逆计时数显定时器的设计.docx

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逆计时数显定时器的设计

目录

一，中英文摘要，关键词………….....1

二，前言……………………………….2

三，原理框图………………………….3

四，毕业设计主要结构……………….3

4．1，时基信号…………………….3

4．2，分频器件CD4040………….10

4．3，可逆计数器CD40110……...15

4．4，置数开关……………………20

4．5，控制门………………………20

4．6，执行电路……………………21

五，毕业设计详细电路图……………23

六，详细原理解释……………………24

七，焊接与调试………………………25

八，结论………………………………26

九，参考文献…………………………27

一，中英文关键字，摘要：

逆计时数显定时器的设计

[摘要]本文介绍了一种电子定时器．定时时间用数字显示．并进行逆计数．当计数器显示为“0”时．控制器会自动切断或打开用电器的电源，定时时间范围1～990分钟。

该定时器可替代目前一些家用电器中的机械定时器。

倒计时时定时器的用途很广泛，它可以用作定时器，控制被定时的电器，实现定时开或者定时关，在定时的过程中，随时显示剩余时间，它还可以用作倒计时计数器。

由三位数码管直观显示倒计时计数状态。

关键词：

电子定时器,数字显示,倒计时

作者：

高剑夫

指导老师：

朱永乐

[Abstract]Thisarticleintroducedonekindofelectronictimer.Fixedthetimeisdemonstratedwiththedigit.Andcarriedonplotingthenumber.Whenthecounterisdemonstrated“0”,Thecontrollerautomaticturnofforopenswithpowersourceofelectricappliance,therangeoffixedtimeis1~990minutes.Thistimermaysubstitutesomemechanicaltimerofdomesticelectricappliancesinthepresent.

Theuseofthecountdowntimerisverywidespread,itcanbeusedasthetimer,whichcontrolstheelectricappliancewhatbefixedtime,realizesfixedtimeopenedorclosed,intheprocessoffixedtime,momentarilydemonstratesthesurplustime,itcanbealsousedasthecountdowncounter.Displaytheconditionofthecountdownimmediatelybythreenixietube.

Keyword:

electronictimer,digitdemonstration，countdown

WrittenbyJianfuGao

SupervisedbyYongleZhu

二，前言

计数器是最常用的时序电路之一，他们不仅可用于对脉冲进行计数，还可以用于分频，定时，产生节拍脉冲以及其他时序信号。

计数器的种类不胜枚举，按照编码分类可以分成：

二进制码计数器，BCD（二——十进制）计数器，循环码计数器。

文章中涉及到的计数器是十进制的。

可逆计数器又称作加／减计数器。

是计数器的一个重要组成部分，除了一些专用的大规模可逆计数器具有符号框功能，中规模可逆计数器一般是不具备极性符号功能的。

因此用无符号的中小规模可逆计数器设计带符号的可逆计数器显得尤为必要．一般完成这一转换需增加三个单元电路。

①符号寄存器和符号显示驱动器用于寄存和驱动计数状态的极性符号。

②清零电路，在计数器的计数状态+0和-0相互转换时，它使计数器清零。

③控制门电路。

在可逆计数器的极性符号控制下，它使正计数状态时的增加时钟脉冲和城小时钟脉冲分别变成负计数状态时的减小时钟脉冲和增加时钟脉冲。

我们这篇论文写的逆计时数显定时器是在以电子技术（数字部分）该教材基础上写成的。

它主要由：

时基信号，分频器，可逆计数器，控制门，置数开关，执行电路组成。

这种电子定时器定时时间用数字显示，并进行逆计数。

当计数器显示为“0”时．控制器会自动切断或打开用电器的电源，定时时间范围1～990分钟，LED数码管显示运行过程。

为了更好的理解该电路的设计原理，文章中详细解释了构成该电子定时器的每个构成部分。

这种采用常规CMOS数字集成电路的定时器，电路原理简单，使用方便，适用于家用电器及工业设备的定时控制，故值得电子爱好者业余制作。

三，原理框图：

四，毕业设计主要结构

4．1时基信号

图中VD1、Rl～R3、D1、D2等组成时基信号产生电路。

VD1以及下文中的VD2，VD9，VD16都是1N4001

1N4001的特征有：

低的反向漏电流

较强的正向浪涌承受能力

高温焊接保证

引线可承受5磅（2.3kg）拉力

它的极限值和温度特性TA=25℃见下表

符号

单位

最大可重复峰值反向电压

VRRM

50

V

最大均方根电压

VRMS

35

V

最大直流阻断电压

VDC

50

V

最大正向平均整流电流

IF（AV）

1.0

A

峰值正向浪涌电流8.3ms单一正弦半波

IFSM

30

A

最大反向峰值电流

IR（AV）

30

μA

典型热阻

RθJA

65

℃/W

工作结温和存储温度

Tj,TSTG

-50---+150

℃

电特性TA=25℃

符号

单位

最大正向电压IF=1.0A

VF

1.1

V

最大反向电流

TA=25℃

TA=100℃

IR

5.0

100

μA

典型结电容VR=4.0V,f=1MHz

Cj

15

pF

时基信号取交流电的50HZ信号。

电源变压器次级输出的交流电压经VD1半波整流后在R1上产生50HZ的脉冲直流电。

图中D1，D2是CD4069------六反相器

CD4069提供了14引线多层陶瓷双列直插（D）、熔封陶瓷双列直插（J）、塑

料双列直插（P）和陶瓷片状载体（C）4种封装形式。

推荐工作条件：

电源电压范围…………3V～15V

输入电压范围…………0V～VDD

工作温度范围

M类…………－55℃～125℃

E类………….－40℃～85℃

极限值：

电源电压…...－0.5V～18V

输入电压……－0.5V~VDD+0.5V

输入电流…………….±10mA

储存温度…………－65℃～150℃

引出端符号：

1A～6A数据输入端

VCC正电源

Vss地

1Y～6Y数据输入端

逻辑符号：

引出端排列（俯视）

逻辑表达式：

Y＝A

逻辑图：

由点1输出的脉冲信号经D1，D2等组成的施密特触发器整形后在点2输出50HZ的矩形脉冲信号，供分频器作时钟信号。

施密特触发器特点

　　施密特触发器与其说是“触发器”，不如说是具有滞后特性的数字传输门，其特点有二：

　　1．输入电平的阈值电压由低到高为

，由高到低为

，且

＞

，输出的变化滞后于输入，形成回环。

我们将称

为正向阈值电压，称

为负向阈值电压，二者的差值称为回差。

　　2．与双稳态触发器和单稳态触发器不同，施密特触发器属于“电平触发”型电路，不依赖于边沿陡峭的脉冲。

下图是施密特发器的电压传输特性，图（a）是反相传输特性，图（b）是同相传输特性。

二、由反相器构成的施密特触发器

　　1．反相器构成的施密特触发器的电路结构

将两级反相器串接起来，同时通过分压电阻把输出端的电压反馈到输入端，就构成了图所示的施密特触发器。

（a）电路（b）图形符号

2．反相器构成的施密特触发器的工作原理

　　G1，G2为CD4069反相器，门电路的阈值电压为：

VTH=1/2VDD，且R1

电路状态迅速转换为Vo=VOH≈VDD当VI从0逐渐升高到使得VI’=VTH时,电路发生正反馈,如图所示:

电路状态迅速转换为Vo=VOH≈VDD正向阈值电压：

VI上升过程中电路状态发生转换时对应的输入电平正向阈值电压：

VT+=（1+R1/R2）VTH当VI从VDD逐渐下降到使得VI’=VTH时,电路发生正反馈,如图所示：

电路状态迅速转换为Vo=VOL≈0负向阈值电压：

VI下降过程中电路状态发生转换时对应的输入电平负向阈值电压：

VT-=（1-R1/R2）VTH电压传输特性曲线：

（a）同相输出（b）反相输出

图电路的电压传输特性

回差电压：

定义回差电压：

VT=VT+—VT-

通过改变R1和R2的比值，可以调节VT+、VT-和回差电压的大小，但R1必须小于R2，否则电路将进入自锁状态，不能正常工作。

三、施密特触发器的应用

　　1.用于波形变换:

将边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。

图施密特触发器的应用于波形变换

2.脉冲整形：

　　在数字系统中，矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变。

3.脉冲鉴幅：

　　可在输入的一系列幅度各异的脉冲信号中选出幅度大于某一定值的脉冲输出。

4．2分频器

分频器由电路CD4040等组成。

CD4040为12个D触发器串联的12级二进制计数器。

l2位的输出端分别为Q1、Q2、⋯⋯Q12。

把二进制计数器作成分频系数为M的分频器，也就是说让满M个脉冲输出一个脉冲。

这十脉冲还要把各级计数器再次清零，以便重新计数。

图中CC4040是12位二进制串行计数器。

所有的计数器为主从触发器。

计数器在时钟下降沿进行计数。

CR为高电平时，对计数器进行清零。

由于在时钟输入端使用斯密特触发器，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。

CC4040提供了16引线多层陶瓷双列直插（D）、熔封陶瓷双列直插（J）、塑料双列直插（P）和陶瓷片状载体（C）4种封装形式。

引出端符号：

CP时钟输入端

CR清除端

Q0～Q11计数器脉冲输出端

VDD正电源

Vss地

推荐工作条件：

电源电压范围…………3V～15V

输入电压范围…………0V～VDD

工作温度范围

M类…………－55℃～125℃

E类………….－40℃～85℃

极限值：

电源电压…...－0.5V～18V

输入电压……－0.5V~VDD+0.5V

输入电流…………….±10mA

储存稳定…………－65℃～150℃

逻辑符号：

引出端排列（俯视）

功能表：

逻辑图：

静态特性：

参数

测试条件

规范值

VO

（V）

VI

（V）

VDD

（V）

-55℃

-40℃

25℃

85℃

125℃

单位

VOL输出低

电平电压

（最大）

-

5/0

10/0

15/0

5.0

10.0

15.0

0.05

V

VOH输出高

电平电压

（最小）

-

5/0

10/0

15/0

5.0

10.0

15.0

4.95

9.95

14.95

V

VIL输入低电

平电压

（最大）

0.5/4.5

1.0/9.0

1.5/13.5

-

5.0

10.0

15.0

1.5

3.0

4.0

V

VIH输入高

电平电压

（最小）

4.5/0.5

9.0/1.0

13.5/1.5

-

5.0

10.0

15.0

3.5

7.0

11.0

V

IOH输出高电

平电流

（最小）

2.5

4.6

9.5

13.5

5/0

5/0

10/0

15/0

5.0

5.0

10.0

15.0

-2.0

-0.64

-1.6

-4.2

-1.8

-0.61

-1.5

-4.0

-1.6

-0.51

-1.3

-3.4

-1.3

-0.42

-1.1

-2.8

-1.15

-0.36

-0.9

-2.4

mA

IOL输出低电

平电流

（最小）

0.4

0.5

1.5

5/0

10/0

15/0

5.0

10.0

15.0

0.64

1.6

4.2

0.61

1.5

4.0

0.51

1.3

3.4

0.42

1.1

2.8

0.36

0.9

2.4

mA

II输入电流

-

15/0

15.0

±0.1

±1.0

μA

IDD电源电

流

（最大）

-

5/0

10/0

15/0

5.0

10.0

15.0

5.0

10.0

15.0

5.0

10.0

20.0

150.0

300.0

600.0

μA

动态工作条件（TA＝25℃）：

参数

规范值

单位

VDD＝5V

VDD＝10V

VDD＝15V

最小

最大

最小

最大

最小

最大

fcpCP频率

-

3.5

-

8.0

12.0

MHz

twCP脉冲宽度

140

-

60

-

40

-

Ns

twCR脉冲宽度

200

-

80

-

60

-

Ns

tRECR撤离时间

350

-

150

-

100

-

Ns

tr、tfCP上升或下降时间

无限制

Μs

动态特性（TA＝25℃）：

参数

测试条件

VDD（V）

规范值

单位

最小

最大

CP操作

tPLH、tPHL传输

延迟时间

CP→Q0

CL＝50pF

RL＝200k

tr＝20ns

tf＝20ns

5.0

10.0

15.0

-

360

160

130

Ns

Qn→Qn＋1

5.0

10.0

15.0

-

200

80

60

tTLH、tTHL输出转换时间

5.0

10.0

15.0

-

200

100

80

Ns

fcpCP频率

5.0

10.0

15.0

3.5

8.0

12.0

-

MHz

twCP脉冲宽度

5.0

10.0

15.0

-

140

60

40

Ns

tr、tfCP上升或下降时间

5.0

10.0

15.0

无限制

Μs

CI输入电容

（任一输入端）

-

-

7.5

pF

CR操作

tPHL传输延迟

时间

时间

CR→Q

5.0

10.0

15.0

-

280

120

100

Ns

twCR脉冲宽度

5.0

10.0

15.0

-

200

80

60

tRECR撤离时间

5.0

10.0

15.0

350

150

100

这里要把50Hz的脉冲信号通过分频器分频后得到周期为1分钟的脉冲信号，分频系数M=50×60=3000．就是要用二进制计数器搭成分频系数为3000的分频器。

电路中用二极管VD3～VD8，电阻R4组成的“与”门电路从计数器的输出Q1～Ql2

中检测出时钟数M，3000个时钟脉冲对应于Q4=8，Q5=16，Q6=32，Q8=128，Q9=256，Q10=512及Q12=2048。

这些输出均为高电平“1”，即8+16+32+128+256+2048=3000时，点3输出一个脉冲，同时经R4送入CD4040的置零端R，使其复位。

二极管VD3～VD8是六个1N4148

1N4148的特征是：

反向漏电流小

开关速度快

最大功率耗散500mW

高稳定性和可靠性

4．3可逆计数器

可逆计数器由三个CD40110组成

CD40110为十进制可逆计数器/锁存器/译码器/驱动器，具有加减计数，计数器状态锁存，七段显示译码输出等功能。

CD40110有2个计数时钟输入端CPU和CPD分别用作加计数时钟输入和减计数时钟输入。

由于电路内部有一个时钟信号预处理逻辑，因此当一个时钟输入端计数工作时，另一个时钟输入端可以是任意状态。

CD40110的进位输出CO和借位输出BO一般为高电平，当计数器从0～9时，

BO输出负脉冲；从9～0时CO输出负脉冲。

在多片级联时，只需要将CO和BO分别接至下级CD40110的CPU和CPD端，就可组成多位计数器。

计数器作加法计数时每计满l0个数后其输出一个脉冲：

Qb0为借位输出端．计数器作减法计数时每计满10个数后其输出一个脉冲，把Qc0、Qb0分别和上一位的CPU，CPD相连可组成多级可逆计数器

引出端符号：

BO借位输出端

CO进位输出端

CPd减计数器时钟输入端

CPu加计数器时钟输入端

CR清除端

/CT计数允许端

/LE锁存器预置端

VDD正电源

Vss地

Ya~6g锁存译码输出端

引出端排列：

逻辑图

静态特性：

参数

测试条件

规范值

IOH

（m

A）

VO

（V）

VI

（V

）

VDD

（V

）

-55℃

-40℃

25℃

85℃

125℃

单

位

VOL输出低

电平电压

（最大）

－

－

5/0

10/0

15/0

5.0

10.0

15.0

0.05

V

VOH输出高

电平电压

（最小）

－

－

5/0

10/0

15/0

5.0

10.0

15.0

4.95

9.95

14.95

V

VIL输出低

电平电压

（最大）

－

0.5/4.5

1.0/9.0

1.5/13.5

－

5.0

10.0

15.0

1.5

3.0

4.0

V

VIH输出高

电平电压

（最小）

－

4.5/0.5

9.0/1.0

13.5/1.5

－

5.0

10.0

15.0

3.5

7.0

11.0

V

IOL输出低电

平电流

（最小）

－

0.4

0.5

1.5

5/0

10/0

15/0

5.0

10.0

15.0

0.64

1.6

4.2

0.61

1.5

4.0

0.51

1.3

3.4

0.42

1.1

2.8

0.36

0.9

2.4

mA

II输入电流

－

－

15/0

15.0

±0.1

±1.0

μA

IDD电源电

流

（最大）

－

－

5/0

10/0

15/0

5.0

10.0

15.0

5.0

10.0

20.0

5.0

10.0

20.0

150.0

300.0

600.0

μA

VOH输出驱

动电压

（典型）

0

10

25

－

－

5.0

5.0

5.0

－

4.55

4.13

3.64

－

V

0

10

25

－

－

10.0

10.0

10.0

－

9.55

9.25

8.85

－

0

10

25

－

－

15.0

15.0

15.0

－

14.55

14.21

13.90

－

CD401l0的7个输出端a～g分别和LED共阴极数码管a～z端对应相连，数码管即可显示计数器所计的数值

4．4置数开关

s1、s2是置数开关，将时钟脉冲送到IC3的加法计数输出端，按动sl或s2即可将IC3～IC5所组成的计数器达到预定的数值．s1为快调按钮，按下S1时时钟脉冲频率为50Hz；s2为慢调按钮．按下s2时．时钟频率为25／l6Hz

S3为计数器的置零开关。

S1～S3选用小型按钮开关。

4．5控制门

D3～D6、VD9～VD15等组成控制门。

当IC3的减法输入端输入每分钟1个的计时脉冲时，计数器作减法计数。

控制门的作用是：

当LED数码管显示“000”时，、可封住计时脉冲使计数器维持在此状态不变．并通过执行机构使用电器打开或关闭。

为了达到上述目的．必须对IC3～IC5的7段输出进行译码．即当数显为“000”时使④为高电平“1”，从而由VD9、R6组成的“或”门把减法计数输入端封住，减法计数被禁止，计数器被维持在“000”状态．除非重新按动S1和S2。

经分析发现：

CD40110显示“0”时．其f为高电平“l”．g为低电平“0”．而且f为高电平1、g为低电平“0”时显示的数字唯一可能是0．因此f、g为显示

0的特征笔划，F4～F6为非门，当f为高电平“1”时．其输出为低电平0”这样．当IC3～IC5的f为高电平“1”时．g为低电平“⋯0”时．由VD10～VD15、R9组成的“或”门输出低电平．从而点④输出高电平。

4．6执行电路

执行电路由VT1，非门3及S4等组成。

VT19013的特征：

最大耗散功率：

Pcm=0.625W

最大集电极电流：

Icm=0.5A

集电极-基极击穿电压：

Vcbo=45V

电特性（环境温度25℃）

参数

符号

测试条件

最小值

典型值

最大值

单位

集电极-基极击穿电压

Vcbo

Ic=100μA,Ie=0

45

V

集电极-发射极击穿电压

Vceo

Ic=0.1mA,Ib=0

25

V

发射极-基极击穿电压

Vebo

Ie=100μA,Ic=0

5

V

集电极-基极截止电流

Icbo

Vcb=40V,Ie=0

0.1

μA

集电极-发射极截止电流

Iceo

Vce=20V,Ib=0

0.1

μA

发射极-基极截止电流

Iebo

Veb=5V,Ic=0

0.1

μA

直流电流增益

Hfe1

Vce=1V,Ic=50mA

64

300

Hfe2

Vce=1V,Ic=500mA

40

集电极-发射极饱和压降

Vce（sat）

Ic=500mA,Ib=50mA

0.6

V

基极-发射极饱和压降

Vbe（sat）

Ic=500mA,Ib=50mA

1.2

V

基极-发射极正向电压

Vbe

Ie=100mA

1.4

V

特征频率

Ft

Ved=6V,Ic=20mA,f=30MHz

150

MHz