數(shù)字計時器的設(shè)計

1、- -數(shù)字計時器的設(shè)計摘要：本系統(tǒng)由石英晶體振蕩器、分頻器、計數(shù)器、譯碼器、LED顯示器和校分電路組成，采用了中小規(guī)模集成芯片?？傮w方案設(shè)計由主體電路和擴展電路兩大部分組成。其中主體電路完成數(shù)字鐘的基本功能，擴展電路完成數(shù)字計時器的擴展功能，進行了各單元設(shè)計，總體調(diào)試。多功能數(shù)字計時器可以完成0分00秒-9分59秒的計時功能，并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。關(guān)鍵詞：石英晶振器；分頻器；計數(shù)器；譯碼器；LED顯示器1設(shè)計電路的內(nèi)容和功能要求設(shè)計內(nèi)容簡介綜合運用所學(xué)的數(shù)字邏輯電路和系統(tǒng)設(shè)計的知識，學(xué)會在單元電路的基礎(chǔ)上進行小型數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計，提高自己選擇器件及解決實際問題

2、的能力。要求設(shè)計一個數(shù)字計時器，可以完成0分00秒9分59秒的計時功能且計時準確，并在控制電路的作用下具有開機清零、快速校分、整點報時的功能。設(shè)計功能要求（1）設(shè)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(qū)動蜂鳴器發(fā)聲的脈沖信號；（2）設(shè)計計時和顯示電路，完成0分00秒9分59秒的計時和顯示功能；（3）設(shè)計清零電路，具有開機自動清零的功能，并在任何時候，按動清零開關(guān)，就可以實現(xiàn)計時器清零;（4）設(shè)計校分電路，在任何時候，按下校分開關(guān)，可以進行快速校分；（5）設(shè)計報時電路，使數(shù)字計時器從9分53秒開始報時，每隔二秒發(fā)一聲，共發(fā)三聲低音，一聲高音；即9分53秒、9分55秒、9分57秒發(fā)

3、低音（頻率1KHz）,9分59秒發(fā)高音（頻率2KHz）;（6）系統(tǒng)級聯(lián)調(diào)試，將上述電路進行級聯(lián)完成計時器的所有功能；（7）可增加數(shù)字計時器的附加功能，例如數(shù)字計時器定時功能、秒表功能、報整點時數(shù)功能等。2設(shè)計電路原理框圖譯碼顯示電路秒脈沖發(fā)生電路計時電路報時電路圖2-1原理框圖3電路工作原理及邏輯原理圖31工作原理數(shù)字計時器是由脈沖發(fā)生電路、計時和顯示電路、清零電路、校分- -電路和報時電路和其它附加電路等幾部分組成的，電路由振蕩器、分頻器、計數(shù)器、譯碼器、顯示器等元件構(gòu)成，可以分為。振蕩器產(chǎn)生的脈沖信號經(jīng)過分頻器分頻作用后為秒脈沖，秒脈沖送入計數(shù)器，計數(shù)器計數(shù)并且通過“時”、“分”、“秒”譯

4、碼器顯示時間。校分電路實現(xiàn)對“分上數(shù)值的控制，而不受秒十位是否進位的影響，報時電路通過1kHz或2kHz的信號和要報時的時間信號進行與的運算來實現(xiàn)的定點報時的。3.2整體電路邏輯圖澤碼器仆；卜數(shù)船秒1I7.il數(shù)骼電路報時電路晶休振蕩電路分頻器圖3-1整體邏輯圖4各單元電路原理及邏輯設(shè)計41脈沖發(fā)生電路圖4-1脈沖發(fā)生電路圖脈沖發(fā)生電路是為計時電路提供計數(shù)脈沖的，所以需要產(chǎn)生1Hz的脈沖信號。采用石英晶體振蕩器和分頻器構(gòu)成。晶體振蕩器是構(gòu)成數(shù)字計時器的核心，它保證了計時的準確及穩(wěn)定這里使用晶振的頻率為32768Hz。晶體振蕩器的振蕩信號的頻率與振蕩電路中的RC元件的數(shù)值無關(guān)，因此，這種振蕩電路

5、輸出的是準確度極高的信號。晶體振蕩器輸出頻率較高，為了得到1Hz的秒信號輸入，需要對振蕩器的輸出信號進行分頻。通常實現(xiàn)分頻器的電路是計數(shù)器電路，一般采用多級二進制計數(shù)器來實現(xiàn)。例如，將32768Hz的振蕩信號分頻為1Hz的分頻倍數(shù)為32768(215)，即實現(xiàn)該分頻功能的計數(shù)器相當(dāng)于15級二進制計數(shù)器。CD4060在數(shù)字集成電路中可實現(xiàn)的分頻次數(shù)最高，而且CD4060還包含振蕩電路所需的非門使用更為方便。CD4060計數(shù)為14級(214)二進制計數(shù)器，可以將32768HZ的信號分頻為2Hz。4.2計時和顯示電路45182Q12Q2CLKCLRLOAD圖4-2顯示電路圖EN11AMR11B1CC

6、P11D4518IDSK計時電路有分計時，秒十位計時和秒個位計時三個部分構(gòu)成。分計時器和秒個位計時器為十進制計數(shù)器CD4518，秒十位計數(shù)器為4位二進制同步計數(shù)器74LS161。秒個位計時單元為十進制計數(shù)器CD4518，無需進制轉(zhuǎn)換，弓I腳10(上升有效)與1Hz秒輸入脈沖信號相連，引腳14(Q3)可作為向前的進位信號與秒十位計時單元的引腳2相連。秒十位計時單元為十進制計數(shù)器，需要轉(zhuǎn)換為六進制計數(shù)器，轉(zhuǎn)換方法采用反饋置數(shù)法，具體方法如下：把引腳14（Q1）、引腳12（Q3）接入74LS00，并把74LS00的引腳六接到74LS161的引腳9（曠）,因為（0101）2=（6）10。分位計時單元為

7、十進制計數(shù)器CD4518，無需進制轉(zhuǎn)換把74LS161的引腳12（Q3）接到分計時電路CD4518的引腳2（上升有效），作為進位信號。級聯(lián)組裝時，則要把分計時電路CD4518的引腳2（上升有效）接到快速校分的輸出端。顯示電路由CD4511和LED數(shù)碼管構(gòu)成。CD4511把輸入的二進制信號翻譯成十進制數(shù)字，再由數(shù)碼管顯示出來。這里的LED數(shù)碼管是采用共陰的方法連接的并且接入1KQ的限流電阻。清零電路R2clrl340694069U1BclrSW-PIIS1圖4-3清零電路圖清零電路使用RC充放電回路和施密特整形電路組成。主要是連接到計時和顯示電路中的CD4518和74LS161的清零（CLR）端

8、，實現(xiàn)上述功能。4.4校分電路VCC圖4-4校分電路圖當(dāng)重新接通電源或走時出現(xiàn)誤差時都需要對時間進行校正，所以計時器應(yīng)當(dāng)具有校分的功能。實現(xiàn)思路為首先截斷正常的計數(shù)通路，然后再將頻率較高的脈沖信號（2Hz）加到秒脈沖輸入端，校正好后，再轉(zhuǎn)入正常計時狀態(tài)即可。報時電路圖4-5報時電路圖報時電路在9分53秒、9分55秒、9分57秒以1KHz接通蜂鳴器，9分59秒以2KHz接通蜂鳴器。分、秒十位均部變化，分別為9和5,74LS21（U3B）引腳3輸出高電平時蜂鳴器鳴叫。46所用電器元件引腳及真值表譯碼器（CD4511）111514131211109CD4511BCDJC1245l67IsVDDYrY

9、bY,YtYcY,AiA3CD4511LTIDLEAsBCD-鎖存/七段譯碼/驅(qū)胡器圖4-6CD4511譯碼器圖輸入輸出LT麗LEDCBAgfedcba字符測燈0XXXXXX11111118火零10X00000000000消隱鎖存111XXXX顯示LE=01時數(shù)據(jù)譯碼110000001111110110000100011101110001010100112110001110011113110010011011104110010111011015110011011111006110011100011117110100011111118110100111011119表4-1CD4511真值表分頻器

10、(CD4060)Vnp.QieQjjCrCPCPnCFq151413111094）廠CD4O6O一(234561I&QuQnQ|4QQ7Q*VfflCMWffl14隹二進制串行計數(shù)/分頻器圖4-7CD4060分頻器圖CP1CP0CPCr功能11T0計數(shù)任意011復(fù)位表4-2CD4060分頻器真值表BCD碼計數(shù)器（CD4518）VM2Rb2Qfl2Qi2Q*NR2CPTCPIEIQaLQ.IQIQoV;CW51#JRBCD同步加計數(shù)器圖4-8CD4518BCD碼計數(shù)器圖輸入輸出CrCPENQdQcQbQa清零1XX0000計數(shù)0T1BCD碼加法計數(shù)保持0X0保持計數(shù)001BCD碼加法計數(shù)保持01

11、X保持表4-3CD4518BCD碼計數(shù)器真值表4.6.4四位二進制計數(shù)器（74LS161）VecQceQrQQcQdSaLD卩石11514131211110g74LS161123456*8C?CPA乃CDStGND74LSL61四性二進制同步計數(shù)器圖4-974LS161四位二進制計數(shù)器圖輸入輸出CPcrLDS1S0DCBAQdQCQBQAQcc清零X0XXXXXXX00000送數(shù)T10XXdcbadcba0-1計數(shù)T1111XXXX二進制計數(shù)保持X1101XXXX不變保持X1110XXXX不變表4-474LS161四位二進制計數(shù)器真值表D觸發(fā)器（74LS74）Vcc2D2CP2Sd2Q2Q74

12、LST4JR上升D型融發(fā)關(guān)圖4-1074LS74D觸發(fā)器圖cpsRQnQn+1XXXXQnT0000T0011T0100T0110T1000T1011T110XT111X表4-474LS74D觸發(fā)器真值表二入與非門（74LS00）Vcc4B4A4Y3B3AiYI卩4；嚴衛(wèi)；81AIB1Y2A2B2YGND74LS00四2輸入與非門圖4-1174LS00二入與非門圖非門（CD4069）VBB6A6Y5A54A4Y11+131211IQ98)-A-A-ChM5A112345171A1Y2A2Y3AJYVCD4069六反相器圖4-12CD4060非門圖二入或門（74LS32）圖4-1374LS32二

13、入與非門圖四入與門（74LS21）Vcc2D2CN232A2Y74LS21雙4輸入與非門圖4-1474LS21四入與門圖|hbc11ed亡he$b4.6.10共陰極數(shù)碼管I圖4-15共陰極數(shù)碼管圖5電路安裝與調(diào)試說明51電路檢查對照電路圖檢查電路器件是否連接正確，比如器件引腳、電容極性、電源線、地線是否都接正確，連接是否牢靠，電源的數(shù)值與方向是否符合設(shè)計要求。52按照功能模塊分別調(diào)試把每一基本電路分別調(diào)試，使之達到正常功能要求，然后才能把它們連接成整機，進行整體調(diào)試。53連接調(diào)試過程中遇到的問題及解決方法5.3.1整體布局及線路顏色的重要性整體布局非常重要，一開始我就沒有對元器件進行整體布局導(dǎo)

14、致后面電路的連接線拉得很長而且比較亂，必須對布局做適當(dāng)調(diào)整。布線顏色也比較重要，因為此次設(shè)計電路還是比較復(fù)雜，整體電路由5個基本電路構(gòu)成，基本電路內(nèi)部使用藍色線連接，基本電路間的連接采用黃線進行連接，電源線用紅色，接地線用黑色等，便于后期的檢查。LED數(shù)碼管始終顯示“0”因為在進行調(diào)試時，殳有禁止CD4518和74LS161的清零功能?？梢园袰D4518的CLR端接“-”，74LS161的CLR端接“+”基本電路調(diào)試時秒十位計時進制錯，能顯示6，7，等基本電路調(diào)試時反饋置數(shù)法沒有起作用，因為74LS00沒有連接進去，所以基本電路分別調(diào)試時，其它基本電路的一些器件也要暫時連接進去，以使電路正常工

15、作。基本電路調(diào)試時分不能進位沒有把74LS161的Q3（引腳12）接到分的CD4518的EN（引腳2），正確連接后問題解決?；倦娐氛{(diào)試時校分電路不起作用檢查發(fā)現(xiàn)連線完全正確，但是兩個74LS00沒有連接電源，連接電源后正常。由此可見，使用集成器件時，一定不能忘記要接電源。級聯(lián)調(diào)試時分顯示不正常因為基本調(diào)試時臨時提供分進位的那個線沒有拆去，拆去后正常。級聯(lián)調(diào)試時報時電路不正常電路圖對器件的標注上不夠清晰，預(yù)習(xí)不充分，導(dǎo)致在連接報時電路時錯誤地把兩個74LS21當(dāng)作一組連。錯誤地把2KHz和1KHz看作2Hz和1Hz進行連接，而且沒有分清蜂鳴器具有正負極，導(dǎo)致正負極接反，蜂鳴器不工作。三極管NP

16、N引腳判別方法使用口訣：平面對自己，從左向右ebc即可輕松判斷。接線一定要接實，因為虛接出錯很能查找，因此養(yǎng)成良好的習(xí)慣很重要。對電路的改進意見6.1電路的改進（1）在開關(guān)處加一個RS鎖存器可以消顫，使輸入更穩(wěn)定。（2）系統(tǒng)在運行時有一定的誤差，其原因是晶體振蕩的特點所決定的，同時與芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。有時會出現(xiàn)跳字現(xiàn)象，解決這些誤差的方法是提高石英晶體振蕩器的穩(wěn)定性及使用精度較高的電容等。6.2電路的創(chuàng)新設(shè)計可以設(shè)計成報整點時數(shù)電路，該電路功能可分為階段進行秒進位脈沖來到時分計數(shù)器加1:報時計數(shù)器應(yīng)記錄下此時的分數(shù)；報時計數(shù)器開始做減法運算，每減一個脈沖，報時電路鳴叫一次，直至計數(shù)器值為零。

17、收獲體會及建議7.1收獲和體會電工電子綜合實驗運用所學(xué)數(shù)字邏輯電路中的理論知識，使我在設(shè)計過程中對理論知識有了更為深刻的了解和認識，使學(xué)到的知識相互融會貫通，同時也是較好的檢驗我們所學(xué)知識的好機會。在數(shù)字計時器課程設(shè)計過程中，我認為最重要的就是有個清晰的思路，還要學(xué)會如何搜集和查閱有關(guān)資料。其次在課程設(shè)計中更進一步地熟悉了集成元件的結(jié)構(gòu)及掌握了各集成元件的工作原理和具體的使用方法。在連接六進制、二進制的進位接法中，要求熟悉邏輯電路及其芯片各引腳的功能，那么在電路出錯時便能準確地找出錯誤所在并及時糾正了。此次數(shù)字計時器設(shè)計要求能按照電路圖接出來，并能正常工作。數(shù)字電路連接復(fù)雜，因此需要我們連接時

18、要有好的布局和合理的布線規(guī)則，如將電源線、地線、傳輸線、暫時產(chǎn)生的線分別開來，用不同的顏色，或者以基本電路的形式分開，為以后查錯或改進帶來極大的方便。細心與耐心是不可或缺的，特別是在連接每一根線時，既要注意剝線的長短要適中，走線時要成直線直角，使電路板連線清晰美觀，最重要的是檢查時特別方便?？偟膩碚f，通過這次電工電子綜合實驗更進一步地增強了自己實驗的動手能力。指導(dǎo)老師給予了我們很大的幫助，教了一些解決問題的方法。在以后的學(xué)習(xí)過程中，我相信我會做的更好！7.2建議（1）建議老師在我們動手制作之前應(yīng)先告訴一些關(guān)于所做電路的元件資料名稱，便于我預(yù)習(xí)查找，也使我們后期連線更加方便。（2）教我們一些檢測電路的方法，還有關(guān)于檢測芯片的方法，這樣出現(xiàn)問題之后可以更有針對性地檢查，而不是對照圖紙一根線一根線的檢查。附錄8.1電工電子綜合實驗物品清單名稱型號數(shù)量二入與非門74LS002個D觸發(fā)器74LS741個四入與非門74LS212個二入或門74LS321個四位二進制計數(shù)器74LS1611個BCD碼計數(shù)器CD45181個分頻器CD40601個譯碼器（驅(qū)動共陰）CD4