电子电工综合实验2.doc

南 京 理 工 大 学电子电工综合实验（）实验报告多功能数字计时器设计指 导: 电子技术中心 2011 年 9 月 EDA设计（）实验报告 第 16 页 共 16 页目录1 实验目的 32 设计内容简介 33 设计原理3.1 整体设计原理 33.2 秒信号发生器计时电路 43.3 清零电路 53.4 校分电路 53.5 报时电路 63.6 计时电路 73.7 起停原理 84 遇到的问题与解决方法4.1 调试94.2 实验感想104.3 问题与方法 105 附录5.1 参考文献115.2 电路总图115.3 元件清单135.4 芯片引脚图及功能表13一、实验目的1、掌握常见集成电路的工作原理和使用方法，学会单元电路的设计方法。2、锻炼学生的分析问题解决问题的能力以及设计电路和动手组装电路的能力。 二、设计内容简介1、设计一个脉冲发生电路，为计时器提供脉冲、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9分59秒计时功能；3、设计报时电路，使数字计时器从9分53 秒开始报时，每隔两秒发一声，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。三、设计原理3.1 整体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。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（这也是为什么校分电路先于蜂鸣电路的原因，这样做节省了很多时间）。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构成模六（六进制）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。图 1整体设计原理图3.2 秒信号发生器秒信号发生器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。分频器CD4060最高可实现214分频，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Q4和管脚Q5提供。所用器件：32768Hz晶体管、22M电阻、20PF电容、10 PF电容、4060、74LS74。原理图：图 2秒信号发生器原理图3.3 清零电路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：CC4069、10K电阻、22F电容。原理图：图 3清零电路原理图3.4 校分电路当校分电路打到“正常”状态时，计数器正常计数；当开关打到“校分”状态时，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。校分电路的工作原理是：当校分开关在“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；当开关打在“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。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RS锁存器构成消颤开关。原理图：图 4校分电路原理图3.5 报时电路用需要报时的时刻所对应的计数器的输出作为触发信号来驱动蜂鸣器报时，因为需要在9分53秒、9分55秒、9分57秒各报出一个低音，在9分59秒报出一个高音。具体设计过程如下：将各时刻各位对应的二进制码作如下图的比较：时间（DEC）分位（BIN）秒十位(BIN)秒个位（BIN）9:531001010100119:551001010101019:571001010101119:591001010110011）将秒个位的3（0011）、5（0101）、7（0111）取或，通过卡诺图的化简可得应该从秒个位取1Q1（1Q2+1Q3）2）将1中所得结果和分位的9（1001）与再和秒十位的5（0101）与，所得的结果和1KHz的信号与就可得到在9分53秒、9分553秒、9分57秒报出低音的驱动信号。3）将分位的9（1001）和秒十位的5（0101）与再和秒个位的9（1001）与再和2KHz的信号与就得到在9分59秒报出高音的驱动信号。4）将2和3中得到的信号取或，就可以得到最终的报时驱动信号。所用器件：74LS21、74LS32、蜂鸣器、三极管。原理图：图 5报时电路原理图3.6 计时电路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。分计数器和秒十位计数器直接用CD4518BCD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（CD4518A）的EN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（CD4518B）的EN端，则数字计数器整体的计数功能即可实现。显示电路采用三片CD4511显示译码器和三个七段共阴显示字，电路从0分00秒计到9分59秒，译码显示电路用三片四线七线译码器CD4511进行译码，而采用共阴极七段LED数码管进行循环显示。CD4511的输入接到相应计数器的输出，而它的输出端与数码管的相应端相连，数码管通过300的电阻接地。所用器件:4518、74LS161、74LS00、CC4511、CC4069、300电阻、LED数码显示管。原理图：图 6计时电路原理图3.7起停原理及电路图自动起停就是在某一个设定时刻自动停止，在设定好的一定时间后，记时又自动重新开始，在此过程中无须人工干预。此次自动起停功能具体设计为：在7分57秒自动停止5秒后又重新开始计数。根据74161的功能表，当没到设定的停止时间时，LOAD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7分57秒，“1”信号输入LOAD，74161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。原理图：图 7起停电路原理图四、遇到的问题与解决方法4.1 调试电路安装前应该先把面包板的各个横通孔用导线连好，并且统一用红线代表电源线，用黑线代表地线，连接完成后应该接上电源用万用表测试各插孔以确保整块板子上无漏掉的插孔以免影响后面的安装工作。电路安装过程中需要注意对照各元器件的功能表和引脚图，将应该与电源相连接的或者与地线相连接的脚均用红线或者黑线插好，使各个元器件处于正常工作状态，以免影响后面的插线工作，影响实验的效率。除此之外，安装时还要耐住性子，不要因为导线过多而变得不耐烦，不认真，这就犯了该实验的一大忌，只有认认真真地做好每一步才能顺利地完成电路安装工作，为了使电路美观且各个功能容易识别，应该一个功能用一种颜色的导线连接。具体安装过程如下：1）按照电路原理图安装脉冲发生电路：将脉冲发生电路产生的CP脉冲接入CD4518的EN端。此时可通过万用表观察秒信号是否正常输出。将万用表打在电压10V档，若正常输出则可以看到万用表指针左右摆动，频率为1次/秒。2）按照计时电路原理图接好计时电路：测试计数器是否开始计数，使秒的个位由09显示，每当由9变为0时，秒十位进一。当秒十位为5秒个位由9变到0时，秒十位清零，分个位变为1。3）按译码显示电路原理，接好显示电路，接通电源观察数码管是否正常显示，同时也可观察计数器是否正常计数。4）连接清零电路：利用到CD4069反相器，注意开关使用。当开关打开时，实现开机清零；当开关闭合时，实现不掉电清零。如果开关与面包板接触不良，即开关闭合后，不掉电清零功能不能百分之一百实现，则可用一根导线代替开关使用。5）连接校分电路：当开关断开时，电路正常计时；当开关闭合时，电路实现快速校分。如果开关与面包板接触不良，即开关闭合后，不能立刻实现校分功能，则可用一根导线代替开关使用。6)连接报时电路：若电路正常工作蜂鸣器会从9分53秒开始每隔一秒报一声低音（1KHz），9分59秒时报一声高音（2KHz）。如果电路连接正确，蜂鸣器没有声音，则将信号直接接入蜂鸣器中；如果有声音，则错误发生在发声电路中电阻与三极管的连接；如果没有声音，则检测报时电路部分芯片74LS21的连接；若蜂鸣器声音不断，则检测蜂鸣器的管脚是否接反。4.2 实验感想这次试验加深了我对课本知识的理解，这次实验还培养了我严谨的科学研究素养和坚韧的品质。每当电路出错，这都是对我调试能力的一次考验。这时候，如果消极泄气，是无法完成最后的成品的。只有用自己的耐心和毅力，加以正确严谨的分析方法，才能一步步向成功迈进。对于这种综合实验，它不同于课内实验，没有现成的东西照搬，综合实验从一个器件的引脚图到整个电路的逻辑图都要自己去准备，必要的预习是很重要的。在连线的时候，最重要的是认真仔细，防止短路和漏接。比如这次我因为电源没接而耽误了好长时间，还让自己焦急，做实验一定要心细啊！ 虽然此次实验的原理比较简单的，但动手的关键在于过程，在实际解决了设计中出现的问题，增强了寻找问题，解决问题的能力。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.总之，这次实验的确让我受益匪浅！。4.3 问题与方法1)首先遇到的问题是，秒脉冲产生不正常，经老师指导，检测了电容没有接地，导致电容的充放电的不稳定。2)其次，报时电路不能正常工作。这次问题比较严重，很多地方出现了问题，我自己先检查了一下电路，发现有几根导线接错了位置，更换过后，可以正常工作了。3)还有秒个位向秒十位的进位出现了问题，每次都是逢8进位，即上升沿进位，换过芯片后仍然如此，检测后是面包板坏了，换了另一的非门使用后，电路正常工作了。五、附录5.1 参考文献1）蒋立平,等. 数字电路M. 南京理工大学, 2001.2）王建新,姜萍,等. 电子线路实践教程M. 科学出版社, 2003.3）李振声,等. 实验电子技术M. 国防工出版社, 2001.5.2 电路总图5.3 元件清单工具：剪刀、镊子、剥线钳 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74LS1612分频器CC40601D触发器74LS741非门CC40691二入与非门74LS002四入与门74LS215二入或门74LS321晶振32768Hz1三极管（NPN）3DG61蜂鸣器1电容10p12