1、南京理工大学 电工电子综合实验 II 1104210121 蒋华熔 1/19 1电子电工综合实验（II）实验报告数字计时器设计班级：11042101学号: 1104210121姓名：蒋华熔南京理工大学 电工电子综合实验 II 1104210121 蒋华熔 2/19 2目录一、 实验目的3二、 实验要求3三、 实验内容3四、 实验器件3 五、 元器件引脚图及功能表4六、 实验原理101.秒脉冲发生电路112.计时器电路113.译码显示电路124.报时电路135.校分电路146.清零电路15七、 逻辑图16八、 引脚接线图16九、 实验总结16参考文献17南京理工大学 电工电子综合实验 II 11
2、04210121 蒋华熔 3/19 3一、实验目的1.掌握常见集成电路的工作原理和使用方法。2.学会单元电路的设计方法和单元间设计组合。二、实验要求实现从0000到59 59 的多功能数字计时器，并且满足规定的清零，快速校分以及报时功能的要求。三、实验内容1设计、安装、调试脉冲发生电路。2设计、安装、调试5959计时器电路。3设计、安装、调试译码显示电路。4设计、安装、调试任意状态清零电路。5设计、安装、调试快速校分电路。6设计、安装、调试整点报时电路（5953、5955、5957时发出频率为500Hz的低声；5959时发出频率为1KHz的高声）。7设计15项联接构成数字计时器电路四、实验器件
3、1、 集成电路：NE555 1片 (多谐振荡)CD4040 1片 （分频）CD4518 2片 （8421BCD 码十进制计数器）CD4511 4片 （译码器）74LS00 3片 （与非门）74LS20 1片 （4 输入与非门）74LS21 2片 （4 输入与门）74LS74 1片 （D 触发器）2、 电阻：1K 1只南京理工大学 电工电子综合实验 II 1104210121 蒋华熔 4/19 43K 1只330（300） 28只3、 电容：0.047uf 1只4、 共阴极双字屏显示器两块。五元器件引脚图及功能表1.NE555 1片 (多谐振荡)：(1)引脚布局图：图 1 NE555 引脚布局图
4、（2）逻辑功能表：(引脚 4 )Vi1(引脚 6) Vi2(引脚 2) VO(引脚 3)0 01 32 Vcc 31Vcc 01 31Vcc 不变表 1 NE555逻辑功能表2.CD4040 1片 （分频）：南京理工大学 电工电子综合实验 II 1104210121 蒋华熔 5/19 5（1）引脚布局图：图 2 CD4040 引脚布局图（2）逻辑功能说明：CD4040是一种常用的 12分频集成电路。当在输入端输入某一频率的方波信号时，其 12个输出端的输出信号分别为该输入信号频率的 2-12-12，在电路 中利用其与 NE555组合构成脉冲发生电路。其内部结构图如图 4所示。引脚图如图 3所示
5、，其中 VDD为电源输入端，V SS为接地端，CP 端为输入端CR为清零端，Q 1Q12为输出端，其输出信号频率分别为输入信号频率的 2-12-12。3.CD4518 2片 （8421BCD 码十进制计数器）：（1）引脚布局图：图 3 CD4518 引脚布局图（2）逻辑功能表：南京理工大学 电工电子综合实验 II 1104210121 蒋华熔 6/19 6输入 输出CR CP EN Q3 Q2 Q1 Q0清零 1 0 0 0 0计数 0 1 BCD码加法计数保持 0 0 保持计数 0 0 BCD码加法计数保持 0 1 保持表 2 CD4518逻辑功能表4.CD4511 四片 （译码器）：（1）
6、引脚布局图：图 4 CD4511 引脚布局图（2）逻辑功能表：输入 输出LE D C B A g f e d c b a 字符测灯 0 1 1 1 1 1 1 1 8灭零 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 消隐锁存 1 1 1 显示 LE=01 时数据1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 01 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 11 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 21 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 31 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 41 1 0 0 1 0 1 1 1 0
7、1 1 0 1 5译码1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 6南京理工大学 电工电子综合实验 II 1104210121 蒋华熔 7/19 71 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 71 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 81 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 9表 3 CD4511逻辑功能表5.74LS00 3片 （与非门）：（1）引脚布局图：图 5 74LS00 引脚布局图（2）逻辑功能表：输入 输出B A Q0 0 00 1 11 0 11 1 0表 4 74LS00逻辑功能表6.74LS20 一片 （4 输入与非门）
8、：（1）引脚布局图：图 6 74LS20 引脚布局图南京理工大学 电工电子综合实验 II 1104210121 蒋华熔 8/19 8（2）逻辑功能表：输入 输出A B C D Q0 X X X 1X 0 X X 1X X 0 X 1X X X 0 11 1 1 1 0表 5 74LS20逻辑功能表74LS21 2片 （4 输入与门）：（1）引脚布局图：图 7 74LS21 引脚布局图（2）逻辑功能表：输入 输出A B C D Q0 X X X 0X 0 X X 0X X 0 X 0X X X 0 01 1 1 1 1表 6 74LS21逻辑功能表8.74LS741片 （D 触发器）：（1）引脚
9、布局图：南京理工大学 电工电子综合实验 II 1104210121 蒋华熔 9/19 9图 8 74LS74 引脚布局图（2）逻辑功能表：输入 输出CP DRDSD Q 1N1N清零 X 0 1 X 0 1置“1” X 1 0 X 1 0送“0” 1 1 0 O 1送“1” 1 1 1 1 0保持 O 1 1 X 保持不允许 X 0 0 X 不确定表 7 74LS74逻辑功能表9.电阻：电路所用的电阻为 4色环电阻，阻值为 330 或者 300 的电阻共 28只、阻值为 1k 和 3k 的电阻各 1只。10.电容：0.047uf 1只11.共阴极双字屏两块：（1）引脚布局图：图 9 共阴极双字
10、屏引脚布局图南京理工大学 电工电子综合实验 II 1104210121 蒋华熔 10/19 10（2）逻辑功能表：显示字型 g f e d c b a 段码0 0 1 1 1 1 1 1 3fh1 0 0 0 0 1 1 0 06h2 1 0 1 1 0 1 1 5bh3 1 0 0 1 1 1 1 4fh4 1 1 0 0 1 1 0 66h5 1 1 0 1 1 0 1 6dh6 1 1 1 1 1 0 1 7dh7 0 0 0 0 1 1 1 07h8 1 1 1 1 1 1 1 7fh9 1 1 0 1 1 1 1 6fh表 8 共阴极双字屏逻辑功能表六、实验原理电子计时器是由计时电路
11、、译码显示电路、脉冲发生电路和控制电路等几部分组成的，其中控制电路可以分为校分电路、清零电路和报时电路。其具体的原理框图如图 1所示。图 10 电路原理框图电路各单元工作原理及逻辑设计总工作原理：由振荡器产生的稳定的高频脉冲信号，作为数字钟的时间基准，再经分频南京理工大学 电工电子综合实验 II 1104210121 蒋华熔 11/19 11器输出标准秒脉冲。秒计数器记满60后向分计数器进位。计数器的输出经译码器送显示器。记时出现误差时可以用校时电路进行校分，校秒。扩展电路必须在主体电路正常运行的情况下才能进行功能扩展。1.秒脉冲发生电路逻辑图如下：VCCOUTU2555_TIMER_RATE
12、DGNDDISRSTTHRCONTRIR11.0kR21.0k C147nF120VDD5VVDD图11 脉冲发生电路图脉冲发生电路为计时电路提供计数脉冲，因为设计的是计时器，所以需要产生1Hz的脉冲信号。这里采用石英晶体振荡器和分频器构成。具体电路可由频率为f 02 12Hz的晶体振荡器和12位二进制串行分频器CD4040实现。CD4040的最大分频系数是2 12,即Q 121Hz，从Q 12可以输出脉冲信号。2.计时电路南京理工大学 电工电子综合实验 II 1104210121 蒋华熔 12/19 12U1A4518BD_5V& 1A 31B 41C 51D 6EN12MR17CP11U2
13、A4518BD_5V& 1A 31B 41C 51D 6EN12MR17CP11U3A4518BD_5V& 1A 31B 41C 51D 6EN12MR17CP11U4A4518BD_5V& 1A 31B 41C 51D 6EN12MR17CP11U5A74LS00D&U6A74LS00D&U7A74LS00D&U8A74LS00D& 5610112347891211314 15016图 12 计时器逻辑电路图计时电路钟的计数器，可以采用加法计数器CD4518实现。将分和秒的个位、十位分别与七段数码显示器上对应管脚连起来，使显示器上显示从0分0秒到59分59秒，然后清零重新计数。图11电路左半
14、部分对应的是分的十位和个位，右部分对应的是秒的个位和十位。秒的个位的CP端和分的个位的EN端都由校分电路提供信号。同时分十位的EN连到分个位的6号角，秒同分。3.译码显示电路译码器选用四线七段译码器CD4511，显示器选用共阴双字显示器。U14511BD_5VBCD/7SEGDA7DB1DC2DD6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14EL5BI4LT3U24511BD_5VBCD/7SEGDA7DB1DC2DD6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14EL5BI4LT3U3ABCDE F GHABCDE F GHCA8 9 101112131401 2 3 4
15、5 6 7VCC5V151617181920 2122232425262728VCC0图13 译码显示电路图分个位 秒十位 秒个位清零信号清零信号f1=1Hz校分保持秒位信号清零信号清零信号分十位南京理工大学 电工电子综合实验 II 1104210121 蒋华熔 13/19 13将译码器CD4511的7个输出端1、2、3、4、5、6、7分别与显示器上的对应端相连，译码器的3，4，5脚分别接1，1，0，输入端接计数器CD4518的输出端，即可实现数字显示的功能。两者都是从计数器的输出端向CD4511的输入端输入信号，通过译码器4511后再输入到数码管中。（330的电阻是以防电流过大使数码管烧毁）
16、4.报时电路U1A74LS21DU1B74LS21DU2A74LS20DU3A74LS00DU3B74LS00DU3C74LS00D3Qd3Qa2Qc2Qa 1Qa 1QdF4 1QbF31QcF3图14 报时电路图南京理工大学 电工电子综合实验 II 1104210121 蒋华熔 14/19 14当需要在某一时刻报时，就将该时刻输出为“1” 的信号作为触发信号，选通报时脉冲信号用蜂鸣器进行报时。要使蜂鸣器在5953、5955、5957时发出低声（频率为500Hz）；在5959时发出高声（频率为1KHz）。蜂鸣器的一端接地， 则另一端的输入应满足以下式子：H5953f 3+5955 f 3+5
17、957 f 3+5959f 45951（Q Bf3Q Cf3Q Df4） 4519其中，Q B、Q C、Q D分别是秒个位的输出。假设分十位所对应的计数器的输出为1Q D,1QC,1QB,1QA；分个位所对应的计数器的输出为2Q D,2QC,2QB,2QA；秒十位所对应的计数器的输出为3QD,3QC,3QB,3QA；秒个位所对应的计数器的输出为4Q D,4QC,4QB,4QA。其中，Q 4为高位，Q 1为低位。在5951时，四个计数器的输出分别为：1QD1QC1QB1QA0101，2QD2QC2QB2QA1001，3QD3QC3QB3QA0101，4QD4QC4QB4QA0001。因此，此时的
18、触发信号F1Q C1QA2QD2QA3QC3QA4QA。而报时脉冲信号可以由CD4040输出分频信号中得到，低音选用500Hz的脉冲，高音选用1KHz的脉冲。连好之后，将输出接到蜂鸣器的一端，蜂鸣器的另一端接地即可实现了定点报时的功能。5.校分电路南京理工大学 电工电子综合实验 II 1104210121 蒋华熔 15/19 15U1A74LS74D1D21Q 51Q 61CLR11CLK31PR4VDD5VVDDVDD5VVDD1VDD5VVDD0U2A74LS00D_VHDL&U3A74LS00D_VHDL&U4A74LS00D_VHDL&5638427图 15 校分电路图如图，校分开关打
19、到“ 0”时，计数器正常计数；当开关打到“1”时，分计数器以2Hz的频率进行快速校分。校分电路工作原理：当校分开关打开时：输出为3Qc，接到分个位的EN端，实现正常进位；当校分开关闭合时：2Hz的脉冲正好送到分个位的EN端，使得分位的数字能以2Hz 的频率快速跳动，从而实现快速校分。在校分过程中，将原本接地的秒个位的CP端接到74LS74的 端。这样，当Q校分开关打开时：实现正常进位，正常计数；当校分开关闭合时：相当于秒个位的CP端接高电平，秒个位停止计数，仅由分个位快速校准。6清零电路f2=2Hz秒计数器个位时钟端（CP）校分开关秒计数器十位进位端分计时器个位时钟端南京理工大学 电工电子综合
20、实验 II 1104210121 蒋华熔 16/19 16图16 清零电路图清零电路的工作原理：分别将分十位和秒十位的Q B、Q C端与非，之后再和一个清零开关与非，最后的输出接到分十位和秒十位的Cr端。这样，就可以实现任意状态功能：任意状态清零：若清零开关在某一时刻闭合，则无论1Q B、1Q C的值是多少，清零电路的输出都为高电平，这样可以实现任意状态的清零。59清零：清零开关断开，无论是对分位还是对秒位，计数器计数到59时，如果再计数一次到60，即在秒十位到6的瞬间，3QB和3QC同时出现高电平1，则会产生清零脉冲信号到达秒十位的Cr端实现59到00的清零；分位上的原理相同。七、实验总逻辑
21、图南京理工大学 电工电子综合实验 II 1104210121 蒋华熔 17/19 17U2A74LS0DU3A74LS0DU4A74LS0DU5A74LS0DU6A74LS0DU7A74LS0DU8A74LS0D U9A74LS0DU10A74LS0DU1A74LS0D U12A74LS0DU13A74LS74D1D21Q51Q61CLR1 1CLK31PR4U14A74LS21DU15B74LS21DU16B74LS21DU17LM55CMGND1DIS7 OUT3RST4VC8THR6CON5 TRI2U18451BD_5VDA7 DB1 DC2D6OA13OD10OE9OF15OC1OB
22、12OG14EL5 BI4 LT3U19451BD_5VDA7 DB1 DC2D6OA13OD10OE9OF15OC1OB12OG14EL5 BI4 LT3U20451BD_5VDA7 DB1 DC2D6OA13OD10OE9OF15OC1OB12OG14EL5 BI4 LT3U21451BD_5VDA7 DB1 DC2D6OA13OD10OE9OF15OC1OB12OG14EL5 BI4 LT3U2A4518BD_5V1A31B41C51D6EN12 MR17CP11U23A4518BD_5V1A31B41C51D6EN12 MR17CP11U24A4518BD_5V1A31B41C51D6
23、EN12 MR17CP11U25A4518BD_5V1A31B41C51D6EN12 MR17CP11U26ABCDEFGCKC147nF R291k R303k 1234567U27ABCDEFGCK11098141312U28ABCDEFGCK18171615212019U29ABCDEFGCK2524232282726U14040BD_5VO1015O17O11O09MR1CP10O43O52O64O713O812O914O26O35VC5VVC5VVC5VVC5V0007374VC 5VVC5VVC75767U30A74LS20D7980 81 82838464626677270 29
24、303132334353637383940414243445464748495051525354556VC5V0VC85 868708VC5VVCJ2Key = Space0 VC5VVC899091929394959769 7165576361686059 58U31BUZER20 Hz 980J1Key = Space0 VC89600VCVC0VC0VC0八、实验总引脚图（见手绘图）九.实验总结与感想本次实验的目的是制作一个多功能计数器，在实验室听了老师的详细讲解及一些关键点的指导后，加上回寝与同学的交流探讨，还有网络查询，最后设计出来了完整的逻辑图，几大功能模块很清晰，一目了然，但实际
25、做的时候却南京理工大学 电工电子综合实验 II 1104210121 蒋华熔 18/19 18发现并非那么容易，首先是布局，就那么点大一块面包板，上面需要放上17个集成芯片加上30个电阻，没有一个全局的思想，后面就会出现混乱。接着就是电源问题，每个芯片都需要接电源，这就需要电源合理的安排，这样还能避免出现冒险，可以达到滤波的效果。虽然实验前已经把理论研究的很透彻了，但是理论跟实践并不是一回事，做实验的时候问题层出不穷。第一天下午并没有完成任务，毕竟是第一次遇到这么复杂的排线布局，难免有些慌乱出错，导致我的计时器从40秒跳到80。当天回到寝室，又研究了一下，发现应该存在两个问题：一是稳电源线没有
26、安排好；二是其中一片4518的Qc端出现了短路。第二天早早的就去检查电路，仔细检查了一小时终于找到了错误，不出所料4518的Qc端口与旁边的管脚连线出现了短路，再重新排布了电源线之后，终于能成功计时了。刚兴奋了一下，又发现蜂鸣器不报时。不得以把报时电路拆除，三下五除二把报时电路重新连了一次，连接的时候才发现控制5951的线没有接上，这都是由于没有合理的接线步骤和不够细心导致的。终于在下午1点半的时候我顺利完成了自己的任务，板子终于正常工作了，听到报时声的那一刻真的是心花怒放。在此回顾一下需要注意的事情，关键是头脑要保持清晰，找准各个管脚的位置，另外注意一些1和0的管脚接口。还有很重要的就是限流
27、电阻不能忘记接入，而且那些细密排放的电阻容易短路，要注意排放的合理整齐性，还有显示器要接地。然后是安装秒脉冲电路，要注意1千欧和3千欧的区别，这个可以用欧姆表测量。计数器电路选好进位管脚即可，但是要注意接入校分和清零电路时引脚的细节。报时电路接口比较复杂，从4518引出导线时注意一下就好。另外，只有校分电路用到了D触发器，清零不需要。进位是最难的了吧，很多同学都是进位没有处理好导致功能总是不对，这个进位项必须注意。最后，感谢老师在实验过程中的重要提醒与帮助，感谢学校提供我们这次实验机会。 南京理工大学 电工电子综合实验 II 1104210121 蒋华熔 19/19 19参考文献1 黄锦安. 电路. 北京: 机械工业出版社, 2004. 2 蒋立平数字逻辑电路与系统设计北京：电子工业出版社，2006.3 姜萍电子线路实践教程北京：科学出版社，2007.4 高吉祥电子技术基础实验与课程设计北京：电子工业出版社，2003.
