基于74LS160秒级定时器Multisim仿真设计

设计具有手控方式实现体育竞赛秒级定时的电路，利用LED数码管显示计数器的值。掌握用 “反馈置数法”构成定时电路的设计方法；用Multisim软件画图仿真；用Protel软件绘制PCB板图。具体要求如下：

（1）设计一个计时电路，定时时间为（20+学号末两位）秒，并能实时显示时间；

（2）设置操作开关控制计时器的清零、启动和暂停/连续计时；

（3）要求定时电路递增计时，每隔一秒钟，定时电路加1；

（4）当计时电路递增计时到预定数值时发出报警信号；

（5）外界供电为AC 220市电，设计能满足定时电路供电要求的电源。

图1 51秒定时器原理框图

30 秒定时器主要由秒脉冲发生器、 控制电路、 计数器、译码显示器电路和报警电路五部分组成。

电路原理分析：

图2 电源电路仿真电路

图3 电压表示数

它由分压器、比较器、基本 R--S 触发器和放电三极管等部分组成。分压器由三个 5 KΩ的等值电阻串联而成。分压器为比较器、提供参考电压，比较器的参考电压为，加在同相输入端， 比较器 的参考电压为，加在反相输入端。 比较器由两个结构相同的集成运放组成。 高电平触发信号加在的反相输入端，与同相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本 R--S 触发器端的输入信号；低电平触发信号加在的同相输入端，与反相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本 R—S 触发器端的输入信号。基本 R--S 触发器的输出状态受比较器的输出端控制。

图4 555定时器

由 555 定时器组成的多谐振荡器如图所示，其中 R 1 、R 2 和电容 C 为外接元件。其工

作波如图所示。设电容的初始电压 ＝０， t＝０时接通电源，由于电容电压不能突变，所以高、低触发端 ＝＝０<，比较器输出为高电平，输出为低电平，即，（1 表示高电位， 0 表示低电位） ， R S 触发器置１， 定时器输出此时，定时器内部放电三极管截止，电源V cc经向电容Ｃ充电，逐渐升高。当上升到时，输出由０翻转为１， 这时， R—S 触发顺保持状态不变。 所以 0<t<期间，定时器输出为高电平１。

时刻，上升到，比较器的输出由１变为０， 这时, R -S触发器复０，定时器输出。

期间，，放电三极管Ｔ导通， 电容Ｃ通过R 2放电。按指数规律下降，当时比较器输出由０变为１，Ｒ－Ｓ触发器的，Ｑ的状态不变，的状态仍为低电平。

时刻，下降到，比较器输出由 1 变为 0，R---S 触发器的，触发器处于 1，定时器输出。此时电源再次向电容 C 放电，重复上述过程。

通过上述分析可知，电容充电时，定时器输出，电容放电时，，电容不断地进行充、放电，输出端便获得矩形波。多谐振荡器无外部信号输入，却能输出矩形波，其实质是将直流形式的电能变为矩形波形式的电能.

由图可知，振荡周期。 为电容充电时间， 为电容放电时间。

充电时间

放电时间

矩形波的振荡周期

矩形波频率

计算：

图5 1HZ多谐振荡器仿真电路

74LS160 的清除端是异步的。当清除端ＣＬＲ为低电平时，不管时钟端ＣＬＫ状态如何，即可完成清除功能。

74LS160 的预置是同步的。当置入控制器ＬＯＡＤ为低电平时，在 ＣＬＫ上升沿作用下，输出端 Q0－Q3 与数据输入端 Ｄ0－D3 一致。对于74ＬＳ１６０，当 ＣＬＫ由低至高跳变或跳变前，如果计数控制端ENP、ENT为高电平，则ＬＯＡＤ应避免由低至高电平的跳变，而 74LS160 无此种限制。

74LS160 的计数是同步的，靠ＣＬＫ同时加在四个触发器上而实现的。当ENP、ENT均为高电平时，在ＣＬＫ上升沿作用下 Q0－Q3同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。对于74LS160，只有当ＣＬＫ为高电平时，ENP、ENT才允许由高至低电平的跳变， 而74LS160的 ENP、ENT跳变与ＣＬＫ无关。160 有超前进位功能。当计数溢出时，进位输出端（ＲＣＯ）输出一个高电平脉冲，其宽度为 Q0的高电平部分。

在不外加门电路的情况下，可级联成 N位同步计数器。对于74LS160，在ＣＬＫ出现前，即使 ENP、ENT、ＣＬＲ发生变化，电路的功能也不受影响。

图6 74LS160封装图

图7 74LS160逻辑图

表１　74LS160的功能表

表２　引出端符号意义

如图所示，51秒定时器计数器设计电路如下：

51进制设计：U1为十位数部分，U2为个位数部分。当ENP (U2)＝ENT (U2)=CLR（U1、U2）=1时，计数器开始加法计算，由00不断加法计算到51秒。RCO（U2） 连接ENP、ENT（U1），当U2的计数器一个循环后，U1的示数加1，由三脚与非门U7A连接U1的QA和QC，U2的QA，当输出计数器输出了51时，U7A与非门输出低电平，S1继电器切换电路到地，计数器暂停在51，经过U8A非门后，输出高电平，蜂鸣器鸣叫。

开启：开关S2控制计数器开启。当S2断开时，ENP (U2)＝ENT (U2)=CLR（U1、U2）=1，计数器启动。当S2连接时，CLR（U1、U2）=0，电路关闭。

置0：电路正常运行时，当S2、S3断开，S4连接，计数器置0。

暂停/继续:电路正常运行时，当S2、S4断开，S3连接,计数器保持状态，当S4连接时，计数器继续运行。

图8　两片74LS160 芯片设计51秒定时器的计数器部分

74LS48 是 BCD-7 段译码器/驱动器，其输出是OC门输出且高电平有效， 专用于驱动 LED七段共阴极显示数码管。其功能是把输入的 8421BCD 码 ABCD 译成七段输出 a-g，再由七段数码管显示相应的数。由 74LS48 和 LED 七段共阴极数码管组成一位数码显示电路。若将个位、时位、百位计数器的输出分别接到相应七段译码器的输入端，便可进行不同数字显示。在译码器输出与数码管之间串联的 R 为限流电阻。当计数器在 CP 脉冲的作用下，就应将其状态显示成清晰的数字符号。74LS48 的管脚如图所示。在管脚图中，管脚 LT、RBI、BI/RBO 都是低电平是起作用，作用分别为：

LT 为灯测检查，用 LT 可检查七段显示器个字段是否能正常被点燃。

BI 是灭灯输入，可以使显示灯熄灭。

RBI 是灭零输入， 可以按照需要将显示的零予以熄灭。 BI/RBO 是共用输出端， RBO 称为灭零输出端，可以配合灭零输出端 RBI，在多位十进制数表示时，把多余零位熄灭掉，以提高视图的清晰度。

图9 74LS48管脚图

表3 74LS78芯片功能表

（1）译码功能：将 LT，RBI 和 BI/RBO 端接高电平，输入十进制数 0~9的任意一组 8421BCD码（原码），则输出端 a~g也会得到一组相应的 7 位二进制代码（ 74LS48 驱动共阴极，输出3FH、06H、5BH, ； 74LS47驱动共阳极，输出 COH、F9H、A4H, ）。如果将这组代码输入到数码管，就可以显示出相应的十进制数。

（2）试灯功能：给试灯输入加低电平，而 BI/RBO 端加高电平时，则输出端 a~g均为高电平。若将其输入数码管，则所有的显示段都发亮。此功能可以用于检查数码管的好坏。

（3）灭灯功能：将低电平加于灭灯输入时，不管其他输入为什么电平，所有输出端都为低电平。将这样的输出信号加至数码管，数码管将不发亮。

（4）动态灭灯功能：RBI 端为灭零输入端，其作用是将数码管显示的数字 0熄灭。当RBI=0，且 DCBA=0000 时，若 LT=1，a~g输出为低电平，数码管无显示。利用该灭零端，可熄灭多位显示中不需要的零。不需要灭零时， RBI=1。

图10 显示部分仿真电路图

报警电路设计：由一个非门与蜂鸣器组成报警电路，当计数器达到５１时，ＵＡ７输出低电平，通过非门Ｕ８Ａ变成高电平，蜂鸣器工作，发出警报。

图11 报警电路设计电路图

总电路如下：上部分为直流稳压电源，通过调节电位器，将市电２２０Ｖ转为直流电５Ｖ，再经过下面电路完成５１秒定时器电路，完成整个电路设计。

在计数器达到51秒之时，蜂鸣器鸣叫，要关闭即切换S3，即清零计数器，再切换高电平即继续启动。

启动：S2，S3连接，S2断开，计数器启动。

停止：S2，S3， S2连接，计数器关闭。

              置0：S2、S3断开，S4连接，计数器置0。

暂停：S2、S4断开，S3连接，计数器计数暂停。

继续：S2断开，S3、S4连接，计数器计数继续运行。

图12 51秒定时器设计总电路图(开启、置0、停止)

图13 PCB原理图

图14 PCB图

图15 PCB 3D视图

表3  元器件清单列表

通过这次对两位十进制计数器７４ＬＳ１６０的设计与制作，我懂得了如何将自己所学的东西运用于实际电路中，掌握了功能电路的基本设计方法，学会了74LS１６０计数器的应用，加深了对时序电路的理解，同时也掌握了仿真软件的应用，能够对设计的电路进行仿真，从而验证电路的正确性。通过这次设计我还学会了通过图书馆书籍和互联网进行资料的收集，为以后的设计工作奠定基础。在不断地学习着数电知识，并且了解了很多芯片的使用，以及连接的方式，在PCB的设计和操作中不断地学到很多东西，也理解了很多数字电子技术的理论，实践了这些技术。