目录
一．实验目的
二．要求
三．实验内容
四．电路设计框图
五．各单元电路设计
1.信号源电路
2.计时电路
3.译码显示电路
4.校分电路及简单防抖功能
5.清零电路
6.报时电路
7.引脚接线总图
六．元件清单
七．所用元器件逻辑功能及引脚
八．实验总结与感想
九．参考文献
一．目的
掌握常见集成电路原理及使用方法，
学会单元电路的设计方法。
二．要求
设计实现00’00”—59’59”时间计数器
三.实验内容
1. 设计信号源电路（f1=1HZ，f2=2HZ，f3=500HZ，f4=1kHZ）。
2. 设计实现00’00”—59’59”计时器及译码显示电路。
3. 设计快速校分（K1,f2）及简单防抖功能。
4. 设计加入任意时刻复位电路（K2）。
5. 设计实现59’53”,59’55”,59’57”（f3）三低音，59’59”（f4）一高音的报时电路。
6. 整体完成数字电子时间计时电路。
四．电路设计框图
译码显示电路
信号源电路 f1=1HZ 计时器电路 报时器电路
校 复
分 位
F2=2HZ 控制器电路
K1 K2
F3=500HZ
F4=1Khz
五．各单元电路设计
1.信号源电路
信号源电路是为计时器提供计数脉冲的，需要产生1HZ——1kHZ的脉冲信号。这里采用555定时器和分频器CD4040构成。555定时器不仅体积小，而且用它来构成多谐振荡器，波形稳定，上升沿和下降沿下，振幅大，占空比可调，因此越来越广泛地被用作振荡器。而后通过CD4040产生频率供后面使用。
信号源电路原理图如下：
其中1HZ频率用于计时器电路，由Q11产生；2HZ频率用于校分，清零电路，由Q10产生；500HZ和1kHZ用于整点报时，500HZ由Q2产生，1kHZ由Q1产生。
2.计时电路
计时电路的计数器，可以采用二—十进制加法器CD4518和一些门电路实现。60秒为1分，将分和秒的个位，十位分别在七段数码显示器上显示出来，从00’00”到59’59”，然后归零从新计数。
计时电路原理图如下：
其中，上半部分对应的是分的十位和个位，下部分对应的是秒的个位和十位。U2A的EN端接校分电路信号；U4A的CP接D触发器Q非端；U2A的MR端，U6A的另一端,U4A的MR端和U8A的另一端均接清零信号。根据设计要求电路技术特点知，在1000时，个位向十位发一个高位信号，但十位不变化，在个位由1001变为0000时，又向十位发了低位信号，即在0110时进行清零，所以B与C与非后再清零信号与非送到MR端。个位清零的直接输入清零信号即可。
3.译码显示电路
信号来自计数器，再通过译码器CD4511，利用150Ω电阻来驱动共阴极显示器。
译码显示器电路原理图如下：
其中，显示电路采用四片CD4511显示译码器和四个七段共阴显示字，电路从00分00秒计到59分59秒，译码显示电路用四片四线七线译码器CD4511进行译码，而采用共阴极七段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150Ω的电阻接地以防止过大电流使数码管烧毁。
4.校分电路及简单防抖功能
当校分电路打到“正常”状态时，计数器正常计数；当开关打到“校分”状态时，秒个位停止计数，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。由于校分电路的信号直接送到分计数器的时钟端，开关的颤动产生的脉冲会导致分计数器的触发，从而影响校分功能，所以对校分开关应加一个D触发器构成消颤开关。由于D触发器的输出端只在时钟的上升沿变化，而在其他时刻保持上一次的电平，故可以构成防抖电路。南昌家教网 www.ncsmjj.com
校分电路及防抖功能原理图如下：
其中，校分电路的工作原理是：当校分开关在“1”电平，与非门2被选通，与非门1被封锁，秒进位产生的脉冲送至分计数器的时钟端；当开关打在“0”电平时，与非门1被选通，与非门2被封锁，校分信号送至分计数器的时钟端。正常计时状态下，开关连接高电平，此时Q端输出高电平，总输出端的信号与秒的十位进位信号相同。当开关连接低电平时，Q端输出低电平，总输出端输出信号喂2HZ的时钟信号。
防抖原理在于：当开关在两种状态之间转换时，由于机械振动，在很短时间会在高低电平之间来回波动，相应的产生几个上升沿。如果直接将开关的输出断臂直接连接到分个位的时钟端，这些上升沿将会导致它瞬间跳变几个数值。然而在加上D触发器后，由于在没有时钟上升沿的时候，输出信号保持，而其时钟频率相对与颤抖频率很小，也即在开关颤抖过程中触发器的输出是不变的，从而避免了分计数器数值的跳变。
5.清零电路
清零电路喂了考虑到防抖动，因此在这也可采用触发器来实现清零。
清零电路原理图如下：
正常状态下，开关打在高电平时，电路正常工作。当需要清零时，打到低电平位置，Q端输出低电平，根据前面计时电路的电路图，可以分析出秒和分的十位得以清零。Q非输出高电平，直接输出到CD4518的功能表，当Cr为高电平时，进行清零，秒和分的个位均得以清零。
6.报时电路
由报时电路要求知，在59’53”，59’55”，59’57”，59’59”时，将输出为“1”的信号作为触发信号，选通报时脉冲信号，进行报时即可。
根据报时要求，可列下表：
|
时刻
|
分十位
|
分个位
|
秒十位
|
秒个位
|
高音
|
频率
|
|
m8m7m6m5
|
m4m3m2m1
|
s8s7s6s5
|
s4s3s2s1
|
|
59’53”
|
0101
|
1001
|
0101
|
0011
|
低
|
500HZ
|
|
59’55”
|
0101
|
1001
|
0101
|
0101
|
低
|
500HZ
|
|
59’57”
|
0101
|
1001
|
0101
|
0111
|
低
|
500HZ
|
|
59’59”
|
0101
|
1001
|
0101
|
1001
|
高
|
1kHZ
|
由上表知有共同项m7m5m4m1s7s5，秒个位上，在s1为1时，s3，s2中有一个为1即发出500HZ的低声鸣响，在s4为1时发出1kHZ的高声鸣响。因此，得公式：F=m7m5m4m1s5s1(s2f3+s3f2+s4f4)，其中F为最后要传到蜂鸣器中的信号，f3=500HZ，f4=1kHZ。
报时电路原理图如下：
其中，U3A输出端接蜂鸣器，注意蜂鸣器另一端要接地。
7. 引脚接线总图
六．元件清单
|
集成
|
NE555
|
一片
|
|
|
CD4040
|
一片
|
|
|
CD4518
|
二片
|
|
|
CD4511
|
四片
|
|
|
74LS00
|
三片
|
|
|
74LS20
|
一片
|
|
|
74LS21
|
三片
|
|
|
74LS74
|
一片
|
|
电阻
|
1kΩ
|
一个
|
|
|
3kΩ
|
1个
|
|
|
150Ω
|
4个
|
|
电容
|
0.047uF
|
1个
|
|
双字共阴屏
|
|
2块
|
七．所用元器件逻辑功能及引脚
1.NE555定时器
2.CD4040分频器
（1）引脚图：
（2）功能表：
|
输入
|
输出状态
|
|
CP’
|
CR
|
|
|
L
|
不变
|
|
|
L
|
进入下一状态
|
|
×
|
H
|
全部输出为L
|
3.CD4518计数器
（1）引脚图：
（2）功能表：
|
|
输入
|
输出
|
|
|
Cr
|
CP
|
EN
|
QD
|
QC
|
QB
|
QA
|
|
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
|
4.CD4511译码器
（1）引脚图：
（2）功能表：
|
|
输入
|
输出
|
|
|
|
|
|
LE
|
D
|
C
|
B
|
A
|
g
|
f
|
e
|
d
|
c
|
b
|
a
|
字符
|
|
测灯
|
0
|
X
|
X
|
X
|
X
|
X
|
X
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
8
|
|
灭零
|
1
|
0
|
X
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
消隐
|
|
锁存
|
1
|
1
|
1
|
X
|
X
|
X
|
X
|
显示LE＝0→1时数据
|
|
译码
|
1
|
1
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
0
|
|
1
|
1
|
0
|
0
|
0
|
0
|
1
|
0
|
0
|
0
|
0
|
1
|
1
|
0
|
1
|
|
1
|
1
|
0
|
0
|
0
|
1
|
0
|
1
|
0
|
1
|
1
|
0
|
1
|
1
|
2
|
|
1
|
1
|
0
|
0
|
0
|
1
|
1
|
1
|
0
|
0
|
1
|
1
|
1
|
1
|
3
|
|
1
|
1
|
0
|
0
|
1
|
0
|
0
|
1
|
1
|
0
|
0
|
1
|
1
|
0
|
4
|
|
1
|
1
|
0
|
0
|
1
|
0
|
1
|
1
|
1
|
0
|
1
|
1
|
0
|
1
|
5
|
|
1
|
1
|
0
|
0
|
1
|
1
|
0
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
0
|
0
|
6
|
|
1
|
1
|
0
|
0
|
1
|
1
|
1
|
0
|
0
|
0
|
0
|
1
|
1
|
1
|
7
|
|
1
|
1
|
0
|
1
|
0
|
0
|
0
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
8
|
|
1
|
1
|
0
|
1
|
0
|
0
|
1
|
1
|
1
|
0
|
0
|
1
|
1
|
1
|
9
|
5.74LS00 二与非门
（1）引脚图：
（2）功能表：
|
输入
|
输出
|
|
B
|
A
|
Q
|
|
0
|
0
|
1
|
|
0
|
1
|
1
|
|
1
|
0
|
1
|
|
1
|
1
|
0
|
6.74LS20 四与非门
（1）引脚图
（2）功能表
|
输 入
|
输出
|
|
A
|
B
|
C
|
D
|
Q
|
|
0
|
0
|
0
|
0
|
1
|
|
0
|
0
|
0
|
1
|
1
|
|
0
|
0
|
1
|
0
|
1
|
|
0
|
0
|
1
|
1
|
1
|
|
0
|
1
|
0
|
0
|
1
|
|
0
|
1
|
0
|
1
|
1
|
|
0
|
1
|
1
|
0
|
1
|
|
0
|
1
|
1
|
1
|
1
|
|
1
|
0
|
0
|
0
|
1
|
|
1
|
0
|
0
|
1
|
1
|
|
1
|
0
|
1
|
0
|
1
|
|
1
|
0
|
1
|
1
|
1
|
|
1
|
1
|
0
|
0
|
1
|
|
1
|
1
|
0
|
1
|
1
|
|
1
|
1
|
1
|
0
|
1
|
|
1
|
1
|
1
|
1
|
0
|
7.74LS21 四与门
（1）引脚图：
（2）功能表：
|
输入
|
输出
|
|
A
|
B
|
C
|
D
|
Q
|
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
|
0
|
0
|
0
|
1
|
0
|
|
0
|
0
|
1
|
0
|
0
|
|
0
|
0
|
1
|
1
|
0
|
|
0
|
1
|
0
|
0
|
0
|
|
0
|
1
|
0
|
1
|
0
|
|
0
|
1
|
1
|
0
|
0
|
|
0
|
1
|
1
|
1
|
0
|
|
1
|
0
|
0
|
0
|
0
|
|
1
|
0
|
0
|
1
|
0
|
|
1
|
0
|
1
|
0
|
0
|
|
1
|
0
|
1
|
1
|
0
|
|
1
|
1
|
0
|
0
|
0
|
|
1
|
1
|
0
|
1
|
0
|
|
1
|
1
|
1
|
0
|
0
|
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
8.74LS74 D触发器
（1）引脚图：
（2）功能表：
|
|
输入
|
输出
|
|
|
CP
|
|
|
D
|
Q
|
|
|
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
|
9.双字共阴屏
八．实验总结与感想
本次电工电子综合实验2的主要目的是设计实现一个计数器，掌握常见集成电路原理，学会单元电路设计。在实验室听了老师详细讲解后，加上与同学之间的讨论，翻阅书籍，还有网上查询，最后终于设计出完整的电路图。听完要求课后，便是我们自己思考设计的时候，不仅要考虑各个元器件的功能，引脚所对应是什么，还要考虑如何设计，如何布局才能达到最好效果。连好了电路图后，便就来到实验室连接实物图了，进实验室前，以为挺简单，但实际连起线来才知道麻烦了。由于线路较多，元件很小，接在电路板上密密麻麻，眼花缭乱的，连错一根就可能达不到要求的效果。经过一两个小时的连接和精心布局后，终于把元器件按照电路图连接了起来，到了检验步骤了。开始时，打开电源，一些开关打到所需位置后，上面显示就是不按要求的走，检查了连接线路以为也没啥问题，真是郁闷。后来发现连接在双字共阴屏上那个电阻损坏了，无语了。换了之后，显示按要求走了，但蜂鸣器有瞎叫了起来。经过与同学讨论，再在老师的指导下，问题出在报时电路那块，仔细检查，发现有个与非门电路的Vcc没接上。发现问题，改正之后，终于在下午快结束时交了答卷。在这次实验中，我学到很多东西，加强了我的动手能力，并且培养了我的独立思考能力，也给我以后的生活工作留下了许多宝贵的经验。最好，要感谢老师在实验前后对我们的悉心指导，也感谢学校给我们这次实验机会。
九．参考文献
蒋立平 主编 《数字逻辑电路与系统设计》：电子工业出版社
黄锦安 《电路》 ： 机械工业出版社南昌家教网提供此文
