电工电子实验报告

电工电子综合实验（Ⅱ）实验报告——多功能数字计时器摘要设计搭建一个多功能数字计数器，从0分0秒开始计时,计到9分59秒后自动清零。具有计时、清零、校分、整点报时的基本功能和闹钟、秒表的附加功能。显示电路使用的是动态显示方式，即只使用一片译码器外加较高频率的时钟控制电路来实现数码管的“同时”显示功能AbstractDesignamulti-purposedigitalregisterwhichcandisplaythetime.Itstartsfrom0minute0seconds,countsafter9minute59secondsautomaticclearzero.Theclockhasthebasicfunctionsofclearing,minute-correcting,beepinginthesharphourandthestopwatch.Weusedynamicdisplaycircuittodisplay,namelyrealizingdisplayinginthesametimeusingoneencoderandahighfrequency.目录一．设计目的二．设计要求三．实验原理四．单元电路设计及其电路图1、信号发生电路2、计时电路3、显示电路4、清零电路5、校分电路6、报时电路五．附加电路六．实验感想七．实验中遇到的问题八．附录1、工具及器件清单2、各元件的引脚图及功能表3、总电路逻辑图4、参考文献一、实验目的1.掌握常见集成电路实验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．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发声的脉冲信号；（2）设计计时和显示电路，完成0分00秒至59分59秒的计时和显示功能；（3）设计清零电路，具有开机自动清零的功能，并在任何时候，按动清零开关，就可以实现计时器清零；（4）设计校分电路，在任何时候，按下校分开关，可以进行快速校分；（5）设计报时电路，使数字计时器从59分53秒开始报时，每隔2秒发一声，共发三声低音，一声高音；[即59分53秒、59分55秒、59分57秒发低音（频率为1KHz）,59分59秒发高音（频率为2KHz）]；（6）可增加数字计时器附加功能，例如数字计时器定时功能、电路启停功能、电路采用动态显示功能。三．实验原理数字计时器是由脉冲发生电路、计时和显示电路、清零电路、校分电路和报时电路和其它附加电路等几部分组成的。电路由振荡器、分频器、计数器、译码器、显示器等元件构成。电路由石英晶体提供频率，然后通过分频器可以得到电路所需的不同频率；电路要实现0分00秒-59分59秒的计时和显示功能，所以由三个计时器分别计时，分位、秒十位、秒个位，然后再通过译码器，由LED数字显示管显示出来。清零电路实现开机清零和任意时刻选择清零，通过逻辑门与计时器连接，从而实现清零。校分电路实现快速校分，只要将分计数器的频率调快等操作即可实现。报时电路是实现59分53秒、59分55秒、59分57秒发低音（频率为1KHz）,59分59秒发高音（频率为2KHz），通过蜂鸣器和一些逻辑门实现。四．单元电路设计及其电路图1.秒信号发生器①所用器件：32768Hz晶体管、22MΩ电阻、20PF电容、10PF电容、CD4060、74LS74、5V直流电源。②原理:秒信号发生器提供计时电路的时钟并为报时电路提供驱动信号。秒信号发生器是由一个石英晶体，一片CD4060，一个D触发器，电阻，电容，以及直流电源组成。采用32768Hz的石英晶体多谐振荡器作为脉冲信号源，能提供较为精确的秒脉冲信号。分频器CD4060最可实现最大为214的分频，所以可输出的最低频率为2Hz；D触发器可以实现脉冲信号的二分频，所以在CD4060的Q14端接一个分显示器秒个位显示器秒十位显示器清零电路校分电路分计数器分译码器秒十位译码器秒个位译码器秒十位计数器报时电路二分频分频器振荡器秒个位计数器D触发器，即可以输出频率为1Hz的脉冲信号。D触发器实现二分频的方法：将D触发器的Q端与D端连接在一起。CD4060也可提供后面电路所需要的频率为1KHz和2KHz的脉冲信号。③原理图：2.计时电路（原理图）3.显示电路①用器件：3个300欧姆电阻，3个LED共阴极显示器。②原理图：显示电路采用三片CD4511显示译码器和三个七段共阴LED显示管，电路从0分00秒计到9分59秒，译码显示电路用三片四线七线译码器CD4511进行译码，然后用共阴极七段LED数码管进行显示。CD4511的输入端应与相应计数器的输出相连，而它的输出端应与数码管的管脚对应相连，而每个数码管对应接地管脚与地线还应连接一个300欧姆的电阻，以起保护作用。4.清零电路①所用器件：一个10千欧电阻，一个22uF的电容，一片CD4069以及5V的直流电源。②原理：清零电路要实现两项功能：开机清零和任意时刻选择清零。开机清零是通过电容两端电压的非调变特性实现的。电路刚接通电源时，节点处的电位为1。该电位经过一个反相器接入秒十位计数器的Cr端，经过两个反相器接入分计数器和秒个位计数器的Cr端，则这三个计数器的清零端均接入有效电平，实现清零。此后，只要电源始终保持接通，电路持续计数，开机清零电路就失效了。闭合清零开关时，节点1处电位为0V，此时送入各计数器清零端的信号均为无效信号，无法实现清零。而断开清零开关时，因为电容要充电，所以节点1处电位为1，送入各计数器清零端的信号均有效，电路实现清零。③原理图：5.校分电路①所用器件：一个10千欧的电阻，一个22uF的电容，一片74LS00，一片CD4069，以及直流电源。②原理：校分电路是由开关和逻辑门电路实现的。当校分电路开关开时，计数器正常计数；当开关闭合时，秒个位和秒十位正常计数，分位进行快速校分，即分计数器可以不受秒计数器的进位信号的控制。当开关合上时，2Hz的信号通过与非门，秒十位计数器的次高位进位脉冲被截止，与非门输出高电平，这时2Hz的信号可以再通过一次与非门，把2Hz的脉冲送入分计数器时钟脉冲端，实现快速校分。③原理图：6.报时电路①所用器件：一个蜂鸣器，一个三极管，两片74LS21，一片74LS32，直流电源，以及一个470欧姆的电阻和一个10K欧姆的电阻。②原理：报时电路由逻辑门电路组成的。按照设计要求，数字计时器应在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）。设计思路：当分为计数器为输出1001，秒十位计数器输出为0101时，这时电路才有可以报时的可能。然后当秒个位计数器分别为0011，0101，0111的时候，可以与1KHz的脉冲信号与非，使电路报时；当秒个位计数器为1001时，可以与2KHz的脉冲信号与非。为化简电路，画卡诺图：Q3Q2Q1Q00001111000001001011011xxxx1000xx9分50秒时，分计数器的3Q1、3Q4计数端与秒十位计数器的2Q1、2Q3计数端均呈现高电平，与门U1被选通；因为U1的输出端是作为另外两个与门U2和U3的输入端，因此只有在9分50秒以后U2和U3才有被选通的可能。在此基础上，只要秒个位是3、5、7时，也即当1Q0=1，且1Q1或1Q2为高电平时，U2被选通，频率为1kHz的信号可以通过与门U2，进入蜂鸣器产生鸣响。同样，当秒个位为9时，也即当1Q0、1Q3为高电平时，U3被选通，频率为2kHz的信号可以通过与门U3，进入蜂鸣器产生鸣响。或门U4实现了允许不同频率的信号在不同时刻被送入蜂鸣器的功能。②原理图：五．附加电路利用4个四选一的数据选择器和模三计数器，每个时刻只选择一个数据到译码器。再通过模三计数器的AB端控制显示器的接地端，每个时刻只亮一盏灯达到动态显示的效果。电路图：六．实验感想这次实验做的并不是十分理想，做到第三天早上才做完。一开始的时候对整体电路还不是很了解（虽然预习了但还是不很了解），没有一个整体的概念对于每一个部分的衔接不清楚。到真正开始做实验的时候才发现我的问题有一些严重，因为我的振荡调了一个下午才调试成功，不知道是排版问题还是管脚接错了，总是不振，后来由竖版变成横版就成功了。第二天早上之后的连接都很顺利，秒个、秒十、分个、清零，都是一次成功。当校分电路连接成功后，却没有执行其功能，我检查了各条线路，均没有问题，但还是没有按照预期结果运行。我想重新连接校分电路，拔导线的时候出错了，后来找不出错误只能重新连过。由于各种各样的小失误导致了整个电路重连了三次，这浪费了我大量时间，也磨走了我的耐心，好几次找不出错误的时候想到要放弃，却还是不甘心。一遍又一遍地对线路，确保无误，然后又请教其他同学，终于在最后一天的上午成功了。这次试验不理想的一个很重要的原因就是预习不够充分，对于很多地方不理解，连接时稀里糊涂，出错频繁。这次实验给了我很好的教训，对于任何事情做之前都要做好准备，才能不会在执行的过程中有太多的阻碍。七．实验中遇到的问题：1.秒十连接好显示器显示九分九十九秒之后就暗了，经过几十秒之后又从零开始计时。原因是74161是模十六的计数器，我没有进行六进一的操作连接，这个问题困扰着我很久，直到老师指出问题所在。2.在校分时，连接于161Q3的线要去掉一根，这个细节我一直没注意到，导致校分一直不成功，后来经过同学提醒才知道。八．附录1.工具及器件清单名称型号数量直流稳压电源1剥线钳1面包板1剪刀1导线若干镊子1万用表1LED显示器共阴3译码器CD45113BCD码计数器CD45181四位二进制计数器74LS1612分频器CD40601D触发器74LS741二入与非门74LS002四入与门74LS212非门CD40691二入或门74LS321晶振32768Hz1三极管（NPN）80501蜂鸣器1电容10p120p122u2电阻3003470110k322M12、各元件的引脚图及功能表（1）元件引脚图CC4511逻辑功能表输入输出LTBILEDCBAgfedcba字符测灯０××××××１１１１１１１８灭零１０×０００００００００００消隐锁存１１１××××显示LE＝０→１时数据译码１１００００００１１１１１１０１１００００１００００１１０１１１０００１０１０１１０１１２１１０００１１１００１１１１３１１００１００１１００１１０４１１００１０１１１０１１０１５１１００１１０１１１１１００６１１００１１１００００１１１７１１０１０００１１１１１１１８１１０１００１１１００１１１９CC4518逻辑功能表输入输出CrCPENDQCQBQAQ清零1××0000计数0↑1BCD码加法记数保持0×0保持计数00↓BCD码加法记数保持01×保持74LS74逻辑功能表输入输出CPDRDSＤNQ1NQ清零×０１×０１置“１”×１０×１０送“０”↑１１００１送“１”↑１１１１０保持０１１×保持不允许×００×不确定74LS161逻辑功能表3、总电路逻辑图输入输出CPCrLD1S1SDCBADQCQBQAQCCQ清零×0×××××××00000送数↑10××dcbadcba0-1记数↑1111××××二进制加法记数保持×1101××××不变保持×1110××××不变4、参考文献