑电平传送到Q输出端。置位和复位与时钟无关，而分别由置位或复位线上的高电平完成。CD4013的真值表见表2；引脚图见图7。表 2： CD4013 真值表功能:CL(Note 1)DRSQ0000110010X00QXX1001XX0110

12、XX1111CD4013引脚图：图 7 CD4069功能简介：CD4069由六个COS/MOS反相器电路组成。此器件主要用作通用反相器、即用于不需要中功率TTL驱动和逻辑电平转换的电路中。CD4069的引脚功能见图8、图9。CD4069引脚功能图 8 图 9 交流测试电路和波形切换时间图 10 图 11 3.多级可调定时预置电路 多级可调定时预置电路的原理多级可调定时预置电路由一个12位二进制计数/分配器CD4040（IC4）组成。该电路内由12级2分频器组成，它有12个分频输出端，即Q1Q12,其中Q1的分频系数=20=1，Q12的分频系数=211=2048。由IC4组成的可调定时预置电路分

13、11级，当CP信号频率为1Hz时，其中第一级的定时预置时间由CD4040的Q2输出，定时时间为21=2S,第二级定时预置时间由Q3输出，定时预置时间为22=4S,第三级由Q4输出，时间为23=8S第十级定时预置由Q11输出，时间为210=1024S，第十一级定时预置时间由Q12输出，定时预置时间为211=2048S。 CD4040功能简介：CD4040是12位二进制串行计数器，其内部框图如图12。所有的计数器为主从触发器。计数器在时钟的下降沿进行计数。CR为高电平时，对计数器进行清零。由于在时钟输入端使用施密特触发器，对脉冲上升和下降时间无限制，所有输入和输出均经过缓冲。CD4040功能表见表

14、3；引脚图见图13。图 12引出端符号： 时钟输入端CR 清除端Q0 计数器脉冲输出端表 3：CD4040引脚图图 134.定时信号输出变换与控制电路定时信号输出变换与控制电路工作原理VT1、VT2和IC5组成定时信号输出变换与控制电路，其中NE555与R4、C3组成单稳态延时电路，延时时间T=1.1R4C3,也可根据实际定时需要，按照公式选择R4和C3的数值。根据定时需要，可由选择开关SA1将相应的定时阶跃高电平引出一路。当IC4输出定时信号后，加至放大器VT1、VT2（VT1先导通，VT2随后导通）。VT2集电极输出低电平，经放大后的信号再加至IC5脚，使555因脚为低电平而发生翻转置位，

15、脚输出的高电平使继电器K吸合，接通相应控制的负载，使负载工作。本控制器定时的工作程序为：等待2N(N=211)秒后，继电器才吸合，接通工作。之后，因C3通过R4进行充电，当C3上的电压充到使6脚电位达到2/3VDD时，555发生复位，脚输出的低电平使继电器K释放，相应负载断电，停止工作。本定时控制器的定时时间可从22048秒，分11个档次，定时精度高，较一般定时器理想。NE555定时器：555定时器是一种数字与模拟混合型的中规模集成电路，应用广泛。外加电阻、电容等元件可以构成多谐振荡器，单稳电路，施密特触发器等。 555定时器原理图及引线排列如图14所示。其功能见表4。定时器内部由比

16、较器、分压电路、RS触发器及放电三极管等组成。分压电路由三个5K的电阻构成，分别给A1和A2提供参考电平2/3VCC和1/3VCC。A1和A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号自6脚输入大于2/3VCC时，触发器复位，3脚输出为低电平，放电管T导通；当输入信号自2脚输入并低于1/3VCC时，触发器置位，3脚输出高电平，放电管截止。4脚是复位端，当4脚接入低电平时，则V0=0；正常工作时4接为高电平。    5脚为控制端，平时输入2/3Vcc作为比较器的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控

17、制。如果不在5脚外加电压通常接0.01F电容到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，确保参考电平的稳定。2触发 5控制电压 3输出 6门限(阈值） 4复位 7放电图14 NE555内部框图（a）和引脚图（b） 表 4: NE555功能表：在此次电路我应用的是555构成的脉冲启动式单稳态电路单稳态，因此我重点在这里说一下脉冲启动式单稳态电路。所谓“单稳态”电路，就是该电路只有一个稳定状态，另一个状态为不稳定状态或称暂稳定状态。这种电路在平时处于稳定状态，当需要时，用一个触发信号去触发它，使它翻转进入暂稳态，经过一段时间后电路又自动恢复到稳态。单稳态电路有下列特点：一是电路处于稳态时，若没有外加的触发

18、信号，则电路一直处于稳定状态而不会自动改变其状态；二是暂稳态的暂稳时间可以根据需要预先设定；三是到达预定的暂稳时间后，电路可不外加任何信号而自动恢复到稳态。图15为脉冲启动型单稳，也可以分为2个不同的单元。他们的输入特点都是“RT-7.6-CT”，都是从2端输入A路的2端不带任何元件，具有最简单的形式；B路则带有一个RC微分电路。图 15我在这里选用的是B路。该电路在接通电源后，首先进入一个稳态建立的过程。这个过程是这样的：接通电源后，输出端输出高电平。电源首先通过电阻RT向电容CT充电，当充电使电容CT上的电压达到2/3VCC时,电路复位,输出端变为低电平。这时由于内部放电管导通，电容CT通

19、过脚进行放电，电路进入稳态。R1、C1组成微分电路，它将输入的触发脉冲微分后加至电路的触发端脚，使电路的触发更可靠。当对电路的输入端Vi加上低电平后，经过微分电路，该低电平变为窄脉冲加至触发端脚，电路被触发后发生翻转，输出端脚由低电平变为高电平。当电路输出端脚变为高电平后，555电路内部的放电管截止。电源开始通过RT向CT充电，电路进入暂稳态。当电容充电使其电压上升至2/3VCC时，电路翻转，输出端脚由高电平变为低电平，电路进入稳态。第三章、 电源电路的制作直流稳压电源小功率稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成，系统框图如图16所示，电路图如图17所示 + 电 源 +

20、 整 流 + 滤 波 + 稳 压 + u1 u2 u3 uI U0 _ 变压器 _ 电 路 _ 电 路 _ 电 路 _ （a）稳压电源的组成框图 u1 u2 u3 uI U0 0 t 0 t 0 t 0 t 0 t （b）整流与稳压过程图16图 171整流和滤波电路在稳压电源中一般用四个二极管组成桥式整流电路，整流电路的作用是将交流电压u2变换成脉动的直流电压u3。滤波电路一般由电容组成，其作用是把脉动直流电压u3中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压UI。UI与交流电压u2的有效值U2的关系为： 在整流电路中，每只二极管所承受的最大反向电压为： 流过每只二极管的平均电流为： 其中：R

21、为整流滤波电路的负载电阻，它为电容C提供放电通路，放电时间常数RC应满足：其中：T = 20ms是50Hz交流电压的周期。全波整流电路波形如图18所示。 2、稳压电路由于输入电压u1发生波动、负载和温度发生变化时，滤波电路输出的直流电压UI会随着变化。因此，为了维持输出电压UI稳定不变，还需加一级稳压电路。稳压电路的作用是当外界因素（电网电压、负载、环境温度）发生变化时，能使输出直流电压不受影响，而维持稳定的输出。稳压电路一般采用集成稳压器和一些外围元件所组成。采用集成稳压器设计的稳压电源具有性能稳定、结构简单等优点。集成稳压器的类型很多，在小功率稳压电源中，普遍使用的是三端稳压器。按输出电压

22、类型可分为固定式和可调式，此外又可分为正电压输出或负电压输出两种类型。常见的有CW78（LM78）系列三端固定式正电压输出集成稳压器；CW79（LM79）系列三端固定式负电压输出集成稳压器。三端是指稳压电路只有输入、输出和接地三个接地端子。型号中最后两位数字表示输出电压的稳定值，有5V、6V、9V、12V、18V和24V。稳压器使用时，要求输入电压UI与输出电压Uo的电压差UI - Uo 2V。稳压器的静态电流Io = 8mA。当Uo = 5 18V时，UI的最大值UImax= 35V；当Uo=18 24V时，UI的最大值UImax = 40V。这里我选用的是12V，经测试输出的直流稳压电源为

23、11.6V左右，符合任务要求。图18 全波整流电路波形第四章、 安装与调试及故障分析准备好全套元件后，用万用表粗略的（因出厂前已测量过）测量一下各元件的质量，做到心中有数。插线板时注意，电路最好紧贴电路板，二极管和三极管不要装反，注意级性的正确，否则电路不能正常工作甚至烧毁元器件。通过眼、手来查找故障部位。即是看元器件有无断线、互碰、导线是否接好等现象；摸元器件是否过热等。用普通万用表的欧姆档检查各点的阻值，粗查是否有短路、短路等情况。电源部分按照任务书的要求我设计了一个+12V的直流稳压电源，220V的交流电源经过变压器，变压后测得的交流电压为+15.6V左右，再经过桥式整流，将交流变为直流

24、，测得电压为直流+14.8V，然后通过电容滤掉电压的脉动成分，然后测得的电压为直流+14.5V，接入三端稳压器LM7812，经测试输出的直流稳压电源为11.6V左右，符合任务要求。经过认真的核对，确定主电路连接无误，接通直流12V的电源，调节波动开关，CD4040的输出端产生脉冲，经过三极管IN4007给NE555 号脚一输入信号，触发由NE555构成的单稳态电路进行定时，达到定时时间继电器吸合。由于我对电路的理解有限，使电路不能正常的进行定时，而且采用12V的电源，使经过三极管的电流过大，长时间使用经常造成三极管的烧损，后来我改采用9V电源，在三极管VT1基极加一限流电阻，减少了三极管的烧损情况。记录实验结果，完成实验报告。心得体会经过一个月的努力，毕业设计基本完成了，在毕业设计的过程中，学到很多有用的知识：学会了一个完整的电路设计的方法和运行调试。几个星期的学习中，我学会了直流电源的制作，懂得了集成块555的功能，对电路调试过程中遇到问题的分析方法，还掌握了其他电路的基本分析方法，还锻炼了我主动学习及与他人合作的能力。还可以从各种渠道获得一定的资料共同加以研