基于TTL電路的倒數(shù)計數(shù)器設計及應用
目前，定時計數(shù)及控制電路大多采用單片機外加輸入／輸出接口電路構(gòu)成。本文采用TTL集成電路設計倒數(shù)計數(shù)器，具有工作穩(wěn)定、抗干擾性強、無需單片機開發(fā)系統(tǒng)和編程、易于制作、時間設置范圍廣、操作方便等優(yōu)點，適用于競賽類時間控制、烹飪定時等，也可用作實驗計數(shù)器。
2 倒數(shù)計數(shù)器的基本結(jié)構(gòu)
倒數(shù)計數(shù)器可預置“10-90”范圍時間，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，核心是TTL集成電路74LS190，該器件是可預置的十進制同步加／減計數(shù)器。倒數(shù)計數(shù)器主要由時間設置電路、基準時間振蕩電路、計數(shù)器、顯示電路和控制電路及響鈴電路等組成。其中，基準時間振蕩電路產(chǎn)生計數(shù)脈沖，在控制電路作用下計數(shù)器開始減1倒數(shù)計數(shù)，并顯示時間變化。當顯示從預置的時間變化到全“0”時，計數(shù)器停止計數(shù)器，同時響鈴電路響鈴提示。
3 倒數(shù)計數(shù)器電路設計
倒數(shù)計數(shù)器的電路如圖2所示。計數(shù)器和時間設置電路由器件74LS190、74LS74雙D觸發(fā)器以及555時基電路構(gòu)成控制電路，74LS04六反相器構(gòu)成基準時間振蕩電路和響鈴振蕩電路。
3.1 時間設置電路
圖2中U5(74LS190)及外同電路組成時間設置電路，S2是時間設置按鈕，74LS190的LD端接高電平，EN和D／U端接低電平，CLK端接計數(shù)時鐘脈沖，對時鐘脈沖上升沿進行加法計數(shù)，每按一次S2按鈕，產(chǎn)生一個高電平的時鐘脈沖。QA～QD輸出相應的“0～9”遞增可循環(huán)BCD碼，該BCD碼送至U2的A～D預置端。當S1接至復位端時，U2的QA～QD輸出為預置的A～D端的BCD碼，該碼經(jīng)U4(74LS47)的譯碼驅(qū)動數(shù)碼管DS2，顯示預置的倒數(shù)時間的十位數(shù)值，而顯示個位數(shù)值的DS1則由U1的A～D預置端決定，該值始終處于“0”，因此，每按下一次S2，DS2、DS1顯示“00～90”可循環(huán)變化的倒數(shù)時間。
3.2 基準時間振蕩電路
U8(74LS04)中三個反相器及外圍電路組成時間振蕩電路，U8A和U8B構(gòu)成多諧振蕩器，振蕩周期T=2.2C1(R2+R3)，該時間振蕩脈沖經(jīng)U8C反相緩沖后作為計數(shù)脈沖送至U1的CLK端。D1是控制多諧振蕩器起振二極管，當S1開關(guān)處于復位端時，振蕩器停振，U8C輸出為高電平；而當S1處于計數(shù)位置時，振蕩器開始振蕩，輸出基準時間脈沖送至U1倒數(shù)計數(shù)開始。U8B和U8C振蕩波形如圖3所示。
3.3 計數(shù)及顯示電路
U1～U4以及DS1～DS2組成了計數(shù)顯示電路。當S1開關(guān)處于復位時，U1和U2的LD端處于低電平，U7的D觸發(fā)器復位，輸出Q端為低電平送至U1和U2的EN端，因此，74LS190處于預置輸出狀態(tài)，U2的QA～QD輸出為U5預置產(chǎn)生的BCD碼，此碼經(jīng)U4的74LS47 BCD-7段譯碼后，直接驅(qū)動數(shù)碼管DS2共陽極的進行顯示倒數(shù)時間的十位數(shù)值。而顯示個位數(shù)值的DS1則由U1的A～D預置端決定，該預置值始終處于“0”。當S1開關(guān)處于計數(shù)端時，LD端由低電平跳變?yōu)楦唠娖?，由于D／U端接高電平，U1和U2開始進行減計數(shù)。由于U1的預置值為“0”，在每一個基準時問振蕩電路發(fā)送時鐘脈沖上升沿，U1進行減1計數(shù)．輸出為“0-9-8——1-0”循環(huán)變化的BCD碼，經(jīng)過U3譯碼后，直接驅(qū)動數(shù)碼管DS1顯示。而U1每次減1計數(shù)到全“0”時，紋波時鐘輸出端RCO產(chǎn)生一個脈沖，送至U2的CLK端，作為十位數(shù)的計數(shù)時鐘脈沖。在時鐘脈沖的上升沿，U2對預置的BCD碼進行減l計數(shù)，而當U2減數(shù)計數(shù)到“0”且U1也減去計數(shù)到“0”時，此時DS2，DS1顯示為“00”，U7的D觸發(fā)器輸出高電平，U1和U2的EN端由低電平跳變?yōu)楦唠娖?，計?shù)器停止計數(shù)，而且保持輸出“0”。
3.4 控制及響鈴電路
U6(LM555時基電路)、U7(D觸發(fā)器)和U8(三個反相器)組成的多諧振蕩電路構(gòu)成了計數(shù)控制及響鈴電路。U7A的D觸發(fā)器構(gòu)成了雙穩(wěn)態(tài)電路，當U2十位減1計數(shù)到“0”時，進位／借位端MA／MI輸出一個高電平脈沖，作為雙穩(wěn)態(tài)電路的發(fā)時鐘脈沖，U7A輸出狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，由低電平跳變?yōu)楦唠娖剑椭罸7B的D觸發(fā)器的輸入D端。而此時，U1個位計數(shù)器再次從“9-8---1-0”循環(huán)計數(shù)，當減1計數(shù)到“0”時，U1的MA／MI端輸出一個高電平，作為U7B的D觸發(fā)器的時鐘脈沖，因此D觸發(fā)器輸出Q端由低電平跳變?yōu)楦唠娖剑沟肬1和U2的EN端由低電平跳變?yōu)楦唠娖?，計?shù)器停止計數(shù)，而且保持輸出“0”。Q由高電平跳變?yōu)榈碗娖?，?jīng)過由R9和C5組成的微分電路產(chǎn)生一個低電平脈沖觸發(fā)U6的單穩(wěn)態(tài)電路，U6輸出由低電平跳變?yōu)楦唠娖降臅簯B(tài)過程，經(jīng)過T=1.1R8·C4的時間，高電平的暫態(tài)過程結(jié)束跳變?yōu)榈碗娖?，在暫態(tài)高電平期間，U8D～U8F組成的多諧振蕩器開始振蕩，經(jīng)過放大后驅(qū)動揚聲器LS響鈴。
4 電路調(diào)試
該電路設計只需調(diào)試基準時間即可，R3選用精密微調(diào)電阻，頻率計接至U8C輸出端，S1開關(guān)打至計數(shù)端，微調(diào)R3使頻率計顯示的周期為1 000 ms。響鈴頻率可斷開D2調(diào)節(jié)R5，直至得到合適的鈴聲為止。
5 倒數(shù)計數(shù)器應用
此電路設計非常適用于現(xiàn)場競賽定時，主持人預先設置所需時間，將S1打至復位，連續(xù)輕按S2設置時間。若需設為60 s，則需連按6次S2，顯示為60，表示60 s。當主持人要求競賽者定時回答問題時，主持人或其他工作人員立即將S1開關(guān)打至計數(shù)端，此時，計數(shù)器開始工作，時間顯示從預置時間開始倒數(shù)顯示，當顯示為“0”時，響鈴電路產(chǎn)生約3 s的結(jié)束鈴聲。當需下一次開始時，再將S1打至復位，重新開始。此外，該設計電路也可作為家庭烹飪定時器，需將定時10 s～90 s擴展到10 min～90 min，將C1用10μF代替，R2和R3用MΩ代替，調(diào)節(jié)R3使周期達到1分鐘即可。為了使響鈴連續(xù)報警，可去掉圖2中U6單穩(wěn)態(tài)電路，將U7B的D觸發(fā)器Q端直接連到D2的陰極，這樣在定時時間達到，響鈴電路一直報警直至將S1打至復位為止。
6 結(jié)束語
基于TTL集成電路的倒數(shù)計數(shù)器，電路設計簡單，調(diào)試方便，時間設置范圍廣，還可以根據(jù)需要將倒數(shù)時間設置到個位，只需再增加一個74LS190和設置開關(guān)，將設置的個位數(shù)值時間送至U1即可。
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