电子课程设计-公用电话计时器

1、*大学电子技术课程设计报告简易公用电话计时器姓 名： * 学 号： * 专业班级： * 指导老师： 所在学院：电气工程与自动化学院2008年6月10日摘要本设计是用中小规模集成电路设计一个公用电话计时系统。通过本设计使其完成一下几项基本功能：每3分钟计时一次；显示通话次数，最多为99次；每次定时误差小于1秒；具有手动复位功能；具有声响提醒功能。本设计主要有标准信号源，分频器，3分钟定时器，计数器译码显示，声响提醒等电路组成，其工作原理为：当按下复位按键时，复位电路保证3分钟电路及二位十进制计数器同时清零，此时电话通话次数为零。当松开复位按键时，计时开始， 3分钟定时器的功能时每三分钟输出一个脉

2、冲，该脉冲被送到计数译码器显示电路，便显示出通话次数；同时该脉冲被送到声响提醒电路，可控制声响时间及声调，实现声响提醒功能。该设计分频器，3分钟定时器主要由12位异步二进制计数器/分频器CD4040来实现，通话次数计数器显示电路由二位十进制计数器完成，采用中规模集成计数器CD4029，74LS47组成。声响提醒电路由555集成电路完成。目录1设计任务与基本要求3 1.1设计任务3 1.2基本要求32系统总体方案4 2.1系统工作原理42.2系统设计框图43单位电路模块设计53.1标准信号源53.2分频器63.3分钟定时器63.4通话次数计数器显示电路7 3.5复位电路93.6声响提醒电路94

3、调试要点12 4.1 标准信号源调试124.2 3分钟信号测量 124.3 计数显示电路调试124.4 声响提醒电路调试126课程设计体会137参考文献14附：总电路图151.设计任务与基本要求 1.1设计任务用中小规模集成电路设计一个公用电话计时系统。1.2基本要求1) 每3分钟计时一次。2) 显示通话次数，最多为99次。3) 每次定时误差小于1秒。4) 具有手动复位功能。5) 具有声响提醒功能。本设计主要有标准信号源，分频器，3分钟定时器，计数器译码显示，声响提醒等电路组成，其工作原理为：当按下复位按键时，复位电路保证3分钟电路及二位十进制计数器同时清零，此时电话通话次数为零。当松开复位按

4、键时，计时开始， 3分钟定时器的功能时每三分钟输出一个脉冲，该脉冲被送到计数译码器显示电路，便显示出通话次数；同时该脉冲被送到声响提醒电路，可控制声响时间及声调，实现声响提醒功能。该设计分频器，3分钟定时器主要由12位异步二进制计数器/分频器CD4040来实现，通话次数计数器显示电路由二位十进制计数器完成，采用中规模集成计数器CD4029，74LS47组成。声响提醒电路由555集成电路完成。2.系统总体方案2.1工作原理当按下抚慰按键时，复位电路保证3分钟电路及二位十进制计数器同时清零，此时电话通话次数为零。当松开复位按键时，计时开始，此时由标准信号发生器产生的f0=32768Hz信号经过十二

5、级分频得到的f0=8Hz脉冲输入3分钟定时器，选用f0=8Hz的原因时考虑到设计要求定时精度所选定的。3分钟定时器的功能时每三分钟输出一个脉冲，该脉冲被送到计数译码器显示电路，便显示出通话次数；同时该脉冲被送到声响提醒电路，可控制声响时间及声调，实现声响提醒功能。2.2 系统设计框图如图1为该计时器的工作框图，主要有标准信号源，分频器，3分钟定时器，计数器译码显示，声响提醒等电路组成。 图1. 计时器的工作框图3.单位电路模块设计3.1标准信号源产生脉冲信号的电路很多，例如由集成门电路构成的多谐振荡器，由555定时器组成的方波发生器等。由于该标准信号源要求频率稳定性及输出信号精度比较高，故采用

6、由CD4011与非门（CMOS）电路及晶体原件组成的多谐振频率的信号如图2所示，晶振的标称频率为32768Hz。由于石英晶体的选频特性非常好，只有其串联谐振频率的信号才最容易通过，而其他频率会被晶体大大衰减，所以电路在满足震荡的条件下，其输出频率仅取决于晶体的标称频率，与其他原件参数无关。电路中的电阻R是保证G1门工作在线性状态而加入的，电容C抑制告辞谐波，以保证输出频率稳定。G3门是为了改善输出波形质量，增加带负载能力而加入的缓冲级。图2 标准信号源电路及分频器3.2 分频器由于f=32768Hz频率比较高，为了得到低频信号且又能满足定时要求的脉冲，可采用CD4040二进制计数器/分频器进行

7、分频。CD4040是由12个T型触发器组成的串行二进制计数器/分频器。复位端高电平有效，2个输入端，一个是时钟CP，一个是复位清零端，有12个分频输出端Q1-Q12,最大分频系数为212=4096。n位二进制计数器的最高位输出信号的频率fn 与计数器脉冲频率fcp的关系为fn=fcp/2n 。现选择12位异步二进制计数器CD4040，则CD4040计数器最高位输出频率为 f12=f0=fcp/212=8Hz 电路如图2，CR为清零端。表1 CD4040功能表输入输出L不变L进入下一状态XH全部输出为L 3.3 3分钟定时器该电路是本系统的关键。n位二进制计数器的输出状态与计数脉冲的个数关系为：

8、 (N)D=2n-1Qn-1+2n-2Qn-2+20Q0因为输入脉冲的周期T0=1/f0定时为3分钟=180秒所需要的输入脉冲的个数N为：N=180/T0=180f0=1440个又因为(N)D=(1440)DB即要求计数器的模等于1440，利用反馈清零法，可设计出该电路 。如图4所示，当CD4040累计到1440个脉冲时，G1输出为1， G2输出为0， G3被置为1。一旦4040的CR端为高电平，其输出立即被清零，由于CR组成的触发器具有记忆功能，故G3输出不变，当f0上升沿到来时，G3输出为0，CD4040的清零信号解除。可见G3输出的信号fT是周期为3分钟，输出高电平为 1/16秒 的窄脉

9、冲。二极管D1的作用见 图6.复位电路。图4 三分钟定时电路3.4 通话次数计数器显示电路该电路由二位十进制计数器完成，可采用中规模集成计数器CD4029组成。译码器选用OC门输出的七段显示译码器74LS47，显示器采用共阳极七段LED数码管。其中R是限流电阻，即当74LS47输出为低电平时，流入其输出端电流要小于74LS47的最大允许灌电流。若R过小，流入74LS47的灌电流增大；若R过大，则LED数码管太暗。一般R选择200W500W（在5V电源下）。CD4029通过控制输入端可构成二进制或者BCD计数器，它有3个控制端，即二进制/十进制转换B/D，加/减转换U/D和预置数LD，另外它还有

10、4个置数端D0-D3,4个输出端Q0-Q3,脉冲输入端CP，进位输入端,进位输出端。CD4029具有优先进位功能的四位二/十进制加/减计数器，进位功能可以根据加法和减法或者二进制和十进制来确定CP上升沿进行计数。电路如图4所示。由于CD4029无清零端，实现复位功能需要置数清零。译码器选用OC门输出的七段显示译码器74LS47，显示器采用共阳极七段LED数码管。其中R是限流电阻，即当74LS47输出为低电平时，流入74LS47的灌电流增大；如果R过大，则LED数码管太暗。一般R选择200-500 （在5V电源下）。 表2 4029功能表 LLLHLHLHHLHH保持H保持图5 通话时间显示电路

11、3.5复位电路根据设计要求，在每次通话之前一定要清零。当复位按键按下时，3分钟定时电力和通话次数计数电路均被清零。如图6所示。当S（复位开关）按下时，+5V电源同时加到2分钟定时器的清零端和通话次数的指数段，使其强迫清零。但由于二极管D1的存在，+5V电源加不到门电路CD4001的输出端，避免了CD4001的损坏。另外。由于D2的作用，使得3分钟定时脉冲仅能加到3分钟定时器的清零端和通话次数计数器的计数脉冲输入端，而传送不到通话次数计数器的置数端上来，从而实现了正常的计数。图6 复位电路3.6声响提醒电路该电路的主要功能是每到一个3分钟时间，提醒时间为5秒钟。555集成定时器是模拟功能和数字逻

12、辑功能相结合的一种双极型中规模集成器件。外加电阻、电容可以组成性能稳定而精确的单稳电路。TTL集成定时器555定时器的外引线排列图和内部原理框图如图7,8所示，功能见表13-1。它是由上、下两个电压比较器、三个5k电阻、一个RS触发器、一个放电三极管 T以及功率输出级组成。比较器 C1的反相输入端接到由三个5 k电阻组成的分压网络的2/3Vcc处（也称控制电压端），同相输入端为阀值电压输入端。比较器C2的同相输入端接到分压电阻网络的1/3Vcc处，反相输入端为触发电压输入端，用来启动电路。两个比较器的输出端控制RS触发器。RS触发器设置有复位端，当复位端处干低电平时，输出为低电平。控制电压端是

13、比较器C1的基准电压端，通过外接元件或电压源可改变控制端的电压值，即可改变比较器C1、C2的参考电压。不用时可将它与地之间接一个O01F的电容，以防止干扰电压引入。555的电源电压范围是+4.5+18V，输出电流可达100200mA，能直接驱动低阻抗扬声器。 图7 TTL电路555电路结构 图8 555集成电路引脚排列表3 555芯片功能表触发阈值复位放电端输出H导通LH原状态H截止HL导通L555构成的单稳态电路 当电源接通后，Vcc通过电阻R向电容C充电，待电容上电压Vc上升到2/3Vcc时，RS触发器置0，即输出Vo为低电平，同时电容C通过三极管T放电。当触发端的外接输入信号电压Vi1/

14、3Vcc时，RS触发器置1,即输出Vo为高电平，同时，三极管T截止。电源Vcc再次通过R向C充电。输出电压维持高电平的时间取决于RC的充电时间，当t=tW时，电容上的充电电压为；所以输出电压的脉宽 tW=RCln31.1RC一般R取1k10M，C1000pF。值得注意的是：t的重复周期必须大于tW，才能保证放一个正倒置脉冲起作用。由上式可知，单稳态电路的暂态时间与Vcc无关。因此用555定时器组成的单稳电路可以作为精密定时器。实现此功能可用单稳态触发器加多谢振荡器完成。利用555定时器组成的电路如图7.根据定时时间的要求，可确定电阻R1，电容C1的值。因为 T0 =1.1 R1C1, T0=5

15、秒，取C1=10uF，可得R1=4.7K图7 声响提醒电路4.调试要点4.1标准信号源调试利用示波器观察振荡器输出波形是否正确。若用万用表直流量程测量其输出，应为2.5V左右输出。然后用示波器观察分频器CD4040的Q11端输出，检验是否有8Hz信号输出。 4.23分钟信号测量3分钟定时信号脉冲输出高电平时间极短，故利用示波器测量时，把示波器扫描速度开关打在“扫描停止”档，观察光点的变化。 4.3计数显示电路调试首先外加入1Hz左右的脉冲信号，观察计数器、译码、显示电路是否正常工作。 4.4声响提醒电路调试首先调试多谐振荡器，将第二片555定时器的4脚接高电平，用示波器观察输出波形。然后将3分

16、钟定时脉冲输出到第一片555定时器组成的单稳态触发器中，同时将第二片555的4脚接到单稳态触发器的输出端，用示波器观察输出波形的变化或用扬声器监听。5.课程设计体会第一，接到任务以后进行选题。选题是设计的开端，选择恰当的、感兴趣的题目，这对于整个毕业设计是否能够顺利进行关系极大。好比走路，这开始的第一步是具有决定意义的，第一步迈向何方，需要慎重考虑。否则，就可能走许多弯路、费许多周折，甚至南辕北辙，难以到达目的地；因此选题时一定要考虑好了。 第二，题目确定后就是找资料了。查资料是做设计的前期准备工作，好的开端就相当于成功了一半，在课程设计的过程中，较多的时间是用来查阅资料，因为还是第一次做电子课程设计，所以一般通过网上查阅和图书馆资料查阅，在此查阅期间，我学会了怎样使用超星阅读器和PDF阅读器。第三，通过上面的过程，已经积累了不少资料，对所选的题目也大概有了一些了解，这一步就是在这样一个基础上，综合已有的资料来更透彻的分析题目。 第四，有了方向，就应该动手实现了。其实以前的三步都是为这一步作的铺垫。通过课程设计，我了解了电子