電子課程設(shè)計-公用電話計時器

1、*大學(xué)電子技術(shù)課程設(shè)計報告簡易公用電話計時器姓 名： * 學(xué) 號： * 專業(yè)班級： * 指導(dǎo)老師： 所在學(xué)院：電氣工程與自動化學(xué)院2008年6月10日摘要本設(shè)計是用中小規(guī)模集成電路設(shè)計一個公用電話計時系統(tǒng)。通過本設(shè)計使其完成一下幾項基本功能：每3分鐘計時一次；顯示通話次數(shù)，最多為99次；每次定時誤差小于1秒；具有手動復(fù)位功能；具有聲響提醒功能。本設(shè)計主要有標(biāo)準(zhǔn)信號源，分頻器，3分鐘定時器，計數(shù)器譯碼顯示，聲響提醒等電路組成，其工作原理為：當(dāng)按下復(fù)位按鍵時，復(fù)位電路保證3分鐘電路及二位十進制計數(shù)器同時清零，此時電話通話次數(shù)為零。當(dāng)松開復(fù)位按鍵時，計時開始， 3分鐘定時器的功能時每三分鐘輸出一個脈

2、沖，該脈沖被送到計數(shù)譯碼器顯示電路，便顯示出通話次數(shù)；同時該脈沖被送到聲響提醒電路，可控制聲響時間及聲調(diào)，實現(xiàn)聲響提醒功能。該設(shè)計分頻器，3分鐘定時器主要由12位異步二進制計數(shù)器/分頻器CD4040來實現(xiàn)，通話次數(shù)計數(shù)器顯示電路由二位十進制計數(shù)器完成，采用中規(guī)模集成計數(shù)器CD4029，74LS47組成。聲響提醒電路由555集成電路完成。目錄1設(shè)計任務(wù)與基本要求3 1.1設(shè)計任務(wù)3 1.2基本要求32系統(tǒng)總體方案4 2.1系統(tǒng)工作原理42.2系統(tǒng)設(shè)計框圖43單位電路模塊設(shè)計53.1標(biāo)準(zhǔn)信號源53.2分頻器63.3分鐘定時器63.4通話次數(shù)計數(shù)器顯示電路7 3.5復(fù)位電路93.6聲響提醒電路94

3、調(diào)試要點12 4.1 標(biāo)準(zhǔn)信號源調(diào)試124.2 3分鐘信號測量 124.3 計數(shù)顯示電路調(diào)試124.4 聲響提醒電路調(diào)試126課程設(shè)計體會137參考文獻(xiàn)14附：總電路圖151.設(shè)計任務(wù)與基本要求 1.1設(shè)計任務(wù)用中小規(guī)模集成電路設(shè)計一個公用電話計時系統(tǒng)。1.2基本要求1) 每3分鐘計時一次。2) 顯示通話次數(shù)，最多為99次。3) 每次定時誤差小于1秒。4) 具有手動復(fù)位功能。5) 具有聲響提醒功能。本設(shè)計主要有標(biāo)準(zhǔn)信號源，分頻器，3分鐘定時器，計數(shù)器譯碼顯示，聲響提醒等電路組成，其工作原理為：當(dāng)按下復(fù)位按鍵時，復(fù)位電路保證3分鐘電路及二位十進制計數(shù)器同時清零，此時電話通話次數(shù)為零。當(dāng)松開復(fù)位按

4、鍵時，計時開始， 3分鐘定時器的功能時每三分鐘輸出一個脈沖，該脈沖被送到計數(shù)譯碼器顯示電路，便顯示出通話次數(shù)；同時該脈沖被送到聲響提醒電路，可控制聲響時間及聲調(diào)，實現(xiàn)聲響提醒功能。該設(shè)計分頻器，3分鐘定時器主要由12位異步二進制計數(shù)器/分頻器CD4040來實現(xiàn)，通話次數(shù)計數(shù)器顯示電路由二位十進制計數(shù)器完成，采用中規(guī)模集成計數(shù)器CD4029，74LS47組成。聲響提醒電路由555集成電路完成。2.系統(tǒng)總體方案2.1工作原理當(dāng)按下?lián)嵛堪存I時，復(fù)位電路保證3分鐘電路及二位十進制計數(shù)器同時清零，此時電話通話次數(shù)為零。當(dāng)松開復(fù)位按鍵時，計時開始，此時由標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器產(chǎn)生的f0=32768Hz信號經(jīng)過十二

5、級分頻得到的f0=8Hz脈沖輸入3分鐘定時器，選用f0=8Hz的原因時考慮到設(shè)計要求定時精度所選定的。3分鐘定時器的功能時每三分鐘輸出一個脈沖，該脈沖被送到計數(shù)譯碼器顯示電路，便顯示出通話次數(shù)；同時該脈沖被送到聲響提醒電路，可控制聲響時間及聲調(diào)，實現(xiàn)聲響提醒功能。2.2 系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1為該計時器的工作框圖，主要有標(biāo)準(zhǔn)信號源，分頻器，3分鐘定時器，計數(shù)器譯碼顯示，聲響提醒等電路組成。 圖1. 計時器的工作框圖3.單位電路模塊設(shè)計3.1標(biāo)準(zhǔn)信號源產(chǎn)生脈沖信號的電路很多，例如由集成門電路構(gòu)成的多諧振蕩器，由555定時器組成的方波發(fā)生器等。由于該標(biāo)準(zhǔn)信號源要求頻率穩(wěn)定性及輸出信號精度比較高，故采用

6、由CD4011與非門（CMOS）電路及晶體原件組成的多諧振頻率的信號如圖2所示，晶振的標(biāo)稱頻率為32768Hz。由于石英晶體的選頻特性非常好，只有其串聯(lián)諧振頻率的信號才最容易通過，而其他頻率會被晶體大大衰減，所以電路在滿足震蕩的條件下，其輸出頻率僅取決于晶體的標(biāo)稱頻率，與其他原件參數(shù)無關(guān)。電路中的電阻R是保證G1門工作在線性狀態(tài)而加入的，電容C抑制告辭諧波，以保證輸出頻率穩(wěn)定。G3門是為了改善輸出波形質(zhì)量，增加帶負(fù)載能力而加入的緩沖級。圖2 標(biāo)準(zhǔn)信號源電路及分頻器3.2 分頻器由于f=32768Hz頻率比較高，為了得到低頻信號且又能滿足定時要求的脈沖，可采用CD4040二進制計數(shù)器/分頻器進行

7、分頻。CD4040是由12個T型觸發(fā)器組成的串行二進制計數(shù)器/分頻器。復(fù)位端高電平有效，2個輸入端，一個是時鐘CP，一個是復(fù)位清零端，有12個分頻輸出端Q1-Q12,最大分頻系數(shù)為212=4096。n位二進制計數(shù)器的最高位輸出信號的頻率fn 與計數(shù)器脈沖頻率fcp的關(guān)系為fn=fcp/2n ?，F(xiàn)選擇12位異步二進制計數(shù)器CD4040，則CD4040計數(shù)器最高位輸出頻率為 f12=f0=fcp/212=8Hz 電路如圖2，CR為清零端。表1 CD4040功能表輸入輸出L不變L進入下一狀態(tài)XH全部輸出為L 3.3 3分鐘定時器該電路是本系統(tǒng)的關(guān)鍵。n位二進制計數(shù)器的輸出狀態(tài)與計數(shù)脈沖的個數(shù)關(guān)系為：

8、 (N)D=2n-1Qn-1+2n-2Qn-2+20Q0因為輸入脈沖的周期T0=1/f0定時為3分鐘=180秒所需要的輸入脈沖的個數(shù)N為：N=180/T0=180f0=1440個又因為(N)D=(1440)DB即要求計數(shù)器的模等于1440，利用反饋清零法，可設(shè)計出該電路 。如圖4所示，當(dāng)CD4040累計到1440個脈沖時，G1輸出為1， G2輸出為0， G3被置為1。一旦4040的CR端為高電平，其輸出立即被清零，由于CR組成的觸發(fā)器具有記憶功能，故G3輸出不變，當(dāng)f0上升沿到來時，G3輸出為0，CD4040的清零信號解除。可見G3輸出的信號fT是周期為3分鐘，輸出高電平為 1/16秒 的窄脈

9、沖。二極管D1的作用見 圖6.復(fù)位電路。圖4 三分鐘定時電路3.4 通話次數(shù)計數(shù)器顯示電路該電路由二位十進制計數(shù)器完成，可采用中規(guī)模集成計數(shù)器CD4029組成。譯碼器選用OC門輸出的七段顯示譯碼器74LS47，顯示器采用共陽極七段LED數(shù)碼管。其中R是限流電阻，即當(dāng)74LS47輸出為低電平時，流入其輸出端電流要小于74LS47的最大允許灌電流。若R過小，流入74LS47的灌電流增大；若R過大，則LED數(shù)碼管太暗。一般R選擇200W500W（在5V電源下）。CD4029通過控制輸入端可構(gòu)成二進制或者BCD計數(shù)器，它有3個控制端，即二進制/十進制轉(zhuǎn)換B/D，加/減轉(zhuǎn)換U/D和預(yù)置數(shù)LD，另外它還有

10、4個置數(shù)端D0-D3,4個輸出端Q0-Q3,脈沖輸入端CP，進位輸入端,進位輸出端。CD4029具有優(yōu)先進位功能的四位二/十進制加/減計數(shù)器，進位功能可以根據(jù)加法和減法或者二進制和十進制來確定CP上升沿進行計數(shù)。電路如圖4所示。由于CD4029無清零端，實現(xiàn)復(fù)位功能需要置數(shù)清零。譯碼器選用OC門輸出的七段顯示譯碼器74LS47，顯示器采用共陽極七段LED數(shù)碼管。其中R是限流電阻，即當(dāng)74LS47輸出為低電平時，流入74LS47的灌電流增大；如果R過大，則LED數(shù)碼管太暗。一般R選擇200-500 （在5V電源下）。 表2 4029功能表 LLLHLHLHHLHH保持H保持圖5 通話時間顯示電路

11、3.5復(fù)位電路根據(jù)設(shè)計要求，在每次通話之前一定要清零。當(dāng)復(fù)位按鍵按下時，3分鐘定時電力和通話次數(shù)計數(shù)電路均被清零。如圖6所示。當(dāng)S（復(fù)位開關(guān)）按下時，+5V電源同時加到2分鐘定時器的清零端和通話次數(shù)的指數(shù)段，使其強迫清零。但由于二極管D1的存在，+5V電源加不到門電路CD4001的輸出端，避免了CD4001的損壞。另外。由于D2的作用，使得3分鐘定時脈沖僅能加到3分鐘定時器的清零端和通話次數(shù)計數(shù)器的計數(shù)脈沖輸入端，而傳送不到通話次數(shù)計數(shù)器的置數(shù)端上來，從而實現(xiàn)了正常的計數(shù)。圖6 復(fù)位電路3.6聲響提醒電路該電路的主要功能是每到一個3分鐘時間，提醒時間為5秒鐘。555集成定時器是模擬功能和數(shù)字邏

12、輯功能相結(jié)合的一種雙極型中規(guī)模集成器件。外加電阻、電容可以組成性能穩(wěn)定而精確的單穩(wěn)電路。TTL集成定時器555定時器的外引線排列圖和內(nèi)部原理框圖如圖7,8所示，功能見表13-1。它是由上、下兩個電壓比較器、三個5k電阻、一個RS觸發(fā)器、一個放電三極管 T以及功率輸出級組成。比較器 C1的反相輸入端接到由三個5 k電阻組成的分壓網(wǎng)絡(luò)的2/3Vcc處（也稱控制電壓端），同相輸入端為閥值電壓輸入端。比較器C2的同相輸入端接到分壓電阻網(wǎng)絡(luò)的1/3Vcc處，反相輸入端為觸發(fā)電壓輸入端，用來啟動電路。兩個比較器的輸出端控制RS觸發(fā)器。RS觸發(fā)器設(shè)置有復(fù)位端，當(dāng)復(fù)位端處干低電平時，輸出為低電平?？刂齐妷憾耸?/p>

13、比較器C1的基準(zhǔn)電壓端，通過外接元件或電壓源可改變控制端的電壓值，即可改變比較器C1、C2的參考電壓。不用時可將它與地之間接一個O01F的電容，以防止干擾電壓引入。555的電源電壓范圍是+4.5+18V，輸出電流可達(dá)100200mA，能直接驅(qū)動低阻抗揚聲器。 圖7 TTL電路555電路結(jié)構(gòu) 圖8 555集成電路引腳排列表3 555芯片功能表觸發(fā)閾值復(fù)位放電端輸出H導(dǎo)通LH原狀態(tài)H截止HL導(dǎo)通L555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路 當(dāng)電源接通后，Vcc通過電阻R向電容C充電，待電容上電壓Vc上升到2/3Vcc時，RS觸發(fā)器置0，即輸出Vo為低電平，同時電容C通過三極管T放電。當(dāng)觸發(fā)端的外接輸入信號電壓Vi1/

14、3Vcc時，RS觸發(fā)器置1,即輸出Vo為高電平，同時，三極管T截止。電源Vcc再次通過R向C充電。輸出電壓維持高電平的時間取決于RC的充電時間，當(dāng)t=tW時，電容上的充電電壓為；所以輸出電壓的脈寬 tW=RCln31.1RC一般R取1k10M，C1000pF。值得注意的是：t的重復(fù)周期必須大于tW，才能保證放一個正倒置脈沖起作用。由上式可知，單穩(wěn)態(tài)電路的暫態(tài)時間與Vcc無關(guān)。因此用555定時器組成的單穩(wěn)電路可以作為精密定時器。實現(xiàn)此功能可用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器加多謝振蕩器完成。利用555定時器組成的電路如圖7.根據(jù)定時時間的要求，可確定電阻R1，電容C1的值。因為 T0 =1.1 R1C1, T0=5

15、秒，取C1=10uF，可得R1=4.7K圖7 聲響提醒電路4.調(diào)試要點4.1標(biāo)準(zhǔn)信號源調(diào)試?yán)檬静ㄆ饔^察振蕩器輸出波形是否正確。若用萬用表直流量程測量其輸出，應(yīng)為2.5V左右輸出。然后用示波器觀察分頻器CD4040的Q11端輸出，檢驗是否有8Hz信號輸出。 4.23分鐘信號測量3分鐘定時信號脈沖輸出高電平時間極短，故利用示波器測量時，把示波器掃描速度開關(guān)打在“掃描停止”檔，觀察光點的變化。 4.3計數(shù)顯示電路調(diào)試首先外加入1Hz左右的脈沖信號，觀察計數(shù)器、譯碼、顯示電路是否正常工作。 4.4聲響提醒電路調(diào)試首先調(diào)試多諧振蕩器，將第二片555定時器的4腳接高電平，用示波器觀察輸出波形。然后將3分

16、鐘定時脈沖輸出到第一片555定時器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中，同時將第二片555的4腳接到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出端，用示波器觀察輸出波形的變化或用揚聲器監(jiān)聽。5.課程設(shè)計體會第一，接到任務(wù)以后進行選題。選題是設(shè)計的開端，選擇恰當(dāng)?shù)?、感興趣的題目，這對于整個畢業(yè)設(shè)計是否能夠順利進行關(guān)系極大。好比走路，這開始的第一步是具有決定意義的，第一步邁向何方，需要慎重考慮。否則，就可能走許多彎路、費許多周折，甚至南轅北轍，難以到達(dá)目的地；因此選題時一定要考慮好了。 第二，題目確定后就是找資料了。查資料是做設(shè)計的前期準(zhǔn)備工作，好的開端就相當(dāng)于成功了一半，在課程設(shè)計的過程中，較多的時間是用來查閱資料，因為還是第一次做電子課程設(shè)計，所以一般通過網(wǎng)上查閱和圖書館資料查閱，在此查閱期間，我學(xué)會了怎樣使用超星閱讀器和PDF閱讀器。第三，通過上面的過程，已經(jīng)積累了不少資料，對所選的題目也大概有了一些了解，這一步就是在這樣一個基礎(chǔ)上，綜合已有的資料來更透徹的分析題目。 第四，有了方向，就應(yīng)該動手實現(xiàn)了。其實以前的三步都是為這一步作的鋪墊。通過課程設(shè)計，我了解了電子