多功能计时电路的设计数字钟的实验设计

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1、1 实验 1 多功能计时电路的设计数字钟 1.1 实验目的 1 通过实验掌握十进制加法计数、译码、显示电路的工作过程。 2 通过实验深入掌握电路的分频原理和数字信号的测量方法。 3 熟悉集成电路构成的计数、译码、显示器件的外部功能及其使用方法。 1.2 实验要求 1 秒信号发生电路：为计时器提供秒信号 2 计时电路：完成 0 分 00 秒9 分 59 秒的计时功能。 3 清零电路：具有开机自动清零功能；在任何时候，按动清零开关，可进行计时器 手动清零。 4 译码显示电路：显示计时电路产生的数字信息。 5 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。 1.3 实验原理及框图 图 1.1

2、 三位计时器示意图 计时电路示意图如图 1.1 所示，计时电路完成计时功能，并且将计时结果传送至显示电路， 进而实现显示功能。原理框图如图 1.2 所示，主要由计时电路，秒信号发生电路，清零电路和译 码显示电路组成。计时电路在秒信号的作用下，产生 0:009:59 的循环计时，清零电路控制计时 电路的清零端，实现时钟的清零，最终将计时电路的输出送至译码显示电路，实现时钟的显示。 图 1.2 数字钟的原理框图 1.4 单元电路设计 1 秒信号发生电路2 图 1.3 秒信号发生电路 秒信号发生电路为计时电路提供驱动信号，电路原理如图 1.3 所示。为提供较为精确 的秒信号，本设计中振荡电路采用 2

3、 15 Hz 的石英晶体管为主体的晶振电路，并作为电路的 秒信号源。由于振荡电路产生的源信号为 2 15 Hz ，而秒的基准信号频率为 1Hz ，则需要对 2 15 Hz 信号进行分频，得到 1Hz 信号。分频器采用 CD4060 和 74LS74 来实现，CD4060 为 14 位二进制串行计数器，各管脚功能如表 1.1 所示，功能表如表 1.2 所示。虽然 CD4060 内部有 14 级由 T 触发器构成的二分频器，但实际输出端只有 10 个： Q 4 Q 10 、Q 12 Q 14 。Q 1 Q 3 以及 Q 11 并不引出。 、 、CP 0 为晶振电路的引出端，需接外部 1 0 石英晶

4、体。Cr 为复零端，为高电平或正脉冲时振荡器停振。从输出功能看，CD4060 能得 到 10 种不同的分频系数，最小为 2 4 分频，最大为 2 14 分频，即将 2 15 Hz 送入该芯片，最大 分频输出 Q 14 输出信号频率为 2Hz 。 由于 CD4060 最多能完成 14 级二分频，所以还需要再加一级二分频，才能把 4060 输 出的 2Hz 信号变成秒信号。外接二分频器可采用 D 触发器（74LS74 ）构成的二分频电路， 74LS74 管脚功能如表 1.3 所示，该芯片有上片和下片两个 D 触发器，2Hz 信号经过二分频 电路得到 1Hz 的秒脉冲信号，即将 D 触发器的同相位输

5、出 Q 端与触发信号 D 端连接在一 起，复位端和控制端接电源，使该两端口无效，则 Q 端的输出信号即为 1Hz 的秒脉冲信号。 所用器件：2 15 Hz 晶体管 1 个、22M 电阻 1 个、20pF 电容 1 个、10pF 电容 1 个、 CD4060（分频器）1 片、74LS74 （D 触发器）1 片。 表 1.1 CD4060 管脚功能 1 时钟输入端 0 CP 时钟输出端 0 反相时钟输出端 Q 4 Q 10 ，Q 12 Q 14 计数器输出端 表 1.2 CD4060 功能表 输入 1 CR 功能 x 1 清零 0 计数 0 保持 表 1.3 74LS74 管脚功能 管脚号 引脚代

6、码 引脚功能 1 1RD 复位信号 2 1D 触发信号 3 1CP 时钟信号 4 1SD 控制 5 1Q 同相位输出 6 1Q 反相位输出 7 GND 地 8 2Q 反相位输出 9 2Q 同相位输出 10 2SD 控制3 11 2CP 时钟信号 12 2D 触发信号 13 2RD 复位信号 14 VCC 电源 2 计时电路 该电路是本实验的关键部分，由分计数器、秒十位计数器和秒个位计数器构成，电路 均使用 CD4518BCD 码计数器来实现。CD4518 管教如图 1.4 所示，该计数器为双十进制同 步加法计数器，片子内部封装两个相同且独立的十进制计数器，每个计数器中都含有四位 二进制的技术单

7、元，每个计数器含有两个时钟输入端“CP”和“EN”，简称双时钟，可以根据 使用要求来选择不同的时钟输入，两者所不同在于：“CP”端对时钟的上升沿有效， “EN”端 对时钟的下降沿有效。该计数器功能表如表 1.4 所示。 图 1.4 CD4518 管教图 表 1.4 CD4518 功能表 输入 输出 功能 C r CP EN D Q C Q B Q A Q 清零 1 x x 0 0 0 0 计数 0 1 BCD 码加法计数 保持 0 x 0 保持 计数 0 0 BCD 码加法计数 保持 0 1 x 保持 计时整体电路如图 1.5 所示，分位计数器和秒个位计数器均是从 09 循环计数（模 10 计

8、数） ，可采用 CD4518 直接实现十进制计数功能；秒十位计数器为六进制计数器，需要将 CD4518 的模 10 计数变换为一个从 05 循环的模六计数：当 4518 计数到 6 时，将 Q C ，Q B 引到与门 74LS21 的输入端，此时 74LS21 输出一个高电压，送回至 4518 的 Cr 端， 实现复位（4518 回 0） ，由于 4518 的 Cr 端为异步复位，因此 4518 需要计数到 6 时才引出 复位信号，并且 6 状态非常短暂，显示器并不显示，所以实际效果还是 05 显示。74LS21 为四输入与门，片子内部封装两个相同且独立的四输入与门，该电路中只用到 1 个与门

9、的 2 个输入，因此需要将该与门的其他两个输入端接 5V 电源+极，不可悬空不接。 搭建电路时，首先将所有芯片电源端（V CC 和 GND 端）分别连接至 5V 电源+、- 极； 对于秒个位计数器，将秒信号发生电路输出的秒信号(1Hz 信号)送入秒个位计数器的 2CP 端，同时 2EN 端接 5V 电源+极，2Cr 端接 5V 电源- 极（注意：当清零电路搭建完成后，需 将清零电路的输出替换 2Cr 端的 5V 电源- 极） ，秒个位计数器即可完成 09 循环计数；对 于秒十位计数器，将秒个位计数器的输出 2QD 端送入秒十位计数器的 2EN 端，完成秒个 位到秒十位的进位（当秒个位计数器从

10、9 跳至 0 时，2QD 端得到 09 循环计数过程中唯一 的下降沿，将此下降沿送至秒十位计数器的 2EN 端，即可实现秒十位计数器加 1，实现进 位） ，同时 2CP 端接 5V 电源+ 极，秒十位计数器即可在进位信号的驱动下完成 05 循环计 数。对于分位计数器，将秒十位计数器的输出 2Q C 端送入分位计数器的 2EN 端，完成秒十 位到分位的进位（当秒十位计数器从 5 跳至 0 时，2Q C 端得到 05 循环计数过程中唯一的 下降沿，将此下降沿送至分位计数器的 2EN 端，即可实现分位计数器加 1，实现进位） ，4 同时 2CP 端接 5V 电源+极，2Cr 端接 5V 电源-极（注

11、意：当清零电路搭建完成后，需将清 零电路的输出替换 2Cr 端的 5V 电源- 极） ，分位计数器即可完成 09 循环计数。 所用器件：CD4518（计数器）3 片、74LS21 （与门）1 片。 图 1.5 计时电路 3 清零电路 该电路具有开机清零和手动清零功能。电路原理如图 1.6 所示，将图 1.5 计时电路的秒 个位和分位的清零端即 CD4518 的管脚 15（高电压有效）原来的接 5V 电源- 极导线拔开， 将非门输出送至 2Cr 端，而秒十位 CD4518 的清零端原来接 74LS21 的输出，需要将此输出 和图 1.6 中非门输出送入一个或门，再将或门输出送至秒十位 CD451

12、8 的清零端，才能同 时实现秒十位计数器的清零功能和模 6 计数功能。电路管脚连接如图 1.7 所示，对于清零 电路，电路正常工作时开关打开，刚开机时，由于电容上的电压不能突变，电容两端初始 为低电压，经过一个非门输出高电压，送到 CD4518 的 2Cr 端，整个计时电路清零，进而 实现电路开机时清零，当电容充满电以后，非门的输入端为高电压，非门输出低电压，2Cr 端无效，CD4518 实现正常计数，电路正常工作。 按下开关后，电容、电阻组成一个回路，电容放电，当电容储存电量放完后，电容两 端电压为低电压，即非门的输入端为低电压，非门输出高电压，送到 CD4518 的 2Cr 端， 整个计时

13、电路清零，进而实现电路手动清零。 所用器件：CD4069（非门）1 片、74LS32 （或门）1 片，1k 电阻 2 个、10F 电容 1 个、开关 1 个。 图 1.6 清零电路原理图5 图 1.7 清零电路管脚连接图 4 译码显示电路 译码显示电路采用三片 CD4511 显示译码器和三个七段共阴数码管，分位、秒十位和 秒个位各采用一片 CD4511 和一个数码管。CD4511 的作用是将计数器 Q A Q D 输出的二进 制代码译成特定的输出信号以供显示器按代码的原意显示成数字，译码器采用 CD4511 七 段字型译码器，由ag 各脚输出段信号，以控制点亮 LED 数码管的字型段，CD45

14、11 的输 入端 ABCD 依次接计数器的 Q A Q D ，即 8421（BCD ）码输出，CD4511 有三个使能管脚， 功能如表 1.5 所示。 表 1.5 CD4511 使能管脚功能 引脚代码 管脚功能 功能说明 LT 灯测试端 该管脚低电压（0）有效，送入 0，CD4511 输出 ag 全为 1，数码管亮。 BI 消隐端 该管脚低电压（0）有效，送入 0，CD4511 输出 ag 全为 0，数码管灭。 LE 锁存端 该管脚高电压（1）有效，送入 1，CD4511 输入锁 存原来数据，输出不变。 图 1.8 所示为七段型发光二极管构成的数码显示器，由于此二极管由高电压驱动，阴 极共用，

15、所以为共阴极。a a b b c c d d e e f f g g h h GND GND (a) a b c d e f g h (b) GND 图 1.8 共阴极七段数码显示器 电路从 0:009:59 循环计时，译码电路分别进行译码，采用共阴极七段 LED 数码管进 行循环显示。CD4511 的输入接到相应计数器的输出，而它的输出端与数码管的相应端相 连，数码管通过 300 的电阻接地，电路连接如图 1.9 所示。 所用器件：CD4511（译码器）3 片、300 电阻 3 个、LED 数码显示管 3 个。6 图 1.9 译码显示电路7 5 总体电路连接图 将以上四个模块电路按照信号顺序

16、连接，即可得到总体电路如图 1.10 所示。 图 1.10 总体电路8 6 元件清单 元件清单 元件名称 个数 2 15 Hz 晶振 1 个 300 电阻 3 个 1k 电阻 2 个 22M 电阻 1 个 10pF 电容 1 个 20pF 电容 1 个 10uF 电容 1 个 CD4060 1 片 CD4069 1 片 CD4518 3 片 CD4511 3 片 74LS74 1 片 74LS21 1 片 74LS32 1 片 数码管 3 个 1.5 实验仪器 1 稳压电源 1 台 2 万用表 1 个 1.6 实验报告要求 1 给出完整的电路原理图和面包板连接图的照片。 2 简述电路各级的工作原理和设计方法。 3 总结搭建和调试电路过程中遇到的问题，所采用的解决方案及处理结果。 4 给出电路硬件联调测试结果照片，要求照片清晰。