基于CD4033的数字秒表的设计

1．电路原理

此款秒表采用发光数码管显示，计时精度为百分之一秒，最大计时时间为9.99s。

电路原理图如下图所示。电路由时钟电路、计数/译码/显示电路、手动计时控制电路组成。时钟脉冲发生器用CD4069组成晶体振荡器产生38000~Hz的脉冲信号，再由CD4040计数/分频器生成周期为百分之一秒的时钟信号。时钟脉冲输出到CD4033计数/译码/显示电路，由7段数码管显示时间。按一下计时按钮AN1，秒表开始计时；再按一下秒表停止计时，同时显示计时结果。按动清零恢复按钮AN2，显示结果消失，秒表返回0值。

（1）如何获得时钟脉冲信号

秒表的关键是获得准确的时钟信号。本电路采用CD4069组成石英晶体振荡器电路，产生38000~_{z的脉冲信号；再经过CD4040进行分频系数为380的分频，输出周期为0.01秒的时钟脉冲信号。

（2）如何设计分频系数为380的分频器

电路中CD4040分频器的分频系数是380001-{z门00Hz=380。用4040组成分频系数为380的分频器的步骤如下。

将分频系数380化成2进制数：

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

把上式中6个乘方的指数分别加1，即把8、6、5、4、3、2分别加1，得到9、7、6、5、4、3；从而确定使用CD4040的Q9、Q7、Q6、Q5、Q4、Q3这6个输出端。

（3）秒表控制电路——开关键电路

手动计时按钮电路的功能是操作秒表，按动一下秒表开始计时，再按动一下秒表停止计时并显示两次按动所经过的时间。本电路采用．4069组成双稳态记忆电路，结合使用一个普通按钮开关AN1组成开关键电路。每按动一下这个按，．CD4069门6的输出电位就在高电位和低电位之间改变一次状态；这个输出电信号连接在CD4040分频器的复位端。当4040的复位端为低电位信号控制时，它可正常计数；当CD4040的复位端为高电位信号控制时，它停止计数。

（4）清零恢复按钮电路

它的功能是在一次计时完成之后，将计数器清零，以便准备进行下一次的计时工作。电路由下拉电阻R和一个普通的按钮开关AN2组成；平时由于下拉电阻R6的作用，CD4033的复位端被控制在低电位，此时如果有时钟信号从输入端输入，则CD4033正常计数；一旦按动一下这个按钮，3个CD4033的复位端就得到一个高电位脉冲，从而使CD4033计数器的各个数位的输出端都强迫变成0。

（5）十进制加计数/7段译码器集成电路CD4033特性

CD4033的管脚接线图如下图所示（略）。

它可完成十进制计数功能、译码及显示驱动功能。主要管脚功能如下：

CP：计数器时钟输入端；INH：计数器时钟禁止，高电平有效：

RBI：零消隐端，低电平有效：

RBO：零消隐级连输出端；CO：计数十进制进位输出端；a—g：7段阿拉伯数字段码，显示时输出高电平；LT：显示测试端，高电平有效；R：复位端，高电平有效。

CD4033的独特功能在于可以设置单独的零消隐功能以及多位级连零消隐功能，以节约电能。本电路中“秒”位设置了零消隐功能：小数点后面的则没有设置该功能。

CD4033的译码驱动电路输出的电流比起其它相同功能的集成电路如CD40110、CD4511来要小很多；如使用5V电源电压，4033每个段码的驱动电流最大为3mA，而后面的两种可达20mA。CD4033的这个特点现在变成了优点。原来为了数码管显示足够的亮度，每个段码的驱动电流一般需要15mA；7段段码的驱动电流最大高达。100rnA。如果使用4位数码管，总驱动电流高达400mA；所以用数码管的电路很少采用电池供电。即便如此，一些旧型号的数码管所发出的光线在室外仍感觉不够亮。而随着超高亮度LED的出现，一些新型数码管也使用了超高亮度的发光芯片；每个段码用15mA的工作电流，其发出的光亮足以保证在室外可辨认。实验证明，采用超高亮度的数码管，每个段码仅仅用1mA的驱动电流，即可在室内使用；用CD4033驱动绰绰有余。这样，按照每个数码管平均驱动的电流为5mA，3位数字秒表的驱动电流仅仅为15mA，可用5号电池供电。本作品采用1／2英寸的超高亮度共阴极数码管，发光颜色不限。

本机数码管是8段的，每个数码管上面都有一个小数点；这里只用了秒位数码管里的小数点。

2．在拼装面包板上组装电路

（1）元器件布局

首先根据电路图的元器件个数确定采用几个面包板，可用一块宽行面包板组装。

元器件在面包板上的布局的顺序是首先安装集成块：先根据电路图把各个集成电路的位置确定好，然后插入集成电路。建议将IC1～IC8按照从左到右的顺序安装：即CD4069、CD4040、CD4033、数码管（百分之一秒）、数码管（十分之一秒）、CD4033、数码管（秒）、CD4033；如下图所示。

为了连线方便，数码管倒置安装；也就是小数点在上方。所以3位CD4033的顺序是秒位在最右边。使用时将面包板倒置后，可以按正常数字显示观察秒表的结果。

（2）组装连线并调试

在用面包线连线的同时安装电阻电容等元件。

建议分步组装、分步调试。

最先连线数码管及驱动电路，完成后接电源调试。调试方法是把一根面包板插线的一端接在CD4033的计数输入端，另一端先插接电源正极、然后再接地；3位数码显示管应显示数字发生变化，表示这部分电路工作正常。第二步连线时钟电路并调试。电路成功的标志是数码管可显示百分之一秒计时。

最后连线秒表控制电路，以实现用两个按钮操作秒表。

3．测定秒表的精度可用另一个秒表对自制的秒表进行精度调试。

例如使用手机秒表，用两手分别控制手机秒表和自制秒表，同时按下开始计时，过10秒钟后同时按下停止按钮；如果自制的秒表与手机秒表相差在百分之几秒内，可以认为制作成功。如果误差超过0.1秒，则应检查电路，找出问题所在。