基于CD4033的數(shù)字秒表的設計

1．電路原理

此款秒表采用發(fā)光數(shù)碼管顯示，計時精度為百分之一秒，最大計時時間為9.99s。

電路原理圖如下圖所示。電路由時鐘電路、計數(shù)/譯碼/顯示電路、手動計時控制電路組成。時鐘脈沖發(fā)生器用CD4069組成晶體振蕩器產(chǎn)生38000~Hz的脈沖信號，再由CD4040計數(shù)/分頻器生成周期為百分之一秒的時鐘信號。時鐘脈沖輸出到CD4033計數(shù)/譯碼/顯示電路，由7段數(shù)碼管顯示時間。按一下計時按鈕AN1，秒表開始計時；再按一下秒表停止計時，同時顯示計時結果。按動清零恢復按鈕AN2，顯示結果消失，秒表返回0值。

（1）如何獲得時鐘脈沖信號

秒表的關鍵是獲得準確的時鐘信號。本電路采用CD4069組成石英晶體振蕩器電路，產(chǎn)生38000~_{z的脈沖信號；再經(jīng)過CD4040進行分頻系數(shù)為380的分頻，輸出周期為0.01秒的時鐘脈沖信號。

（2）如何設計分頻系數(shù)為380的分頻器

電路中CD4040分頻器的分頻系數(shù)是380001-{z門00Hz=380。用4040組成分頻系數(shù)為380的分頻器的步驟如下。

將分頻系數(shù)380化成2進制數(shù)：

380=101111100，=2（8）+2（6）+2（5）+2（4）+2（3）+2（2）。

把上式中6個乘方的指數(shù)分別加1，即把8、6、5、4、3、2分別加1，得到9、7、6、5、4、3；從而確定使用CD4040的Q9、Q7、Q6、Q5、Q4、Q3這6個輸出端。

（3）秒表控制電路——開關鍵電路

手動計時按鈕電路的功能是操作秒表，按動一下秒表開始計時，再按動一下秒表停止計時并顯示兩次按動所經(jīng)過的時間。本電路采用．4069組成雙穩(wěn)態(tài)記憶電路，結合使用一個普通按鈕開關AN1組成開關鍵電路。每按動一下這個按，．CD4069門6的輸出電位就在高電位和低電位之間改變一次狀態(tài)；這個輸出電信號連接在CD4040分頻器的復位端。當4040的復位端為低電位信號控制時，它可正常計數(shù)；當CD4040的復位端為高電位信號控制時，它停止計數(shù)。

（4）清零恢復按鈕電路

它的功能是在一次計時完成之后，將計數(shù)器清零，以便準備進行下一次的計時工作。電路由下拉電阻R和一個普通的按鈕開關AN2組成；平時由于下拉電阻R6的作用，CD4033的復位端被控制在低電位，此時如果有時鐘信號從輸入端輸入，則CD4033正常計數(shù)；一旦按動一下這個按鈕，3個CD4033的復位端就得到一個高電位脈沖，從而使CD4033計數(shù)器的各個數(shù)位的輸出端都強迫變成0。

（5）十進制加計數(shù)/7段譯碼器集成電路CD4033特性

CD4033的管腳接線圖如下圖所示（略）。

它可完成十進制計數(shù)功能、譯碼及顯示驅動功能。主要管腳功能如下：

CP：計數(shù)器時鐘輸入端；INH：計數(shù)器時鐘禁止，高電平有效：

RBI：零消隱端，低電平有效：

RBO：零消隱級連輸出端；CO：計數(shù)十進制進位輸出端；a—g：7段阿拉伯數(shù)字段碼，顯示時輸出高電平；LT：顯示測試端，高電平有效；R：復位端，高電平有效。

CD4033的獨特功能在于可以設置單獨的零消隱功能以及多位級連零消隱功能，以節(jié)約電能。本電路中“秒”位設置了零消隱功能：小數(shù)點后面的則沒有設置該功能。

CD4033的譯碼驅動電路輸出的電流比起其它相同功能的集成電路如CD40110、CD4511來要小很多；如使用5V電源電壓，4033每個段碼的驅動電流最大為3mA，而后面的兩種可達20mA。CD4033的這個特點現(xiàn)在變成了優(yōu)點。原來為了數(shù)碼管顯示足夠的亮度，每個段碼的驅動電流一般需要15mA；7段段碼的驅動電流最大高達。100rnA。如果使用4位數(shù)碼管，總驅動電流高達400mA；所以用數(shù)碼管的電路很少采用電池供電。即便如此，一些舊型號的數(shù)碼管所發(fā)出的光線在室外仍感覺不夠亮。而隨著超高亮度LED的出現(xiàn)，一些新型數(shù)碼管也使用了超高亮度的發(fā)光芯片；每個段碼用15mA的工作電流，其發(fā)出的光亮足以保證在室外可辨認。實驗證明，采用超高亮度的數(shù)碼管，每個段碼僅僅用1mA的驅動電流，即可在室內使用；用CD4033驅動綽綽有余。這樣，按照每個數(shù)碼管平均驅動的電流為5mA，3位數(shù)字秒表的驅動電流僅僅為15mA，可用5號電池供電。本作品采用1／2英寸的超高亮度共陰極數(shù)碼管，發(fā)光顏色不限。

本機數(shù)碼管是8段的，每個數(shù)碼管上面都有一個小數(shù)點；這里只用了秒位數(shù)碼管里的小數(shù)點。

2．在拼裝面包板上組裝電路

（1）元器件布局

首先根據(jù)電路圖的元器件個數(shù)確定采用幾個面包板，可用一塊寬行面包板組裝。

元器件在面包板上的布局的順序是首先安裝集成塊：先根據(jù)電路圖把各個集成電路的位置確定好，然后插入集成電路。建議將IC1～IC8按照從左到右的順序安裝：即CD4069、CD4040、CD4033、數(shù)碼管（百分之一秒）、數(shù)碼管（十分之一秒）、CD4033、數(shù)碼管（秒）、CD4033；如下圖所示。

為了連線方便，數(shù)碼管倒置安裝；也就是小數(shù)點在上方。所以3位CD4033的順序是秒位在最右邊。使用時將面包板倒置后，可以按正常數(shù)字顯示觀察秒表的結果。

（2）組裝連線并調試

在用面包線連線的同時安裝電阻電容等元件。

建議分步組裝、分步調試。

最先連線數(shù)碼管及驅動電路，完成后接電源調試。調試方法是把一根面包板插線的一端接在CD4033的計數(shù)輸入端，另一端先插接電源正極、然后再接地；3位數(shù)碼顯示管應顯示數(shù)字發(fā)生變化，表示這部分電路工作正常。第二步連線時鐘電路并調試。電路成功的標志是數(shù)碼管可顯示百分之一秒計時。

最后連線秒表控制電路，以實現(xiàn)用兩個按鈕操作秒表。

3．測定秒表的精度可用另一個秒表對自制的秒表進行精度調試。

例如使用手機秒表，用兩手分別控制手機秒表和自制秒表，同時按下開始計時，過10秒鐘后同時按下停止按鈕；如果自制的秒表與手機秒表相差在百分之幾秒內，可以認為制作成功。如果誤差超過0.1秒，則應檢查電路，找出問題所在。