电工电子
综合实验报告
题目：多功能数字计时器设计
目录
1.实验容简介
2.电路设计要求
3.电路原理简介
4. 单元电路设计
4.1 秒信号发生电路
4.2 计时电路
4.3 开机清零电路
4.4 校分电路
4.5 报时电路
5.总电路图
6.附加电路--起停电路
7.实验感想
8.附录
8.1 元件清单
8.2 芯片引脚图和功能表
9.参考文献
1．实验容简介
本设计采用中小规模集成电路，要求设计一个数字计时器，可以
完成0分00秒到9分59秒得计时功能，并在控制电路的作用下具有开机清零，快速校分，整点报时功能。

2．实验容
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。

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，可进行快速校分。

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。

3．电路原理简介
数字计时器由计时电路、译码显示电路、脉冲发生电路、校分电路、清零电路和报时电路这几部分组成。

其原理框图如下：
4．单元电路设计
一．秒信号发生器
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。

为提供较为精确的秒脉冲信号，采用32768Hz的石英晶体多谐振荡器作为脉冲信号源。

分频器CD4060最高可实现214分频，即最低频率端Q14的脉冲信号频率为2Hz，因此增加一个D触发器实现的倍频器来产生1Hz的秒脉冲信号。

将D触发器的Q端与D端扭接在一起实现倍频器，则Q端的输出信号即为1Hz的秒脉冲信号。

报时电路所需要的1KHz，2 KHz的脉冲信号由4060的管脚Q4和管脚Q5提供。

二．计时电路
该电路是本实验基础电路中的关键电路，由分计数器、秒十位计数器、秒个位计数器构成。

分计数器和秒十位计数器直接用CD4518BCD 码计数器实现十进制计数功能；秒十位计数器为六进制计数器，将74LS161做成一个从0000～0101的模六计数器实现。

连接时，秒脉冲电路产生的秒脉冲信号送入秒个位计数器（CD4518A）的EN端，秒个位单元中的输出1Q4通过一非门接入74LS161的时钟端作为时钟信号完成个位与十位的级联（接非门是因为161的~CLK是上升沿触发，而1Q4在9~0的跳变时是下降沿“1001”——“0000”）。

做秒十位记数时，用反馈置位法，2Q1和2Q3通过一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。

显示电路采用三片CD4511显示译码器和三个七段共阴显示字，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，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300的电阻接地。

三．开机清零电路
该电路具有开机清零和控制清零功能。

其中秒个位和分位的清零端即CC4518的管脚7和15（高电平有效）接在第一个非门之后，秒十位74LS161的清零端即管脚1（低电平有效）接在第二个非门之后。

刚开机时，由于电容上的电压不能突变，电容两端为低电平，经过第一个非门输出高电平，接到CC4518的管脚7和15，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。

按下开关后，电容被短路，第一个非门的输入端为低电平，两个非门的输出端分别为高电平和低电平，原理同上，实现控制清零功能（异步清零）。

4518清零端 74161清零端
四．校分电路
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。

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。

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RS锁存器构成消颤开关。

五．报时电路
用需要报时的时刻所对应的计数器的输出作为触发信号来驱动蜂鸣器报时，因为需要在9分53秒、9分55秒、9分57秒各报出一个低音，在9分59秒报出一个高音。

具体设计过程如下：将各时刻各位对应的二进制码作如下图的比较：
1．将秒个位的3（0011）、5（0101）、7（0111）取或，通过卡诺图的化简可得应该从秒个位取1Q1（1Q2+1Q3）
2．将1中所得结果和分位的9（1001）与再和秒十位的5（0101）与，所得的结果和1KHz的信号与就可得到在9分53秒、9分553秒、9分57秒报出低音的驱动信号。

3．将分位的9（1001）和秒十位的5（0101）与再和秒个位的9（1001）与再和2KHz的信号与就得到在9分59秒报出高音的驱动信号。

4．将2和3中得到的信号取或，就可以得到最终的报时驱动信号。

5．总电路图
6．附加功能：起停原理及电路图
自动起停就是在某一个设定时刻自动停止，在设定好的一定时间后，记时又自动重新开始，在此过程中无须人工干预。

此次自动起停功能具体设计为：在7分39秒自动停止5秒后又
重新开始计数。

根据74161的功能表，当没到设定的停止时间时，～LOAD 一直是“0”信号输入，使得在置数输入端预置的0111置数至D Q C Q B Q A Q 端，由C Q 端与1Hz 求与后输入秒个位的CP 端，正常计数。

直至7分57秒，“1”信号输入～LOAD ，74161在1Hz 的脉冲信号下，0111，1000，1001，1010，1011计数，C Q 端输出“0”信号，1Hz 的信号无法进入秒个位
的信号端，正好五秒的等待，C Q 端重新输出为“1”。

完成自动起停
功能。

7．实验感想
这种综合实验不同于书本知识的学习，不仅需要较强的相关专业知识，同时也需要较强的动手能力，前期也需要很多的准备工作。

通过本次实验，我加深了对课本知识的理解，曾强了动手能力，最重要的是本次实验动手连接电路时，电路管脚较多，总体比较复杂，培养
了我严谨的科学研究实验素养和坚韧耐心的品质。

由于电路较复杂，总会有或多或少的小问题，需要静下心来慢慢分析来找出错误，如果急躁消极，泄了气，很难成功做完。

综合实验，不像考试有正好的书本对照，从一开始器件的引脚图到整个电路的设计都需要自己一步一步去认真准备，一次实验做完受益匪浅。

8. 附录
一．元件清单
2各元件的引脚图及功能表引脚图：
功能表：
CC4511逻辑功能表
74LS161逻辑功能表
9.参考文献
a)《数字电路》立平著理工大学 2001
b)《电子线路实践教程》王建新、萍科学 2003
c)《实验电子技术》振声主编国防工 2001。