多功能數(shù)字計時器設計實驗報告

1、多功能數(shù)字計時器設計實驗報告姓名 曹金燦學號 04301797專業(yè) 電子信息工程 院系 電子工程與光電技術學院指導教師 王川 目錄 一設計內容簡介 3二設計要求 3三詳細設計 31 整體設計22 秒脈沖發(fā)生電路53 報時電路64 校分電路 75 清零電路 76 動態(tài)顯示電路 8四 電路仿真波形 9五 實驗中所遇問題及解決方法 12六附錄 14a) 參考文獻 14b) 電路連接圖 14c) 芯片引腳排列圖 15數(shù)字鐘的分析設計實驗報告一設計內容簡介：運用所學集成電路的工作原理和使用方法，學會在單元電路的基礎上進行小型數(shù)字系統(tǒng)設計。要求設計一個數(shù)字計時器，可以完成0分00秒9分59秒的計時功能，并

2、在控制電路的作用下具有開機清零、快速校分、整點報時功能，本設計采用中小規(guī)模集成電路實現(xiàn)，主要培養(yǎng)學生的分析問題解決問題的能力，提高學生設計電路、調試電路的實驗技能。二 設計要求：設計分為兩個部分，即基本設計和附加功能的設計?；驹O計的要求為：1 設計一個脈沖發(fā)生電路，為計時器提供秒脈沖，為報時電路提供驅動蜂鳴器的脈沖信號。2 設計計時電路，完成0分00秒到9分59秒的計時功能。3 設計報時電路，完成從9分53秒，9分55秒，9分57秒發(fā)低音（頻率1khz），9分59秒發(fā)高音（頻率2khz）。4 設計較分電路，在任何時刻撥動較分開關，可進行快速較分。5 設計清零電路，具有開機自動清零功能，并且在

3、任何時候，按動清零開關，可以進行計時器清零。6 系統(tǒng)級聯(lián)調試，將以上的電路進行級聯(lián)，完成計時器所有的功能。附加功能的設計要求為：實現(xiàn)數(shù)字計時器定時功能，電路的起停功能，動態(tài)顯示等之一。三 設計原理一系統(tǒng)的整體設計原理：利用晶體震蕩器加一些電路產生頻率為1hz的秒脈沖信號，送入到秒個位的cp脈沖輸入端，那么秒個位就以一秒為時間間隔進行計數(shù)，提供了整個計時電路最基本的驅動信號。有了秒脈沖以后，后面的就很簡單了。當秒個位達到9秒并且在新一個秒脈沖來到時，秒十位加一。我們可以在秒個位的四位二進制的最高位()和最低位()加一個與非門連接到秒十位的脈沖輸入端。當秒個位到達9時，與非門的輸出為低電平0，在下

4、一個脈沖來到時，輸出變?yōu)楦唠娖?。由此產生了一個上升邊沿的觸發(fā)信號，使秒十位加一。再考慮到秒十位是六進制的，只有05六種狀態(tài)。我們實際用的是74161芯片，利用它的置數(shù)功能，當秒十位為二進制0101，且下一個脈沖到來時實現(xiàn)置數(shù)0000，這樣就實現(xiàn)了六進制的翻轉。具體的做法是在秒十位的二進制輸出的最低位（）和第三位()加一個與非門連接到74161的置數(shù)控制端（），實現(xiàn)置數(shù)功能(這里用的是全部置為零)。同樣的，依照上面的進位思想，在秒個位為9，秒十位為5，且一個新的秒脈沖來到時產生分的進位信號。實際的做的方法是在74161輸出端的和通過與非門接到分位的4518的脈沖輸入端。整個系統(tǒng)的框架就這樣了。

5、我們可以用下面的系統(tǒng)框架圖來形象表示設計的整個思路：系統(tǒng)的電路圖為：二部分功能設計：1. 秒脈沖發(fā)生器在這個部件的核心就是一個石英晶振，它的振蕩頻率是32768hz（hz），通過4060芯片（實際上就是一個分頻器）取其14端為輸出端，得到的頻率為2hz，再通過一個二分頻器件就得到了單位秒脈沖信號。電路圖如下：2報時電路報時電路的設計要求是在9分53秒，9分55秒，9分57秒發(fā)低音，在9分59秒發(fā)高音。設計前已經給出了蜂鳴電路如下所示：其中或門的輸入為脈沖信號。因為要求是在9分53秒，9分55秒，9分57秒發(fā)低音，即分位為1001，秒十位為0101，秒個位為0011，或0101，或0111。通過

6、卡諾圖化簡如下：得到f=(+)。用所得到的f通過與門來控制輸入信號的頻率（1khz），將與門輸出接入到蜂鳴器的或門輸入端，就可以實現(xiàn)發(fā)低音的要求。同樣地，為了實現(xiàn)在9分59秒發(fā)高音的功能，在分位為1001，秒十位為0101，秒個位為1001時送入頻率為2khz的脈沖就可以實現(xiàn)發(fā)高音的功能。具體實現(xiàn)的電路圖如下：為了簡便起見，我們用1、1、1、1來表示秒秒個位的低位到高位；用2、2、2、2來表示秒十位低位到高位；用3、3、3、3來表示分位的低位到高位。3較分電路的設計較分電路的設計思想是在正常情況下，送入分位的是由秒十位送入的的脈沖信號；在撥動較分開關以后，送入2hz的信號讓分位快速跳動，進行快

7、速較分。設計的電路如下：4. 清零電路的設計清零電路相對于其他電路來說要簡單很多。具體的想法就是把所有的清零端都接在一起，需要時就可以隨時清零。對于開機清零來說可以用電容來實現(xiàn)。電容在沒有充電時相當于短路，在開機時實現(xiàn)清零功能。電路實現(xiàn)如下：三附加功能設計在附加功能中，我選擇的是動態(tài)顯示的功能。這個設計比較簡單，設計的思想是利用數(shù)據(jù)選擇器的選擇置數(shù)功能，選擇秒個位或秒十位或分位的輸出。與此同時，利用數(shù)據(jù)選擇器的地址來控制七段顯示譯碼器的陰極，使得在某一時刻由同一個譯碼器送出的信號只能在一個顯示譯碼器上顯示出來。再由數(shù)據(jù)選擇器的地址信號的快速循環(huán)變化（即由00. 01. 10構成的循環(huán)）。循環(huán)計

8、數(shù)的實現(xiàn)可以通過十進制bcd碼計數(shù)器4518來做。即利用4518的正常計數(shù)功能，當輸出為0011時對其進行清零就行了。在4518的脈沖輸入端的變化的頻率大于42hz時人眼就分辨不出來了，就此完成了動態(tài)顯示功能。動態(tài)顯示一共只用了一個譯碼器，在一個時刻只有一個顯示管有用。具體的電路圖如下：由于ewb中沒有共陰的顯示管，所以上圖中的顯示管接法是示意的。四 實驗中的波形分析實驗中，我在需要看波形的端口接上示波器，得到了如下的波形：1脈沖信號發(fā)生電路的q14通過t觸發(fā)器（二分頻器）所得到的波形2在電路輸出的秒個位，秒十位，分位的波形分別如下： 秒個位：秒十位：分位：校分的仿真波形：圖中的1代表校分開關

9、閉合的時刻；2代表校分開關斷開的時刻。五實驗中遇到的問題分析1進位信號的送出剛開始做實驗之前，在電腦上用進行模擬時發(fā)現(xiàn)進位信號的送入總是出現(xiàn)問題，以秒個位向秒十位進位為例，我用的是二入與非門，與非門的輸入是秒個位的二進制的最低位和最高位，輸出接到秒十位的cp脈沖輸入端。當最低位和最高位同時為時產生低電平，由變回時，產生一個上升邊沿的cp脈沖，提供進位信號。不過在上進行模擬時，開機的瞬間就變?yōu)?。分析其原因是開機之前，秒十位的脈沖端是低電平，開機后在與非門輸出為。產生了上升邊沿的脈沖，就變成了，后來想到了用觸發(fā)器來解決，即當秒個位為且再來一個脈沖時，產生一個高電平送入到cp端，很有效解決問題。不過

10、在實驗中沒有這么多d觸發(fā)器，共要兩個芯片。此時又想到了開機清零，開機清零實際上是把電阻和電容串聯(lián)起來。清零端接到電容的兩端。開機瞬間利用電容的電壓不能突變的性質進行清零。在實際的電路中，高電平和低電平都是有一定的范圍的，電容兩端電壓從低電平到高電平也是有一定的時間的，時間常數(shù)，和門的傳輸?shù)难訒r（幾納秒）相比是很大的，不過也遠小于秒。實際工作時，開機的一小段時間內（幾十納秒）秒十位是有一個進位信號，使秒十位由0到1。不過由于電容的清零作用使輸入脈沖無效，從而保證了清零的成功。在ewb上我用了一個很小的電容和電阻串聯(lián)，使時間常數(shù)遠小于1ns，并且把所有的器件都是實際的，結果是清零不成功，秒十位在開

11、機就變成了1，證實了我的猜想。2校分電路的設計問題在老師給出的校分電路中使用的d觸發(fā)器中的d=,實際上構成了一個t觸發(fā)器，也就是一個分頻器。在實際用于仿真時，總要把開關撥動兩次才能實現(xiàn)一次翻轉。究其原因是，d觸發(fā)器是上升邊沿有效的，開關開一下，產生一個上升邊沿的脈沖，t觸發(fā)器翻轉。在開關關掉時產生的是下降邊沿的脈沖，對于d觸發(fā)器是 無效的。只有在再次開關時才能實現(xiàn)翻轉，很不方便。所以在做電路的時候我直接把防抖動開關的q和直接連接到了兩個與非門的輸入端，這樣做既節(jié)省了器件，又省去了校分需要撥兩次開關的麻煩。電路如下所示：至此，整個實驗的任務就完成了。我學到的不只是簡單的搭一個電路，更重要的是學會了分析問題的方法。再也不會忘記在繁蕪的導線中尋找錯誤的痛苦。最