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1、实验报告山东大学电子技术课程设计报告简易公用电话计时器摘要本设计是用中小规模集成电路设计一个公用电话计时系统。通过本设计使其完成一下几项基本功能：每3分钟计时一次；显示通话次数，最多为99次；每次定时误差小于1秒；具有手动复位功能；具有声响提醒功能。本设计主要有标准信号源，分频器，3分钟定时器，计数器译码显示，声响提醒等电路组成，其工作原理为：当按下复位按键时，复位电路保证3分钟电路及二位十进制计数器同时清零，此时电话通话次数为零。当松开复位按键时，计时开始， 3分钟定时器的功能时每三分钟输出一个脉冲，该脉冲被送到计数译码器显示电路，便显示出通话次数；同时该脉冲被送到声响提醒电路，可控制声响时
2、间及声调，实现声响提醒功能。该设计分频器，3分钟定时器主要由12位异步二进制计数器/分频器CD4040来实现，通话次数计数器显示电路由二位十进制计数器完成，采用中规模集成计数器CD4029，74LS47组成。目录1设计任务与基本要求3 1.1设计任务3 1.2基本要求32系统总体方案4 2.1系统工作原理42.2系统设计框图43单位电路模块设计53.1标准信号源53.2分频器63.3分钟定时器63.4通话次数计数器显示电路7 3.5复位电路94 调试要点10 4.1 标准信号源调试104.2 3分钟信号测量 104.3 计数显示电路调试104.4 声响提醒电路调试105课程设计体会106总电路
3、图127附录（材料清单，材料功能）131.设计任务与基本要求 1.1设计任务用中小规模集成电路设计一个公用电话计时系统。1.2基本要求1) 每3分钟计时一次。2) 显示通话次数，最多为99次。3) 每次定时误差小于1秒。4) 具有手动复位功能。5) 具有声响提醒功能。本设计主要有标准信号源，分频器，3分钟定时器，计数器译码显示，声响提醒等电路组成，其工作原理为：当按下复位按键时，复位电路保证3分钟电路及二位十进制计数器同时清零，此时电话通话次数为零。当松开复位按键时，计时开始， 3分钟定时器的功能时每三分钟输出一个脉冲，该脉冲被送到计数译码器显示电路，便显示出通话次数；同时该脉冲被送到声响提醒
4、电路，可控制声响时间及声调，实现声响提醒功能。该设计分频器，3分钟定时器主要由12位异步二进制计数器/分频器CD4040来实现，通话次数计数器显示电路由二位十进制计数器完成，采用中规模集成计数器CD4029，74LS47组成。2.系统总体方案2.1工作原理当按下抚慰按键时，复位电路保证3分钟电路及二位十进制计数器同时清零，此时电话通话次数为零。当松开复位按键时，计时开始，此时由标准信号发生器产生的f0=32768Hz信号经过十二级分频得到的f0=8Hz脉冲输入3分钟定时器，选用f0=8Hz的原因时考虑到设计要求定时精度所选定的。3分钟定时器的功能时每三分钟输出一个脉冲，该脉冲被送到计数译码器显
5、示电路，便显示出通话次数；同时该脉冲被送到声响提醒电路，可控制声响时间及声调，实现声响提醒功能。2.2 系统设计框图如图1为该计时器的工作框图，主要有标准信号源，分频器，3分钟定时器，计数器译码显示，声响提醒等电路组成。 图1. 计时器的工作框图3.单位电路模块设计3.1标准信号源产生脉冲信号的电路很多，例如由集成门电路构成的多谐振荡器，由555定时器组成的方波发生器等。由于该标准信号源要求频率稳定性及输出信号精度比较高，故采用由CD4011与非门（CMOS）电路及晶体原件组成的多谐振频率的信号如图2所示，晶振的标称频率为32768Hz。由于石英晶体的选频特性非常好，只有其串联谐振频率的信号才
6、最容易通过，而其他频率会被晶体大大衰减，所以电路在满足震荡的条件下，其输出频率仅取决于晶体的标称频率，与其他原件参数无关。电路中的电阻R是保证G1门工作在线性状态而加入的，电容C抑制告辞谐波，以保证输出频率稳定。G3门是为了改善输出波形质量，增加带负载能力而加入的缓冲级。 图2 标准信号源电路及分频器3.2 分频器由于f=32768Hz频率比较高，为了得到低频信号且又能满足定时要求的脉冲，可采用CD4040二进制计数器/分频器进行分频。CD4040是由12个T型触发器组成的串行二进制计数器/分频器。复位端高电平有效，2个输入端，一个是时钟CP，一个是复位清零端，有12个分频输出端Q1-Q12,
7、最大分频系数为212=4096。n位二进制计数器的最高位输出信号的频率fn 与计数器脉冲频率fcp的关系为fn=fcp/2n 。现选择12位异步二进制计数器CD4040，则CD4040计数器最高位输出频率为 f12=f0=fcp/212=8Hz 电路如图2，CR为清零端。表1 CD4040功能表输入输出L不变L进入下一状态XH全部输出为L 3.3 3分钟定时器该电路是本系统的关键。n位二进制计数器的输出状态与计数脉冲的个数关系为： (N)D=2n-1Qn-1+2n-2Qn-2+20Q0因为输入脉冲的周期T0=1/f0定时为3分钟=180秒所需要的输入脉冲的个数N为：N=180/T0=180f0
8、=1440个又因为(N)D=(1440)D=(10110100000)B即要求计数器的模等于1440，利用反馈清零法，可设计出该电路 。如图4所示，当CD4040累计到1440个脉冲时，G1输出为1， G2输出为0， G3被置为1。一旦4040的CR端为高电平，其输出立即被清零，由于CR组成的触发器具有记忆功能，故G3输出不变，当f0上升沿到来时，G3输出为0，CD4040的清零信号解除。可见G3输出的信号fT是周期为3分钟，输出高电平为 1/16秒 的窄脉冲。二极管D1的作用见 图6.复位电路。图4 三分钟定时电路3.4 通话次数计数器显示电路该电路由二位十进制计数器完成，可采用中规模集成计
9、数器CD4029组成。译码器选用OC门输出的七段显示译码器74LS47，显示器采用共阳极七段LED数码管。其中R是限流电阻，即当74LS47输出为低电平时，流入其输出端电流要小于74LS47的最大允许灌电流。若R过小，流入74LS47的灌电流增大；若R过大，则LED数码管太暗。一般R选择200W500W（在5V电源下）。CD4029通过控制输入端可构成二进制或者BCD计数器，它有3个控制端，即二进制/十进制转换B/D，加/减转换U/D和预置数LD，另外它还有4个置数端D0-D3,4个输出端Q0-Q3,脉冲输入端CP，进位输入端,进位输出端。CD4029具有优先进位功能的四位二/十进制加/减计数
10、器，进位功能可以根据加法和减法或者二进制和十进制来确定CP上升沿进行计数。电路如图4所示。由于CD4029无清零端，实现复位功能需要置数清零。译码器选用OC门输出的七段显示译码器74LS47，显示器采用共阳极七段LED数码管。其中R是限流电阻，即当74LS47输出为低电平时，流入74LS47的灌电流增大；如果R过大，则LED数码管太暗。一般R选择200-500 （在5V电源下）。 表2 4029功能表 LLLHLHLHHLHH保持H保持图5 通话次数计数显示电路3.5复位电路根据设计要求，在每次通话之前一定要清零。当复位按键按下时，3分钟定时电力和通话次数计数电路均被清零。如图6所示。当S（复
11、位开关）按下时，+5V电源同时加到2分钟定时器的清零端和通话次数的指数段，使其强迫清零。但由于二极管D1的存在，+5V电源加不到门电路CD4001的输出端，避免了CD4001的损坏。另外。由于D2的作用，使得3分钟定时脉冲仅能加到3分钟定时器的清零端和通话次数计数器的计数脉冲输入端，而传送不到通话次数计数器的置数端上来，从而实现了正常的计数。图6 复位电路4.调试要点4.1标准信号源调试利用示波器观察振荡器输出波形是否正确。若用万用表直流量程测量其输出，应为2.5V左右输出。然后用示波器观察分频器CD4040的Q11端输出，检验是否有8Hz信号输出。 4.23分钟信号测量3分钟定时信号脉冲输出
12、高电平时间极短，故利用示波器测量时，把示波器扫描速度开关打在“扫描停止”档，观察光点的变化。 4.3计数显示电路调试首先外加入1Hz左右的脉冲信号，观察计数器、译码、显示电路是否正常工作。 5.课程设计体会1、通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。在整个设计过程中，我们通过这个方案包括设计了一套电路原理和PCB连接图，和芯片上的选择。这个方案总共使用了CD4040两个，CD4029两个，CD4011一个，CD4082一个，74LS74一个，还有一个共阳极的七段LED显示器。2、在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里想老着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现
13、不了，因此耗费在这上面的时间用去很多。3、我沉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。比如一些芯片的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，通过动手实践让我们对各个元件映象深刻。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。所以这个期末测试之后的课程设计对我们的作用是非常大的。4.此次课程设计
14、，学到了很多课内学不到的东西，比如独立思考解决问题，出现差错的随机应变，和与人合作共同提高，都受益非浅，今后的制作应该更轻松，自己也能扛的起并高质量的完成项目。5、我想我在这次的课程设计中学到的最多的是团队的合作，我们组有三个人，在这次的课程设计中配合默契，互相的帮助，难处大家一起想，互相的启发，大家都不怕吃苦，有的时候一做就是一下午或者一上午，经过我们小组努力一周终于完成了这次课程设计的任务，在此，感谢于老师的细心指导，也同样谢谢其他各组同学的无私帮助！六：总电路图附录（材料清单，材料功能）：一：4040表1 CD4040功能表输入输出L不变L进入下一状态XH全部输出为L功能：十二进制计数器
15、，在此试验中是十二进制分频器。二：CD4011功能：是由四个而输入端的与非门组成。三：CD4082功能：由两个四输入端的与非门组成。四：CD4001功能：由四个二输入端的或非门组成。五：CD4029表2 4029功能表 LLLHLHLHHLHH保持H保持六：74LS477447真值表 LTNRBINDCBABINOAOB OCODOEOFOGRBON0HHLLLLHLLLLLLHH1HXLLLHHHLLHHHHH2HXLLHLHLLHLLHLH3HXLLHHHLLLLHHLH4HXLHLLHHLLHHLLH5HXLHLHHLHLLHLLH6HXLHHLHHHLLLLLH7HXLHHHHLLLH
16、HHHH8HXHLLLHLLLLLLLH9HXHLLHHLLLHHLLH10HXHLHLHHHHLLHLH11HXHLHHHHHLLHHLH12HXHHLLHHLHHHLLH13HXHHLHHLHHLHLLH14HXHHHLHHHHLLLLH15HXHHHHHHHHHHHHHBIXXXXXXLHHHHHHHXRBIHLLLLLXHHHHHHHLLTLXXXXXHLLLLLLLH七：共阳极的七段LED显示器7段数码管是共阳显示电路，那就需要选用74LS47译码驱动集成电路。共阳就是把abcdefg的7个发光二极管的正极连接在一起并接到5V电源上，其余的7个负极接到74LS47相应的abcdefg输出端上。无论共阴共阳7段显示电路，都需要加限流电阻，否则通电后就把7段译码管烧坏了！