電子秒表設(shè)計(jì)與分析

田芳明+王福鵬

摘 要：以NE555芯片為核心，組成多諧振蕩器，與CD4062十進(jìn)制譯碼器組成計(jì)數(shù)電路。CD4026輸出端信號(hào)具有規(guī)律可循，經(jīng)反饋后獲得進(jìn)位脈沖信號(hào)和清零信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)秒表計(jì)數(shù)功能。并選取電阻，電容，數(shù)碼管，設(shè)計(jì)出4位十進(jìn)制LED數(shù)碼管顯示時(shí)間，顯示范圍從00.00～到99.99s。計(jì)時(shí)開始，計(jì)時(shí)停止和顯示回0功能由開關(guān)控制。

關(guān)鍵詞：NE555芯片；CD4062十進(jìn)制譯碼器；LED數(shù)碼管；制造工藝

中圖分類號(hào)：TH714 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）05-0093-02

Abstract： With NE555 chip as the core， a multi-harmonic oscillator is formed， which is combined with CD4062 decimal decoder to constitute a counting circuit. The output signal of CD4026 has regular rules. After feedback， the carry pulse signal and zero clearing signal can be obtained， and the stopwatch counting function can be realized. Selecting the resistance， capacitance， and digital tube， this paper designs 4 decimal LED digital tubes to display time， within a range from 00.00～99.99s. The functions of displaying timing starts， timing stop and back to 0 are controlled by the switch.

Keywords： NE555 chip； CD4062 decimal decoder； LED digital tube； manufacturing process

前言

電子秒表的原理是以NE555芯片為核心，組成多諧振蕩器，與CD4062十進(jìn)制譯碼器組成計(jì)數(shù)電路。CD4026是一款同時(shí)兼?zhèn)涫M(jìn)制計(jì)數(shù)器和七段譯碼器兩大功能的芯片，通常在CP脈沖的作用下為陰極七段數(shù)碼管顯示提供輸入信號(hào)，由于CD4026輸出端信號(hào)具有規(guī)律可循，經(jīng)反饋后獲得進(jìn)位脈沖信號(hào)和清零信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)秒表計(jì)數(shù)功能。CD4026同時(shí)具有顯示譯碼功能，可將計(jì)數(shù)器的十進(jìn)制計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示的七位顯示碼，省去了專門的顯示譯碼器。CD4026的輸出abcdefg直接與LED數(shù)碼管連接。555計(jì)時(shí)器是一種應(yīng)用廣泛的時(shí)基電路，它可以組成最少800種比較實(shí)用的電路，具體可以參考陳永甫的《555集成電路應(yīng)用800例》，它的變化非常多，可以做單穩(wěn)，雙穩(wěn)，多諧振蕩器，施密特觸發(fā)器等。這一次用到的就是555計(jì)數(shù)器組成的多諧振蕩器。電路中包括RC電路，有助于獲得較低的震蕩頻率，通過對(duì)RC數(shù)值的改變可以很容易的實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率的調(diào)節(jié)。振蕩電路是數(shù)字秒表的核心部分，電容充放電的速度決定了電路的振蕩頻率，R1，R2決定了多諧振蕩器的周期。

1 元器件芯片型號(hào)介紹

2 清零鍵

CD4026的15腳為復(fù)位端，高電平有效，所以在正常使用時(shí)應(yīng)將四個(gè)CD4026的15腳都接低電平，當(dāng)開關(guān)被按下時(shí)，應(yīng)將四個(gè)CD4026的15腳都連接到高電平，實(shí)現(xiàn)清零功能。

方案：此方案需要使用到74LS04反相器芯片。74LS04是內(nèi)含6組相同的反相器。即1A輸入高電平，1Y輸出低電平。

在開關(guān)按下之前，1A引腳處于懸空狀態(tài)。懸空狀態(tài)時(shí)1A引腳相當(dāng)于輸入高電平，所以1Y引腳輸出低電平，CD4026芯片15腳復(fù)位端不復(fù)位；而當(dāng)開關(guān)按下時(shí)，1A引腳被拉低為低電平，1Y引腳輸出高電平，使CD4026復(fù)位端復(fù)位，從而實(shí)現(xiàn)清零功能。

3 開始與暫停鍵

開始計(jì)數(shù)與暫停計(jì)數(shù)功能主要是對(duì)CD4026第二腳的控制。CD4026第二腳為使能端，當(dāng)輸入電平為低電平時(shí)，使能端使能，CD4026正常計(jì)數(shù)；當(dāng)輸入電平為高電平時(shí)，使能端不使能，計(jì)數(shù)停止。根據(jù)上述，設(shè)計(jì)方案。

方案：將除最低位數(shù)碼管所連接的CD4026的2引腳全部接地使能，將最低位數(shù)碼管所連接的CD4026的2引腳接到復(fù)位鍵用到過的74LS04反相器芯片的2Y，將2A串聯(lián)一個(gè)開關(guān)然后接地。當(dāng)開關(guān)沒有被按下時(shí)，2A懸空，2Y輸出低電平，CD4026的2引腳輸入低電平，使能端使能，芯片正常計(jì)數(shù)；當(dāng)開關(guān)按下時(shí)，2A被拉低為低電平，2Y輸出高電平，CD4026使能端不使能，芯片停止計(jì)數(shù)。因?yàn)殚_關(guān)無法自動(dòng)保持在被按下狀態(tài)，所以當(dāng)我們將開關(guān)放開時(shí)，2A懸空，2Y輸出低電平，芯片使能，又開始計(jì)數(shù)，無法保持在暫停狀態(tài)，所以我們將此處開關(guān)換為自動(dòng)鎖定開關(guān)（注：報(bào)告中若沒有說明開關(guān)為自動(dòng)鎖定開關(guān)則一律為非自動(dòng)鎖定開關(guān)），這樣當(dāng)自動(dòng)鎖定開關(guān)被按下時(shí)，自動(dòng)鎖定開關(guān)將保持在被按下狀態(tài)，2A將保持為低電平，2Y保持輸出高電平，芯片停止計(jì)數(shù)。經(jīng)實(shí)際操作后方案可行。

4 NE555單個(gè)脈沖長(zhǎng)度的控制

在將硬件上實(shí)現(xiàn)00.00到99.99計(jì)數(shù)器之后，就到了需要控制555計(jì)數(shù)器一個(gè)脈沖長(zhǎng)度為0.01s的時(shí)候了，然后公式如下：t=（0.7R1+1.4R2）*C。因?yàn)榭刂?55計(jì)數(shù)器一個(gè)脈沖長(zhǎng)度為0.01s較難觀察是否達(dá)到要求，所以我們首先將555計(jì)數(shù)器一個(gè)脈沖長(zhǎng)度控制為1s，然后求出R1（電阻），R2（電阻）和C（電容）的值，然后將電容換為0.01倍的C即可。

我們首先用一個(gè)10uF的電容：

（1）將1個(gè)47K的電阻作為R1，將另一個(gè)47K的電阻作為R2，然后接到電路中求得的結(jié)果為計(jì)時(shí)99s誤差4s（慢4秒）。根據(jù)公式，若計(jì)時(shí)速度比標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘慢，則可以通過減小R1或R2的值來調(diào)節(jié)。

（2）將1個(gè)47K的電阻作為R1，將一個(gè)40K的電阻作為R2，然后接到電路中求得的結(jié)果為計(jì)時(shí)99s誤差3.5s（快3.5秒）。需要增大電阻。

（3）將1個(gè)47K的電阻作為R1，將一個(gè)40K與4.7K的電阻串聯(lián)作為R2，然后接到電路中求得的結(jié)果為計(jì)時(shí)99s誤差2s（慢2秒）。需要減小電阻。

（4）將1個(gè)47K的電阻作為R1，將一個(gè)40K與三個(gè)1K的電阻串聯(lián)作為R2，然后接到電路中求得的結(jié)果為計(jì)時(shí)99s誤差不到1s。

所以采取實(shí)驗(yàn)四的數(shù)據(jù)R1=47K， R2=43K作為最終數(shù)據(jù)，然后將10uF電容換為0.1uF電容，然而實(shí)際操作得到的結(jié)果卻與預(yù)期計(jì)算差距較大，計(jì)數(shù)99s誤差約10s。于是經(jīng)過多次的實(shí)驗(yàn)、調(diào)整，最終終于得出了最滿意的結(jié)果：計(jì)時(shí)99s誤差小于0.5s。這次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)為R1=47K，R2=51.7K，C=0.1uF。

5 結(jié)束語

熟練使用NE555芯片，74LS04反相器芯片以及CD4026芯片，掌握CD4026單元電路的綜合應(yīng)用，應(yīng)用串行和并行的方式進(jìn)行連接電路實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器的級(jí)聯(lián)電路，進(jìn)一步可以利用多片芯片設(shè)計(jì)各進(jìn)制的計(jì)數(shù)電路，通過設(shè)計(jì)重啟和停止，啟動(dòng)技術(shù)鍵，理解各引腳的功能和用法，利用NE555產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，學(xué)會(huì)這個(gè)芯片輸出不同的頻率的信號(hào)。

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