电工电子综合实验Ⅱ实验报告-（数字计时器设计）

1、PAGE PAGE 13电工电子综合实验实验报告（数字计时器设计）姓名：完成报告时间：2006-6-22目 录一、设计内容简介 2二、设计要求2三、电路设计及工作原理 21.信号发生、计时、显示电路模块 22.开机清零及清零模块 43.校分模块 54.报时模块 55.基本电路原理图66.动态显示模块 6四、实验中遇到的问题及解决方法7五、实验总结体会 8六、附录一：元器件清单9七、附录二：器件引脚图和功能表10八、附录三：参考书目13多功能数字计时器设计内容简介：用中小规模集成电路设计一个数字计时钟，可以完成0分00秒到9分59秒的计时功能，并在控制电路的作用下具有开机清零、快速校分、整点报时

2、功能。设计要求：1.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的脉冲信号；2.设计计时电路，完成0分00秒到9分59秒的计时功能； 3.设计报时电路，使数字钟从9分53秒开始报时，每隔一秒发一声，共发三声低音，一声高音；即9分53秒、9分55秒、9分57秒发低音（频率500Hz），9分59秒发高音（频率2000Hz）；4.设计校分电路，在任何时候，拨动校分开关，可进行快速校分；5.设计清零电路，具有开机自动清零功能，并且在任何时候，按动清零开关，可以进行计时器清零；6.系统级联调试，将以上电路进行级联完成计时器的所有功能；7.可增加数字计时器附加功能，例如数字计时器定时

3、功能、电路起停功能、电路采用动态显示等。电路设计及工作原理：电路分为五个模块：信号发生、计时、显示电路模块，开机清零及清零模块，快速校分模块，整点报时模块和动态显示模块。由于实验电路板的限制，将电路分为两部分：基本部分，包括信号发生、计时、显示电路模块，清零，校分，报时四个模块；附加部分，即动态显示模块。如图1所示。图1 电路模块示意图各个模块设计原理如下：信号发生、计时、显示电路模块用4060集成电路模块为电路提供脉冲，4060提供的最小频率是2Hz，要产生秒脉冲，需2分频，用D触发器实现，如图2所示。整个计时电路采用异步计数，用产生的秒脉冲去触发10进制计数器4518，实现秒的个位计数，再

4、用秒的个位触发秒的十位。该位是六进制，用74161实现模6计数。分的个位用秒的十位去触发，用4518计数。计时电路如图3所示。各计数器的输出分别接到三个显示译码器CD4511上，显示译码器的接法如图4。显示部分采用共阴极七段LED数码管来实现。四线七线译码器CD4511的，分别接高电平， LE端接低电平，此时器件处于译码状态。电路连接过程中将CD4518（74161）计数器输出QA，QB，QC，QD与译码器CD4511的输入A，B，C，D对接，译码器的输出a，b，c，d，e，f，g分别与数码管的相应端对接并在接地端接入限流电阻。图2 CD4060产生秒脉冲图3 计时电路图4 显示译码器的接法开

5、机清零及清零模块清零电路直接用开关控制各个计数器的清零端即可。开机清零需要用电容实现，利用电容在开机瞬间充电的过程来控制清零端。如图5所示。图5 开机清零及清零模块 在接通电源的瞬间，电容上极板电势为零，而CD4518的清零端低电平有效，实现CD4518清零功能。通过反相器后为高电平，接到161的清零端实现对161清零。充电完成后电容上极板电势为Vcc，电路正常工作。清零开关平时处于断开状态，需要清零时闭合开关，原理同开机清零。校分模块用开关控制状态，状态1时分的进位信号被送入分计数器的CP端，分位计数器正常计数；状态2时正常的分的进位信号被阻塞，2Hz的校分信号被送入CP端，电路进行快速校分

6、。为了消除机械开关的抖动给电路带来干扰，采用防抖动开关。如图6所示。图6 校分模块起始状态开关s2闭合，双与非门构成的RS锁存器处于0状态，D触发器也处于0状态，分计数器正常计数。s2断开，s1闭合，RS锁存器变为1状态，D触发器翻转，变为1状态，电路快速校分。s2闭合，s1断开，RS锁存器重新处于0状态，s2断开，s1闭合，RS锁存器变为1状态，D触发器翻转，为0状态，电路停止校分，正常计数。报时模块电路计时到9分53秒、9分55秒、9分57秒时打开与非门，把500Hz信号送至蜂鸣器，到9分59秒时打开与非门，把2000Hz信号送至蜂鸣器。分别完成报时功能。为使控制电路尽量简单，用卡诺图对3

7、、5、7秒进行化简。如表1所示。Q2Q2Q1Q4Q30001111000001001011011xxxx1000 xx表1 卡诺图所以化简后3、5、7秒控制电路的信号为1Q1(1Q2+1Q3)。原理图如图7所示。图7报时模块9分50秒时，U2输出高电平，3、5、7秒任一时刻，1Q1(1Q2+1Q3)为高电平，500Hz信号被送到三极管基极，蜂鸣器发出500Hz低音。9秒时，1Q1and1Q4为高电平，2kHz信号被送到三极管基极，蜂鸣器发出2kHz高音。基本电路原理图图8 基本电路原理图动态显示模块使用一个显示译码器CD4511来实现显示三个数码管。需使用数据选择器，实现对秒的个位及十位，分的

8、个位信号进行选择。同时对数码管的共阴极进行控制，当一个数码管显示数字时其他两个数码管不显示。图9 动态显示三个数码管的阴极经过串联电阻后分别接1Q1+1Q2，1Q1（非）+1Q2，1Q1+1Q2（非）。1Q1、1Q2分别为该模块内计数器4518的第一、第二输出管脚。1Q1、1Q2接到数据选择器153的A0、A1端。分计数器的四位输出分别接到四个数据选择器153的D0管脚，秒的十位计数器的四位输出分别接到四个数据选择器153的D1管脚，秒的个位计数器的四位输出分别接到四个数据选择器153的D2管脚。如图9所示。 计数器4518实现模3计数，共有0000，0001，0010 三个状态，0000状态

9、时，分计数器的四位输出通过四个4选1数据选择器进入显示译码器4511，输出信号送到三个数码管，由于此时第一个数码管阴极为低电平，而其他两个数码管阴极为高电平，所以只有第一个数码管显示出分的个位数字。0001状态时秒十位计数器的输出分别被送到显示译码器，第二个数码管阴极为低电平，显示秒的十位数字，0010状态时，秒个位计数器的输出分别被送到显示译码器，第三个数码管阴极为低电平，显示秒的个位数字。四、实验中遇到的问题及解决方法由于软件使用的问题，在做实验前没有上机模拟，只是根据理论知识手工绘制了原理图。实验前，指导老师要求了电源和地线的连接方法，这样确实有许多好处，只需一眼就可以看出输入端接的是高

10、电平还是低点平。在实验中我一直用着这种连线方法，只要输入端接高电平就用红线，低电平就用黑线，为电路的检查带来了很多便利。而且据了解，周围实验同学结果不正确的，很多都是连线没有按照老师的要求去做。在电路某一模块功能的实现过程中也是采用相同颜色电线搭接的，方便检查线路。由于连线比较规则，基础电路部分很快就做完了，基本没有遇到什么困难。接下来是附加功能，动态显示。实验前须拆掉清零、校分、报时电路。但是由于线路较为复杂，拆线很不方便，容易拆错，而且后来问题确实出现在这个地方。动态显示电路搭接完毕，接通电源，刚开始，数码管没有显示，为防止接线错误造成元件损坏，迅速断电，仔细检查，终于发现，在接电源时调幅

11、旋钮被无意碰到，已经接近6伏。由于错误发现及时，恢复电源5伏后，没有元器件损坏，动态显示功能已经实现。但新问题又出现了，秒的十位始终只有0、1两种状态。分析后认为可能是计数器的问题，检查电路后并没有发现问题。还有可能是显示电路的问题，接线错误造成数码管不能显示其他状态，检查电路后还是没有发现问题。再次检查电路，一根线，一根线的检查，终于找到了问题，秒的十位计数器161的接地端GND左侧的S0端空接了，没有接高电平。由于有其他连线的遮掩，前几次检查都没有发现问题。问题排除，接通电源，动态显示功能实现。所以在实验过程中出现问题不要急于求助其他同学或者老师，多是连线的问题，只有自己仔细排查，因为别人

12、不可能比你自己更熟悉电路，而且其他同学也要做实验，老师还要指导其他同学。做完实验，用软件模拟电路。却发现了问题，计数器的分位虽然在59到00秒的时候有跳变，但在39到40秒的变化过程中也出现了跳变。检查线路，没有发现线路问题，用示波器观察，发现分的进位信号，即分计数器的CP端输入信号，在39到40秒时有一个瞬间变化，产生了一个上升沿（图10中示波器），触发了计数器进行了计数。是软件的问题，multisim软件太过理想化了，由于在电路中用的是异步电路，就产生了问题。如若在multisim软件中解决这个问题就只能用同步电路来完成计数了，或者用软件max plus2也可以。图10 产生的脉冲上升沿示

13、意图五、实验总结体会 电子电工综合实验的数字钟，相对来说是比较复杂的实验。做完实验，学到的东西也很多。从这次实验可以看出，实验前的准备工作是非常必要，因为实验任务已经事先布置了，准备工作做好后，到实验室直接做就好了。准备工作的好坏将直接影响到实验的完成。准备的电路图最好是原理图，而不是实际的元器件连线图。因为电路较复杂，器件连线图看起来会很费时，而且容易看错。有了原理图，参照元件引脚图，连起线来会很快，准确率也会很高。其次，实验线路连接有层次，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

14、问题迅速断电，避免造成元器件损坏。实验中出现问题，冷静处理。仔细检查线路，自行分析出错原因。学会使用仪器对线路进行检查与调试。必要时向同学，老师寻求帮助。这次实验也让我懂得了理论是理论，实际是实际的道理。看起来简单的东西做起来可能会很复杂，某个地方出了一点小问题会影响整个实验的进行，而解决这个问题却要从整个实验检查。所以做每一件事都要小心，确保无误后再做其他的事情附录：元器件清单工具（剪刀、镊子、剥线钳） 一套接线板 一块导线 分频器 CD4060 1 译码器 CD4511 3 BCD码加法计数器 CD4518 1 非门 CD4069 1 二入与非门 74LS00 2 四入与门 74LS21

15、2 二入或门 74LS32 1 D触发器 74LS74 1 四位二进制计数器 74LS161 1数据选择器 153 2 LED数码管 共阴 3 电阻 1K;10K;56K;22M 3;2;1;1 电容 10pF;20pF;22uF 1:1:2晶振 32768Hz 1 蜂鸣器 1三极管 3DG6 1附录2:器件引脚图和功能表一、14位二进制串行计数器/分频器和振荡器CD40601.引脚图2.功能表CPCr功能0计数任意011复位二、 译码器CD45111.引脚图2.功能表输 入输 出LEDCBAgfedcba字符测灯0 XXXXXX11111118灭零10X00000000000消隐锁存111X

16、XXX显示LE=01时数据译码110000001111110110000100011101110001010100112110001110011113110010011011104110010111011015110011011111006110011100011117110100011111118110100111011119三、CD4518双四位同步BCD码加法计数器1.引脚图2.功能表输入输出CrCPEN清零1XX0000计数01BCD码加法计数保持0X0保持计数00BCD码加法计数保持01X保持四、 CC4069(反相器)引脚图五、 74LS00（与非）引脚图六、74LS21（与门）引脚图七、74LS74（双D触发器）引