电工电子实验论文 电子计时器

1、电工电子综合试验（）电子计时器学院： 班级：学号：姓名： 电子计时器一. 实验目的：1. 掌握常见集成电路的工作原理及使用方法。2. 学会单元电路的设计方法。二、实验要求： 设计实现从00分00秒到59分59秒的数值计时器，并具有清零、分钟校分、整点报时的功能。三、实验内容：1. 设计实现信号源单元电路2. 设计实现从00分00秒到59分59秒计数，译码，显示单元电路。3. 设计实现快速校分的单元电路(,带防抖动电路，校分时秒不计数)4. 设计实现任意时刻复位单位电路（）5. 设计实现整点报时的单元电路（59分53秒，59分55秒，59分57秒低音（），59分59秒高音（）6. 实现00分00

2、秒到59分59秒的报时计时器。四、实验选用元器件选用器材 元件数量CD4040 1CD4518 2CD4511 4NE555 174LS00 374LS20 174LS21 274LS74 10.047F电容 11k电阻 13K电阻 1150电阻 4双子共阴字屏 2蜂鸣器 1开关 2五、实验原理及框图：数字计时器是由计时电路、译码显示电路、脉冲发生电路和控制电路等几部分组成的，其中控制电路可以分为校分电路、清零电路和报时电路。其具体的原理框图如下图所示。译码显示电路报时电路脉冲发生电路 计时电路清零电路校分电路下面对计时器的工作原理按其组成进行简单说明：5.1 脉冲发生电路脉冲发生电路是为计时

3、器提供计数脉冲的，因为是计时器，所以需要产生1Hz的脉冲信号。这里采用NE555集成电路和分频器CD4040构成。5.2计时电路计时电路钟的计数器，可以采用二-十进制加法计数器CD4518实现。60秒向分位进一位，将分和秒的个位、十位分别在七段数码显示器上显示出来，从0分0秒到59分59秒，然后重新清零计数。5.3清零电路 电路中存在一个清零开关，当开关打到高电位“正常”档时，电路正常进行计数。当开关打到低电位“清零”档时，在任何时刻，都可以进行计数器的清零。5.4译码显示电路译码器可以采用CD4511通过330电阻来驱动共阴极显示器。将分和秒的个位、十位分别在七段数码显示器上显示出来。5.5

4、报时电路电路每小时进行一次报时，从59分53秒开始报时，每隔一秒发一声，共三声低音、一声高音，且要求59分53秒、59分55秒、59分57秒为低音，59分59秒为高音，即为“嘀”、“嘀”、“嘀”、 “嗒”实际上，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，进行报时即可。5.6校分电路电路中存在一个校风开关，当开关打到高电位“正常”档时，计数器正常计数；当开关打到低电位“校分”档时，分计数器进行快速校分，分计数器可以不受秒计数器的进位信号控制，而选通一个频率较快的校分信号进行校分。而秒计数器保持。在任何时候，拨动校分开关，可以进行快速校分。即令计时器分为快速计

5、数，而秒位保持。六、元器件的介绍（逻辑功能、引脚图）6.1 NE555集成电路 NE555是在电子科技行业广为应用的一种集成电路，用途十分广泛。在本电路中，构成时钟发生器，是整个电路的核心。其引脚图如下图所示 图（1）NE555的引脚图 图（2） NE555的仿真实物图其中引脚1为接地端，引脚2和引脚6为输入端，引脚3为输出端，引脚4为复位清零端，引脚5为调整端（通常空置或通过一个电容接地），引脚7位放电端，引脚8为电源。其逻辑功能表如下：表（1）NE555的逻辑功能表(引脚4 )Vi1(引脚6)Vi2(引脚2)VO(引脚3)0××010111不变6.2 CD4511四片（

6、译码）：CD4511是一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码七段码译码器，特点如下：具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器。其引脚图及元器件图如下： 图（3）CD4511的引脚图 图（4）CD4511元器件其逻辑功能说明如下：BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。 LE：锁定控制端，当

7、LE=0时，允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。 A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。 功能表如下表所示：表（2）CD4511的逻辑功能表输入输出LEDCBAgfedcba字符测灯0××××××11111118灭零10×00000000000消隐锁存111××××显示LE=01时数据译码110000001111110110000100001101110001010

8、1101121100011100111131100100110011041100101110110151100110111110061100111000011171101000111111181101001110011196.3 CD4518两片（8421BCD码十进制计数器）：CD4518时一种常用的8421BCD码加法计数器。其引脚图下图所示： 图（5）CD4518的引脚图 图（5） CD4518的实物仿真图 每一片CD4518集成电路中集成了两个相互独立的计数器，每个计数器的内部结构功能表如下表（3）所示：表（3）CD4518的内部结构图输入输出CRCPENQ3Q2Q1Q0清零1

9、5;×0000计数01BCD码加法计数保持0×0保持计数00BCD码加法计数保持01×保持6.4 74LS00三片（与非）：74LS00是一种十分常见的集成电路，其中集成了4个与非门，其引脚图如下图所示： 图（6）74LS00的引脚图 图（7）74LS00的实物图 其逻辑功能表如下表（4）所示：表（4）74LS00的逻辑功能表输入输出BAQ0000111011106.5 74LS20 一片（4输入与非）：74LS20同样是一种与非门集成电路，与74LS00不同的是它的每个与非门有4个输入端。其引脚图见下图： 图（8）74LS20的引脚图 图（9）74LS20的实物

10、图其逻辑功能表见下表（5）：表（5）74LS20的逻辑功能表输入输出ABCDQ0XXX1X0XX1XX0X1XXX01111106.6 74LS21 三片（4输入与门）：74LS21是一种4输入与门集成电路。其引脚图见下图： 图（10）74LS21的引脚图 图（11） 74LS21的元器件逻辑功能表（6）为：输入输出ABCDQ0XXX0X0XX0XX0X0XXX00111116.7 共阴极双字屏两块：共阴极双字屏引脚布局图如图（12）所示，使用时只需将数码管的两个GND引脚接地，其他引脚与CD4511的相应引脚相连即可。 图（12）共阴极双字屏引脚布局图 图（13）共阴极双字屏实物仿真图其逻辑

11、功能表（8）为：表（8）共阴极双字屏的逻辑功能表显示字型gfedcba段码001111113fh1000011006h210110115bh310011114fh4110011066h511011016dh611111017dh7000011107h811111117fh911011116fh6.8 74LS74 一片（D触发）：74LS74集成电路是一种D触发器。其引脚图见下图： 图（14）74LS74的引脚图 图（15） 74LS74的仿真元件逻辑功能表（7）为：表（7）74LS74集成电路功能表输入输出CPDQ清零X01X01置“1”X10X10送“0”110O1送“1”11110保持O

12、11X保持不允许X00X不确定七各单元设计的思路及方法：7.1脉冲发生电路：脉冲发生电路是为计时器提供计数脉冲的，因为设计的是计时器，所以需要产生1Hz的脉冲信号。这里采用NE555集成电路和分频器CD4040构成。555定时器不仅体积小，而且用它来构成多谐振荡器，波形稳定，上升沿和下降沿小，振幅大，占空比可调，因此越来越广泛地被用作振荡器。而后通过CD4040产生几种频率供后面使用。信号发生器：当将NE555连结成图13所示的自激多谐振荡电路时，输出端为周期矩形波。 图（16）NE555构成的信号发生器 图（17）NE555的仿真元器件将图（16）中电阻和电容的数值代入上式，可得T=0.22

13、8ms， 将图（9）所示电路的输出端接至CD4040的输入端，则可以在Q12输出端得到频率大致为1Hz的方波信号。另外，在Q11、Q3、Q2三个输出端得到频率大致为2Hz、500Hz和1kHz的信号。由此，脉冲发生电路部分如图（18）所示。脉冲发生电路：脉冲发生电路仿真图（10）如下：图（18）脉冲发生电路7.2 计时器电路：（包含清零电路）两个集成电路可用一片4518所集成的两个计数器。分别用作个位计数器和十位计数器。由CD4040所输出的1Hz的时钟信号，每当时钟信号出现下降沿则计数器加1。当清零端输入0， EN端输入时钟信号且CP端为0时计数器进行计数。当输出为1001时需要对十位进位，

14、考虑Q3端当且仅当输出由1001变为0000时出现下降沿，于是直接将Q3端作为十位计数器的输入时钟信号。考虑电路清零模块，所以当使用其作为分和秒的个位进行计数时不需对其进行反馈清零，而用其进行分和秒的十位计数时，需要在Q3 Q2 Q1 Q0输出0110时对其进行清零（因为CD4518是异步清零）。使用两个与非门（图中空置的输入端为清零输入端）。当CD4518这就使得其在短暂输出0110后立即被清零成0000。由于计时器分秒工作原理基本一致，所以秒的计数器电路原理及实物仿真图（19）如下所示：图（19）秒的计数器电路原理及实物仿真图同时考虑当且仅当十位输出由0101经过短暂的0110变为0000

15、时Q2输出一个下降沿，于是利用其通过校分电路向分钟位进位。7.3 清零电路：清零电路为了考虑到防抖动，因此在这里也采用触发器来实现。因为前面74LS74还有一端没有用着，正好可以利用剩余的部分接到开关上来实现同步清零。其逻辑电路图如下图（20）所示：图（20）清零电路的逻辑电路及实物仿真图正常状态下，开关打在高电平，电路正常工作。当需要清零时，打到低电平位置，Q端输出低电平，根据前面计时电路的电路图，可以分析出秒和分的十位得以清零。输出高电平，直接输出到4518的Cr端。根据CD4518的功能表当Cr端为高电平时，进行清零。所以秒和分的个位得以清零。7.4 显示电路：根据CD4511的逻辑功能

16、表可知，当 输入为1而LE输入为0时其7个输出端分别输出一定的信号。所以只需将这些信号接入8段数码管相对应的引脚即可使其显示我们所需要的数字。然而实际上需要在每个显示器的GND相应的接入一个阻值为150的电阻以防电流过大使数码管烧毁。由此可得，显示部分电路如图（21）所示。图（21）部分电路图中左侧四个输入端分别连接CD4518的4个输出端。这样8段数码管就可以正常显示计数器所记载的数字编码了。由于电路的显示部分不会出现小数，故8端数码管的小数点引脚悬空。其实际连线仿真图如下图（22）所示：图（22）显示电路的实际仿真图7.5 报时电路：电路每小时进行一次报时，从59分53秒开始报时，每隔一秒

17、发一声，共三声低音、一声高音。即59分53秒、59分55秒、59分57秒为低音，59分59秒为高音。实际上，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，进行报时即可。对于这一要求，我们可以列一张表来形象的看出这一性质，见下表（9）：表（9）蜂鸣器发声情况时刻分十位分个位秒十位秒个位音高频率m8m7m6m5m4m3m2m1s8s7s6s5s4s3s2s159分53秒0101100101010011低约500Hz59分55秒0101100101010101低约500Hz59分57秒0101100101010111低约500Hz59分59秒010110010101

18、1001高约1000Hz设使蜂鸣器发出低音的500Hz信号为f3，使蜂鸣器发出高音的1000Hz信号为f4，则可以确定蜂鸣器的输入信号k与各变量由如下关系： K这样，将k经过三极管的放大接入蜂鸣器，就可以在所期望的时候进行报时了。具体逻辑电路图如下图所示：图（23）报时电路的逻辑图实际连线仿真图如下图所示：图（24）报时电路的实际仿真图7.6 校分电路：校分电路要实现的功能：电路中存在一个开关，当开关打到“正常”档时，计数器正常计数；当开关打到“校分”档时，分计数器进行快速校分（即分计数器可以不受秒计数器的进位信号控制，而选通一个频率较快的校分信号进行校分），而秒计数器保持。在任何时候，拨动校

19、分开关，可以进行快速校分。即令计时器分为快速计数，而秒位保持。由于D触发器的输出端只在时钟的上升沿变化，而其他时刻保持上一次的电平，故可以用其构成防颤抖电路，在校分电路中有其应用。在电路中添加一个D触发器效果会比较好。 在这里我们采用74LS74 D触发器，它包括了两个触发器，校分电路中用到一个，而清零电路中也可用到一个，可以很好的防抖动。以下是它的原理及仿真图，见下图（25）：图（25）校分电路的仿真图其中输出端直接与分计时器的个位时钟端相连接。正常计时状态下，开关连接高电平，此时Q端输出高电平，总输出端的信号与秒的十位进位信号相同。当开关连接低电平时，Q端输出低电平，总输出端输出信号为2H

20、z的时钟信号。此电路防颤抖的原理在于：当开关在两种状态之间转换时，由于机械振动，在很短的时间中（常为几毫秒）会在高低电平之间来回波动，相应的产生几个上升沿。如果直接将开关的输出端直接连接至分个位的时钟的话，这些上升沿将导致它瞬间跳变几个数值。然而在加上D触发器之后，由于在没有时钟上升沿的时候，输出信号保持，而其时钟频率相对与颤抖频率是很小的，也就是说在开关颤抖过程中触发器的输出是不变的，从而避免了分计数器数值的跳变。综上五部分，数字计时器电路的原理图如图（26）所示:图（26）数字计时器电路的总的原理图八、 实验总结与体会：通过上学期数电相关知识的学习，同时又加上上学期的四次数电小实验作为基础

21、，在这学期的开始，我就迎来了自己大三生涯的第一门课程：电工电子综合实验一门动手性很强的实验。对于平时注重理论课程，而缺乏实验课程的我们来说，这次的电工电子实验对我即使锻炼学习的机会，同时也是挑战。实验前的准备：自己在实验之前做了很充分的准备，例如利用互联网查阅相关的电路图，了解每个元件的工作原理及逻辑功能，了解模块之间的功能及产生的效果，熟悉整体构造，能的处理一些简单的接线问题。实验中的过程（注意事项）：自己是第二天来做实验的，当得知我们班上第一批做实验的很多人在第一天就完成了电路的插线时，自己的信心有所增加。但当自己第二天上午去插线时才发现，很多事情并没有自己想象的那么简单。线路十分多而且杂

22、乱，想要有层次，有条理的搭接电路是一件很困难的事。而且17块元器件，如何有效的摆放也是一件十分讲究且重要的事情。摆放的不好，很有可能导致插线太密而造成混乱。线的选取也很重要，长短要适中，不然会挡住其他插线的位置。最后，也是最关键的一步就是当插好的电路出现问题时如何检查电路。如果不会检查，那就只有拔了重插，无疑这是一件很重要的一步。实验中所遇到的问题及自己的解决办法：首先，在接完显示电路后进行调试，发现秒十位上的数为一个不变的数，不能完成计数功能。经检查发现74LS161的一些不用的管脚没有连接高电平而是直接悬空，在将暂时用不到的引脚重新连接高电平后，秒十位能完成模六计数功能。其次，连接好报时电

23、路进行测试时，不能在设计的时间点报时，而是在每分钟的20秒到30秒时间段内持续报时，经检查电路，原来是将本应该从4511芯片输入端引出的分、秒各位信号错误地从4511的输出口的对应位置引出，经改接回来后报时正常。实验后的感想：首先，要熟悉电路图，对计时器的各种功能进行分析，并且结合数字电路所学知识及所给的元器件和电路图认真分析个一个部分电路的功能和原理。其次，实验线路连接要有层次，有条理。电路分块搭接，电源，地线首先搭好，各块电路用不同颜色连线加以区别，方便线路检查。连线长短要合适，避免交叉，为拆线带来方便。增强安全意识，电路出现问题迅速断电，避免造成元器件损坏。再者计数器电路难度不大，正确的

24、分析好进位的特点，选好进位管脚即可，但是由于后面要接入校分和清零电路的信号，所以还得注意一些。最后是校分和清零电路，要注意它们分别和计数器中哪些端口连接，不能接错，而这一部分电路采用D触发器，巧妙的防止了抖动和实现了任意状态清零。实验对自己的帮助： 这次试验教会了我许多，长达将近半天的插线培养了我的毅力与坚持不懈的精神，对错误电路的分析让我学会了如何自己来解决问题，同时在实际的动手插线中，我了解到有许多小窍门可以用来方便检查错误。如元件的布局要合理，并且元件之间的连线要做到尽量少交叉，连线要清晰；不同功能的元件或者端口之间可以用不同的颜色的线加以区分等。最后，感谢老师在实验中的几次重要提醒与帮助，感谢同学对我的支援。也感谢学校提供给我这次良好的学习机会。九. 对电路的改进与创新：1、用晶振代替NE555 来产生高频脉冲信号。经过公式推导可知， 由NE555 构成的多谐振荡器产生脉冲信号的周期为T=（R1+2R2）Cln2 0.7(R1+2R2)C 再经过CD4040 分频器的分频，最终输入CD4518 的计数脉冲不是准确的1