多功能数字计时器实验报告.docx
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多功能数字计时器实验报告.docx
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多功能数字计时器实验报告
电工电子综合实验
(多功能数字计数器)
实验报告
姓名:
学号:
专业:
通信工程
院系:
电光学院
指导老师:
钟德荣
2012.9.17
目录
报告封面………………………………………………………………1
摘要,关键词………………………………………………………………3
一、实验简介………………………………………………………………3
二、设计简介……………………………………………………………………………4
设计概况……………………………………………………………………4
设计要求……………………………………………………………………4
三、设计原理………………………………………………………………5
秒脉冲信号发生电路……………………………………………………………5
计时电路………………………………………………………………………6
清零电路………………………………………………………………………7
校分电路………………………………………………………………………7
报时电路……………………………………………………………………8
附加电路………………………………………………………………………9
四、实验中遇到的问题及解决办法………………………………………10
五、实验总结……………………………………………………………………………10
六、附录……………………………………………………………………………………11
总电路图…………………………………………………………………………11
芯片管脚图及功能表…………………………………………………………11
参考文献…………………………………………………………………………13
摘要:
数字计时器由秒脉冲信号发生器、计时电路、译码显示电路、校分电路、清零电路、报时电路等几部分单元电路组成。
本次试验要求采用中小规模集成电路实现数字计时器的设计,并附加开机清零,快速校分,整点报时等功能。
关键词:
脉冲信号发生电路、计时电路、报时电路、校分电路、清零电路、起停电路
正文:
一、实验简介
实验目的:
1.掌握中小规模数字电路的设计原理;
2.培养动手连接电路的能力;
3.培养分析问题解决问题的能力,提高学生实验技能。
实验内容:
1.运用电路模拟软件,设计多功能数字计时器;
2.连接实物电路,完成电路功能的测试:
3.完成实验报告。
实验需求:
实验物品:
剪刀,起子,镊子,剥线钳,插线板,导线,元器件;
元器件清单:
名称
型号
数量
显示字
共阴
3
译码器
CC4511
3
BCD码计数器
CC4518
1
四位二进制计数器
74LS161
2
分频器
CC4060
1
D触发器
74LS74
1
非门
CC4069
1
二入与非门
74LS00
2
四入与门
74LS21
5
二入或门
74LS32
1
晶振
32768Hz
1
三极管(NPN)
3DG6
1
蜂鸣器
1
电容
10p
1
20p
1
22u
1
电阻
330
3
470
1
10k
3
22M
1
二、设计简介
设计概况:
本实验采用中小规模集成电路设计一个多功能数字计时器。
实验需要分别设计脉冲发生电路,计时电路,译码显示电路,和控制电路以及附加电路,然后进行连接组成。
要求完成0分00秒~9分59秒的计时功能,并在控制电路作用下实现开机清零,快速校分,整点报时功能。
设计要求:
1、设计一个脉冲发生电路,为计时器提供秒脉冲、为报时电路提供驱动蜂鸣器的脉冲信号(f1=1Hz,f2=1KHz,f3=2KHz)。
2、设计一个计时电路,完成0分00秒~9分59秒的计时功能。
3、设计报时电路,使数字计时器从9分53秒开始报时,每隔一秒发一声,共发三声低音,一声高音;即9分53秒、9分55秒、9分57秒发低音(频率1kHz),9分59秒发高音(频率2kHz)。
4、设计校分电路,在任何时候,拨动校分开关,可以2HZ进行校分。
5、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,可以进行计时器清零。
6、系统级联调试,将以上电路进行级联完成计时器的所有功能。
7、可增加数字计时器附加功能,例如数字计时器定时功能、电路起停功能、电路采用动态显示等。
(本次实验选择附加电路为起停电路)
三、设计原理
整体电路设计原理:
数字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,其中控制电路按照设计要求可以由校分电路、清零电路和报时电路组成。
原理框图如下:
分步电路设计原理:
秒脉冲发生电路:
脉冲信号发生电路完成为计时电路提供计数脉冲的功能。
本电路采用32768Hz的石英晶体多谐振荡器作为脉冲信号源。
通过分频器4060多级分频,从输出端Q14~Q4可分别获得2,4,8,····1024,2048Hz不同频率的输出信号。
其中2Hz的脉冲信号经二分频电路得到1Hz的秒脉冲信号。
最后用D触发器实现倍频器,确保输出1Hz的秒脉冲信号。
分电路所用器件:
32768Hz晶体管、20MΩ电阻、20PF电容、10PF电容、CC4060、74LS74。
其电路设计截图如下:
计时电路:
计时电路实现0分00秒到9分59秒的计时功能,是本计数器功能实现中最为重要的电路,同时也是接线最为复杂的电路。
其中分计数器、秒个位计数器均为逢10进位,秒十位计数器为逢6进位。
因此分计数器和秒十位计数器可采用CD4518BCD码计数器来实现十进制计数,秒十位计数器需要采用74LS161连接成模六计数器,计数范围为0000~0101。
电路设计时,1Hz的秒脉冲信号连接秒个位计数器的使能端,秒个位单元中的输出Q4端口通过非门接入74LS161的时钟端,实现个位与十位的级联。
做秒十位记数时,用反馈置位法,2Q1和2Q3通过与非门接入置数端同时数据输入端均接地,实现模六功能。
将计数位2Q3作为驱动信号送入分计数器(CD4518B)的EN端,则数字计数器整体的计数功能即可实现。
显示电路需要三片CD4511显示译码器和三个七段共阴显示字,由4511进行二进制的译码,由共阴显示电路实现0分00秒计到9分59秒的显示。
4511的输入端接对应编码分位,秒个位,秒十位的的输出,其输出端与共阴显示字对应相接。
共阴显示字需要通过300Ω电阻接地。
分电路所用器件:
4518、74LS161、74LS00、4511、4069、300Ω电阻、LED数码显示管。
其电路设计截图如下:
清零电路:
该电路实现清零作用
其中秒个位和分位的清零端接在第一个非门之后,秒十位74LS161的清零端接在第二个非门之后。
开机时,由于电容上的电压不能突变,电容两端为低电平,,实现秒个位和分位的清零。
在经过第二个非门输出低电平,接到74LS161的管脚1,实现秒十位的清零。
若已开机,电容两端的开关就是清零开关。
开关断开电路正常计时,开关闭合实现电路清零。
器件:
CC4069、10KΩ电阻、22μF电容。
其电路设计截图如下:
校分电路:
该电路实现快速校分的功能。
当开关断开电路正常工作,开关闭合时,分信号选通频率较高的进位信号,进行快速变化,分计数器进行快速校分,同时秒位的选通频率不变,秒位正常计时。
当开关断开时,分位正常计时。
其设计电路截图如下:
报时电路:
电路完成报时功能,在9分53秒,9分55秒,9分57秒的时候,由蜂鸣器发出声音,分别为低音低音高音。
找到电路时刻对应的二进制码,运用卡诺图简化,确定电路连线。
用1kHz的信号驱动低音蜂鸣,2kHz信号驱动高音蜂鸣。
分电路器件:
74LS21,74LS32,蜂鸣器。
其设计电路截图如下:
基本电路总图:
将如上的所有分电路进行连接,得到基本电路总路如下:
附加起停电路:
该附加电路作用是使得显示计时器到达7分37秒时自动停止5秒,然后又重新启动计时功能。
其原理是,未到停止时间时,秒信号输端正常输入脉冲,电路正常计时;到达设定的停止时间时,通过起停电路使得1Hz信号无法进入秒个位输入端,电路切断秒信号脉冲过程持续五秒,五秒后继续恢复Qc端的输出。
其设计电路截图如下:
附加起停电路的实验总图:
四、实验中遇到的问题以及解决方法
1、计时电路的设计中发现秒十位的显示灯管不亮,先查接地线,在检查4511的输入端问题,最后发现接地端的电阻过大,远远超过300欧姆,更换电阻重新启动电路,灯亮。
2、显示电路接完后调试中,发现秒十位是0,2,4,0的显示顺序,每次越过奇数位,首先检查整体电路的连接,最后发现是地线接入错误,矫正地线,电路恢复正常进位。
3、附加起停电路无法实现起停功能,一直保持正常计数功能,最后检查到秒个位的信号输入端始终接入1Hz信号,断掉其信号输入,将信号接入附加起停电路的信号输入段,起停电路输出端接入秒个位的输入,问题得到解决。
4、起停电路在多点都进行停止,并且时间停止时间不一,有长有短。
检查附加电路设计图,发现电路设计中存在一些缺陷,和同组的同学讨论,并进行重新设计改造之后,重连电路,电路起停功能正常。
五、实验总结
本次实验过程大体分为两部分,主要包括前期准备和实验室动手操作。
前期准备的任务相对繁重,需要去温习《数字逻辑电路与系统设计》课程的相关知识,加深对实验所用到的元器件的熟悉与应用,前期准备也需要去图书馆借阅中小规模数字电路设计的相关资料,还要在网络上寻找合适的电路设计软件,先采用Multisim软件设计仿真,发现部分元器件不同于实验室准备的元器件,后来又转选择proteus软件,但最终因为一些问题,又重新使用了Multisim软件。
整个软件的下载破解过程较为费时,导致在前期准备中的电路设计用时较多。
在实验室动手操作阶段,发现电路连接复杂,远远不同于仿真软件的明了,整个接线板导线横布,错综复杂,纵横交错,尤其是在电路未能到达预期结果,需要进行检查调换时,检查过程变的十分复杂。
本次实验又重新温习了数电的相关知识,加深对数字电路设计的理解,初步了解了中小规模数字电器的设计生产过程,初步熟悉生产实践过程。
在动手中学会认知,在认识中丰富知识。
本次实验中有繁琐的前期工作以及复杂的电路连线,而且也因为一些小问题在实验室不断的改进自己的电路,检查故障,这个过程本身就是对心智的一种磨练,对人情绪的一种考验,对毅力的一种锻炼。
最后实验采取两人一组的实验方式,培养了团队合作能力,增强团队协作能力,学习合理分工和共同操作。
六、附录
总电路图:
芯片管脚图及功能表:
CC4518逻辑功能表:
输入
输出
Cr
CP
EN
清零
1
×
×
0
0
0
0
计数
0
↑
1
BCD码加法记数
保持
0
×
0
保持
计数
0
0
↓
BCD码加法记数
保持
0
1
×
保持
74LS74逻辑功能表:
输入
输出
CP
D
清零
×
0
1
×
0
1
置“1”
×
1
0
×
1
0
送“0”
↑
1
1
0
0
1
送“1”
↑
1
1
1
1
0
保持
0
1
1
×
保持
不允许
×
0
0
×
不确定
74LS161逻辑功能表:
输入
输出
清零RD
预置LD
EP
ET
时钟CP
预置数输入A
B
C
D
A
B
C
D
0
X
X
X
X
X
X
X
X
0
0
0
0
1
0
X
X
↑
A
B
C
D
A
B
C
D
1
1
0
X
X
X
X
X
X
保持
1
1
X
0
X
X
X
X
X
保持
1
1
1
1
↑
X
X
X
X
计数
参考文献:
《电子线路实践教程》王建新,姜萍编著科学出版社
《数字电路》蒋立平,编著兵器工业出版社
《数字逻辑电路与系统设计》蒋立平,姜平等编著电子工业出版社
《电子技术实验指导书》马鑫金编著机械工业出版社
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- 多功能 数字 计时器 实验 报告