電子秒表設計與分析

田芳明+王福鵬

摘 要：以NE555芯片為核心，組成多諧振蕩器，與CD4062十進制譯碼器組成計數電路。CD4026輸出端信號具有規律可循，經反饋后獲得進位脈沖信號和清零信號，可實現秒表計數功能。并選取電阻，電容，數碼管，設計出4位十進制LED數碼管顯示時間，顯示范圍從00.00～到99.99s。計時開始，計時停止和顯示回0功能由開關控制。

關鍵詞：NE555芯片；CD4062十進制譯碼器；LED數碼管；制造工藝

中圖分類號：TH714 文獻標志碼：A 文章編號：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CD4062十進制譯碼器組成計數電路。CD4026是一款同時兼備十進制計數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碼管顯示提供輸入信號，由于CD4026輸出端信號具有規律可循，經反饋后獲得進位脈沖信號和清零信號，可實現秒表計數功能。CD4026同時具有顯示譯碼功能，可將計數器的十進制計數轉換為驅動數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數碼管連接。555計時器是一種應用廣泛的時基電路，它可以組成最少800種比較實用的電路，具體可以參考陳永甫的《555集成電路應用800例》，它的變化非常多，可以做單穩，雙穩，多諧振蕩器，施密特觸發器等。這一次用到的就是555計數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RC數值的改變可以很容易的實現對頻率的調節。振蕩電路是數字秒表的核心部分，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 元器件芯片型號介紹

2 清零鍵

CD4026的15腳為復位端，高電平有效，所以在正常使用時應將四個CD4026的15腳都接低電平，當開關被按下時，應將四個CD4026的15腳都連接到高電平，實現清零功能。

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

在開關按下之前，1A引腳處于懸空狀態。懸空狀態時1A引腳相當于輸入高電平，所以1Y引腳輸出低電平，CD4026芯片15腳復位端不復位；而當開關按下時，1A引腳被拉低為低電平，1Y引腳輸出高電平，使CD4026復位端復位，從而實現清零功能。

3 開始與暫停鍵

開始計數與暫停計數功能主要是對CD4026第二腳的控制。CD4026第二腳為使能端，當輸入電平為低電平時，使能端使能，CD4026正常計數；當輸入電平為高電平時，使能端不使能，計數停止。根據上述，設計方案。

方案：將除最低位數碼管所連接的CD4026的2引腳全部接地使能，將最低位數碼管所連接的CD4026的2引腳接到復位鍵用到過的74LS04反相器芯片的2Y，將2A串聯一個開關然后接地。當開關沒有被按下時，2A懸空，2Y輸出低電平，CD4026的2引腳輸入低電平，使能端使能，芯片正常計數；當開關按下時，2A被拉低為低電平，2Y輸出高電平，CD4026使能端不使能，芯片停止計數。因為開關無法自動保持在被按下狀態，所以當我們將開關放開時，2A懸空，2Y輸出低電平，芯片使能，又開始計數，無法保持在暫停狀態，所以我們將此處開關換為自動鎖定開關（注：報告中若沒有說明開關為自動鎖定開關則一律為非自動鎖定開關），這樣當自動鎖定開關被按下時，自動鎖定開關將保持在被按下狀態，2A將保持為低電平，2Y保持輸出高電平，芯片停止計數。經實際操作后方案可行。

4 NE555單個脈沖長度的控制

在將硬件上實現00.00到99.99計數器之后，就到了需要控制555計數器一個脈沖長度為0.01s的時候了，然后公式如下：t=（0.7R1+1.4R2）*C。因為控制555計數器一個脈沖長度為0.01s較難觀察是否達到要求，所以我們首先將555計數器一個脈沖長度控制為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10uF的電容：

（1）將1個47K的電阻作為R1，將另一個47K的電阻作為R2，然后接到電路中求得的結果為計時99s誤差4s（慢4秒）。根據公式，若計時速度比標準時鐘慢，則可以通過減小R1或R2的值來調節。

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

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

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

所以采取實驗四的數據R1=47K， R2=43K作為最終數據，然后將10uF電容換為0.1uF電容，然而實際操作得到的結果卻與預期計算差距較大，計數99s誤差約10s。于是經過多次的實驗、調整，最終終于得出了最滿意的結果：計時99s誤差小于0.5s。這次實驗的數據為R1=47K，R2=51.7K，C=0.1uF。

5 結束語

熟練使用NE555芯片，74LS04反相器芯片以及CD4026芯片，掌握CD4026單元電路的綜合應用，應用串行和并行的方式進行連接電路實現計數器的級聯電路，進一步可以利用多片芯片設計各進制的計數電路，通過設計重啟和停止，啟動技術鍵，理解各引腳的功能和用法，利用NE555產生時鐘信號，學會這個芯片輸出不同的頻率的信號。

參考文獻：

[1]康光華.電子技術基礎（數字部分）第六版[M].高等教育出版社，2014.

[2]陳永甫.555集成電路應用800例[M].電子工業出版社，2000.

[3]甘學溫，趙寶英.集成電路原理與設計[M].北京大學出版社，2006.

[4]余小平.電子系統設計[M].北京航空航天大學出版社，2007.

[5]李雷.集成電路應用試驗[M].國防工業出版社，2004.endprint