电工电子综合实验.docx

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电工电子综合实验

电子电工综合实验（II）

实验报告

——数字计时器设计

班级：

学号:

：

指导老师；

一、实验目的

1.掌握常见集成电路实现单元电路的设计过程。

2.了解各单元再次组合新单元的方法。

二、实验要求

实现00′00″到59′59″的可整点报时的数字计时器。

三、实验容

1．设计实现信号源的单元电路。

2．设计实现00’00”-59’59”计时器单元电路。

3．设计实现快速校分单元电路。

含防抖动电路（开关k1,频率F2,校分时秒计时器停止）

4．加入任意时刻复位单元电路（开关K2）

5．设计实现整点报时单元电路（产生59’53”,59’55”,59’57”,三低音频率F3，59’59”高音频率F4）

四、实验器件

1、集成电路：

NE5551片（多谐振荡）

CD40401片（分频）

CD45182片（8421BCD码十进制计数器）

CD45114片（译码器）

74LS003片（与非门）

74LS201片（4输入与非门）

74LS212片（4输入与门）

74LS741片（D触发器）

2、电阻：

1KΩ1只

3KΩ1只

150Ω4只

3、电容：

0.047uf1只

4、共阴极双字屏显示器两块。

五．元器件引脚图及功能表

1.NE5551片（多谐振荡）：

（1）引脚布局图：

图1NE555引脚布局图

（2）逻辑功能表：

（引脚4）

Vi1（引脚6）

Vi2（引脚2）

VO（引脚3）

0

×

×

0

1

>

Vcc

>

Vcc

0

1

<

Vcc

<

Vcc

1

1

<

Vcc

>

Vcc

不变

表1NE555逻辑功能表

2.CD40401片（分频）：

（1）引脚布局图：

图2CD4040引脚布局图

（2）逻辑功能说明：

CD4040是一种常用的12分频集成电路。

当在输入端输入某一频率的方波信号时，其12个输出端的输出信号分别为该输入信号频率的2-1~2-12，在电路中利用其与NE555组合构成脉冲发生电路。

其部结构图如图4所示。

引脚图如图3所示，其中VDD为电源输入端，VSS为接地端，CP端为输入端CR为清零端，Q1~Q12为输出端，其输出信号频率分别为输入信号频率的2-1~2-12。

3.CD45182片（8421BCD码十进制计数器）：

（1）引脚布局图：

图3CD4518引脚布局图

（2）逻辑功能表：

输入

输出

CR

CP

EN

Q3

Q2

Q1

Q0

清零

1

×

×

0

0

0

0

计数

0

↑

1

BCD码加法计数

保持

0

×

0

保持

计数

0

0

↓

BCD码加法计数

保持

0

1

×

保持

表2CD4518逻辑功能表

4.CD4511四片（译码器）：

（1）引脚布局图：

图4CD4511引脚布局图

（2）逻辑功能表：

输入

输出

LE

D

C

B

A

g

f

e

d

c

b

a

字符

测灯

0

×

×

×

×

×

×

1

1

1

1

1

1

1

8

灭零

1

0

×

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

消隐

锁存

1

1

1

×

×

×

×

显示LE=0→1时数据

译码

1

1

0

0

0

0

0

0

1

1

1

1

1

1

0

1

1

0

0

0

0

1

0

0

0

0

1

1

0

1

1

1

0

0

0

1

0

1

0

1

1

0

1

1

2

1

1

0

0

0

1

1

1

0

0

1

1

1

1

3

1

1

0

0

1

0

0

1

1

0

0

1

1

0

4

1

1

0

0

1

0

1

1

1

0

1

1

0

1

5

1

1

0

0

1

1

0

1

1

1

1

1

0

0

6

1

1

0

0

1

1

1

0

0

0

0

1

1

1

7

1

1

0

1

0

0

0

1

1

1

1

1

1

1

8

1

1

0

1

0

0

1

1

1

0

0

1

1

1

9

表3CD4511逻辑功能表

5.74LS003片（与非门）：

（1）引脚布局图：

图574LS00引脚布局图

（2）逻辑功能表：

输入

输出

B

A

Q

0

0

0

0

1

1

1

0

1

1

1

0

表474LS00逻辑功能表

6.74LS20一片（4输入与非门）：

（1）引脚布局图：

图674LS20引脚布局图

（2）逻辑功能表：

输入

输出

A

B

C

D

Q

0

X

X

X

1

X

0

X

X

1

X

X

0

X

1

X

X

X

0

1

1

1

1

1

0

表574LS20逻辑功能表

7．4LS212片（4输入与门）：

（1）引脚布局图：

图774LS21引脚布局图

（2）逻辑功能表：

输入

输出

A

B

C

D

Q

0

X

X

X

0

X

0

X

X

0

X

X

0

X

0

X

X

X

0

0

1

1

1

1

1

表674LS21逻辑功能表

8.74LS741片（D触发器）：

（1）引脚布局图：

图874LS74引脚布局图

（2）逻辑功能表：

输入

输出

CP

D

Q

清零

X

0

1

X

0

1

置“1”

X

1

0

X

1

0

送“0”

↑

1

1

0

O

1

送“1”

↑

1

1

1

1

0

保持

O

1

1

X

保持

不允许

X

0

0

X

不确定

表774LS74逻辑功能表

9.电阻：

电路所用的电阻为4色环电阻，阻值为330Ω或者300Ω的电阻共28只、阻值为1kΩ和3kΩ的电阻各1只。

10.电容：

0.047uf1只

11.共阴极双字屏两块：

（1）引脚布局图：

图9共阴极双字屏引脚布局图

（2）逻辑功能表：

显示字型

g

f

e

d

c

b

a

段码

0

0

1

1

1

1

1

1

3fh

1

0

0

0

0

1

1

0

06h

2

1

0

1

1

0

1

1

5bh

3

1

0

0

1

1

1

1

4fh

4

1

1

0

0

1

1

0

66h

5

1

1

0

1

1

0

1

6dh

6

1

1

1

1

1

0

1

7dh

7

0

0

0

0

1

1

1

07h

8

1

1

1

1

1

1

1

7fh

9

1

1

0

1

1

1

1

6fh

表8共阴极双字屏逻辑功能表

六、实验原理

电子计时器是由计时电路、译码显示电路、脉冲发生电路和控制电路等几部分组成的，其中控制电路可以分为校分电路、清零电路和报时电路。

其具体的原理框图如图1所示。

图10电路原理框图

电路各单元工作原理及逻辑设计

总工作原理：

由振荡器产生的稳定的高频脉冲信号，作为数字钟的时间基准，再经分频器输出标准秒脉冲。

秒计数器记满60后向分计数器进位。

计数器的输出经译码器送显示器。

记时出现误差时可以用校时电路进行校分，校秒。

扩展电路必须在主体电路正常运行的情况下才能进行功能扩展。

1.秒脉冲发生电路

逻辑图如下：

图11脉冲发生电路图

脉冲发生电路为计时电路提供计数脉冲，因为设计的是计时器，所以需要产生1Hz的脉冲信号。

这里采用石英晶体振荡器和分频器构成。

具体电路可由频率为f0＝212Hz的晶体振荡器和12位二进制串行分频器CD4040实现。

CD4040的最大分频系数是212,即Q12＝1Hz，从Q12可以输出脉冲信号。

2.计时电路

分个位

秒十位

秒个位

清零信号

f1=1Hz

分十位

图12计时器逻辑电路图

计时电路钟的计数器，可以采用加法计数器CD4518实现。

将分和秒的个位、十位分别与七段数码显示器上对应管脚连起来，使显示器上显示从0分0秒到59分59秒，然后清零重新计数。

图11电路左半部分对应的是分的十位和个位，右部分对应的是秒的个位和十位。

秒的个位的CP端和分的个位的EN端都由校分电路提供信号。

同时分十位的EN连到分个位的6号角，秒同分。

3.译码显示电路

译码器选用四线－七段译码器CD4511，显示器选用共阴双字显示器。

图13译码显示电路图

将译码器CD4511的7个输出端1、2、3、4、5、6、7分别与显示器上的对应端相连，译码器的3，4，5脚分别接1，1，0，输入端接计数器CD4518的输出端，即可实现数字显示的功能。

两者都是从计数器的输出端向CD4511的输入端输入信号，通过译码器4511后再输入到数码管中。

（330Ω的电阻是以防电流过大使数码管烧毁）

4.报时电路

图14报时电路图

当需要在某一时刻报时，就将该时刻输出为“1”的信号作为触发信号，选通报时脉冲信号用蜂鸣器进行报时。

要使蜂鸣器在59′53″、59′55″、59′57″时发出低声（频率为500Hz）；在59′59″时发出高声（频率为1KHz）。

蜂鸣器的一端接地，则另一端的输入应满足以下式子：

H＝59′53″f3+59′55″f3+59′57″f3+59′59″f4

＝59′51″（QBf3＋QCf3＋QDf4）

＝

其中，QB、QC、QD分别是秒个位的输出。

假设分十位所对应的计数器的输出为1QD,1QC,1QB,1QA；分个位所对应的计数器的输出为2QD,2QC,2QB,2QA；秒十位所对应的计数器的输出为3QD,3QC,3QB,3QA；秒个位所对应的计数器的输出为4QD,4QC,4QB,4QA。

其中，Q4为高位，Q1为低位。

在59′51″时，四个计数器的输出分别为：

1QD1QC1QB1QA＝0101，

2QD2QC2QB2QA＝1001，

3QD3QC3QB3QA＝0101，

4QD4QC4QB4QA＝0001。

因此，此时的触发信号F＝1QC1QA2QD2QA3QC3QA4QA。

而报时脉冲信号可以由CD4040输出分频信号中得到，低音选用500Hz的脉冲，高音选用1KHz的脉冲。

连好之后，将输出接到蜂鸣器的一端，蜂鸣器的另一端接地即可实现了定点报时的功能。

5.校分电路

秒计数器个位时钟端（CP）

校分开关

分计时器个位时钟端

秒计数器十位进位端

f2=2Hz

图15校分电路图

如图，校分开关打到“0”时，计数器正常计数；当开关打到“1”时，分计数器以2Hz的频率进行快速校分。

校分电路工作原理：

当校分开关打开时：

输出为3Qc，接到分个位的EN端，实现正常进位；当校分开关闭合时：

2Hz的脉冲正好送到分个位的EN端，使得分位的数字能以2Hz的频率快速跳动，从而实现快速校分。

在校分过程中，将原本接地的秒个位的CP端接到74LS74的

端。

这样，当校分开关打开时：

实现正常进位，正常计数；当校分开关闭合时：

相当于秒个位的CP端接高电平，秒个位停止计数，仅由分个位快速校准。

6．清零电路

图16清零电路图

清零电路的工作原理：

分别将分十位和秒十位的QB、QC端与非，之后再和一个清零开关与非，最后的输出接到分十位和秒十位的Cr端。

这样，就可以实现任意状态功能：

任意状态清零：

若清零开关在某一时刻闭合，则无论1QB、1QC的值是多少，清零电路的输出都为高电平，这样可以实现任意状态的清零。

59″清零：

清零开关断开，无论是对分位还是对秒位，计数器计数到59时，如果再计数一次到60，即在秒十位到6的瞬间，3QB和3QC同时出现高电平1，则会产生清零脉冲信号到达秒十位的Cr端实现59到00的清零；分位上的原理相同。

七、实验总逻辑图

八、实验总引脚图

9.实验总结与感想

本次电工电子实验总共持续了两天时间，主要通过设计一个数字电子计时器来考察我们的动手操作能力，设计电路的能力和整理资料的能力，目的是为了帮助我们掌握常见集成电路实现单元电路的设计过程，了解各单元再次组合新单元的方法。

开学前一天下午，在实验室聚精会神的听完老师对我的实验要求之后，回到寝室的我们就开始了紧锣密鼓的准备工作，我们通过同学之间的讨论和交流，加上从网上搜集的各种资料，渐渐的设计出了完整清晰的逻辑图，虽然我们对每个部分的功能都进行了仔细的划分和设计，但是等到了试验台的时候才发现一切不是那么回事，首先是几个集成元器件的布局问题，虽然在设计电路，画电路图的时候就已经注意到了这个，但在真实的实验台上连线的时候感觉还是完全不一样的，第一次的时候因为布局的不合理导致线路连到后面非常的乱，并且很难安装电阻和电容，接着就是每个芯片都应该连接电源，但是在做实验的时候，却在检查电路的时候发现自己的很多芯片并没有连上电源，导致很多芯片并没有工作，所以虽然我第一个半天就已经把线路连好，但是在接上电源之后显示屏并没有任何的反映，当天回到寝室之后，仔细研究了一下电路图，又回想了一下当天的问题，显示屏上的数字完全没有动，说明整个电路都没有工作，那就可能是芯片的电源没有接上去，或者就是电路设计错误。

第二天到了实验室之后开始检查电路，发现线路和自己的电路图没有什么两样，之后从时间的角度考虑，最终选择放弃了第一版的电路图转而选择了第二版的电路图，重新开始了连线，但是在连完线之后发现电路依然不工作，最后我选择用万用表一个接一个管脚的去试，最后发现是试验台的电源处不供电，换了一个电源之后，电路总算开始工作了，但是仅仅是秒钟的部分，分钟的部分依然不走，经过仔细的检查发现，竟然有一根线完全没有接进显示屏，而是接在了外面，最终经过检查和调整，所有的部分都正常运行，除了蜂鸣器，有了前几次的检查经验，这次检查起来就顺风顺水多了，一会会儿就发现蜂鸣器不响的原因是没有接地，最终在中午结束前，顺利的完成了这次的实验。

通过这次的实验，我发现在做实验的时候一定要戒骄戒躁，心平气和的去连线，每一根线都要看清楚，不能连串了，要找准各管脚的位置，另外要注意一些1和0的管脚借口，然后是安装秒脉冲电路，要注意1千欧和3千欧的区别，这个可以用欧姆表测量。

计数器电路选好进位管脚即可，但是要注意接入校分和清零电路时引脚的细节。

报时电路接口比较复杂，从4518引出导线时注意吧，很多同学都是进位没有处理好导致功能总是不对，这个进位项必须注意一下就好。

总的来说，这次的实验还是比较顺利的，关键就在于细心不细心，细致不细致。

作为一名工科生，非常感学校提供的平台，能够给我这次机会，亲手完成一个数字计时器的设计和操作的机会，也非常感老师在我实验时提供的帮助和指导。

参考文献

[1]立平．数字逻辑电路与系统设计．：

电子工业，2006.

[2]萍．电子线路实践教程．：

科学，2007.

[3】黄锦安.电路.:

机械工业,2004.

[4]高吉祥．电子技术基础实验与课程设计．：

电子工业，2003.