数字逻辑课程设计(定时器)

一．内容摘要：
定时器的设计：
设计一个0~60分钟之内的定时器，定时开始的时候红指示灯亮，结束的时候绿指示亮，可以随意以分钟为单位，在六十分钟的范围内设定定时时间，随着定时的开始，显示器开始显示时间，即依次显示出0,1,2,3,4….直到定时结束，当定时结束的时候进行手动清零。

首先设计一个秒脉冲发生器，一个计数电路，一个比较电路，然后对电路进行输出。

当开始定时之前手动对要定时的时间进行预置数，然后运用秒脉冲发生器输入脉冲，用计数器对脉冲的个数进行计数，把编码器的数据与脉冲的个数通过数值比较器进行比较，最后按照要求进行红绿等输出表示定时的状态是正在进行定时，或者是已经定时结束，在定时的过程中显示定时的时间。

二．方案的论证与选择：
方案1
例如设计一个六十分钟的定时器，就需要六十进制的分钟计数器。

设计秒脉冲发生器，当计数器完成六十分钟的记数时，就手动清零。

需要设定其他的时间时，
只需将计数器的进制改变一下就行。

这个方案只适用于特定的定时器，设定的时间
不变。

如果本课设用此方案，就需要设计从1——60进制的计数器，工程量太大。

方案2，
设计一个定时器，可以在0~60分之间一分钟为单位任意可调，定时开始的时候红灯亮，定时结束的时候绿灯亮，定时结束之后手动清零，满足设计的要求，故本次课程设计中采用的是这种设计方案。

三．总设计思想框图：
总体的完整电路图：
就是将各个单元电路用导线连接起来，然后进行仿真处理，开始进行定时的时候红指示灯亮。

图中所示的是定时为16分钟的定时仿真结果，完整的电路图。

2.5 V
图2
四．单元电路的设计与参数的计算
1.秒脉冲发生器的选择：
（1）采用石英晶体的多谐振荡器，在RC环形振荡器电路中，接入RC可以获得较小
的频率，而且通过RC的调节可以调节频率，用于对频率稳定性要求比较高的电路，
但是它抗干扰的能力比较差，小的干扰就会使周期发生很大的变化，而且电路比较复杂，不太容易掌握，所以本实验不采取运用石英晶体的多谐振荡器来产生秒脉冲，下面是石英晶体产生的电路图，电路图的组成比较复杂。

图3
（2）利用脉冲整形的方法，根据大二上时学的模电的知识，设计一个正弦信号发生电路，然后再利用整形电路对于输出的正弦波进行整形，得到矩形波信号，可以利用施密特触发器对其进行整形，但是信号在传输的过程中容易发生畸变，施密特触发器就可以把在传输过程中发生畸变的信号进行整形，但是一般都是用于幅度的鉴别比较好，在这里我们就不选用这样的整形电路。

（3）运用555定时器构成多谐振荡器来构成秒脉冲的发生电路。

555定时器是一种用途广泛的数字-模拟混合中规模集成电路，它只要通过接少量的元件就可以构成多种触发器和多谐振荡器，而且市面上的555器件比较多，价格比较便宜。

U CC
O
R u C
图4
因为直接用555振荡器外接几个元件直接产生的1Hz 的频率发生器产生的频率产生的矩形波的高电平不能激发下一个元件的正常工作，所以先产生1kHz 频率的矩形波，然后运用分频电路对长生的信号进行分频，得到频率为1Hz 的矩形波，也就是秒脉冲信号。

① 定性分析
设u c ＝0，则u O ＝1，T 截至
电容充电，u c 按指数规律上升，当u c ＝2 U cc /3时，u O ＝0，T 导通 电容放电，u c 按指数规律下降，当u c ＝ U cc /3时，u O ＝1，T 截至 电容再次充电，但充电的初始值与前次不同
② 波形分析
t
u O
u C
t
CC 23U
CC
13U
图5 ③ 计算振荡周期
频率
f=1/T
根据上面的分析且振荡器需要发出的频率为1kHz 信号的发生器，先取电容为0.01uF ，根据上面的计算公式得到R1=74千欧，R2=35千欧。

利用分频电路对产生的1KHz 的信号进行分频。

最后由U4的11端输出1Hz 的频率。

U2
74LS90N
Q A
12
Q B 9Q D 11Q C 8I N B 1R 91
6
R 927R 01
2
I N A
14
R 023U374LS90N
Q A 12
Q B 9Q D
11
Q C 8I N B
1
R 916R 92
7
R 012I N A 14R 02
3
U4
74LS90N
Q A
12Q B 9Q D
11
Q C 8I N B
1
R 916R 92
7
R 012I N A 14R 02
3
6
8101
79
图6 2．60进制计数器电路的选择
（1）采用异步加计数器，74LS193是双时钟四位二进制可逆计数器，它的清零方式是异步清零，高电平有效，其预置数是异步的，在异步计数器中，由于计数器的内部各个触发器的时钟输入是异步的，因此触发器的各个状态转换时间是固定的，在恶劣的情况下其传播延迟的时间很多，所以本次课设没有采取异步计数器。

()()T T R 2R Cln20.7R 2R C
121212T
+=+≈+=
（2）采用同步加计数器，74161是四位二进制加计数器，它具有异步清零，同步预置数等功能。

在这次的课程设计中要实现的是60进制计数器，所以采用两片74161来完成加计数功能，而实现60进制计数功能又有多种选择，①乘数法，将60分解成6*10,用两片74161分别组成六进制和十进制计数器，然后在级联成60进制的计数器。

②反馈置数法，将两片74161级联成16*16=256进制计数器，然后运用反馈置数法构成60进制的计数器。

本次采用的是方法①乘数法，它的电路图如下。

图7
3．编码电路的选择：
在数字电路中用二进制代码表示有关信号的过程称之为二进制编码，即建立输入信息与输出二进制代码之间的一一转换的关系，在此次的课程设计中，需要定时的时间是0~60分
钟之间，所以就需要对从0~60之间进行编码，为了不发生混乱，此次设计中采用的是运用
三片74LS148优先编码器分别对于要定时的时间的十位和个位进行编码，因为十位的数字只
是从0到6，所以用一片74LS148就可以，而个位的输出需要从0到9所以采用两片74LS148
进行级联，也可以采取74LS147，本实验中采用的是74LS148，编码电路的电路图为下图8
DCD_HEX_BLUE
图8
4．数值比较电路：
数值比较器就是对两数Ａ、Ｂ进行比较，以判断其大小的逻辑电路。

比较结果有
Ａ＞Ｂ、Ａ＜Ｂ以及Ａ＝Ｂ三种情况。

定时器有较多种类，这个定时器的设计要求用几个一位或者两位数值比较器级联也可以达到，但是考虑到操作的简便性和价格因素，最终选择的是级联两片集成数值比较器74LS85来实现。

下面详细介绍它的功能：
74LS85是４位数值比较器，其功能表如下：
表（1）
此次的比较采用一片74LS85不够用，所以采取两片进行级联的方式来实现比较功能.如下所示：就是采取的将两片四位比较器串联成的八位比较器，对于输入的数据进行比较。

图9 五．元器件明细表：
表（２）
六，收获与体会：
通过这次的数字技术基础的课程设计，使我明白只有把知识运用到实践中，才能真正把握知识，另一方面，团队合作能让我们学到更多。

首先，数字电子技术是一门深奥的学科，从课堂上我们学到的并非知识的全部，课程设计为我们提供了一次自我学习的机会。

同时，通过课程设计，我和我的同组人提高了动手能力，学会了将理论运用到实践中的技巧。

其次，通过这次的课程设计使我深深地理解到了分工合作的重要性，我们的课程设计是三人一组进行的，从最初的查找资料确定思路到动手画电路并在电脑上仿真实现，整个过程中我们即分工明确又紧密配合，毋庸置疑，团队合作精神是很重要的。

我们三个通过共同学习，共同探讨，一方面增进了友谊，另一方面也培养了相互之间探讨学习心得和问题的习惯，对以后的学习有很大的促进作用。

再次，这次的课程设计不仅锻炼了我们的动手和动脑的能力，更让我们体会到了理论与实践相联合的重要行，理论并不等于实践，光有理论是绝对不行的，但是在实践的过程中我们必须以理论为根据，才能在这一个层次上更好的把理论应用到实践中去，这次的课设使我真正的懂得了理论只是实践的基础，只有进一步的实践才能更好的运用理论。

所以在以后的学习和生活中都会好好的把理论和实践相结合才能达到真的懂一个问题。

七．参考文献：
《数字电子技术基础》林涛主编楚岩田莉娟林薇编著清华大学出版社
《数字逻辑电路》李海涛等编著人民出版社
《数字电路设计实用手册》荀殿栋徐志军等编著电子工业出版社
《大规模可编程逻辑器件及应用》徐志军李建中编著电子科技大学出版社。