多功能计时电路的设计Word文件下载.docx
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要求大家运用所学集成电路的工作原理和使用方法，学会在单元电路的基础上进行小型数字系统设计。
要求设计一个数字计时器，可以完成0分00秒—9分59秒的计时功能，并在控制电路的作用下具有开机清零、快速校分功能。
采用中小规模集成电路实现，培养大家分析问题解决问题的能力，提高大家设计电路、调试电路的实验技能。
设计制作一个0分00秒～9分59秒的多功能计时器，设计内容如下：
1）设计一个脉冲发生电路，为计时器提供秒脉冲（1HZ）。
2）设计计时电路：
完成0分00秒～9分59秒的计时、译码、显示功能；
3）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，可以对计时器进行手动清零。
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。
（选做）
5）系统级联。
将以上电路进行级联完成计时器的所有功能。
2.总体电路连接图
图1.0总体电路连接图
3.实验原理及框图
图1.1三位计时器示意图
计时电路示意图如图1.1所示，计时电路完成计时功能，并且将计时结果传送至显示电路，进而实现显示功能。
原理框图如图1.2所示，主要由计时电路，秒信号发生电路，清零电路和译码显示电路组成。
计时电路在秒信号的作用下，产生0:
00~9:
59的循环计时，清零电路控制计时电路的清零端，实现时钟的清零，最终将计时电路的输出送至译码显示电路，实现时钟的显示。
图1.2数字钟的原理框图
4单元电路设计
1．秒信号发生电路
图1.3秒信号发生电路
秒信号发生电路为计时电路提供驱动信号，电路原理如图1.3所示。
为提供较为精确的秒信号，本设计中振荡电路采用215Hz的石英晶体管为主体的晶振电路，并作为电路的秒信号源。
由于振荡电路产生的源信号为215Hz，而秒的基准信号频率为1Hz，则需要对215Hz信号进行分频，得到1Hz信号。
分频器采用CD4060和74LS74来实现，CD4060为14位二进制串行计数器，各管脚功能如表1.1所示，功能表如表1.2所示。
虽然CD4060内部有14级由T触发器构成的二分频器，但实际输出端只有10个：
Q4~Q10、Q12~Q14。
Q1~Q3以及Q11并不引出。
、、CP0为晶振电路的引出端，需接外部石英晶体。
Cr为复零端，为高电平或正脉冲时振荡器停振。
从输出功能看，CD4060能得到10种不同的分频系数，最小为24分频，最大为214分频，即将215Hz送入该芯片，最大分频输出Q14输出信号频率为2Hz。
由于CD4060最多能完成14级二分频，所以还需要再加一级二分频，才能把4060输出的2Hz信号变成秒信号。
外接二分频器可采用D触发器（74LS74）构成的二分频电路，74LS74管脚功能如表1.3所示，该芯片有上片和下片两个D触发器，2Hz信号经过二分频电路得到1Hz的秒脉冲信号，即将D触发器的同相位输出Q端与触发信号D端连接在一起，复位端和控制端接电源，使该两端口无效，则Q端的输出信号即为1Hz的秒脉冲信号。
所用器件：
215Hz晶体管1个、22MΩ电阻1个、20pF电容1个、10pF电容1个、CD4060（分频器）1片、74LS74（D触发器）1片。
表1.1CD4060管脚功能
时钟输入端
时钟输出端
反相时钟输出端
Q4~Q10，Q12~Q14
计数器输出端
表1.2CD4060功能表
输入
功能
CR
x
1
清零
↓
计数
↑
保持
表1.374LS74管脚功能
管脚号
引脚代码
引脚功能
复位信号
2
1D
触发信号
3
1CP
时钟信号
4
控制
5
1Q
同相位输出
6
反相位输出
7
GND
地
8
9
2Q
10
11
2CP
12
2D
13
14
VCC
电源
2．计时电路
该电路是本实验的关键部分，由分计数器、秒十位计数器和秒个位计数器构成，电路均使用CD4518BCD码计数器来实现。
CD4518管教如图1.4所示，该计数器为双十进制同步加法计数器，片子内部封装两个相同且独立的十进制计数器，每个计数器中都含有四位二进制的技术单元，每个计数器含有两个时钟输入端“CP”和“EN”，简称双时钟，可以根据使用要求来选择不同的时钟输入，两者所不同在于：
“CP”端对时钟的上升沿有效，“EN”端对时钟的下降沿有效。
该计数器功能表如表1.4所示。
图1.4CD4518管教图
表1.4CD4518功能表
输出
Cr
CP
EN
BCD码加法计数
计时整体电路如图1.5所示，分位计数器和秒个位计数器均是从0~9循环计数（模10计数），可采用CD4518直接实现十进制计数功能；
秒十位计数器为六进制计数器，需要将CD4518的模10计数变换为一个从0～5循环的模六计数：
当4518计数到6时，将QC，QB引到与门74LS21的输入端，此时74LS21输出一个高电压，送回至4518的Cr端，实现复位（4518回0），由于4518的Cr端为异步复位，因此4518需要计数到6时才引出复位信号，并且6状态非常短暂，显示器并不显示，所以实际效果还是0~5显示。
74LS21为四输入与门，片子内部封装两个相同且独立的四输入与门，该电路中只用到1个与门的2个输入，因此需要将该与门的其他两个输入端接5V电源+极，不可悬空不接。
搭建电路时，首先将所有芯片电源端（VCC和GND端）分别连接至5V电源+、-极；
对于秒个位计数器，将秒信号发生电路输出的秒信号（1Hz信号）送入秒个位计数器的2CP端，同时2EN端接5V电源+极，2Cr端接5V电源-极（注意：
当清零电路搭建完成后，需将清零电路的输出替换2Cr端的5V电源-极），秒个位计数器即可完成0~9循环计数；
对于秒十位计数器，将秒个位计数器的输出2QD端送入秒十位计数器的2EN端，完成秒个位到秒十位的进位（当秒个位计数器从9跳至0时，2QD端得到0~9循环计数过程中唯一的下降沿，将此下降沿送至秒十位计数器的2EN端，即可实现秒十位计数器加1，实现进位），同时2CP端接5V电源+极，秒十位计数器即可在进位信号的驱动下完成0~5循环计数。
对于分位计数器，将秒十位计数器的输出2QC端送入分位计数器的2EN端，完成秒十位到分位的进位（当秒十位计数器从5跳至0时，2QC端得到0~5循环计数过程中唯一的下降沿，将此下降沿送至分位计数器的2EN端，即可实现分位计数器加1，实现进位），同时2CP端接5V电源+极，2Cr端接5V电源-极（注意：
当清零电路搭建完成后，需将清零电路的输出替换2Cr端的5V电源-极），分位计数器即可完成0~9循环计数。
CD4518（计数器）3片、74LS21（与门）1片。
图1.5计时电路
3．清零电路
该电路具有开机清零和手动清零功能。
电路原理如图1.6所示，将图1.5计时电路的秒个位和分位的清零端即CD4518的管脚15（高电压有效）原来的接5V电源-极导线拔开，将非门输出送至2Cr端，而秒十位CD4518的清零端原来接74LS21的输出，需要将此输出和图1.6中非门输出送入一个或门，再将或门输出送至秒十位CD4518的清零端，才能同时实现秒十位计数器的清零功能和模6计数功能。
电路管脚连接如图1.7所示，对于清零电路，电路正常工作时开关打开，刚开机时，由于电容上的电压不能突变，电容两端初始为低电压，经过一个非门输出高电压，送到CD4518的2Cr端，整个计时电路清零，进而实现电路开机时清零，当电容充满电以后，非门的输入端为高电压，非门输出低电压，2Cr端无效，CD4518实现正常计数，电路正常工作。
按下开关后，电容、电阻组成一个回路，电容放电，当电容储存电量放完后，电容两端电压为低电压，即非门的输入端为低电压，非门输出高电压，送到CD4518的2Cr端，整个计时电路清零，进而实现电路手动清零。
CD4069（非门）1片、74LS32（或门）1片，1kΩ电阻2个、10μF电容1个、开关1个。
图1.6清零电路原理图
图1.7清零电路管脚连接图
4．译码显示电路
译码显示电路采用三片CD4511显示译码器和三个七段共阴数码管，分位、秒十位和秒个位各采用一片CD4511和一个数码管。
CD4511的作用是将计数器QA~QD输出的二进制代码译成特定的输出信号以供显示器按代码的原意显示成数字，译码器采用CD4511七段字型译码器，由a~g各脚输出段信号，以控制点亮LED数码管的字型段，CD4511的输入端ABCD依次接计数器的QA~QD，即8421（BCD）码输出，CD4511有三个使能管脚，功能如表1.5所示。
表1.5CD4511使能管脚功能
管脚功能
功能说明
灯测试端
该管脚低电压（0）有效，送入0，CD4511输出a~g全为1，数码管亮。
消隐端
该管脚低电压（0）有效，送入0，CD4511输出a~g全为0，数码管灭。
锁存端
该管脚高电压
（1）有效，送入1，CD4511输入锁存原来数据，输出不变。
图1.8所示为七段型发光二极管构成的数码显示器，由于此二极管由高电压驱动，阴极共用，所以为共阴极。
图1.8共阴极七段数码显示器
电路从0:
59循环计时，译码电路分别进行译码，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300Ω的电阻接地，电路连接如图1.9所示。
CD4511（译码器）3片、300Ω电阻3个、LED数码显示管3个。
图1.9译码显示电路
5总结搭建和调试电路过程中遇到的问题，解决方案及处理结果。
遇到的问题有，中间计数器出现只能到2，无法继续计数，以及发生进制方面的错误
电子电路的调试具体步骤：
1、通电观察：
通电后不要急于测量电气指标，而要观察电路有无异常现象，例如有无冒烟现象，有无异常气味，手摸集成电路外封装，是否发烫等。
如果出现异常现象，应立即关断电源，待排除故障后再通电。
2、静态调试：
静态调试一般是指在不加输入信号，或只加固定的电平信号的条件下所进行的直流测试，可用万用表测出电路中各点的电位，通过和理论估算值比较，结合电路原理的分析，判断电路直流工作状态是否正常，及时发现电路中已损坏或处于临界工作状态的元器件。
通过更换器件或调整电路参数，使电路直流工作状态符合设计要求。
3、动态调试：
动态调试是在静态调试的基础上进行的，在电路的输入端加入合适的信号，按信号的流向，顺序检测各测试点的输出信号，若发现不正常现象，应分析其原因，并排除故障，再进行调试，直到满足要求。
6实验完成后的收获和感受
作为一名材料学院的学生，接触到的课程以及实验可能与这个实验有比较大的区别，但是通过这个实验，让我对电路设计有了一定的了解，虽然在实验过程中遇到了许多问题，但通过老师的耐心指导，加上自己耐心的分析连线，最终检测成功。
由于专业不是这类的，所以很少接触这类实验，这次实验相对以前做的数电实验来说复杂了很多，由于时间紧迫，在老师详细的讲解后，在老师的指导下找到了实验原理图。
这次实验由于电路复杂，用到的元器件多，在连接的时候很容易出错，所以在连接电路的时候，分块连接，计时和显示电路、清零电路、计时启停控制电路，这样每连好一小块后，马上进行调试，纠正电路中的错误，直到实现该模块的功能才进行下一小块的连接。
连线的时候，尽量横平竖直，不要出现线线交叉，更不要使导线跨过芯片连接，否则，当芯片损坏时不易更换，而且，所有芯片应该先把电源和接地端连好。
在实验中我们应该学会用万用表来检测元器件的好坏，这样更容易帮助我们发现问题所在。
总的来说，这次实验完成地比较顺利，虽然过程很繁琐，由于为了不使导线交叉，所以需要剪出大量的短导线来连接，这使得人头昏眼花的，但是相对实验成果来说，这是非常值得的，不管怎么说，付出的努力都有了回报。
通过这几天的学习，我感觉有很大的收获：
首先，通过学习使自己对课本上的知识可以应用于实际，使的理论与实际相结合，加深自己对课本知识的更好理解，同时实习也段练了我个人的动手能力，对我们学生来说，理论与实际同样重要，这是我们以后在工作中说明自己能力的一个重要标准；
通过这次试验，增加了许多专业以外的知识。
经过这次实验，我对数字电路有了更加深刻的理解，了解了数字电路在实践中的应用。
这次实验增强了我的动手能力，同时也让我更加体会到实验的严谨态度的重要性。
当我收获成功时，能够为自己曾经付出的汗水而感到欣慰。
我相信这个实验经历对我自己以后的实验、学习或者工作都会有非常大的帮助。
7实验结果图
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