多功能数字计时器.docVIP

电工电子综合试验（）多功能数字计时器设计姓名： 学号：专业：通信工程学院：电子工程与光电技术学院指导老师： 完成时间：目录一、设计内容简介3二、设计要求3三、设计原理31、整体电路设计原理32、各部分电路的设计及原理4（1）脉冲电路4（2）计时电路5（3）译码显示电路6（4）清零电路7（5）校分电路8（6）报时电路93、附加电路：起停电路设计及原理 (7分57秒自动停止5秒)94、电路仿真波形10四、实验中遇到的问题及解决方法12五、实验心得13六、附录141、器件清单142、各元件的引脚图及功能表143、总电路图184、参考文献19一、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。要求可以完成0分00秒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，整点报时的功能。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。二、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2kHz）。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。三、设计原理1、整体电路设计原理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的，其中控制电路由校分电路、清零电路和报时电路组成。其中由秒脉冲电路为计时器提供1hz的计时脉冲，而计时电路则完成相应的计时功能，并由显示电路显示出来，控制电路则均与计时电路有关。具体的原理框图如下：2、各部分电路的设计及原理（1）脉冲电路 器件：32768Hz晶体管、20M电阻、20PF电容、10PF电容、CC4060、74LS74功能：为计时电路提供计数脉冲。原理：实验中采用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Q14可获得2Hz输出信号（Q4和Q5提供2kHZ，1kHZ留报时电路备用）。再将2Hz的脉冲信号经二分频电路得到1Hz的秒脉冲信号。二分频电路由D触发器实现。将D触发器的D端与端接在一起实现，Q端的输出信号即为1Hz的秒脉冲信号。（2）计时电路器件:CD4518、74LS161、74LS00功能：完成0分00秒9分59秒的计时功能原理：计时电路由分计数器、秒十位计数器、秒个位计数器构成。秒个位计数器用CD4518A直接实现十进制计数功能；秒十位计数器是由74LS161做成一个从00000101的模六计数器实现；分位也是用CD4518A直接实现十进制计数功能。将脉冲信号发生器生成的1HZ脉冲信号送入秒个位计数器（CD4518A）的CP端，秒个位的Q1、Q4通过一个与非门接入74LS161的时钟端作为时钟信号完成秒个位与十位的级联，与非门实现1001到1000的下降沿跳变。秒十位记数的模六用反馈置数法实现。将计数位2Q1、2Q3与非后作为驱动信号送入分计数器（CD4518A）的EN端，完成分计数。（3）译码显示电路器件: CC4511、300电阻、LED共阴数码管。功能：实现计时时的数字显示原理：显示电路由三片CD4511显示译码器和三个七段共阴数码管组成。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。再将译码器的输出分别与数码管的相应端对接，并在数码管接地端串联进300欧姆的电阻用以限流，这样令共阴极七段LED数码管进行循环显示。而译码器CD4511的输入则由秒个位，秒十位，分位的输出接入。（4）清零电路器件：CC4069、10K电阻、22F电容。功能：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。原理：开机时，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。开机后，开关打开为正常工作状态，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，实现控制清零功能。（5）校分电路器件：22f电容，10k电阻，74LS00功能：在任何时候，拨动校分开关，可以2HZ进行校分。原理：开关打开时，正常计数：电容两端为高电平，输入秒信号的与非门被选通，输入校分信号的与非门被封锁，秒进位产生的脉冲送至分计数器的时钟端。开关闭合时，开始校分：电容两端为低电平，输入校分信号的与非门被选通，输入秒信号与非门被封锁，校分信号（2HZ由CC4060的Q14得到）送至分计数器的时钟端。（6）报时电路器件：74LS21、74LS32、蜂鸣器、三极管。功能：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2kHz）。原理：因为分位，和秒十位均为9（1001），和5（0101）所以用一个与门控制条件。秒个位分为低音和高音，其中低音部分为3（0011）,5（0101）,7（0111），利用卡诺图化简得1Q2+1Q3在与1HZ信号相并；而高音部分只有9（1001）与2KHZ信号相并。最后将低音和高音部分的结果用或门输出，即可实现报时功能。3、附加电路：起停电路设计及原理 (7分57秒自动停止5秒)器件：74LS161,74LS21功能：电路在在7分57秒自动停止5秒后又重新开始计数。原理：用74161的置数功能。通过与门控制74161的置数点。当没到设定的停止时间时，置数信号端一直是低电平，74161一直进行置数，使得在置数输入端预置的0111置数至端，而由端与1Hz求与后输入秒个位的CP端，正常计数。当到达7分57秒，置数端输入高电平，74161正常计数， 0111，1000，1001，1010，1011，这5秒内端输出“0”信号，1HZ信号与求与被锁住，计时器停止5秒。直至1100，端重新输出为1，开始正常计数。完成自动起停功能。4、电路仿真波形（1）秒个位波形(2)秒十位波形(3)分位波形四、实验中遇到的问题及解决方法1、搭完秒脉冲电路后用示波器检测发现波形不正常解决方法：先检查电路联线发现没有问题。于是怀疑是不是CC4060集成片出现问题。更换集成片还是出现同样问题。再检查石英晶体管时才发现由于几个电容距离太近管脚想接触造成短路，分开后，电路正常工作。2、搭完计时电路时，秒分位的数码显示管总是在0,1之间跳变。解决方法：一开始以为是数码管的问题，仔细数码管的接入电路，发现没有问题。于是怀疑是数码管坏掉，换了一个后还是出现同样的问题。于是推断问题不是出在数码管上。开始检测输入数码管的74LS161的电路，发现74LS161cr非端口空置。接电源后，电路正常运行3、搭清零电路时发现清零电路无效解决方法：从清零电路开始检测，这一次检查的比较快。发现问题还是出现在三个mr端口上。因为原来的秒个位，分位的电路cr端口接地，自己在搭建清零电路时忘了改，出现错误。4、报时电路在9分58秒蜂鸣器也发出声音解决方法：这问题其实是交给老师检测时才发现的。因为那天已经下课了没来得及改。回去想了下，其实问题是很简单的。因为其他的鸣声是没有问题的。所以打得电路连接是不会出现问题的。出现问题的只有可能是控制秒个位条件的输入电路（1Q2+1Q3）。第二天检查后发现连错了一根线，改过来后电路正常。5、搭建附加电路时，由于面包板插不下，故拆掉部分电路，当拆完报时电路和清零电路后突然发现计时电路不能正常工作解决方法：一开始以为拆错线，很紧张，因为此时面包板上的连线太多了。根本不知道拆错哪根线。以为要返工，重连所有电路。但是自己不太甘心，检查错误症状，发现与先前的计时电路错误有相似之处，想是不是也是cr端口的错误。突然想起搭建清零电路时改过cr端的连接。而刚才拆电路是并未还原cr端口的电路。直接改掉电路搭建成功。6、附加电路一开始自己设计的是353，但并没有按照设想的那样。电路在357时也出现暂停。解决方法：先检查电路没问题。后来检查自己设计思路时出现问题。因为开始时是用1Qb控制在7（0111）时也出现暂停，于是修改电路，改成757时停5秒。电路成功。五、实验心得这次实验我收获很多。相比于刚结束的eda实验，最大的不同是需要动手实际搭建电路，这对自己的动手能力有极大的提高。实验的时间还是比较长的，我们组用了四天时间。虽然有四天时间，但是我还是感觉时间蛮紧的。首先是电路的设计与仿真，因为有老师的提示，并且自己也查阅了大量的资料，而自己的数电也学得还可以，所以设计时遇到的问题还不是很大。但是仿真时还是遇到了不少麻烦。首先是在仿真软件multisim中找不到所需的集成片如CC4060，查询资料后后来换了几个软件后找到在proteus中进行仿真。这浪费很多时间。实际操作时，发现这次搭建的电路很复杂，因为电路比较大元器件很多，这就要合理地布局，幸亏老师提供了样板。但最难的还是连线，因为线路很多，非常容看错，连错，这时检查非常不方便。自己一开始搭建时为了追求速度，出现几处错误，检查了很长时间才找出来，这让我明白了欲速则不达。另外检查时，需要很耐心，要沉住气，还要十分的细心，因为错误可能只是一根线路插错位置，也许这对男生来说要求比较高。还有实验中老师说可以问他两个问题，但是自己最终还是坚持住了，从始至终都是自己独立完成的，这还是很有成就感的。虽然过程是艰辛的，但自己还是从中收获了很多，无论是对课本知识的理解与活学活用，还是自己的动手能力都得到很大提高。另外从中养成的细心，耐心的品质更是使自己受益匪浅。六、附录1、器件清单元器件清单：名称型号数量显示字共阴3译码器CC45113BCD码计数器CC45181四位二进制计数器74LS1611分频器CC40601D触发器74LS741非门CC40691二入与非门74LS001四入与门74LS212二入或门74LS321晶振32768Hz1蜂鸣器1电容10p120p122u2电阻330310k222M12、各元件的引脚图及功能表引脚图： 功能表：CC4511逻辑功能表输入输出DCBAgfedcBa字符测灯灭零消隐锁存显示LE时数据译码CC4518逻辑功能表输入输出CrCPEN清零10000计数01BC