南理工电工电子综合实验2报告[18页]

1、 题目：多功能数字计时器设计 姓名： 洪 珊 学号： 1010190304 目录 摘要 关键词 3一、实验目的3二、设计内容简介3三、设计功能要求4四、整体电路设计原理5五、分部电路设计原理及原理图及仿真波形6 1.秒脉冲信号发生电路6 2.计时电路7 3.译码显示电路8 4.清零电路9 5.校分电路10 6.报时电路11 7.电路仿真波形12六、电路逻辑总原理图 12七、附加电路-起停电路 14八、实验中遇到的问题解决方法 15九、实验总结及体会 15十、附录 16 1.参考文献 16 2.元器件清单 17 3.芯片管脚图 18 多功能数字计时器设计摘 要: 数字计时器由秒脉冲信号发生器、计

2、时电路、译码显示电路、校分电路、清零电路、报时电路等几部分单元电路组成，设计完成后可以完成0分00秒至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、整点报时功能。本文首先介绍了实验内容与设计的功能要求,然后较详细地阐述了各单元电路的相关原理，并对相关电路图进行了分析。关键词:脉冲信号发生电路、计时电路、报时电路、校分电路、清零电路、起停电路 正 文:一、实验目的1.掌握常见集成电路的工作原理和使用方法。2.培养学生分析问题解决问题的能力。 3. 提高学生设计单元电路的，调试电路的实验技能。二、设计内容简介本实验采用中小规模集成电路设计一个数字计时器。数字计时器是由脉冲发生电

3、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。设计完成后可以完成0分00秒至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、整点报时功能。三、设计功能要求 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（f1=1Hz,f2=1KHz,f3=2KHz）。 2、设计一个计时电路，完成0分00秒9分59秒的计时功能。 3、设计报时电路，使数字计时器从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1kHz），9分59秒发高音（频率2k

4、Hz）。 4、设计校分电路，在任何时候，拨动校分开关，可以2HZ进行校分。 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功能、电路起停功能、电路采用动态显示等。四、整体电路设计原理 数字计时器是一个对标准频率（1Hz）进行计数的计数电路。为了使标准的1Hz时间信号准确并且稳定，实验中我们使用了石英晶体振荡器构成脉冲发生电路。为了使电路更加简单，实验中我们使用了一片CD4518的集成块对计时器的秒的个位和分的十位进行计数，用74LS161构成

5、模六计数器实现对秒的十位进行计数，当低位计数器计满10时向高位产生一个脉冲信号，触发高位计数器计数。由于所使用的计数器都有异步清零端，故可通过简单的电路就可以使电路具有开机清零功能和随时清零功能。由于计数的起始时间与所需要的起点可能会不相同，所以需要在电路上加一个校分电路，以便将分时刻跳到想要的时刻，最后在加以报时电路。具体的原理框图如下：五、分部电路设计原理及原理图 1. 秒脉冲信号发生电路 1.1设计原理 秒脉冲信号发生电路提供计时电路的时钟并为报时电路提供驱动信号。为提供较为精确的秒脉冲信号，采用32768Hz的石英晶体多谐振荡器作为脉冲信号源。经分频器CD4060的多级分频，从Q14Q

6、4可分别获得2，4，8。1024, 2 048Hz等不同频率的输出信号即最低频率端Q14的脉冲信号频率为2Hz，因此增加一个D触发器实现的倍频器来产生1Hz的秒脉冲信号。将D触发器的端与D端扭接在一起实现倍频器，则Q端的输出信号即为1Hz的秒脉冲信号。报时电路所需要的1KHz，2 KHz的脉冲信号由4060的管脚5和管脚7提供。所用器件：32768Hz晶体管、22M电阻、20PF电容、10 PF电容、CC4060、74LS74。1.2原理图2. 计时电路 2.1设计原理 该电路是本实验基础电路中的关键电路，由分计数器、秒十位计数器、秒个位计数器构成。分计数器和秒个位计数器直接用CD4518BC

7、D码计数器实现十进制计数功能；秒十位计数器为六进制计数器，将74LS161做成一个从00000101的模六计数器实现。连接时，秒脉冲电路产生的秒脉冲信号送入秒个位计数器（CD4518）的2EN端，秒个位单元中的输出1Q4通过一非门接入74LS161的时钟端作为时钟信号完成个位与十位的级联（接非门是因为161的CLK是上升沿触发，而1Q4在90的跳变时是下降沿 “1001”“0000”）。做秒十位记数时，用反馈置位法，2Q1和2Q3通过一与非门接入置数端同时数据输入端均接地，实现模六功能。将计数位2Q3作为驱动信号送入分计数器（CD4518）的1EN端，则数字计数器整体的计数功能即可实现。所用器

8、件：CD4518、74LS161、CC4069 2.1原理图3.译码显示电路 3.1设计原理译码显示电路由三片CD4511显示译码器和三个七段LED共阴数码管组成，电路从0分00秒计到9分59秒。四线七线译码器CD4511的LT，BI端分别接高电平， EL端接低电平，此时器件处于译码状态。电路连接过程中将CD4518计数器输出QA，QB，QC，QD与译码器CD4511的输入A，B，C，D对接。由于LED数码管实际上是一组发光二极管，因此将译码器的输出a，b，c，d，e，f，g分别与数码管的相应端对接。在每个LED数码管与地线之间串上300的电阻，用来限流。所用器件: CC4511、300电阻、

9、LED共阴数码管。3.2原理图4.清零电路 4.1设计原理该电路具有开机清零和控制清零功能。其中秒个位和分位的清零端即CC4518的管脚7和15（高电平有效）接在第一个非门之后，秒十位74LS161的清零端即管脚1（低电平有效）接在第二个非门之后。刚开机时，由于电容上的电压不能突变，电容两端为低电平，经过第一个非门输出高电平，接到CC4518的管脚7和15，实现秒个位和分位的清零。在经过第二个非门输出低电平，接到74LS161的管脚1，实现秒十位的清零。按下开关后，电容被短路，第一个非门的输入端为低电平，两个非门的输出端分别为高电平和低电平，原理同上，实现控制清零功能 （异步清零）。所用器件：

10、CC4069、10K电阻、22F电容。4.2原理图：5、校分电路 5.1设计原理 当校分电路开关打开时，计数器正常计数；当开关合上时，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。其工作原理是：当校分开关打开即在“1”电平，与非门2被选通，与非门1被封锁，秒进位产生的脉冲送至分计数器的时钟端；当开关关闭即在“0”电平时，与非门1被选通，与非门2被封锁，校分信号送至分计数器的时钟端。校分信号可由4060分频信号得到，一般选为2Hz。由于校分电路的信号直接送到分计数器的时钟端，开关的颤动产生的脉冲会导致分计数器的触发，从而影响校分功能，所以对校分开关应加一个

11、RS锁存器构成消颤开关。所用器件：22f电容，10k电阻，74LS005.2原理图：6.报时电路 6.1设计原理 该电路完成报时功能。设计要求为在9分53秒、9分55秒、9分57秒各报出一个低音（1KHz），在9分59秒报出一个高音（2KHz）。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。此部分由四与门74LS21、二或门74LS32、晶体管和蜂鸣器构成。当3QD3QC3QB3QA为1001，2QD2QC2QB2QA为0101，1QD1QC1QB1QA为0011或0101或0111时发低音，1QD1QC1QB1QA为1001时发高音。因此可以将3Q

12、D、3QA、2QC、2QA相与后的信号作为公共选通信号，1QB1QA、1QC1QA，1QC1QB1QA与或后的信号也即1QA和（1QB+1QC）相与的信号作为低音的另一选通信号，1QD、1QA相与的信号作为高音的另一选通信号。 所用器件：74LS21、74LS32、蜂鸣器、三极管。 6.2原理图7.电路仿真波形 7.1 秒个位仿真波形 7.2秒十位仿真波形7.3分位仿真波形六、电路逻辑总电路图7、 附加电路-起停电路 7.1设计原理 此次自动起停功能具体设计为：在4分37秒自动停止5秒后又重新开始计数，在此过程中无须人工干预。 根据74161的功能表，当没到设定的停止时间时，74LS161的L

13、D管脚一直是“0”信号输入，使得在置数输入端预置的0111置数至端，由端与1Hz求与后输入秒个位的CP端，正常计数。直至4分37秒，“1”信号输入74LS161的LD管脚，74LS161在1Hz的脉冲信号下，0111，1000，1001，1010，1011计数，端输出“0”信号，1Hz的信号无法进入秒个位的信号端，正好五秒的等待，端重新输出为“1”。完成自动起停功能。 所用器件：74LS161、74LS21、CC40697.2原理图8、 实验中遇到的问题解决方法1、 在接完秒脉冲发生电路之后,用示波器观察输出端口信号发现输出波形不是一条规则的上下跳变的直线,经过多次调整还是不行，最终用函数信号

14、发生器做检验，发现我们的示波器有损坏。借用了隔壁的示波器再次观察后谐波分量较多,在示波器上观察到规则的上下跳变波形。2、当计时电路接完之后，接入电源和脉冲，电路不能正确计时。检查后发现74LS161芯片的使能端没有接完整，经过查功能表，将使能端接入电路之后，电路还是有点小问题，秒个位的数字7、8显示有缺陷，经过对线路的仔细检查，可能是有的插口接触不良，认真插好每个接口后，最终能正常计时。3、报时电路不能正常报时，与预期报时时间不符合，多次检查电路接线都为解决问题，于是换了几个集成块解决了问题，可能集成块有损坏。九、实验总结及体会 相比于上学期的数电、模电实验，这次多功能数字计时器实验综合性较强

15、，整个电路比较复杂，最大难点在于没有现成的电路，所有的电路都需要自己根据要求进行设计.对于我们这种之前几乎没有任何完整电路设计经验的人来说，设计过程是艰难与痛苦的。首先必须要查阅资料，熟悉所给的每一个芯片的功能和使用方法，然后针对要求设计电路并用软件仿真，在此期间查阅了大量相关书籍资料，同时也参考了一些前人的方案，经过讨论、修改最终完成总电路的设计。设计部分在两天的时间内终于有了雏形，有些部分还得在实践中一步步进行修改。接着迎来了实验室电路的搭建部分了。由于大二下学期数电、模电实验使用的是相同的电路板等实验仪器，对于电路的搭建方法和注意事项已基本熟悉，加之之前的电路设计部分，对各个器件的管脚有

16、了一定的了解，故电路搭建起来并不困难。但是，电路总体比较复杂，元器件管脚较多，总会有或多或少的小问题，用自己的耐心和毅力，加以正确严谨的分析方法，静下心来慢慢分析来找出错误，就一定会成功。接线时一定要认真仔细，防止短路和漏接，尽量按照信号流向分级安装，逐级级联，平行布线。另一个重要的点就是，接线前最好先检测一下器件的好坏，虽说会花费一些时间，但是毕竟磨刀不误砍柴工。整个实验的电路比较复杂，但都是建立在简单的单一功能基础上的，因此每一部分的电路是下一步的基础，一定要做到每一部分线路正确，然后再开始下一部分电路的连接。全部连好之后，要认真检查，无误后再加电源，以免烧毁元件。 虽然此次实验的原理比较简单的，但动手的关键在于过程，在实际发现并修改了设计中的不足。该次实验使我深深的感受到书本上的理论知识和实际是有很大差别的,所以必须经过实践才能真正锻炼解决问题的能力.使我将学到的书本知识应用于实践，加深了我对知识的理解，培养了我的动手能力，学会了与搭档共同讨论解决遇到的问题，分享问题被解决、实验完成的喜悦。对于我们理工科的学生，动手能力是很重要的，特别是实验操作能力，尤为重要，所以这次实验是对我们能力的一次小的检验。十、附录1.参考文献1数字逻辑电路 蒋立平编著 南京理工大学 20012电子技术实验指导书马鑫金编著 南京理工大学 20063电子