电子秒表设计与分析

田芳明+王福鹏

摘 要：以NE555芯片为核心，组成多谐振荡器，与CD4062十进制译码器组成计数电路。CD4026输出端信号具有规律可循，经反馈后获得进位脉冲信号和清零信号，可实现秒表计数功能。并选取电阻，电容，数码管，设计出4位十进制LED数码管显示时间，显示范围从00.00～到99.99s。计时开始，计时停止和显示回0功能由开关控制。

关键词：NE555芯片；CD4062十进制译码器；LED数码管；制造工艺

中图分类号：TH714 文献标志码：A 文章编号：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

电子秒表的原理是以NE555芯片为核心，组成多谐振荡器，与CD4062十进制译码器组成计数电路。CD4026是一款同时兼备十进制计数器和七段译码器两大功能的芯片，通常在CP脉冲的作用下为阴极七段数码管显示提供输入信号，由于CD4026输出端信号具有规律可循，经反馈后获得进位脉冲信号和清零信号，可实现秒表计数功能。CD4026同时具有显示译码功能，可将计数器的十进制计数转换为驱动数码管显示的七位显示码，省去了专门的显示译码器。CD4026的输出abcdefg直接与LED数码管连接。555计时器是一种应用广泛的时基电路，它可以组成最少800种比较实用的电路，具体可以参考陈永甫的《555集成电路应用800例》，它的变化非常多，可以做单稳，双稳，多谐振荡器，施密特触发器等。这一次用到的就是555计数器组成的多谐振荡器。电路中包括RC电路，有助于获得较低的震荡频率，通过对RC数值的改变可以很容易的实现对频率的调节。振荡电路是数字秒表的核心部分，电容充放电的速度决定了电路的振荡频率，R1，R2决定了多谐振荡器的周期。

1 元器件芯片型号介绍

2 清零键

CD4026的15脚为复位端，高电平有效，所以在正常使用时应将四个CD4026的15脚都接低电平，当开关被按下时，应将四个CD4026的15脚都连接到高电平，实现清零功能。

方案：此方案需要使用到74LS04反相器芯片。74LS04是内含6组相同的反相器。即1A输入高电平，1Y输出低电平。

在开关按下之前，1A引腳处于悬空状态。悬空状态时1A引脚相当于输入高电平，所以1Y引脚输出低电平，CD4026芯片15脚复位端不复位；而当开关按下时，1A引脚被拉低为低电平，1Y引脚输出高电平，使CD4026复位端复位，从而实现清零功能。

3 开始与暂停键

开始计数与暂停计数功能主要是对CD4026第二脚的控制。CD4026第二脚为使能端，当输入电平为低电平时，使能端使能，CD4026正常计数；当输入电平为高电平时，使能端不使能，计数停止。根据上述，设计方案。

方案：将除最低位数码管所连接的CD4026的2引脚全部接地使能，将最低位数码管所连接的CD4026的2引脚接到复位键用到过的74LS04反相器芯片的2Y，将2A串联一个开关然后接地。当开关没有被按下时，2A悬空，2Y输出低电平，CD4026的2引脚输入低电平，使能端使能，芯片正常计数；当开关按下时，2A被拉低为低电平，2Y输出高电平，CD4026使能端不使能，芯片停止计数。因为开关无法自动保持在被按下状态，所以当我们将开关放开时，2A悬空，2Y输出低电平，芯片使能，又开始计数，无法保持在暂停状态，所以我们将此处开关换为自动锁定开关（注：报告中若没有说明开关为自动锁定开关则一律为非自动锁定开关），这样当自动锁定开关被按下时，自动锁定开关将保持在被按下状态，2A将保持为低电平，2Y保持输出高电平，芯片停止计数。经实际操作后方案可行。

4 NE555单个脉冲长度的控制

在将硬件上实现00.00到99.99计数器之后，就到了需要控制555计数器一个脉冲长度为0.01s的时候了，然后公式如下：t=（0.7R1+1.4R2）*C。因为控制555计数器一个脉冲长度为0.01s较难观察是否达到要求，所以我们首先将555计数器一个脉冲长度控制为1s，然后求出R1（电阻），R2（电阻）和C（电容）的值，然后将电容换为0.01倍的C即可。

我们首先用一个10uF的电容：

（1）将1个47K的电阻作为R1，将另一个47K的电阻作为R2，然后接到电路中求得的结果为计时99s误差4s（慢4秒）。根据公式，若计时速度比标准时钟慢，则可以通过减小R1或R2的值来调节。

（2）将1个47K的电阻作为R1，将一个40K的电阻作为R2，然后接到电路中求得的结果为计时99s误差3.5s（快3.5秒）。需要增大电阻。

（3）将1个47K的电阻作为R1，将一个40K与4.7K的电阻串联作为R2，然后接到电路中求得的结果为计时99s误差2s（慢2秒）。需要减小电阻。

（4）将1个47K的电阻作为R1，将一个40K与三个1K的电阻串联作为R2，然后接到电路中求得的结果为计时99s误差不到1s。

所以采取实验四的数据R1=47K， R2=43K作为最终数据，然后将10uF电容换为0.1uF电容，然而实际操作得到的结果却与预期计算差距较大，计数99s误差约10s。于是经过多次的实验、调整，最终终于得出了最满意的结果：计时99s误差小于0.5s。这次实验的数据为R1=47K，R2=51.7K，C=0.1uF。

5 结束语

熟练使用NE555芯片，74LS04反相器芯片以及CD4026芯片，掌握CD4026单元电路的综合应用，应用串行和并行的方式进行连接电路实现计数器的级联电路，进一步可以利用多片芯片设计各进制的计数电路，通过设计重启和停止，启动技术键，理解各引脚的功能和用法，利用NE555产生时钟信号，学会这个芯片输出不同的频率的信号。

参考文献：

[1]康光华.电子技术基础（数字部分）第六版[M].高等教育出版社，2014.

[2]陈永甫.555集成电路应用800例[M].电子工业出版社，2000.

[3]甘学温，赵宝英.集成电路原理与设计[M].北京大学出版社，2006.

[4]余小平.电子系统设计[M].北京航空航天大学出版社，2007.

[5]李雷.集成电路应用试验[M].国防工业出版社，2004.endprint