數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計-數(shù)字鐘設(shè)計.doc

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數(shù)字鐘實際上是一個對標(biāo)準(zhǔn)頻率（1HZ）進(jìn)行計數(shù)的計數(shù)電路。由于計數(shù)的起始時間不可能與標(biāo)準(zhǔn)時間（如北京時間）一致，故需要在電路上加一個校時電路，同時標(biāo)準(zhǔn)的1HZ時間信號必須做到準(zhǔn)確穩(wěn)定。通常使用石英晶體振蕩器電路構(gòu)成數(shù)字鐘。圖1所示為數(shù)字鐘的一般構(gòu)成框圖。時顯示器分顯示器秒顯示器時譯碼器分譯碼器秒譯碼器時計數(shù)器分計數(shù)器秒計數(shù)器校時電路振 蕩 器分頻器圖1 數(shù)字鐘的組成框圖振蕩器電路振蕩器電路給數(shù)字鐘提供一個頻率穩(wěn)定準(zhǔn)確的32768z的脈沖，可保證數(shù)字鐘的走時準(zhǔn)確及穩(wěn)定。不管是指針式的電子鐘還是數(shù)字顯示的電子鐘都使用了晶體振蕩器電路。分頻器電路分頻器電路將32768z的高頻方波信號經(jīng)三個74LS191兩次八分頻和一次十六分頻后得到1Hz的方波信號，可以供秒計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)。分頻器實際上也就是計數(shù)器。時間計數(shù)器電路時間計數(shù)電路由秒個位和秒十位計數(shù)器、分個位和分十位計數(shù)器及時個位和時十位計數(shù)器電路構(gòu)成，其中秒個位和秒十位計數(shù)器、分個位和分十位計數(shù)器為60進(jìn)制計數(shù)器，時個位和時十位計數(shù)器可以設(shè)計為24進(jìn)制計數(shù)器。譯碼驅(qū)動電路譯碼驅(qū)動電路將計數(shù)器輸出的8421BCD碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管需要的邏輯狀態(tài)，并且為保證數(shù)碼管正常工作提供足夠的工作電流。數(shù)碼管數(shù)碼管通常有發(fā)光二極管（LED）數(shù)碼管和液晶（LCD）數(shù)碼管，本設(shè)計采用的為數(shù)碼管（共陰）。四各單元模塊設(shè)計和分析主體電路是功能部件或單元電路組成的，在設(shè)計這些電路或選擇部件時，應(yīng)盡量選用同類型的器件，如所有功能部件都采用TTL集成電路或者都用CMOS集成電路。整個系統(tǒng)手忙腳亂的器件種類應(yīng)盡可能少。下面介紹各功能部件與單元電路的設(shè)計。）555振蕩器電路振蕩器是構(gòu)成數(shù)字式時鐘的核心，振蕩器的穩(wěn)定度及頻率的精確度決定了數(shù)字鐘計時的準(zhǔn)確程度。通常選用石英晶體構(gòu)成振蕩器電路。一般來說，振蕩器的頻率超高，計時精度超高，走時越準(zhǔn)確，如果精度要求不高也可以采用由邏輯門與RC組成的時鐘源振蕩器，或由集成電路定時器555與RC級成的多諧振蕩器。這里選用555定時器構(gòu)成多諧振蕩器。振蕩頻率f=1024Hz。電路及參數(shù)如圖2所示脈沖輸出端圖2 555振蕩器電路圖）分頻器電路通常，數(shù)字鐘的晶體振蕩器輸出頻率較高，為了得到z的秒信號輸入，需要對振蕩器的輸出信號進(jìn)行分頻。通常實現(xiàn)分頻器的電路是計數(shù)器電路，一般采用多級進(jìn)制計數(shù)器來實現(xiàn)。例如，將32768z（215）的振蕩信號分頻為Z的分頻倍數(shù)為32768，即實現(xiàn)該分頻功能的計數(shù)器相當(dāng)于極進(jìn)制計數(shù)器。74LS191計數(shù)器最高為可以將32768Z的信號分頻為1KZ，而經(jīng)過三個74LS191可以將它分為1HZ的信號。如圖3所示，可以直接實現(xiàn)振蕩和分頻的功能。圖3 74LS191分頻電路圖）時間計數(shù)單元在設(shè)計計數(shù)器之前，先對74LS191芯片的引腳和功能作一些說明以及有關(guān)連接的知識74LS191芯片說明74LS191芯片Q0、Q1、Q2、Q3 輸出端D0、D1、D2、D3 數(shù)據(jù)輸入端CLK時鐘輸入端（上升沿觸發(fā)）D/U 加/減計數(shù)方式控制, D/U=0時,加法計數(shù)； D/U=1時減法計數(shù)PL 異步并行控制端RCO 行波時鐘端輸出端TC 進(jìn)位輸出/錯位輸出E計數(shù)控制端,E=0時計數(shù)、置數(shù)；E=1時禁止，此時輸出端Q3Q2Q1Q074LS191的功能真值表下圖是構(gòu)成模M=22n-1進(jìn)制計數(shù)器電路,其中控制PL的與非門輸入端abcd和計數(shù)器輸出端Q3、Q2、Q1、Q0連接如下表模M=22n-1進(jìn)制計數(shù)器電路表一：M=22n-1進(jìn)制計數(shù)器連接表M進(jìn)制abcd2Q11113Q0Q1114Q21115Q0Q2116Q1Q2117Q0Q1Q218Q31119Q0Q31110Q1Q31111Q0Q1Q3112Q2Q31113Q0Q2Q3114Q1Q2Q3115Q0Q1Q2Q3時間計數(shù)單元有時計數(shù)、分計數(shù)和秒計數(shù)等幾個部分。時計數(shù)單元一般為24進(jìn)制計數(shù)器計數(shù)器，其輸出為兩位8421BCD碼形式；分計數(shù)和秒計數(shù)單元為60進(jìn)制計數(shù)器，其輸出也為8421BCD碼。本實驗采用兩片74LS191來產(chǎn)生60進(jìn)制和24進(jìn)制，秒個位計數(shù)單元為進(jìn)制計數(shù)器，本實驗將Q3和Q1通過與非門74LS00接到PL來實現(xiàn) ，秒十位計數(shù)單元為進(jìn)制計數(shù)器，本實驗將Q1和Q2通過與非門74LS00接到PL來實現(xiàn)，分個位和分十位計數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)分別與秒個位和秒十位計數(shù)單元完全相同，如圖4所示。時個位計數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)仍與秒或個位計數(shù)單元相同，但是要求，整個時計數(shù)單元應(yīng)為24進(jìn)制計數(shù)器，所以在兩塊74LS191構(gòu)成的100進(jìn)制中截取24，就得在24的時候進(jìn)行異步清零。24進(jìn)制計數(shù)功能的電路如圖5所示。圖4 60進(jìn)制計數(shù)器電路圖5 24進(jìn)制計數(shù)器電路4）譯碼驅(qū)動及顯示單元計數(shù)器實現(xiàn)了對時間的累計以8421BCD碼形式輸出，選用顯示譯碼電路將計數(shù)器的輸出數(shù)碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼顯示器件所需要的輸出邏輯和一定的電流，選用74LS48作為顯示譯碼電路，選用八段共陰LED數(shù)碼管作為顯示單元電路，如圖6所示。圖6 譯碼驅(qū)動和顯示電路5）校時電源電路當(dāng)重新接通電源或走時出現(xiàn)誤差時都需要對時間進(jìn)行校正。通常，校正時間的方法是：首先截斷正常的計數(shù)通路，然后再進(jìn)行人工觸發(fā)計數(shù)或?qū)㈩l率較高的方波信號加到需要校正的計數(shù)單元的輸入端，校正好后，再轉(zhuǎn)入正常計時狀態(tài)即可。 根據(jù)要求，數(shù)字鐘應(yīng)具有分校正和時校正功能，因此，應(yīng)截斷分個位和時個位的直接計數(shù)通路，并采用正常計時信號與校正信號可以隨時切換的電路接入其中。圖7所示為所設(shè)計的校時電路。校時開關(guān)功能表K2K1功能00計數(shù)01校分10校時1閉合，0斷開圖7 校時電路6）整點報時電路一般時鐘都應(yīng)具備整點報時電路功能，即在時間出現(xiàn)整點前數(shù)秒內(nèi)，數(shù)字鐘會自動報時，以示提醒。其作用方式是發(fā)出連續(xù)的或有節(jié)奏的音頻聲波，較復(fù)雜的也可以是實時語音提示。根據(jù)要求，電路應(yīng)在整點前10秒鐘內(nèi)開始整點報時，即當(dāng)時間在59分50秒到59分59秒期間時，報時電路報時控制信號。作為選蜂鳴器為電聲器件，使蜂鳴器可以一響一停。如下圖所示。圖8 整點報時電路上圖中在59分50秒到59分59秒期間內(nèi),分十位、個位和秒十位不變，輸出都為高電平產(chǎn)生報時有效控制信號實現(xiàn)報時功能。7)定時控制電路數(shù)字鐘在指定的時刻發(fā)出信號，或驅(qū)動音響電路“鬧時”，或?qū)δ逞b置的電源進(jìn)行接通或斷開“控制”。不管是鬧時還是控制，都要求時間準(zhǔn)確，即信號的開始時刻與持續(xù)時間必須滿足規(guī)定的要求。設(shè)計要求在某時59分發(fā)出鬧時信號，持續(xù)時間為了min。經(jīng)分析鬧時信號Z的表達(dá)式為Z=(Q2Q1Q0)H1M(Q2Q0)M2(Q3Q0)M1式中M為上、下午控制信號如果用與非門實現(xiàn)上式所表示感謝的邏輯功能，則可以將Z進(jìn)行布爾代數(shù)變換，即Z=(Q2Q1Q0)H1M(Q2Q0)M2(Q3Q0)M1實現(xiàn)上式的邏輯電路如下圖所示，其中74LS20為4輸入二與非門，74LS03為集電極開路（OC門）的二輸入四與非門，因OC門的輸出端可以進(jìn)行“線與”，使用時在它們的輸出聞風(fēng)而至民電源5V端之間應(yīng)接一3.3K的上拉電阻RL?？刂?KHz高音或驅(qū)動音響電路的兩級與非門也采用OC門，RL的值也應(yīng)生新計算。圖9 鬧時電路五.電路的安裝與調(diào)試在完成了理論設(shè)計之后，我們并不能確定電路沒有任何問題，所以下一步就是利用軟件Proteus進(jìn)行仿真，根據(jù)成功與否再進(jìn)行修正之后，開始電路的安裝和調(diào)試。1、 對各元器件進(jìn)行測試，檢查是否芯片存在問題。在確認(rèn)沒有問題之后，就可以按照布線方案來進(jìn)行布線了。2、 對電路整體布局，確定各電路的位置，插好集成電路芯片。3、 安裝的555振蕩電路。并用一個發(fā)光二極管對輸出進(jìn)行檢查，看看發(fā)光二極管是不是在閃爍，以及閃爍的頻率與秒鐘頻率是否相符合。4、 安裝驅(qū)動和計數(shù)模塊。先對所有器件接地以及接電源，因為這比較容易疏忽，大部分錯誤都出現(xiàn)在接地和接電源上；再對譯碼驅(qū)動電路和計數(shù)電路同時布線，但是，先只對一個顯示管和一塊74LS48和一塊74LS191（秒的個位）安裝，當(dāng)驗證產(chǎn)生的計數(shù)沒有問題時，才進(jìn)一步對它進(jìn)行擴(kuò)展，安裝秒的十位，分的個位和十位，以及時的個位和十位，并進(jìn)行檢驗。 這樣做可以方便我們的檢查，當(dāng)裝完了那么一個龐大的電路后，一旦哪里出錯，進(jìn)行檢查就會看得眼花瞭亂，到最后自己也搞不清楚了。5、 按照理論設(shè)計和已經(jīng)在Proteus軟件中驗證過的電路圖檢查布線是否正確，我們主要用萬用表來檢查。6、 安裝的模塊是校時模塊。接出如圖7的電路然后和計數(shù)模塊相連接。7、 安裝整點報時電路，我所設(shè)計的電路是受網(wǎng)上的一個電路圖的啟發(fā)，自行設(shè)計改裝而成的。相對于其它同學(xué)設(shè)計的電路而言，更簡潔使用的器件更少。8、 完成了布線的過程之后，就要對電路板進(jìn)行綜合的測試和檢查，在這種情況下，自己有可能檢查不出來錯誤，因為受到一開始思維的局限，所以多找別人幫忙檢查，相互檢查是最好的辦法，這樣檢查的效率也相當(dāng)?shù)臉酚^！當(dāng)把電路仿真出來后，我對自己的電路很有信心，按照仿真電路圖認(rèn)真仔細(xì)接線，一切都還比較的順利！當(dāng)綜合測試成功的那一刻，很興奮！六總結(jié)1. 設(shè)計過程中遇到的問題及其解決方法。1） 對電路整體布局好后，后來因為想到不是很合理，又對電路進(jìn)行了改動，將原來接74LS00 的位置和接74LS191的位置對換，結(jié)果忘記拆掉原來74LS191接地的線，造成74LS00部分接地，使得輸出為0，計數(shù)器不計數(shù)，我自己怎么也沒有檢查出來，后來請同學(xué)一眼就看出來了。所以改動電路時要注意拆掉該拆的連線。2） 在做電路中出現(xiàn)問題最多的就是接地沒有接好或是接電源沒接好，一般用萬用表認(rèn)真檢查都能找出來。所以接地是非常重要的。3） 在檢測面包板狀況的過程中，出現(xiàn)本該相通的地方被斷了的導(dǎo)線堵塞，用鑷子將其挑出。4） 在仿真后發(fā)現(xiàn)電路運行第一個24小時時，時、分、秒的十位都顯示為1，按理論應(yīng)該為0，我試了很多次改電路都不行，我問同學(xué)也都不知道，后來打電話給老師才知道是電路中的干擾所致。七、設(shè)計體會 在設(shè)計數(shù)字鐘的過程中，使我了解了集成電路芯片的型號命名規(guī)律，懂得了沒有某種芯片時的替代方法，以及在網(wǎng)上查找電子電路資料的方法，進(jìn)一步掌握了面包板的結(jié)構(gòu)，掌握了各芯片的邏輯功能及使用方法，進(jìn)一步熟悉了集成電路的引腳安排，掌握了數(shù)字鐘的設(shè)計方法，進(jìn)一步熟悉了數(shù)字系統(tǒng)的制作和布線方法，明白了數(shù)字鐘的組成原理以及工作原理。掌握了計數(shù)器的工作原理，以及計數(shù)器進(jìn)制的組成方法和級聯(lián)方法。通過這次設(shè)計，使我明白了設(shè)計前要熟悉引腳功能和邏輯功能，只有這樣在電路出錯時才能準(zhǔn)確找出來，由于仿真和實際連線有一定區(qū)別，加上對集成電路不是非常的熟悉，在連接實際電路時有時忘記了連電源和地，記得有一次我已把振蕩分步電路連接好了，有同學(xué)問我集成電路用不用連電源和地啊，我說振蕩電路不用連，計數(shù)電路要連，回頭仔細(xì)一看我的都連電源了，從這就可以看出我們對集成電路的接法并不是很熟，才弄出了這么個笑話。我想以后不會出現(xiàn)這樣的事了。通過設(shè)計數(shù)字鐘，使我深刻地體會到一點，要想輕松的設(shè)計出電路，就必須有理論知識作鋪墊，這樣才能思考周全，設(shè)計出來的電路才可能更加的完美。在仿真電路的過程中也使我體會到了門電路的延遲對電路的影響，所以在設(shè)計時一定要注意延遲的影響，以及合理利用它的延遲，所以時鐘的脈沖盡可能少的經(jīng)過門電路。由于有這次機(jī)會使我學(xué)過的軟件派上了用場，比如我用到的仿真軟件Proteus，使我對學(xué)習(xí)自動化專業(yè)軟件的興趣，今后我要抓住時間和機(jī)會學(xué)習(xí)更多的實用軟件，培養(yǎng)動手能力，提高實際應(yīng)用能力,成為一個應(yīng)用性人才。八元器件清單1實驗中所需的器材 5V電源。 面包板3塊。 發(fā)光二極管1個（用于檢測）。 萬用表。 鑷子1把。 剪刀1把。 撥線銓1把。 導(dǎo)線 若干 共陽八段數(shù)碼管6個。 74LS191芯片7塊。 74LS08芯片2塊。 74LS00芯片5塊 74LS03芯片2塊 74LS04芯片2塊。 74HC30芯片1塊 2K電阻1個。 5.1K電阻1個 3.3K電阻2個。 10M電阻1個。 104電容2個。 開關(guān)2個。 蜂鳴