秒级精度的可调式定时器的设计与制作陈帅

1 秒级精度的可调式定时器的设计与制作秒级精度的可调式定时器的设计与制作 作者 作者 陈帅陈帅 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 2 2048S 通过选择开关分 11 级输出 关键词 石英晶体振荡器 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 5 16V COMS555 定时器为 3 18V 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 2 2048S 3 时间精确度小 于 1S 4 自制 12V 稳压直流电源 二 设计方案 2 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 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 图 1 2 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 图 2 3 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 2 2048S 通过选择开关分 11 级输出 电路图如图 3 图 3 所示为 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 3 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 16 16384 后由 脚 Q14 输出 输出的脉冲频率为 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 4 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 f R 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 32768 z 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 0 CP 0 CP 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 所有的计数器位均为主从触发器 在 和 CP0 CP 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 5 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1CP 反相时钟输出端 Q4 Q10 Q12 Q14 计数器输出端0CP 第 14 级计数器反相输出端14Q 表 1 功能表 CD4060 引脚图 图 6 2 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 CD4013 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 6 表 2 CD4013 真值表功能 CL Note 1 DRSQQ 00001 10010 X00QQ XX1001 XX0110 XX1111 CD4013 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 7 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 Q1 Q12 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 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 3 引脚图 见图 13 图 12 引出端符号 时钟输入端CP 8 CR 清除端 Q0 计数器脉冲输出端 表 3 CD4040 引脚图 图 13 4 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 1R4C3T 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 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 2 11 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 2 2048 秒 分 11 个档次 定时精度高 较一般定时器理想 9 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制 如果不在 5 脚外加电压通常接 0 01 F 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 10 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 11 电 源 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 17 1 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 2 2 1 1 1 UUI 在整流电路中 每只二极管所承受的最大反向电压为 2 2UURM 流过每只二极管的平均电流为 R UI I R D 2 45 0 2 其中 R 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 12 2 5 3 T RC 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 11 6V 左右 符合任务要求 13 t t t t t t u2 id1 0 0 id2 0 io 0 u0 0 ud1 0 u2的输入信号 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 14 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 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究学习 提高了我们的综合动手能力 但由于能力和时间的关系 我的装置还有很多不尽人意的地方 譬如 功能不全 有误差 外观粗糙不美观等 可是 我会安慰自己 做一件事情 不必过于在乎最终的 结果 虽然结果很重要 但是更可贵的是过程中的收获 大学生活即将匆匆忙忙地过去 但我却能无悔的对自己说 我曾经来过 大学虽然很短暂 但它给我的影响却不能用时间来衡量 这段时间以来 经历过的所有事 所有人 都将是我以后生 活回味的一部分 是我为人处事的指南针 就要离开学校 走上工作岗位了 这是我