基于TTL电路的倒数计数器设计及应用

1引言

目前，定时计数及控制电路大多采用单片机外加输入／输出接口电路构成。本文采用TTL集成电路设计倒数计数器，具有工作稳定、抗干扰性强、无需单片机开发系统和编程、易于制作、时间设置范围广、操作方便等优点，适用于竞赛类时间控制、烹饪定时等，也可用作实验计数器。

2 倒数计数器的基本结构

倒数计数器可预置“10-90”范围时间，其基本结构如图1所示，核心是TTL集成电路74LS190，该器件是可预置的十进制同步加／减计数器。倒数计数器主要由时间设置电路、基准时间振荡电路、计数器、显示电路和控制电路及响铃电路等组成。其中，基准时间振荡电路产生计数脉冲，在控制电路作用下计数器开始减1倒数计数，并显示时间变化。当显示从预置的时间变化到全“0”时，计数器停止计数器，同时响铃电路响铃提示。

3 倒数计数器电路设计

倒数计数器的电路如图2所示。计数器和时间设置电路由器件74LS190、74LS74双D触发器以及555时基电路构成控制电路，74LS04六反相器构成基准时间振荡电路和响铃振荡电路。

3.1 时间设置电路

图2中U5(74LS190)及外同电路组成时间设置电路，S2是时间设置按钮，74LS190的LD端接高电平，EN和D／U端接低电平，CLK端接计数时钟脉冲，对时钟脉冲上升沿进行加法计数，每按一次S2按钮，产生一个高电平的时钟脉冲。QA～QD输出相应的“0～9”递增可循环BCD码，该BCD码送至U2的A～D预置端。当S1接至复位端时，U2的QA～QD输出为预置的A～D端的BCD码，该码经U4(74LS47)的译码驱动数码管DS2，显示预置的倒数时间的十位数值，而显示个位数值的DS1则由U1的A～D预置端决定，该值始终处于“0”，因此，每按下一次S2，DS2、DS1显示“00～90”可循环变化的倒数时间。

3.2 基准时间振荡电路

U8(74LS04)中三个反相器及外围电路组成时间振荡电路，U8A和U8B构成多谐振荡器，振荡周期T=2.2C1(R2+R3)，该时间振荡脉冲经U8C反相缓冲后作为计数脉冲送至U1的CLK端。D1是控制多谐振荡器起振二极管，当S1开关处于复位端时，振荡器停振，U8C输出为高电平；而当S1处于计数位置时，振荡器开始振荡，输出基准时间脉冲送至U1倒数计数开始。U8B和U8C振荡波形如图3所示。

3.3 计数及显示电路

U1～U4以及DS1～DS2组成了计数显示电路。当S1开关处于复位时，U1和U2的LD端处于低电平，U7的D触发器复位，输出Q端为低电平送至U1和U2的EN端，因此，74LS190处于预置输出状态，U2的QA～QD输出为U5预置产生的BCD码，此码经U4的74LS47 BCD-7段译码后，直接驱动数码管DS2共阳极的进行显示倒数时间的十位数值。而显示个位数值的DS1则由U1的A～D预置端决定，该预置值始终处于“0”。当S1开关处于计数端时，LD端由低电平跳变为高电平，由于D／U端接高电平，U1和U2开始进行减计数。由于U1的预置值为“0”，在每一个基准时问振荡电路发送时钟脉冲上升沿，U1进行减1计数．输出为“0-9-8——1-0”循环变化的BCD码，经过U3译码后，直接驱动数码管DS1显示。而U1每次减1计数到全“0”时，纹波时钟输出端RCO产生一个脉冲，送至U2的CLK端，作为十位数的计数时钟脉冲。在时钟脉冲的上升沿，U2对预置的BCD码进行减l计数，而当U2减数计数到“0”且U1也减去计数到“0”时，此时DS2，DS1显示为“00”，U7的D触发器输出高电平，U1和U2的EN端由低电平跳变为高电平，计数器停止计数，而且保持输出“0”。

3.4 控制及响铃电路

U6(LM555时基电路)、U7(D触发器)和U8(三个反相器)组成的多谐振荡电路构成了计数控制及响铃电路。U7A的D触发器构成了双稳态电路，当U2十位减1计数到“0”时，进位／借位端MA／MI输出一个高电平脉冲，作为双稳态电路的发时钟脉冲，U7A输出状态翻转，由低电平跳变为高电平，送至U7B的D触发器的输入D端。而此时，U1个位计数器再次从“9-8---1-0”循环计数，当减1计数到“0”时，U1的MA／MI端输出一个高电平，作为U7B的D触发器的时钟脉冲，因此D触发器输出Q端由低电平跳变为高电平，使得U1和U2的EN端由低电平跳变为高电平，计数器停止计数，而且保持输出“0”。Q由高电平跳变为低电平，经过由R9和C5组成的微分电路产生一个低电平脉冲触发U6的单稳态电路，U6输出由低电平跳变为高电平的暂态过程，经过T=1.1R8·C4的时间，高电平的暂态过程结束跳变为低电平，在暂态高电平期间，U8D～U8F组成的多谐振荡器开始振荡，经过放大后驱动扬声器LS响铃。

4 电路调试

该电路设计只需调试基准时间即可，R3选用精密微调电阻，频率计接至U8C输出端，S1开关打至计数端，微调R3使频率计显示的周期为1 000 ms。响铃频率可断开D2调节R5，直至得到合适的铃声为止。

5 倒数计数器应用

此电路设计非常适用于现场竞赛定时，主持人预先设置所需时间，将S1打至复位，连续轻按S2设置时间。若需设为60 s，则需连按6次S2，显示为60，表示60 s。当主持人要求竞赛者定时回答问题时，主持人或其他工作人员立即将S1开关打至计数端，此时，计数器开始工作，时间显示从预置时间开始倒数显示，当显示为“0”时，响铃电路产生约3 s的结束铃声。当需下一次开始时，再将S1打至复位，重新开始。此外，该设计电路也可作为家庭烹饪定时器，需将定时10 s～90 s扩展到10 min～90 min，将C1用10μF代替，R2和R3用MΩ代替，调节R3使周期达到1分钟即可。为了使响铃连续报警，可去掉图2中U6单稳态电路，将U7B的D触发器Q端直接连到D2的阴极，这样在定时时间达到，响铃电路一直报警直至将S1打至复位为止。

6 结束语

基于TTL集成电路的倒数计数器，电路设计简单，调试方便，时间设置范围广，还可以根据需要将倒数时间设置到个位，只需再增加一个74LS190和设置开关，将设置的个位数值时间送至U1即可。