多功能數(shù)字鐘電路設(shè)計(jì).ppt

第八講 多功能數(shù)字鐘電路設(shè)計(jì),學(xué)習(xí)要求 掌握數(shù)字電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法、裝調(diào)技術(shù)及數(shù)字鐘的功能擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì),一、數(shù)字鐘的功能要求,基本功能 準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，以數(shù)字形式顯示時(shí)、分、秒的時(shí)間 小時(shí)的計(jì)時(shí)要求為“12翻1”，分和秒的計(jì)時(shí)要求為60進(jìn)位 校正時(shí)間 擴(kuò)展功能 定時(shí)控制 仿廣播電臺(tái)正點(diǎn)報(bào)時(shí) 報(bào)整點(diǎn)時(shí)數(shù) 觸摸報(bào)整點(diǎn)時(shí)數(shù),二、數(shù)字鐘電路系統(tǒng)的組成框圖,振蕩器產(chǎn)生的穩(wěn)定的高頻脈沖信號(hào)，作為數(shù)字鐘的時(shí)間基準(zhǔn)，再經(jīng)分頻器輸出標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖,秒計(jì)數(shù)器計(jì)滿60后向分計(jì)數(shù)器進(jìn)位,分計(jì)數(shù)器計(jì)滿60后向小時(shí)計(jì)數(shù)器進(jìn)位,小時(shí)計(jì)數(shù)器按照“12翻1”規(guī)律計(jì)數(shù),計(jì)時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí)可以用校時(shí)電路進(jìn)行校時(shí)、校分、校秒,擴(kuò)展電路必須在主體電路正常運(yùn)行的情況下才能進(jìn)行功能擴(kuò)展,三、主體電路的設(shè)計(jì)與裝調(diào),主體電路是由功能部件或單元電路組成的。在設(shè)計(jì)這些電路或選擇部件時(shí)，盡量選用同類型的器件，如所有功能部件都采用TTL集成電路或都采用CMOS集成電路。整個(gè)系統(tǒng)所用的器件種類應(yīng)盡可能少。下面介紹各功能部件與單元電路的設(shè)計(jì)。,1. 振蕩器的設(shè)計(jì),振蕩器是數(shù)字鐘的核心。振蕩器的穩(wěn)定度及頻率的精確度決定了數(shù)字鐘計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確程度，通常選用石英晶體構(gòu)成振蕩器電路。一般來(lái)說(shuō)，振蕩器的頻率越高，計(jì)時(shí)精度越高。,如圖所示為電子手表集成電路（如5C702）中的晶體振蕩器電路，常取晶振的頻率為32768Hz，因其內(nèi)部有15級(jí)2分頻集成電路，所以輸出端正好可得到1Hz的標(biāo)準(zhǔn)脈沖,1. 振蕩器的設(shè)計(jì),如果精度要求不高也可以采用第二章介紹的由集成邏輯門與RC組成的時(shí)鐘源振蕩器或由集成電路定時(shí)器555與RC組成的多諧振蕩器。這里設(shè)振蕩頻率fo =103Hz,2. 分頻器的設(shè)計(jì),分頻器的功能主要有兩個(gè) 產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào) 提供功能擴(kuò)展電路所需要的信號(hào)，如仿電臺(tái)報(bào)時(shí)用的1kHz的高音頻信號(hào)和500Hz的低音頻信號(hào)等,選用3片中規(guī)模集成電路計(jì)數(shù)器74LS90可以完成上述功能 因每片為1/10分頻，3片級(jí)聯(lián)則可獲得所需要的頻率信號(hào) 即第1片的Q0端輸出頻率為500Hz，第2片的Q3端輸出為10Hz，第3片的Q3端輸出為1Hz,3. 時(shí)分秒計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì),分和秒計(jì)數(shù)器都是模M=60的計(jì)數(shù)器 其計(jì)數(shù)規(guī)律為0001585900 選74LS92作十位計(jì)數(shù)器，74LS90作個(gè)位計(jì)數(shù)器，再將它們級(jí)聯(lián)組成模數(shù)M=60的計(jì)數(shù)器 時(shí)計(jì)數(shù)器是一個(gè)“12翻1”的特殊進(jìn)制計(jì)數(shù)器 即當(dāng)數(shù)字鐘運(yùn)行到12時(shí)59分59秒時(shí)，秒的個(gè)位計(jì)數(shù)器再輸入一個(gè)秒脈沖時(shí)，數(shù)字鐘應(yīng)自動(dòng)顯示為01時(shí)00分00秒，實(shí)現(xiàn)日常生活中習(xí)慣用的計(jì)時(shí)規(guī)律 選用74LS191和74LS74，其電路見(jiàn)本章第三節(jié),4. 校時(shí)電路的設(shè)計(jì),當(dāng)數(shù)字鐘接通電源或者計(jì)時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí)，需要校正時(shí)間（或稱校時(shí)） 校時(shí)是數(shù)字鐘應(yīng)具備的基本功能。一般電子手表都具有時(shí)、分、秒等校時(shí)功能 為使電路簡(jiǎn)單，這里只進(jìn)行分和小時(shí)的校時(shí),對(duì)校時(shí)電路的要求是 在小時(shí)校正時(shí)不影響分和秒的正常計(jì)數(shù) 在分校正時(shí)不影響秒和小時(shí)的正常計(jì)數(shù) 校時(shí)方式有“快校時(shí)”和“慢校時(shí)”兩種 “快校時(shí)”是，通過(guò)開(kāi)關(guān)控制，使計(jì)數(shù)器對(duì)1Hz的校時(shí)脈沖計(jì)數(shù) “慢校時(shí)”是用手動(dòng)產(chǎn)生單脈沖作校時(shí)脈沖,S1為?！胺帧庇玫目刂崎_(kāi)關(guān),S2為?！皶r(shí)”用的控制開(kāi)關(guān),校時(shí)脈沖采用分頻器輸出的1Hz脈沖,如果校時(shí)脈沖由單次脈沖產(chǎn)生器（見(jiàn)第二章第四、五節(jié)）提供，則可以進(jìn)行“慢校時(shí)”,需要注意的是，校時(shí)電路是由與非門構(gòu)成的組合邏輯電路，開(kāi)關(guān)S1或S2為“0”或“1”時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，接電容C1、C2可以緩解抖動(dòng)。必要時(shí)還應(yīng)將其改為去抖動(dòng)開(kāi)關(guān)電路（見(jiàn)第二章第三節(jié)）,5. 主體電路的裝調(diào),由數(shù)字鐘系統(tǒng)組成框圖按照信號(hào)的流向分級(jí)安裝，逐級(jí)級(jí)聯(lián)，這里的每一級(jí)是指組成數(shù)字鐘的各功能電路,級(jí)聯(lián)時(shí)如果出現(xiàn)時(shí)序配合不同步，或尖峰脈沖干擾，引起邏輯混亂，可以增加多級(jí)邏輯門來(lái)延時(shí),如果顯示字符變化很快，模糊不清，可能是由于電源電流的跳變引起的，可在集成電路器件的電源端VCC加退耦濾波電容。通常用幾十微法的大電容與0.01F的小電容相并聯(lián),經(jīng)過(guò)聯(lián)調(diào)并糾正設(shè)計(jì)方案中的錯(cuò)誤和不足之處后，再測(cè)試電路的邏輯功能是否滿足設(shè)計(jì)要求。最后畫出滿足設(shè)計(jì)要求的總體邏輯電路圖，如圖所示,如果因?qū)嶒?yàn)器材有限，則其中秒計(jì)數(shù)器的個(gè)位和時(shí)計(jì)數(shù)器的十位可以采用發(fā)光二極管指示，因而可以省去2片譯碼器和2片數(shù)碼顯示器,除了振蕩和譯碼顯示部分外，其它各功能都可以用GAL16V8來(lái)實(shí)現(xiàn)。,四、功能擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì),定時(shí)控制電路的設(shè)計(jì) 仿廣播電臺(tái)正點(diǎn)報(bào)時(shí)電路的設(shè)計(jì) 報(bào)整點(diǎn)時(shí)數(shù)電路的設(shè)計(jì) 觸摸報(bào)整點(diǎn)時(shí)數(shù)電路的設(shè)計(jì),定時(shí)控制電路的設(shè)計(jì),仿廣播電臺(tái)正點(diǎn)報(bào)時(shí)電路的設(shè)計(jì),報(bào)整點(diǎn)時(shí)數(shù)電路的設(shè)計(jì),觸摸報(bào)整點(diǎn)時(shí)數(shù)電路的設(shè)計(jì),1. 定時(shí)控制電路的設(shè)計(jì),數(shù)字鐘在指定的時(shí)刻發(fā)出信號(hào)，或驅(qū)動(dòng)音響電路“鬧時(shí)”；或?qū)δ逞b置的電源進(jìn)行接通或斷開(kāi)“控制”。 不管是鬧時(shí)還是控制，都要求時(shí)間準(zhǔn)確，即信號(hào)的開(kāi)始時(shí)刻與持續(xù)時(shí)間必須滿足規(guī)定的要求。,例 要求上午7時(shí)59分發(fā)出鬧時(shí)信號(hào)，持續(xù)時(shí)間為1分鐘。 解 7時(shí)59分對(duì)應(yīng)數(shù)字鐘的時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)器的狀態(tài)為(Q3Q 2Q 1Q 0)H1=0111，分十位計(jì)數(shù)器的狀態(tài)為(Q3Q2Q1Q0)M2=0101，分個(gè)位計(jì)數(shù)器的狀態(tài)為(Q3Q2Q1Q0)M1=1001。若將上述計(jì)數(shù)器輸出為“1”的所有輸出端經(jīng)過(guò)與門電路去控制音響電路，可以使音響電路正好在7點(diǎn)59分響，持續(xù)1分鐘后（即8點(diǎn)時(shí)）停響。,1. 定時(shí)控制電路的設(shè)計(jì),如果用與非門實(shí)現(xiàn)上式所表示的邏輯功能，則可以將Z進(jìn)行布爾代數(shù)變換，即,由圖可見(jiàn)上午7點(diǎn)59分時(shí),音響電路的晶體管導(dǎo)通,則揚(yáng)聲器發(fā)出1kHz的聲音。持續(xù)1分鐘到8點(diǎn)整晶體管因輸入端為“0”而截止,電路停鬧。,2. 仿廣播電臺(tái)正點(diǎn)報(bào)時(shí)電路的設(shè)計(jì),仿廣播電臺(tái)正點(diǎn)報(bào)時(shí)電路的功能要求是： 每當(dāng)數(shù)字鐘計(jì)時(shí)快要到正點(diǎn)時(shí)發(fā)出聲響; 通常按照4低音1高音的順序發(fā)出間斷聲響; 以最后一聲高音結(jié)束的時(shí)刻為正點(diǎn)時(shí)刻。,設(shè)4聲低音（約500Hz）分別發(fā)生在59分51秒、53秒、55秒及57秒，最后一聲高音（約1kHz）發(fā)生在59分59秒，它們的持續(xù)時(shí)間均為1秒。由表可得,2. 仿廣播電臺(tái)正點(diǎn)報(bào)時(shí)電路的設(shè)計(jì),這里采用的都是TTL與非門，如果用其它器件，則報(bào)時(shí)電路還會(huì)簡(jiǎn)單一些。,3. 報(bào)整點(diǎn)時(shí)數(shù)電路的設(shè)計(jì),報(bào)整點(diǎn)時(shí)數(shù)電路的功能是：每當(dāng)數(shù)字鐘計(jì)時(shí)到整點(diǎn)時(shí)發(fā)出音響，且?guī)c(diǎn)響幾聲。實(shí)現(xiàn)這一功能的電路主要由以下幾部分組成：, 減法計(jì)數(shù)器 完成幾點(diǎn)響幾聲的功能。即從小時(shí)計(jì)數(shù)器的整點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，直到零為止。, 編碼器將小時(shí)計(jì)數(shù)器的5個(gè)輸出端Q4、Q3、Q2、Q1、Q0按照“12翻1”的編碼要求轉(zhuǎn)換為減法計(jì)數(shù)器的4個(gè)輸入端D3、D2、D1、D0所需的BCD碼。, 邏輯控制電路 控制減法計(jì)數(shù)器的清“0”與置數(shù)?？刂埔繇戨娐返妮斎胄盘?hào)。,3. 報(bào)整點(diǎn)時(shí)數(shù)電路-減法計(jì)數(shù)器,減法計(jì)數(shù)器選用74LS191，各控制端的作用如下:,CPA為減法計(jì)數(shù)脈沖，兼作音響電路的控制脈沖。,3. 報(bào)整點(diǎn)時(shí)數(shù)電路-編碼器,編碼器是由與非門實(shí)現(xiàn)的組合邏輯電路，其輸出端的邏輯表達(dá)式由5變量的卡諾圖可得：,3. 報(bào)整點(diǎn)時(shí)數(shù)電路-邏輯控制電路,邏輯控制電路由D觸發(fā)器74LS74與多級(jí)與非門組成,如果出現(xiàn)某些整點(diǎn)數(shù)不準(zhǔn)確，其主要原因是邏輯控制電路中的與非門延時(shí)時(shí)間不夠，產(chǎn)生了競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)現(xiàn)象，可以適當(dāng)增加與非門的級(jí)數(shù)或接入小電容進(jìn)行濾波。,4. 觸摸報(bào)整點(diǎn)時(shí)數(shù)電路的設(shè)計(jì),在有些場(chǎng)合（如夜間），不便于直接看顯示時(shí)間，希望數(shù)字鐘有觸摸報(bào)時(shí)功能。即觸摸數(shù)字鐘的某端，能夠報(bào)當(dāng)時(shí)的整點(diǎn)時(shí)數(shù)。,根據(jù)功能要求，不難設(shè)想在圖5.5.8所示電路的基礎(chǔ)上，增加一觸發(fā)脈沖控制電路，或?qū)D5.5.8所示的電路的自動(dòng)報(bào)時(shí)改為觸摸報(bào)時(shí)電路即可。,產(chǎn)生觸摸控制脈沖的電路有單次脈沖產(chǎn)生器，555集成電路定時(shí)器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器等，這些電路已在第二章中介紹過(guò)。,五、設(shè)計(jì)任務(wù),給定的主要器件 74LS00 4片，74LS90 2片，74LS03（OC） 2片，74LS92 2片，74LS04 2片，74LS93 2片，74LS20 2片，74LS191 2片，74LS48 4片，發(fā)光二極管 4只，74LS74 2片，數(shù)碼顯示器BS202 4只，555 2片。 可編程邏輯器件- GAL16V8 3片。,功能要求,基本功能 以數(shù)字形式顯示時(shí)、分、秒的時(shí)間，為節(jié)省器件，其中秒的個(gè)位和小時(shí)的十位均用發(fā)光二極管指示，燈亮為“1”，燈滅為“0”。小時(shí)計(jì)數(shù)器的計(jì)時(shí)要求為“12翻1”，但不要直接采用圖5.5.5所示的電路，應(yīng)采用其它方案設(shè)計(jì)“12翻1”電路。要求手動(dòng)快校時(shí)、快校分或慢校時(shí)、慢校分。,擴(kuò)展功能（其電路盡可能不與前述電路相同） 定時(shí)控制，其時(shí)間自定；仿廣播電臺(tái)正點(diǎn)報(bào)時(shí)，觸摸報(bào)整點(diǎn)時(shí)數(shù)或自動(dòng)報(bào)整點(diǎn)時(shí)數(shù)。,第4周任務(wù)：1000Hz振蕩和分頻出1Hz信號(hào)。,五、設(shè)計(jì)任務(wù)-設(shè)計(jì)步驟與要求, 擬定數(shù)字鐘電路的組成框圖，要求電路的基本功能與擴(kuò)展功能同時(shí)實(shí)現(xiàn)，使用的器件少，成本低；, 設(shè)計(jì)并安裝各單元電路，要求布線整齊、美觀，便于級(jí)聯(lián)與調(diào)試；, 測(cè)試數(shù)字鐘系統(tǒng)的邏輯功能，同時(shí)滿足基本功能與擴(kuò)展功能的要求；, 畫出數(shù)字鐘系統(tǒng)的整機(jī)邏輯電路圖；, 寫出設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)報(bào)告。,實(shí)驗(yàn)與思考題,5.5.1 你所設(shè)計(jì)的數(shù)字鐘電路： 標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)是怎樣產(chǎn)生的？振蕩器的穩(wěn)定度為多少？ 校時(shí)電路在校時(shí)開(kāi)關(guān)合上或斷開(kāi)時(shí)，是否出現(xiàn)過(guò)干擾脈沖？若出現(xiàn)應(yīng)如何清除。 在電路調(diào)試中，是否出現(xiàn)過(guò)“競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)”現(xiàn)象？如何采取措施消除的？ 5.5.2 圖5.5.6所示的鬧時(shí)電路中，為什么采用OC門？驅(qū)動(dòng)音響電路的與非門為什么要用2級(jí)？,5.5.3 若用OC門實(shí)現(xiàn)圖5.5.7所示報(bào)時(shí)電路功能，應(yīng)如何設(shè)計(jì)電路？ 5.5.4 在圖5.5.8所示報(bào)整點(diǎn)時(shí)數(shù)電路中，兩級(jí)反相器G3與G4有何作用？不接這兩級(jí)反相器會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象？為什么？ 5.5.5 如果小時(shí)計(jì)數(shù)器為24進(jìn)制計(jì)數(shù)器，電路應(yīng)如何設(shè)計(jì)？畫出設(shè)計(jì)的電路圖。 5.5.6 設(shè)計(jì)一個(gè)利用收音機(jī)自