定时控制器逻辑电路设计

一概述

为了能使仪器在特定的时间内工作,通常需要人在场干预才能完成。本课题设计的定时器,就是能使你不在时,仪器也能按时打开和关闭。例如你想用录音机、录像机录下某一时间断的节目,而这一段时间你又有其他事要做,不在家或机器旁边,你就可以实现预置一下定时器。在几点几分准时打开机器,到某时某刻关掉机器。数字钟是采用数字电路实现对时、分、秒数字显示的计时装置，以其显示的直观性、走时准确稳定而受到人们的欢迎，广泛用于个人家庭、车站、码头、办公室等公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来了极大的方便，诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、通断动力设备、以及各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。

定时控制器由供电单元、数字钟单元、定时单元以及控制输出单元等几部分组成.如图1所示为定时控制器系统框图。

图1

二．设计任务和要求

设计一个带数组电子钟的定时控制器逻辑电路，具体任务要求如下：

1．可设定定时启动（开始）时间与定时结束（判定）时间

2.定时开始，指示灯亮；定时结束，指示灯灭

3.定时范围可以选择

4.具有电子钟功能,显示为四位数

三.电路设计

数字钟一般由振荡器、分频器、计数器、译码器、显示器等几部分组成。这些都是数字电路中应用最广的基本电路。石英晶体振荡器产生的时标信号送到分频器，分频电路将时标信号分成每秒一次的方波秒信号。秒信号送入计数器进行计时，并把累计的结果以“时”、“分”、“秒”的数字显示出来。“秒”的显示由两级计数器和译码器组成的六十进制计数电路实现；“分”的显示电路与“秒”相同，“时”的显示由两级计数器和译码器组成的二十四进制计数电路实现。所有计时结果结果由六位数码管显示。

3.1石英晶体振荡器

振荡器是电子钟的核心，用它产生标准频率信号，再由分频器分成秒时间冲。

振荡器振荡频率的精度与稳定度基本上决定了钟的准确度。

振荡器是由石英晶体，微调电容与集成反相器等元件构成。石英晶体振荡器电路给数字钟提供一个频率稳定准确的32768Ｈz的方波信号，可保证数字钟的走时准确及稳定。不管是指针式的电子钟还是数字显示的电子钟都使用了晶体振荡器电路。

图中1门、2门是反相器，1门用于振荡，2门用于缓冲整形，R1为反馈电阻，反馈电阻的作用是为反相器提供偏置，使其工作在放大状态。反馈电阻R1的值选取太大，会使放大器偏置不稳甚至

不能正常工作；R1值太小又会使反馈网络负担加重。图中C1是频率微调电容，一般取5-35pF。C2是温度特性校正电容，一般取20-40pF。电容C1、C2与晶体共同构成∏形网络，以控制振荡频率，并使输入输出相移180度。

从有关手册中，可查得C1、C2均为30pF。当要求频率准确度和稳定度更高时，还可接入校正电容并采取温度补偿措施。

石英晶体振荡器XTAL的振荡频率选为32768Hz。该元件专为数字钟电路而设计，其频率较低且稳定，有利于减少分频器级数，可用反相器整形而得到矩形脉冲输出。

由于CMOS电路的输入阻抗极高，因此反馈电阻R1可选为10MΩ。较高的反馈电阻有利于提高振荡频率的稳定性。

非门电路可选74HC00。

3.2电源电路

本系统电源,如不用实验室电源,可以采用三端稳压块获得+5v稳压输出,如图2所示

图2

3.3分频器

在数字电路中，分频器是一种可以进行频率变换的电路，其输入、输出信号是频率不同的脉冲

序列。输入、输出信号频率的比值称为分频比。例如，2分频器的输出信号频率是输入信号频率的21，8分频器的输出信号频率是输入信号频率的8

1。通常实现分频器的电路是计数器电路，一般采用多级2进制计数器来实现。例如，将32768Hz 的振荡信号分频为1Hz 的分频倍数为32768（152），即

实现该分频功能的计数器相当于15级2进制计数器。常用的２进制计数器有74HC393等。

本次课程设计中采用CD4060来构成分频电路。CD4060在数字集成电路中可实现的分频次数最高，而且CD4060还包含振荡电路所需的非门，使用更为方便。CD4060计数器为14级2进制计数器，可以将32768Hz 的信号分频为２Hz ，其内部框图如图所示，从图中可以看出，CD4060的时钟输入端两个串接的非门，因此可以直接实现振荡和分频的功能。

3.4 计数器

3.4.1同步十进制加法计数器74160功能介绍

同步十进制加法计数器74160电路如图1所示，此电路增加了预置数、保持和异步置零的功能。图1中LOAD ′为预置数控制端,RCO 为进位输出端,CLR 为异步置零端，ENP 和ENT 为工作状态控制端。CLK 为脉冲控制端，Q A 、Q B 、Q C 、Q D 为输出控制端。 3.4.2 六十进制计数

秒计数器的电路形式很过，一般都是由一级十进制计数器和一级六进制计数器组成，是用两块中规模集成电路74LS160按反馈置零法串接而成。秒计数器的十位和个位，输出脉冲除用作自身清零外，同时还作为“分”计数器的输入信号。

当第一个脉冲来到时两个数显同步置零，显示00状态，即两个同步十进制加法计数器的输出分别为0000和0000，当第二个脉冲来到时个为脉冲作用下第一个同步十进制加法计数器的输出变为0001，而第二个同步十进制加法计数器的工作状态控制端接的为低电平，所以不工作，继续保持为0000状态不变，当第一个同步十进制加法计数器输入第九个脉冲后，RCO 进位输出端会置1，同时第二个同步十进制加法计数器的工作状态控制端接的为高电平，所以开始工作，输出由0000变为0001，然

后保持至第一个同步十进制加法计数器的输出再次变为1001。当第一个同步十进制加法计数器的输出为0101，同时第二个同步十进制加法计数器的输出为1001时，两个同步十进制加法计数器的预置数控制端被同时置为0，即两个同步十进制加法计数器的输出均变为0000，从而完成六十进制计数, 电路如图3

图3

3.4.3 二十四进制计数

二十四进制小时计数器，是用两片74LS160构成的。也可用两块中规模集成电路74LS160和与非门构成。

当第一个脉冲来到时两个数显同步置零，显示00状态，即两个同步十进制加法计数器的输出分别为0000和0000，当第二个脉冲来到时个为脉冲作用下第一个同步十进制加法计数器的输出变为0001，而第二个同步十进制加法计数器的工作状态控制端接的为低电平，所以不工作，继续保持为0000状态不变，当第一个同步十进制加法计数器输入第九个脉冲后，RCO进位输出端会置为1，同时第二个同步十进制加法计数器的工作状态控制端接的为高电平，所以开始工作，输出由0000变为0001，然后保持至第一个同步十进制加法计数器的输出再次变为1001。当第一个同步十进制加法计数器的输出为0010，同时第二个同步十进制加法计数器的输出为0011时，两个同步十进制加法计数器的预置数控制端被同时置为0，即两个同步十进制加法计数器的输出均变为0000，从而完成二十四进制计数,电路如图4。