数电自主设计实验

姓名__________班级___________ 学号________ 台号_________ 日期__________节次___________ 成绩________教师签字_______
利用多谐振荡器实现一位数字秒表计时器
1.实验目的
1 进一步提高独立分析问题和解决问题的能力。

2 掌握数字系统的分析和设计方法。

3 对数字集成电路的综合应用有进一步的认识和理解。

2.总体设计方案或技术路线
本实验要用同步加法计数器74LS161构成十进制加法计数器，并用555产生脉冲信号，共同构成等时钟信号生成的设计和计数器的设计。

①555定时器简介：
555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成器件，它性能优良，适用范围很广，外部加接少量的阻容元件可以很方便地组成单稳态触发器和多谐振荡器，以及不需外接元件就可组成施密特触发器。

因此集成555定时被广泛应用于脉冲波形的产生与变换、测量与控制等方面。

下图为用555定时器设计的多谐振荡器的电路图及其电路产生的波形：
1、用555定时器构成的多谐振荡器是利用电容的充放电来代替外加触发信号，电容电压在两个阈值之间按指数规律变化。

令初始时刻0c u V =，0u 为高电平，3G 门输出低电平，放电管VT 截止，电
源cc V 通过A B R R 、对电容C 充电，电容电压c u 按指数规律增加。

当2
3
c cc u V >时，0
u 变为低电平，3G 门输出高电平，放电管VT 饱和导通，c u 通过B R 和放电管VT 放
电，电容电压c u 按指数规律减小。

当1
3
c cc u V <时，0u 变高低电平，3G 门输出低
电平，放电管VT 截止，电源cc V 通过A B R R 、对电容C 充电，电容电压c u 按指数规
律增加。

当2
3
c cc u V >时，0u 又变为低电平。

如此周而复始地电容充电和放电，就
产生了振荡。

多谐振荡器的周期为12T T T =+，1T 为电容电压c u 由13cc V 充电到2
3
cc V 所需的
时间，充电时间常数()A B R R C τ=+。

因此将112
(0)()()33
c cc c cc c cc
u V u T V u V ==∞=、、和()A B R R C τ=+带入电路的三要素方程，解得10.7()A B T R R C =+，同理得
20.7B T R C =。

所以多谐振荡器的周期和占空比分别为
0.7(2)100%
2A B A B
A B
T R R C
R R D X R R =++=+ ②74LS161简介：
74LS161 为可预置的4位二进制同步计数器,它可以灵活的运用在各种数字电路，以及单片机系统中实现分频器等很多重要的功能，其管脚图如下：
本次试验设计要设计十进制加法计数器，借助Cr 对计数器清零，可以实现十进制的计数。

由于74LS161为异步加法计数器故需在低位的Q C 、Q B 和高位的Q B 、Q A 进行与运算后进行与非运算后作为清零信号，于是得到下图的计数器。

③实验方案：
由于74LS161直接清零方式为异步清零，这种清零方式会导致清零的不可靠，需要对清零进行一定的改进，使不可靠清零变成可靠清零。

74LS161的预置是同步的。

当置入控制器LOAD 为低电平时，在CLOCK 上升沿作用下，输出端QA －QD 与数据输入端A －D 相一致。

由此我们可以通过采用预置的方式，确保其清零的可靠性。

此秒表不仅能够实现十进制的计数功能，还能实现实时暂停、恢复与停止。

3.实验电路图
图1 多谐振荡器电路
图2 十进制计数器电路
图3 整体实验电路
4.仪器设备名称、型号和技术指标
1）实验电路板 1块
2）双踪示波器 1台
3）双路直流稳压电源 1台
4）函数信号发生器 1台
5）74LS161 1只
6）555定时器 1个
7）74LS00 1个
8）导线若干
5.理论分析或仿真分析结果
实验成功，得到想要的结果，能够实现十进制的计数功能
6.详细实验步骤及实验测量数据记录（包括各仪器、仪表量程及内阻的记录）（1）按照电路图连接多谐振荡电路，将电源调至5V电压；
（2）用示波器观察产生的矩形波的周期和占空比；
（3）连接十进制计数器；
（4）将振荡器产生的矩形波脉冲信号接入到74LS161的时钟输入端；
（5）调节多谐振荡器的电路参数，使输出频率为1Hz的时钟信号，观察数码管的数字变化情况
（6）利用函数信号发生器和实验箱上的频率为1Hz的信号与振荡器信号比较，进一步校准输出脉冲的频率。

（7）S1闭合，检查第Ⅰ块计数器QD端应有周期为0.1秒的脉冲输出，S1断开，QD端无脉冲输出；
（8）S2断开秒表应清为0，S2接通（S1闭合），秒表应开始计数。

7. 实验结论
（1）由于实际电路所给的器件有限，其R1 = R2 =50 K ，RC振荡器电容为10uF ，五号管脚所接的Cs为10nF。

所以其振荡周期为T =
=1.5*0.7=1.05s，所以其周期为约为1s.并可以通过调节电位器改变脉冲信号的占空比，实现了实验关于555定时器相关部分的设计。

（2）计数器部分通过加入之前获得的信号脉冲，低位计数器计数，显示器显示“9”后置零重新开始计数。

实现了计数器由0加到9的十秒计数，加一的时间间隔大约为1.05秒，得到十秒钟计时与基准脉冲对比得到误差在百分之5左右，基本完成实验目的要求。

8.实验中出现的问题及解决对策
（1）调解过程中，信号周期很难调节到1s。

解决：预估周期为一秒时多谐振荡器的阻值为多少，选择合适的定值电阻后，再在电路中接入一个电位器，用以细调阻值，使周期尽可能接近1秒。

（2）利用多谐振荡器产生低频信号通过示波器观察，信号不是很稳定。

解决：多次试验，选择合适的电容值，使多谐振荡器的两个电阻阻值接近，这样可以产生一个稳定的矩形脉冲信号。

（3）计数器并不是从0到9连续循环，而是一直从8跳过，从4偶尔跳过。

解决：改变电阻阻值及电容的大小，并不断调节电位器，是占空比尽可能接近50%。

9.本次实验的收获和体会、对电路实验室的意见或建议
本次自主设计实验，我花费了很长时间，才将它设计完整。

在设计过程中，我遇到了许多的问题，换过几套方案，上网查阅了许多的资料、经过一定量的计算。

虽然在它上面花费的时间比较长，但我认为是值得的。

因为在设计中我遇到的问题，经过我的努力一一解决，这便是一种收获，从中我能学到不少的新知识，也能更加熟练地掌握数电中的相关内容，这些都是我今后学习道路上的基础。

经
过自主设计实验的磨练，我的思维能力得到了进一步提升，它还锻炼了我的动手实践能力以及排错能力和解决问题能力。

当经过一个多小时的连线和调试之后，我自己设计的电路终于工作了，但是出现了一些小问题，虽然很苦恼，但是依旧在钻研，经过老师的指导和我的努力，最终实验成功，验证了理论的正确性，加深了我对555定时器的工作原理及由其构建电路的认识，掌握如何用其搭建多谐振荡器。

对计数器有了进一步的理解，尤其对异步清零来说，确保其清零的可靠性是相当有必要的，而本实验采用的同步置数也让我有了更深的体会，同时对进位的探究与实验让我对电路的设计其有了进一步的理解。

10.参考文献
[1]康华光.2000年. 电子技术基础数字部分（第四版）. 北京：高等教育出版社.
[2]王慧玲.2003年. 电工电子实验与实训. 北京：机械工业出版社.
[3]吴建强.2004年. 电工学新技术实践. 北京：机械工业出版社.
[4]邓玉元蒋卓勤. 2003年. Multisim 2001及其在电子设计中的应用. 西安: 西安电子科技大学出版社.。