電工電子綜合實(shí)驗(yàn)II,數(shù)字計(jì)時(shí)器的設(shè)計(jì)

1、黃凱 0807390126目 錄I、 設(shè)計(jì)要求 II、 各元件引腳布局圖及邏輯功能 III、 各單元設(shè)計(jì)方法、過(guò)程、邏輯圖 IV、 完整計(jì)時(shí)器電路圖 V、 參考資料黃凱 0807390126電工電子綜合實(shí)驗(yàn)II數(shù)字計(jì)時(shí)器的設(shè)計(jì)I、設(shè)計(jì)要求一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、 掌握常見(jiàn)集成電路工作原理和使用方法。 2、 學(xué)會(huì)單元電路設(shè)計(jì)與組合方法。 二、 實(shí)驗(yàn)要求：實(shí)現(xiàn)00分00秒59分59秒數(shù)字計(jì)時(shí)器。 三、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1、 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)信號(hào)源電路（f1=1Hz,f2=2Hz,f3=500Hz,f4=1KHz）。 2、 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)00分00秒59分59秒數(shù)字計(jì)時(shí)器（計(jì)數(shù)、譯碼、顯示）。 3、 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)快速校分電路（

2、K1，2Hz,校分時(shí)秒停止，含防抖動(dòng)功能）。 4、 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)可在任意時(shí)刻復(fù)位（K2）。5、 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路（59分53秒、59分55秒、59分57秒【三低f3】,59分59秒【一高f4】）。6、 整體完成00分00秒59分59秒數(shù)字計(jì)時(shí)器電路。 四、 實(shí)驗(yàn)器材：1、 集成電路：NE555一片 一片 兩片 四片 三片 一片 三片 一片(多諧振蕩) （分頻）（8421BCD碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)器） （譯碼） （與非） （4輸入與非） （4輸入與門） （D觸發(fā)）CD4040 CD4518 CD4511 74LS00 74LS20 74LS21 74LS74黃凱 08073901262、 電阻：1K3K

3、1503、 電容：0.047uf 一只 一只 一只 四只4、 共陰極雙字屏兩塊。五、 數(shù)字計(jì)時(shí)器邏輯框圖：4黃凱 0807390126II、各元件引腳布局圖及邏輯功能一、 NE555 一片 (多諧振蕩)：1、 引腳布局圖：圖1 NE555引腳布局圖2、 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖：圖2 NE555內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3、 邏輯功能說(shuō)明：NE555是在電子科技行業(yè)廣為應(yīng)用的一種集成電路，用途十分廣泛。在本電路中，構(gòu)成時(shí)鐘發(fā)生器，是整個(gè)電路的核心。其引腳布局圖如圖1所示。其中引腳1為接地端，引腳2和引腳6為輸入端，引腳3為輸出端，引腳4為復(fù)位清零端，引腳5為調(diào)整端（通常空置或通過(guò)一個(gè)電容接地），引腳7位放電端，引腳8為電源

4、。黃凱 08073901264、 邏輯功能表：表1 NE555邏輯功能表二、 CD4040 一片 （分頻）：1、 引腳布局圖：圖3 CD4040引腳布局圖2、 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖：圖4 CD4040內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖黃凱 08073901263、 邏輯功能說(shuō)明：CD4040是一種常用的12分頻集成電路。當(dāng)在輸入端輸入某一頻率的方波信號(hào)時(shí)，其12個(gè)輸出端的輸出信號(hào)分別為該輸入信號(hào)頻率的2-12-12，在電路中利用其與NE555組合構(gòu)成脈沖發(fā)生電路。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。引腳圖如圖3所示，其中VDD為電源輸入端，VSS為接地端，CP端為輸入端，CR為清零端，Q1Q12為輸出端，其輸出信號(hào)頻率分別為輸入信號(hào)頻率的

5、2-12-12。三、 CD4518 兩片 （8421BCD碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)器）：1、 引腳布局圖：圖5 CD4518引腳布局圖2、 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖：圖6 CD4518內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3、 邏輯功能說(shuō)明：CD4518時(shí)一種常用的8421BCD碼加法計(jì)數(shù)器。每一片CD4518集成電路中集黃凱 0807390126成了兩個(gè)相互獨(dú)立的計(jì)數(shù)器，每個(gè)計(jì)數(shù)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。4、 邏輯功能表：表2 CD4518邏輯功能表四、 CD4511 四片 （譯碼）：1、 引腳布局圖：圖7 CD4511引腳布局圖2、 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖：圖7 CD4511內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖黃凱 08073901263、 邏輯功能說(shuō)明：CD4511是一種842

6、1BCD碼向8段數(shù)碼管各引腳碼的轉(zhuǎn)換器。當(dāng)在其四個(gè)輸入端輸入8421BCD碼時(shí)，其7個(gè)輸出端可直接輸出供7段數(shù)碼管使用的信號(hào)。BI：4腳是消隱輸入控制端，當(dāng)BI=0 時(shí)，不管其它輸入端狀態(tài)如何，七段數(shù)碼管均處于熄滅（消隱）狀態(tài)，不顯示數(shù)字。LT：3腳是測(cè)試輸入端，當(dāng)BI=1，LT=0 時(shí)，譯碼輸出全為1，不管輸入 DCBA 狀態(tài)如何，七段均發(fā)亮，顯示“8”。它主要用來(lái)檢測(cè)數(shù)碼管是否損壞。LE：鎖定控制端，當(dāng)LE=0時(shí)，允許譯碼輸出。 LE=1時(shí)譯碼器是鎖定保持狀態(tài)，譯碼器輸出被保持在LE=0時(shí)的數(shù)值。 A1、A2、A3、A4、為8421BCD碼輸入端。a、b、c、d、e、f、g：為譯碼輸出端，

7、輸出為高電平1有效。CD4511的內(nèi)部有上拉電阻，在輸入端與數(shù)碼管筆段端接上限流電阻就可工作4、 邏輯功能表：表3 CD4511邏輯功能表五、 74LS00 三片 （與非）：黃凱 08073901261、 引腳布局圖：圖8 74LS00引腳布局圖2、 邏輯功能說(shuō)明：74LS00是一種十分常見(jiàn)的集成電路，其中集成了4個(gè)與非門。 3、 邏輯功能表：表4 74LS00邏輯功能表六、 74LS20 一片 （4輸入與非）：1、 引腳布局圖：圖9 74LS20引腳布局圖2、 邏輯功能說(shuō)明：74LS20同樣是一種與非門集成電路，與74LS00不同的是它的每個(gè)與非門有黃凱 08073901264個(gè)輸入端。3、

8、 邏輯功能表：表5 74LS20邏輯功能表七、 74LS21 三片 （4輸入與門）：1、 引腳布局圖：圖10 74LS21引腳布局圖2、 邏輯功能說(shuō)明：74LS21是一種4輸入與門集成電路。 3、 邏輯功能表：表6 74LS21邏輯功能表八、 74LS74 一片 （D觸發(fā)）：黃凱 08073901261、 引腳布局圖：圖11 74LS74引腳布局圖2、 邏輯功能說(shuō)明：74LS74集成電路是一種D觸發(fā)器。 3、 邏輯功能表：表7 74LS74邏輯功能表九、 電阻：1K 3K 150 十、 電容：0.047uf一只一只 一只 四只十一、 共陰極雙字屏兩塊：1、 引腳布局圖：黃凱 080739012

9、6圖12 共陰極雙字屏引腳布局圖2、 邏輯功能說(shuō)明：共陰極雙字屏引腳布局圖如圖12所示，使用時(shí)只需將數(shù)碼管的兩個(gè)GND引腳接地，其他引腳通過(guò)330電阻與CD4511的相應(yīng)引腳相連即可。 3、 邏輯功能表：表8 共陰極雙字屏邏輯功能表黃凱 0807390126III、各單元設(shè)計(jì)方法、過(guò)程、邏輯圖一、 脈沖發(fā)生電路：脈沖發(fā)生電路是為計(jì)時(shí)器提供計(jì)數(shù)脈沖的，因?yàn)樵O(shè)計(jì)的是計(jì)時(shí)器，所以需要產(chǎn)生1Hz的脈沖信號(hào)。這里采用NE555集成電路和分頻器CD4040構(gòu)成。555定時(shí)器不僅體積小，而且用它來(lái)構(gòu)成多諧振蕩器，波形穩(wěn)定，上升沿和下降沿小，振幅大，占空比可調(diào)，因此越來(lái)越廣泛地被用作振蕩器。而后通過(guò)CD404

10、0產(chǎn)生幾種頻率供后面使用。當(dāng)將NE555連結(jié)成圖13所示的自激多諧振蕩電路時(shí)，輸出端為周期矩形波。圖13 周期矩形波發(fā)生電路震蕩周期T=0.695（R1+2R2）C，其中R1=1k，R2=3k，C=0.047F，所以T=228.66510-6s，f=4373.401Hz，產(chǎn)生大約為4kHz 的脈沖。將圖13所示電路的輸出端接至CD4040的輸入端，從Q12輸出端得到212分頻信號(hào)1Hz（f1），作為時(shí)鐘信號(hào)；從Q11輸出端得到211分頻信號(hào)2Hz（f2），提供給校分電路D黃凱 0807390126觸發(fā)器CP端和校分信號(hào)；從Q3和Q2輸出端分別得到8分頻、4分頻信號(hào)500Hz（f3）和1KHz（

11、f4），提供給報(bào)時(shí)電路。于是脈沖發(fā)生電路部分如圖14所示。f4 f3f2 f1圖14 脈沖發(fā)生電路二、 00分00秒59分59秒計(jì)時(shí)器電路：該電路由CD4518及74LS00組合得到。由CD4518的功能表可知，當(dāng)清零端輸入0，EN端為1且CP端輸入時(shí)鐘信號(hào)或者清零端輸入0，EN端輸入時(shí)鐘信號(hào)且CP端為0時(shí)計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。其輸出端QD QC QB QA輸出從0000到1001的循環(huán)（本設(shè)計(jì)采用后者）。所以當(dāng)使用其作為分和秒的個(gè)位進(jìn)行計(jì)數(shù)時(shí)不需對(duì)其進(jìn)行反饋清零，而用其進(jìn)行分和秒的十位計(jì)數(shù)時(shí)，需要在QD QC QB QA輸出0110時(shí)對(duì)其進(jìn)行清零（因?yàn)镃D4518是異步清零）。所以Cr2=2QC2

12、QB，Cr4=4QC4QB。黃凱 0807390126在計(jì)時(shí)過(guò)程中，當(dāng)秒個(gè)位的狀態(tài)1QD1QC1QB1QA=1001時(shí)，秒十位需要接收一個(gè)進(jìn)位信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)位，即秒十位時(shí)鐘端EN2接收的脈沖信號(hào)產(chǎn)生由“1”到“0”的變化時(shí)秒十位開(kāi)始計(jì)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)位。1QD只在秒個(gè)位狀態(tài)由1001轉(zhuǎn)變?yōu)?000時(shí)產(chǎn)生由“1”到“0”的變化。綜上分析可得EN2=1QD。同樣可以分析得到：分個(gè)位時(shí)鐘端EN3=2QC，分十位時(shí)鐘端EN4=3QD。秒個(gè)位時(shí)鐘端外接脈沖信號(hào)。帶有清零電路的六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器邏輯電路圖如圖15所示。三、 譯碼顯示電路：根據(jù)CD4511的邏輯功能表可知，當(dāng)、 輸入均為1而LE輸入為0時(shí)其7個(gè)輸出

13、端分別輸出一定的信號(hào)。只需將這些信號(hào)接入雙字共陰顯示器相對(duì)應(yīng)的引腳即可使其顯示我們所需要的數(shù)字。然而實(shí)際上我們需要在每個(gè)CD4511的輸出端和數(shù)碼管相應(yīng)的輸入端之間接入一個(gè)阻值為330的電阻以防電流過(guò)大使數(shù)碼管燒毀。由于電路的顯示部分不會(huì)出現(xiàn)小數(shù)，故雙字共陰顯示器的小數(shù)點(diǎn)引腳懸空。顯示部分電路如圖16所示。黃凱 0807390126圖16 譯碼顯示電路圖四、 控制器電路：1、 校分電路：校分電路要實(shí)現(xiàn)的功能：電路中存在一個(gè)開(kāi)關(guān)，當(dāng)開(kāi)關(guān)打到“正?！睓n時(shí)，計(jì)數(shù)器正常計(jì)數(shù)；當(dāng)開(kāi)關(guān)打到“校分”檔時(shí)，分計(jì)數(shù)器進(jìn)行快速校分（即分計(jì)數(shù)器可以不受秒計(jì)數(shù)器的進(jìn)位信號(hào)控制，而選通一個(gè)頻率較快的校分信號(hào)進(jìn)行校分），

14、而秒計(jì)數(shù)器保持。在任何時(shí)候，撥動(dòng)校分開(kāi)關(guān)，可以進(jìn)行快速校分。即令計(jì)時(shí)器分為快速計(jì)數(shù)，而秒位保持。D觸發(fā)器的輸出端只在時(shí)鐘的上升沿變化，而其他時(shí)刻保持上一次的電平，當(dāng)開(kāi)關(guān)在高低電平兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時(shí)，由于機(jī)械振動(dòng)，在很短的時(shí)間內(nèi)會(huì)在高低電平之間來(lái)回波動(dòng)，相應(yīng)的產(chǎn)生幾個(gè)上升沿。如果直接將開(kāi)關(guān)的輸出端連接至分個(gè)位的時(shí)鐘的話，這些上升沿將導(dǎo)致它瞬間跳變幾個(gè)數(shù)值。然而在加上D觸發(fā)器之后，由于在沒(méi)有時(shí)鐘上升沿的時(shí)候，輸出信號(hào)保持，而其時(shí)鐘頻率相對(duì)與顫抖頻率是很小的，也就是說(shuō)在開(kāi)關(guān)顫抖過(guò)程中觸發(fā)器的輸出是不變的，從而避免黃凱 0807390126了分計(jì)數(shù)器數(shù)值的跳變。故可以用其構(gòu)成防顫抖電路。校分電路如圖1

15、7所示，其中輸出端直接與分計(jì)時(shí)器的個(gè)位時(shí)鐘端相連接。正常計(jì)時(shí)狀態(tài)下，開(kāi)關(guān)連接高電平，此時(shí)Q端輸出高電平，總輸出端的信號(hào)與秒的十位進(jìn)位信號(hào)相同。當(dāng)開(kāi)關(guān)連接低電平時(shí)，Q端輸出低電平，總輸出端輸出信號(hào)為2Hz的時(shí)鐘信號(hào)。圖16 校分電路圖2、 復(fù)位電路：清零電路為了考慮到防抖動(dòng)，因此在這里也采用觸發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。電路如圖17所示，正常狀態(tài)下，開(kāi)關(guān)打在高電平，電路正常工作。當(dāng)需要清零時(shí)，打到低電平位置，Q端輸出低電平，根據(jù)計(jì)時(shí)器電路圖（圖15），可以分析出秒和分的十位得以清零。 Q輸出高電平，直接輸出到CD4518的Cr端。根據(jù)CD4518的功能表（表2）當(dāng)Cr端為高電平時(shí)，進(jìn)行清零。所以秒和分的個(gè)位得以清零。清零開(kāi)關(guān)圖17 清零電路圖黃凱 0807390126五、 報(bào)時(shí)電路：電路每小時(shí)進(jìn)行一次報(bào)時(shí)，從59分53秒開(kāi)始報(bào)時(shí)，每隔一秒發(fā)一聲，共三聲低音、一聲高音。即59分53秒、59分55秒、59分57秒為低音，59分59秒為高音。實(shí)際上，需要在某一時(shí)刻報(bào)時(shí)，就將該時(shí)刻輸出為“1”的信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)，選通報(bào)時(shí)脈沖信號(hào)，進(jìn)行報(bào)時(shí)即可。對(duì)于這一要求，我們可以列一張表來(lái)形象的看出這一性質(zhì)：對(duì)于分的十位個(gè)位和秒的十位，在鳴響的時(shí)候給出的信號(hào)應(yīng)該是一樣的。所m7m5m4m1s7s5,剩下的就是考慮秒個(gè)位的區(qū)別在s1為1時(shí)，s3，s2中有一個(gè)為1即發(fā)出500HZ的低聲?shū)Q響，在s4為1時(shí)