設計具有手控方式實現體育競賽秒級定時的電路，利用LED數碼管顯示計數器的值。掌握用 “反饋置數法”構成定時電路的設計方法；用Multisim軟件畫圖仿真；用Protel軟件繪制PCB板圖。具體要求如下：

（1）設計一個計時電路，定時時間為（20+學號末兩位）秒，并能實時顯示時間；

（2）設置操作開關控制計時器的清零、啟動和暫停/連續計時；

（3）要求定時電路遞增計時，每隔一秒鐘，定時電路加1；

（4）當計時電路遞增計時到預定數值時發出報警信號；

（5）外界供電為AC 220市電，設計能滿足定時電路供電要求的電源。

圖1 51秒定時器原理框圖

30 秒定時器主要由秒脈沖發生器、 控制電路、 計數器、譯碼顯示器電路和報警電路五部分組成。

電路原理分析：

圖2 電源電路仿真電路

圖3 電壓表示數

它由分壓器、比較器、基本 R--S 觸發器和放電三極管等部分組成。分壓器由三個 5 KΩ的等值電阻串聯而成。分壓器為比較器、提供參考電壓，比較器的參考電壓為，加在同相輸入端， 比較器 的參考電壓為，加在反相輸入端。 比較器由兩個結構相同的集成運放組成。 高電平觸發信號加在的反相輸入端，與同相輸入端的參考電壓比較后，其結果作為基本 R--S 觸發器端的輸入信號；低電平觸發信號加在的同相輸入端，與反相輸入端的參考電壓比較后，其結果作為基本 R—S 觸發器端的輸入信號�；�本 R--S 觸發器的輸出狀態受比較器的輸出端控制。

圖4 555定時器

由 555 定時器組成的多諧振蕩器如圖所示，其中 R 1 、R 2 和電容 C 為外接元件。其工

作波如圖所示。設電容的初始電壓 ＝０， t＝０時接通電源，由于電容電壓不能突變，所以高、低觸發端 ＝＝０<，比較器輸出為高電平，輸出為低電平，即，（1 表示高電位， 0 表示低電位） ， R S 觸發器置１， 定時器輸出此時，定時器內部放電三極管截止，電源V cc經向電容Ｃ充電，逐漸升高。當上升到時，輸出由０翻轉為１， 這時， R—S 觸發順保持狀態不變。 所以 0<t<期間，定時器輸出為高電平１。

時刻，上升到，比較器的輸出由１變為０， 這時, R -S觸發器復０，定時器輸出。

期間，，放電三極管Ｔ導通， 電容Ｃ通過R 2放電。按指數規律下降，當時比較器輸出由０變為１，Ｒ－Ｓ觸發器的，Ｑ的狀態不變，的狀態仍為低電平。

時刻，下降到，比較器輸出由 1 變為 0，R---S 觸發器的，觸發器處于 1，定時器輸出。此時電源再次向電容 C 放電，重復上述過程。

通過上述分析可知，電容充電時，定時器輸出，電容放電時，，電容不斷地進行充、放電，輸出端便獲得矩形波。多諧振蕩器無外部信號輸入，卻能輸出矩形波，其實質是將直流形式的電能變為矩形波形式的電能.

由圖可知，振蕩周期。 為電容充電時間， 為電容放電時間。

充電時間

放電時間

矩形波的振蕩周期

矩形波頻率

計算：

圖5 1HZ多諧振蕩器仿真電路

74LS160 的清除端是異步的。當清除端ＣＬＲ為低電平時，不管時鐘端ＣＬＫ狀態如何，即可完成清除功能。

74LS160 的預置是同步的。當置入控制器ＬＯＡＤ為低電平時，在 ＣＬＫ上升沿作用下，輸出端 Q0－Q3 與數據輸入端 Ｄ0－D3 一致。對于74ＬＳ１６０，當 ＣＬＫ由低至高跳變或跳變前，如果計數控制端ENP、ENT為高電平，則ＬＯＡＤ應避免由低至高電平的跳變，而 74LS160 無此種限制。

74LS160 的計數是同步的，靠ＣＬＫ同時加在四個觸發器上而實現的。當ENP、ENT均為高電平時，在ＣＬＫ上升沿作用下 Q0－Q3同時變化，從而消除了異步計數器中出現的計數尖峰。對于74LS160，只有當ＣＬＫ為高電平時，ENP、ENT才允許由高至低電平的跳變， 而74LS160的 ENP、ENT跳變與ＣＬＫ無關。160 有超前進位功能。當計數溢出時，進位輸出端（ＲＣＯ）輸出一個高電平脈沖，其寬度為 Q0的高電平部分。

在不外加門電路的情況下，可級聯成 N位同步計數器。對于74LS160，在ＣＬＫ出現前，即使 ENP、ENT、ＣＬＲ發生變化，電路的功能也不受影響。

圖6 74LS160封裝圖

圖7 74LS160邏輯圖

表１　74LS160的功能表

表２　引出端符號意義

如圖所示，51秒定時器計數器設計電路如下：

51進制設計：U1為十位數部分，U2為個位數部分。當ENP (U2)＝ENT (U2)=CLR（U1、U2）=1時，計數器開始加法計算，由00不斷加法計算到51秒。RCO（U2） 連接ENP、ENT（U1），當U2的計數器一個循環后，U1的示數加1，由三腳與非門U7A連接U1的QA和QC，U2的QA，當輸出計數器輸出了51時，U7A與非門輸出低電平，S1繼電器切換電路到地，計數器暫停在51，經過U8A非門后，輸出高電平，蜂鳴器鳴叫。

開啟：開關S2控制計數器開啟。當S2斷開時，ENP (U2)＝ENT (U2)=CLR（U1、U2）=1，計數器啟動。當S2連接時，CLR（U1、U2）=0，電路關閉。

置0：電路正常運行時，當S2、S3斷開，S4連接，計數器置0。

暫停/繼續:電路正常運行時，當S2、S4斷開，S3連接,計數器保持狀態，當S4連接時，計數器繼續運行。

圖8　兩片74LS160 芯片設計51秒定時器的計數器部分

74LS48 是 BCD-7 段譯碼器/驅動器，其輸出是OC門輸出且高電平有效， 專用于驅動 LED七段共陰極顯示數碼管。其功能是把輸入的 8421BCD 碼 ABCD 譯成七段輸出 a-g，再由七段數碼管顯示相應的數。由 74LS48 和 LED 七段共陰極數碼管組成一位數碼顯示電路。若將個位、時位、百位計數器的輸出分別接到相應七段譯碼器的輸入端，便可進行不同數字顯示。在譯碼器輸出與數碼管之間串聯的 R 為限流電阻。當計數器在 CP 脈沖的作用下，就應將其狀態顯示成清晰的數字符號。74LS48 的管腳如圖所示。在管腳圖中，管腳 LT、RBI、BI/RBO 都是低電平是起作用，作用分別為：

LT 為燈測檢查，用 LT 可檢查七段顯示器個字段是否能正常被點燃。

BI 是滅燈輸入，可以使顯示燈熄滅。

RBI 是滅零輸入， 可以按照需要將顯示的零予以熄滅。 BI/RBO 是共用輸出端， RBO 稱為滅零輸出端，可以配合滅零輸出端 RBI，在多位十進制數表示時，把多余零位熄滅掉，以提高視圖的清晰度。

圖9 74LS48管腳圖

表3 74LS78芯片功能表

（1）譯碼功能：將 LT，RBI 和 BI/RBO 端接高電平，輸入十進制數 0~9的任意一組 8421BCD碼（原碼），則輸出端 a~g也會得到一組相應的 7 位二進制代碼（ 74LS48 驅動共陰極，輸出3FH、06H、5BH, ； 74LS47驅動共陽極，輸出 COH、F9H、A4H, ）。如果將這組代碼輸入到數碼管，就可以顯示出相應的十進制數。

（2）試燈功能：給試燈輸入加低電平，而 BI/RBO 端加高電平時，則輸出端 a~g均為高電平。若將其輸入數碼管，則所有的顯示段都發亮。此功能可以用于檢查數碼管的好壞。

（3）滅燈功能：將低電平加于滅燈輸入時，不管其他輸入為什么電平，所有輸出端都為低電平。將這樣的輸出信號加至數碼管，數碼管將不發亮。

（4）動態滅燈功能：RBI 端為滅零輸入端，其作用是將數碼管顯示的數字 0熄滅。當RBI=0，且 DCBA=0000 時，若 LT=1，a~g輸出為低電平，數碼管無顯示。利用該滅零端，可熄滅多位顯示中不需要的零。不需要滅零時， RBI=1。

圖10 顯示部分仿真電路圖

報警電路設計：由一個非門與蜂鳴器組成報警電路，當計數器達到５１時，ＵＡ７輸出低電平，通過非門Ｕ８Ａ變成高電平，蜂鳴器工作，發出警報。

圖11 報警電路設計電路圖

總電路如下：上部分為直流穩壓電源，通過調節電位器，將市電２２０Ｖ轉為直流電５Ｖ，再經過下面電路完成５１秒定時器電路，完成整個電路設計。

在計數器達到51秒之時，蜂鳴器鳴叫，要關閉即切換S3，即清零計數器，再切換高電平即繼續啟動。

啟動：S2，S3連接，S2斷開，計數器啟動。

停止：S2，S3， S2連接，計數器關閉。

              置0：S2、S3斷開，S4連接，計數器置0。

暫停：S2、S4斷開，S3連接，計數器計數暫停。

繼續：S2斷開，S3、S4連接，計數器計數繼續運行。

圖12 51秒定時器設計總電路圖(開啟、置0、停止)

圖13 PCB原理圖

圖14 PCB圖

圖15 PCB 3D視圖

表3  元器件清單列表

通過這次對兩位十進制計數器７４ＬＳ１６０的設計與制作，我懂得了如何將自己所學的東西運用于實際電路中，掌握了功能電路的基本設計方法，學會了74LS１６０計數器的應用，加深了對時序電路的理解，同時也掌握了仿真軟件的應用，能夠對設計的電路進行仿真，從而驗證電路的正確性。通過這次設計我還學會了通過圖書館書籍和互聯網進行資料的收集，為以后的設計工作奠定基礎。在不斷地學習著數電知識，并且了解了很多芯片的使用，以及連接的方式，在PCB的設計和操作中不斷地學到很多東西，也理解了很多數字電子技術的理論，實踐了這些技術。