09325318可调式定时器的设计与制作.docx
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09325318可调式定时器的设计与制作
可调式定时器的设计与制作
设计题目：
电子可调定时器
姓名:
罗佳奇
专业:
电子信息工程
班级:
093253
学号:
09325318
指导老师:
王晓荣
摘要
设计并制作一个秒级精度的可调式定时器，能够产生高稳定度的脉冲信号，经分频可得到秒时基信号用于定时控制电路。
本定时器是一种控制精度可达秒级的定时控制电路，可用于需要精确控制定时的电路中。
电路中采用石英晶体振荡器作为时基信号源，通过数字电路的分频，取得精确的秒信号。
再通过一只数字分频电路将秒信号进一步分频，从不同的分频输出端控制信号，组成定时可调的定时控制电路，将定时输出的控制信号去触发一个由555电路组成的单稳态电路，并通过继电器去控制被控电路的工作状态。
本电路定时时间范围为2——2048S，通过选择开关分11级输出。
目录
摘要.......................................................1
第1章主电路的设计方案...................................3
第二章电路的工作原理.....................................4
1主电路原理................................................4
2构成电路各硬件部分原理分析................................4
第3章电源电路的制作.....................................12
第四章安装与调试及故障分析...............................15
心得体会...................................................16
参考文献...................................................17
第一章主电路的设计方案
一.设计要求
（1）该电路具有定时控制电路，控制外围电路;
（2）定时时间2—2048S；（3）时间精确度小于1S；（4）自制+12V稳压直流电源。
二．设计方案
1.方案一
电路采用14位二进制串行计数/分频器CD4060构成高精度秒时基信号源，它的振荡电路由32768Hz的电子钟表用石英晶体振荡器产生。
经过2分频电路、多级可调时预置电路产生触发脉冲，控制定时输出电路进行定时。
设计电路框图如图1。
图1
2.方案二
方案二是由555定时器构成多谐振荡器，利用充放电时间差来产生高精度秒时基信号源，不需要2次分频，再通过多级可调定时预置电路来控制定时输出电路进行定时。
设计电路框图如图2。
图2
3.方案的确定
虽然方案二的电路结构比方案一简单，所需的元器件也比较少，但是方案一由CD4060产生的秒时基信号源比方案二由555定时器产生的秒时基信号源频率更稳定，所产生的信号源更精确，更符合任务书要求。
为使电路具有更高的Q值以提高振荡频率的稳定性，这里选择CMOS非门，从减小电路功耗的角度来考虑，这也是一种较好的选择，因此，电路的其它部分也应尽量采用CMOS集成电路来实现，方案一符合这一要求。
方案一所需的元器件实验室也可以购得，所需的元件价钱不高，因此我选用方案一。
第二章电路的工作原理
一主电路原理
本定时器是由石英晶体振荡器产生的高稳定度的脉冲信号，通过数字电路多级分频后取得1Hz的秒时基信号，再通过多级数字分频电路的分频，取得多种时间的控制信号并通过继电器控制工作电路。
本电路定时时间范围为2……2048S，通过选择开关分11级输出。
电路图如图3。
图3所示为精密数字式定时控制电路。
该控制器由高精度秒时基信号源、2分频电路、多级可调定时预置电路和定时输出电路与继电器驱动电路组成。
图3
二构成电路各硬件部分原理分析
1.高精度秒时基信号源
高精度秒时基信号源是由14位二进制串行计数/分配器CD4060、电子钟表用石英晶体振荡器（它固有频率为32768Hz）等组成。
CD4060内包含两个反相器，这两个反相器可通过外接RC元件或石英晶体组成振荡器。
本电路由石英晶体振荡器产生的32768Hz脉冲信号经CD4060内部14级二进制计数器，每个计数器可用作一个2分频，其分频范围为24--214，即16—16384。
后由③脚（Q14）输出，输出的脉冲频率为2Hz。
a.晶体振荡器电路
一般输出为方波的数字式晶体振荡器电路通常有两类，一类是用TTL门电路构成；另一类是通过CMOS非门构成的电路，如图4所示，从图上可以看出其结构非常简单。
该电路广泛使用于各种需要频率稳定及准确的数字电路，如数字钟、电子计算机、数字通信电路等。
图4
图4所示电路中，CMOS非门U1与晶体、电容和电阻构成晶体振荡器电路，U2实现整形功能，将振荡器输出的近似于正弦波的波形转换为较理想的方波。
输出反馈电阻
为非门提供偏置，使电路工作于放大区域，即非门的功能近似于一个高增益的反相放大器。
电容Ｃ１、Ｃ２与晶体构成一个谐振型网络，完成对振荡频率的控制功能，同时提供了一个180度相移，从而和非门构成一个正反馈网络，实现了振荡器的功能。
由于晶体具有较高的频率稳定性及准确性，从而保证了输出频率的稳定和准确。
晶体XTAL的频率选为32768HZ。
该元件专为数字钟电路而设计，其频率较低，有利于减少分频器级数。
从有关手册中，可查得C1、C2均为30pF。
当要求频率准确度和稳定度更高时，还可接入校正电容并采取温度补偿措施。
由于CMOS电路的输入阻抗极高，因此反馈电阻R1可选为10MΩ。
较高的反馈电阻有利于提高振荡频率的稳定性。
b.分频电路
分频电路原理
由于晶体振荡器输出频率为32768HZ，为了得到1HZ的秒信号输入，需要对振荡器的输出信号进行15级2进制分频。
CD4060在数字集成电路中可实现的分频次数最高，而且CD4060还包含振荡电路所需的非门，使用方便。
CD4060计数为１４级２进制计数器，可以将32768Ｈz的信号分频为２Ｈz，其内部框图如图5所示，从图中可以看出，CD4060的时钟输入端两个串接的非门，因此可以直接实现振荡和分频的功能。
图5
综上所述，可选择CD4060同时构成振荡电路和分频电路。
在
和
之间接入振荡器外接元件可实现振荡，并利用时计数电路中多一个2分频器（后述）可实现15级2分频，即可得1Hz信号。
CD4060功能简介：
CD4060由一振荡器和14级二进制串行计数器位组成，振荡器的结构可以是RC或晶振电路。
CR为高电平时，计数器清零且振荡器使用无效，所有的计数器位均为主从触发器。
在
（和CP0）的下降沿计数器以二进制进行计数，在时钟脉冲上使用施密特触发器对时钟上升和下降时间无限制。
CD4060的功能表见表1；引脚图见图6。
引出端符号：
时钟输入端CP0时钟输出端
反相时钟输出端Q4-Q10,Q12-Q14计数器输出端
第14级计数器反相输出端
表1：
功能表
CD4060引脚图：
图6
2.二分频电路
二分频电路原理
CD4069与CD4013组成缓冲级和2分频器，由秒时基信号源输出的2Hz信号源经CD4069反相和缓冲，送入CD4013二分频，得到1Hz（秒）的信号，该信号加至CD4040的CP端，以作为时钟控制信号。
CD4013为D触发器CD4013,在本电路中被接成双稳态电路，使其每输入两个脉冲，它的输出端输出一个脉冲，实现2分频功能。
CD4013功能简介：
CD4013是一双D触发器,由两个相同的、相互独立的数据型触发器构成。
每个触发器有独立的数据、置位、复位、时钟输入和Q及Q输出，此器件可用作移位寄存器，且通过将Q输出连接到数据输入，可用作计算器和触发器。
在时钟上升沿触发时，加在D输入端的逻辑电平传送到Q输出端。
置位和复位与时钟无关，而分别由置位或复位线上的高电平完成。
CD4013的真值表见表2；引脚图见图7。
表2：
CD4013真值表功能:
CL（Note1）
D
R
S
Q
↑
0
0
0
0
1
↑
1
0
0
1
0
↓
X
0
0
Q
X
X
1
0
0
1
X
X
0
1
1
0
X
X
1
1
1
1
CD4013引脚图：
图7
CD4069功能简介：
CD4069由六个COS/MOS反相器电路组成。
此器件主要用作通用反相器、即用于不需要中功率TTL驱动和逻辑电平转换的电路中。
CD4069的引脚功能见图8、图9。
CD4069引脚功能
图8图9
交流测试电路和波形切换时间
图10图11
3.多级可调定时预置电路
多级可调定时预置电路的原理
多级可调定时预置电路由一个12位二进制计数/分配器CD4040（IC4）组成。
该电路内由12级2分频器组成，它有12个分频输出端，即Q1——Q12,其中Q1的分频系数=20=1，Q12的分频系数=211=2048。
由IC4组成的可调定时预置电路分11级，当CP信号频率为1Hz时，其中第一级的定时预置时间由CD4040的Q2输出，定时时间为21=2S,第二级定时预置时间由Q3输出，定时预置时间为22=4S,第三级由Q4输出，时间为23=8S……第十级定时预置由Q11输出，时间为210=1024S，第十一级定时预置时间由Q12输出，定时预置时间为211=2048S。
CD4040功能简介：
CD4040是12位二进制串行计数器，其内部框图如图12。
所有的计数器为主从触发器。
计数器在时钟的下降沿进行计数。
CR为高电平时，对计数器进行清零。
由于在时钟输入端使用施密特触发器，对脉冲上升和下降时间无限制，所有输入和输出均经过缓冲。
CD4040功能表见表3；引脚图见图13。
图12
引出端符号：
时钟输入端
CR清除端
Q0－Ｑ１１ 计数器脉冲输出端
表3：
CD4040引脚图
图13
4.定时信号输出变换与控制电路
定时信号输出变换与控制电路工作原理
VT1、VT2和IC5组成定时信号输出变换与控制电路，其中NE555与R4、C3组成单稳态延时电路，延时时间T=1.1R4C3,也可根据实际定时需要，按照公式选择R4和C3的数值。
根据定时需要，可由选择开关SA1将相应的定时阶跃高电平引出一路。
当IC4输出定时信号后，加至放大器VT1、VT2（VT1先导通，VT2随后导通）。
VT2集电极输出低电平，经放大后的信号再加至IC5②脚，使555因②脚为低电平而发生翻转置位，③脚输出的高电平使继电器K吸合，接通相应控制的负载，使负载工作。
本控制器定时的工作程序为：
等待2N（N=2～11）秒后，继电器才吸合，接通工作。
之后，因C3通过R4进行充电，当C3上的电压充到使6脚电位达到2/3VDD时，555发生复位，③脚输出的低电平使继电器K释放，相应负载断电，停止工作。
本定时控制器的定时时间可从2～2048秒，分11个档次，定时精度高，较一般定时器理想。
NE555定时器：
555定时器是一种数字与模拟混合型的中规模集成电路，应用广泛。
外加电阻、电容等元件可以构成多谐振荡器，单稳电路，施密特触发器等。
555定时器原理图及引线排列如图14所示。
其功能见表4。
定时器内部由比较器、分压电路、RS触发器及放电三极管等组成。
分压电路由三个5K的电阻构成，分别给A1和A2提供参考电平2/3VCC和1/3VCC。
A1和A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。
当输入信号自6脚输入大于2/3VCC时，触发器复位，3脚输出为低电平，放电管T导通；当输入信号自2脚输入并低于1/3VCC时，触发器置位，3脚输出高电平，放电管截止。
4脚是复位端，当4脚接入低电平时，则V0=0；正常工作时4接为高电平。
5脚为控制端，平时输入2/3Vcc作为比较器的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制。
如果不在5脚外加电压通常接0.01μF电容到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，确保参考电平的稳定。
2触发5控制电压
3输出6门限（阈值）
4复位7放电
图14NE555内部框图（a）和引脚图（b）
表4:
NE555功能表：
在此次电路我应用的是555构成的脉冲启动式单稳态电路单稳态，因此我重点在这里说一下脉冲启动式单稳态电路。
所谓“单稳态”电路，就是该电路只有一个稳定状态，另一个状态为不稳定状态或称暂稳定状态。
这种电路在平时处于稳定状态，当需要时，用一个触发信号去触发它，使它翻转进入暂稳态，经过一段时间后电路又自动恢复到稳态。
单稳态电路有下列特点：
一是电路处于稳态时，若没有外加的触发信号，则电路一直处于稳定状态而不会自动改变其状态；二是暂稳态的暂稳时间可以根据需要预先设定；三是到达预定的暂稳时间后，电路可不外加任何信号而自动恢复到稳态。
图15为脉冲启动型单稳，也可以分为2个不同的单元。
他们的输入特点都是“RT-7.6-CT”，都是从2端输入A路的2端不带任何元件，具有最简单的形式；B路则带有一个RC微分电路。
图15
我在这里选用的是B路。
该电路在接通电源后，首先进入一个稳态建立的过程。
这个过程是这样的：
接通电源后，输出端
输出高电平。
电源首先通过电阻RT向电容CT充电，当充电使电容CT上的电压达到2/3VCC时,电路复位,输出端
变为低电平。
这时由于内部放电管导通，电容CT通过
脚进行放电，电路进入稳态。
R1、C1组成微分电路，它将输入的触发脉冲微分后加至电路的触发端
脚，使电路的触发更可靠。
当对电路的输入端Vi加上低电平后，经过微分电路，该低电平变为窄脉冲加至触发端
脚，电路被触发后发生翻转，输出端
脚由低电平变为高电平。
当电路输出端
脚变为高电平后，555电路内部的放电管截止。
电源开始通过RT向CT充电，电路进入暂稳态。
当电容充电使其电压上升至2/3VCC时，电路翻转，输出端
脚由高电平变为低电平，电路进入稳态。
第三章电源电路的制作
直流稳压电源
小功率稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成，系统框图如图16所示，电路图如图17所示
+电源+整流+滤波+稳压+
u1u2u3uIU0
_变压器_电路_电路_电路_
（a）稳压电源的组成框图
u1u2u3uIU0
0t0t0t0t0t
（b）整流与稳压过程
图16
图17
1．整流和滤波电路
在稳压电源中一般用四个二极管组成桥式整流电路，整流电路的作用是将交流电压u2变换成脉动的直流电压u3。
滤波电路一般由电容组成，其作用是把脉动直流电压u3中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压UI。
UI与交流电压u2的有效值U2的关系为：
在整流电路中，每只二极管所承受的最大反向电压为：
流过每只二极管的平均电流为：
其中：
R为整流滤波电路的负载电阻，它为电容C提供放电通路，放电时间常数RC应满足：
其中：
T=20ms是50Hz交流电压的周期。
全波整流电路波形如图18所示。
2、稳压电路
由于输入电压u1发生波动、负载和温度发生变化时，滤波电路输出的直流电压UI会随着变化。
因此，为了维持输出电压UI稳定不变，还需加一级稳压电路。
稳压电路的作用是当外界因素（电网电压、负载、环境温度）发生变化时，能使输出直流电压不受影响，而维持稳定的输出。
稳压电路一般采用集成稳压器和一些外围元件所组成。
采用集成稳压器设计的稳压电源具有性能稳定、结构简单等优点。
集成稳压器的类型很多，在小功率稳压电源中，普遍使用的是三端稳压器。
按输出电压类型可分为固定式和可调式，此外又可分为正电压输出或负电压输出两种类型。
常见的有CW78
（LM78
）系列三端固定式正电压输出集成稳压器；CW79
（LM79
）系列三端固定式负电压输出集成稳压器。
三端是指稳压电路只有输入、输出和接地三个接地端子。
型号中最后两位数字表示输出电压的稳定值，有5V、6V、9V、12V、18V和24V。
稳压器使用时，要求输入电压UI与输出电压Uo的电压差UI-Uo≥2V。
稳压器的静态电流Io=8mA。
当Uo=5~18V时，UI的最大值UImax=35V；当Uo=18~24V时，UI的最大值UImax=40V。
这里我选用的是12V，经测试输出的直流稳压电源为11.6V左右，符合任务要求。
图18全波整流电路波形
第四章安装与调试及故障分析
准备好全套元件后，用万用表粗略的（因出厂前已测量过）测量一下各元件的质量，做到心中有数。
插线板时注意，电路最好紧贴电路板，二极管和三极管不要装反，注意级性的正确，否则电路不能正常工作甚至烧毁元器件。
通过眼、手来查找故障部位。
即是看元器件有无断线、互碰、导线是否接好等现象；摸元器件是否过热等。
用普通万用表的欧姆档检查各点的阻值，粗查是否有短路、短路等情况。
电源部分按照任务书的要求我设计了一个+12V的直流稳压电源，220V的交流电源经过变压器，变压后测得的交流电压为+15.6V左右，再经过桥式整流，将交流变为直流，测得电压为直流+14.8V，然后通过电容滤掉电压的脉动成分，然后测得的电压为直流+14.5V，接入三端稳压器LM7812，经测试输出的直流稳压电源为11.6V左右，符合任务要求。
经过认真的核对，确定主电路连接无误，接通直流12V的电源，调节波动开关，CD4040的输出端产生脉冲，经过三极管IN4007给NE555
号脚一输入信号，触发由NE555构成的单稳态电路进行定时，达到定时时间继电器吸合。
由于我对电路的理解有限，使电路不能正常的进行定时，而且采用12V的电源，使经过三极管的电流过大，长时间使用经常造成三极管的烧损，后来我改采用9V电源，在三极管VT1基极加一限流电阻，减少了三极管的烧损情况。
记录实验结果，完成实验报告。
心得体会
在这次的可调式定时器的设计过程中，自己感到虽然课本上的理论知识掌握的还可以，
但是一到实际应用上，具体的课程设计的时候时候，自己不能够很好的应用自己所学的知识去解决一系列的问题。
在其他同学的帮助下，以及自己不断的翻阅有关资料，才能够顺利的解决这次的课程设计。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实践相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
参考文献
1、肖景和：
《555集成电路应用精粹》，北京：
人民邮电出版社，2007
2、张建生：
《电源技术教程》，北京：
电子工业出版社，2007
3、廖先云：
《电子技术实践与训练》，北京：
高等教育出版社，2005
4、王忠诚，孙唯真：
《零起点学电子技术及电子元器件》，北京：
电子工业出版社，2009
八、评分表
东华理工大学长江学院
课程设计评分表
学生姓名：
课程设计题目：
可调式定时器的设计与制作
项目内容
满分
实评
选
题
能结合所学课程知识、有一定的能力训练。
符合选题要求
（5人一题）
10
工作量适中，难易度合理
10
能
力
水
平
能熟练应用所学知识，有一定查阅文献及运用文献资料能力
10
理论依据充分，数据准确，公式推导正确
10
能应用计算机软件进行编程、资料搜集录入、加工、排版、制图等
10
能体现创造性思维，或有独特见解
10
成
果
质
量
总体设计正确、合理，各项技术指标符合要求。
10
说明书综述简练完整，概念清楚、立论正确、技术用语准确、结论严谨合理；分析处理科学、条理分明、语言流畅、结构严谨、版面清晰
10
设计说明书栏目齐全、合理，符号统一、编号齐全。
格式、绘图、表格、插图等规范准确，符合国家标准
10
有一定篇幅，字符数不少于5000
10
指导教师评语：
指导教师签名：
年月日
100
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