定时器数字电路
一． 内容摘要:
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时正在进行定时还是已经定时结束，在定时的过程中显示定时的时间。
二．方案论证与选择
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
设定时间编码出的二进制数与分钟计数器的计数值通过数值比较器来比较，当前者小于后者时，处在定时工作状态中，当前者不小于后者时，定时结束，手动清零。分计数器为六十进制，设定时间为1——60随意设定，通过编码器输出八位8421BCD码。此方案电路图清晰明了，易操作和实现。
因此，本课设选用方案二。
下面是方案二中各单元电路功能实现的方案设计或选择
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，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。如图：
（2）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。本课设采用此方案，具体分析及电路图在下面会提到。
2. 60进制计数器电路的选择
（1）采用异步加计数器，74LS290或74LS293均为异步计数器的集成器件，由于二进制异步计数器的高位触发器的状态变化必须在低位触发器产生进位信号后才能实现。故称为串行计数器。其工作速度比同步计数器要慢。在恶劣的情况下其传播延迟的时间会很多。因此本次课设没有采取异步计数器。
（2）采用同步加计数器，我们采用所熟悉的74161，它是四位二进制加计数器，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进制分钟计数器，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。
3. 编码器的选择：
0-59分随意定时，需将设定的十进制时间编译成二进制时间。个位上是0—9编译成四位二进制时间0000—1001，十位上是0—5编译成三位二进制是000—101.因此十位上的编码器应选择8线-3线优先编码器74LS148。用两片74LS148成16线-4线优先编码器，可用于0—9的编码。
4．数值比较器的选择
由于计数电路和编码电路的各集成器件的输出均为四位二进制或三位二进制，所以比较器可用四位并行数值比较器，例如：74LS85、MC14585、CC14585等。本次试验选用两片74LS85级联即可。
方案的原理框图、总体电路图、接线图以及说明
1. 原理图：
2. 总体电路图为：
电路的工作：
例如：设定时间为59分，定时开始电路状态为定时器显示59，手动清零开关闭合，秒计数器和分计数器开始计时，并显示时间，红灯亮，绿灯不亮。
图为12分26秒时的工作状态
当超过定时时间时，绿灯亮，红灯不亮。
图为到达定时时间的工作状态
手动清零，将手动清零开关打开，计数器均归零。
3．各单元电路之间的连线：
= 1 \* GB3 ① 秒脉冲发生电路与计数电路
秒脉冲发生电路的输出端与计数器的输入计数脉冲端口相连；
= 2 \* GB3 ② 编码电路、计数电路和数值比较电路
编码器的输出端与计数电路的输出端由高位到地位分别与数值比较器相应的输入端相连接，实现两个数的比较。
= 3 \* GB3 ③ 数值比较器到指示灯
当编码电路输出的二进制数（设定时间）大于计数电路输出的二进制数（实际时间）时，即定时器在工作状态中，在数值比较器的输出端Ya
单元电路设计、元器件选择和电路参数计算
秒脉冲发生器
（1）555电路的工作原理
555电路的内部电路方框图如图1所示。它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关管T，比较器的参考电压由三只5K的电阻器构成的分压器提供。他们分别使高电平比较器A1的同相输入端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为和。A1和A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号自6脚，即高电平触发输入并超过参考电平时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电开关管截止。
是复位端（4脚），当=0，555输出低电平。平时端开路或接。
图1 555定时器内部框图及引脚排列
VC是控制电压端（5脚），平时输出作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加 电压时，通常接一个0.01f的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，确保参考电平的稳定。
T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电通路。
555定时器主要是与电阻、电容构成放电电路，并由两个比较器来检测电容器上的电压，以确定输出电平的高低和放电开关管的通断。这就很方便地构成从微秒到数十分钟延时电路，可方便地构成单稳态触发器，多谐振荡器，施密特触发器等脉冲产生或波形变换电路。
（2）集成定时器的基本功能：
a.直接复位——当直接复位端接低电平，则无论阈值端TH、低触发端及电路原态输出和状态如何，定时器输出均为0，此时放电开关管T允许饱和导通。
b.置0 ——— 当端接高电平时，只要TH端和端分别大于各自比较器的参考电压2UCC/3和UCC/3，则定时器输出为0，放电开关T允许饱和导通。
c.置1 —— 当端接高电平，只要TH端和端分别低于各自比较器的参考电压2UCC/3和UCC/3，则定时器输出为1，放电开关T截止。
d. 保持原态—— 当端接高电平，若TH端低于其参考电压2UCC/3，且端高于参考电压UCC/3，则定时器输出保持原态。
以上功能可概括为表1 所示。
表1集成定时器功能表
（3）构成多谐振荡器
图3（a）
如图3（a），由555定时器和外接元R1、R2、C1构成多谐振荡器，脚2与脚6直接相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外加触发信号，利用电源通过R1，R2向C1充电，以及C1通过R2向放电端C2放电，使电路产生振荡。电容C1在VCC和VCC之间充电和放电，其波形如图3（b）所示。输出信号的时间参数是
T=tw1+tw2， tw1=0.7（R1+R2）C1， tw2=0.7R2C1
f =1/T=1.44/(R1+2R2)C1
555电路要求R1与R2均应大于或等于1K，但R1+R2应小于或等于3.3M。
外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性，555定时器配以少量的元件即可获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输出能力。因此这种形式的多谐振荡器应用很广。
由于用555集成片构成的多谐振荡要产生秒脉冲，其幅值太小，因此用其产生的1KHz的脉冲（幅值约为5V），再经过分频器（幅值大小不变）就可以得到1Hz的秒脉冲了。
R1=74KΩ R2=35KΩ C1=C2=0.01uF
具体电路图为：
产生的脉冲波形为：
六十进制计数器
乘数的方法：将六十分解，60=10*6，用两片74LS161分别组成十进制和六进制计数器，再级联成60进制的计数器。
电路图为：
秒计数和分钟计数都是应用此电路。
编码器
（1）编码器电路图：
（2）电路功能：
图中J2和J3十个开关分别与两片74LS148组成的16线-4线编码器的级别最高的输入端相连，由下向上分别编译出来的十个二进制数为0000——1001，断开某一开关Ki，表示设定时间的个位为其相对应的十进制数。J1的六个开关由下向上也对应编码为0000——0101，断开某一开关K，表示设定时间的十位为其相对应的十进制数。
数值比较器
电路图为：
功能：
两片74LS148级联后，就可以比较八位8421BCD码的大小，若Da>Db,输出端为100；Da=Db，输出端为010；Da
收获与体会
通过这次的课程设计，证实了理论知识和实际应用结合才能更加方便我们了解一些器件的使用及其功能。本课设是定时器的设计。用到了编码器、计数器、和数值比较器等元器件，其功能都已熟悉了解。总电路中的计数电路需设计六十进制的计数器，当然有很多方法，如异步清零法还是预置数法，并行还是串行。不同的方法有不同的优缺点，要掌握多种方法就得特别熟悉元器件的功能以及灵活的运用元器件。各单元电路的连接也十分重要，稍微考虑不到就会影响整个电路的运行。这学期所学的《数字电子技术》这门课中，元器件也学了不少，都只是知道学理论的知识，其功能的使用也仅限于课本所提到的，其实还有好多元器件我们还没能认识，它们的功能也有待我们去了解。
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，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间用去很多。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。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。
同时我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。某个人的离群都可能导致导致整项工作的失败。实习中只有一个人知道原理是远远不够的，必须汇总各组员的思路和智慧，集思广益才能顺利完成。团结协作是我们课设成功的一项非常重要的保证。
这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多专业知识问题，最后在老师的辛勤指导下，终于游逆而解。同时，在老师的身上我们学也到很多实用的知识。总之，此次课程设计，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等在此，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！
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
数字逻辑课程设计
课题 定时器
学院 信息工程学院
专业 计算机科学与技术
班级 24020704
学号 2402070401
姓名 李 姗 姗
日期 2009.06.18
定时器数字电路.doc
