電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)數(shù)字電子鐘的組裝與調(diào)試

1、數(shù)字電子鐘的組裝與調(diào)試一、 課程設(shè)計(jì)的目的1. 熟悉中規(guī)模集成電路計(jì)數(shù)器的功能及應(yīng)用；2. 熟悉中規(guī)模集成電路譯碼器的功能及應(yīng)用；3. 熟悉led數(shù)碼管及其驅(qū)動(dòng)電路的工作原理。4. 初步學(xué)會(huì)綜合安裝調(diào)試的方法。二、課程設(shè)計(jì)的要求1. 設(shè)計(jì)的數(shù)字鐘能直接顯示“時(shí)”，“分”，“秒”，并以24小時(shí)為一計(jì)時(shí)周期；2. 當(dāng)電路發(fā)生走時(shí)誤差時(shí)，要求電路具有校時(shí)功能。三、實(shí)驗(yàn)儀器和器材1. 面包板250x300mm1塊2. 74ls 163同步四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器2片3. 74ls 160同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器1片4. 74ls 90異步二-五-十進(jìn)制計(jì)數(shù)器 2+6片5. 74ls 00四、2輸入與非門1片6. 74

2、ls 04六反相器1片7. 74ls 112雙j-k觸發(fā)器1片8. 74ls 48bcd七段譯碼驅(qū)動(dòng)器6片9. 數(shù)碼管七段共陰極數(shù)碼管6片10. cd 406014二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)/分頻器1片11. 74ls 1754d觸發(fā)器1片12. 石英晶體32 768 hz1片13. 數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)箱 tpe-d1臺(tái)14. 電阻10k4只15. 點(diǎn)動(dòng)開關(guān) 2只16. 可變電容3/40pf1只17. 電阻 22m2只18. 電容22pf1只四、工作原理圖1 數(shù)字電子鐘的原理框圖數(shù)字鐘一般由振蕩器、分頻器、計(jì)數(shù)器、譯碼器、顯示器等幾部分組成，這些都是數(shù)字電路中應(yīng)用最廣的基本電路。數(shù)字鐘的原理框圖如圖1所示。石英

3、晶體振蕩器產(chǎn)生的時(shí)標(biāo)信號(hào)送到分頻器，分頻電路將時(shí)標(biāo)信號(hào)分成每秒一次的方波秒信號(hào)?！懊搿毙盘?hào)送入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，并把累計(jì)的結(jié)果以“時(shí)”、“分”、“秒”的數(shù)字顯示出來。“秒”的顯示由兩級(jí)計(jì)數(shù)器和譯碼器組成的60進(jìn)制計(jì)數(shù)電路實(shí)現(xiàn)；“分”的顯示電路與“秒”相同，“時(shí)”的顯示由兩級(jí)計(jì)數(shù)器和譯碼器組成的24進(jìn)制計(jì)數(shù)電路來實(shí)現(xiàn)。所有計(jì)時(shí)結(jié)果由六位數(shù)碼管顯示。以上組成部分現(xiàn)分別介紹如下：1. 石英晶體振蕩器振蕩器是電子鐘的核心，用它產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)，再由分頻器分成“秒”時(shí)間脈沖。振蕩器振蕩頻率的精度與穩(wěn)定度基本上決定了電子鐘的準(zhǔn)確度。由于石英晶體的頻率穩(wěn)定度可達(dá)10101011，輸出波形近似于正弦波，可用反相

4、器整形而得到矩形脈沖輸出。所以可獲得頻率非常穩(wěn)定的振蕩信號(hào)。數(shù)字電子鐘振蕩電路由石英晶體、微調(diào)電容與集成反相器等元件構(gòu)成，原理圖如圖2所示。圖2 晶體振蕩器圖中1門、2門是反相器，1門用于振蕩，2門用于緩沖整形，rf為反饋電阻，反饋電阻的作用是為反相器提供偏置，使其工作在放大狀態(tài)。反饋電阻rf的值選取太大，會(huì)使放大器偏置不穩(wěn)甚至不能正常工作；rf值太小又會(huì)使反饋網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)加重。圖中c1是頻率微調(diào)電容，一般取5/35pf。c2是溫度特性校正電容，一般取20pf40pf。電容c1、c2與晶體共同構(gòu)成p型網(wǎng)絡(luò)，以控制振蕩頻率，并使輸入、輸出相移180。2. 分頻器時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的頻率很高，目前多數(shù)石英電

5、子表的振蕩頻率為215=32 768 hz。要得到秒脈沖，需要分頻電路，可選用以下兩種方法： （1）用1片14位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器（cd 4060）進(jìn)行214分頻后，再用d觸發(fā)器完成一次分頻，即可得到1hz的秒脈沖信號(hào)（215次分頻信號(hào)）；（2）也可采用6片異步二-五-十進(jìn)制計(jì)數(shù)器（74ls 90）直接實(shí)現(xiàn)。3. 計(jì)數(shù)器圖5 60 進(jìn)制計(jì)數(shù)器（1）60進(jìn)制計(jì)數(shù)“秒”計(jì)數(shù)器的電路形式很多，通常都是由一級(jí)10進(jìn)制計(jì)數(shù)器和一級(jí)6進(jìn)制計(jì)數(shù)器組成。圖5所示是用兩塊中規(guī)模集成電路74ls160按反饋置零法串接而成?！懊搿庇?jì)數(shù)器的十位和個(gè)位，輸出脈沖除用做自身清零外，同時(shí)還作為“分”計(jì)數(shù)器的輸入信號(hào)。本實(shí)驗(yàn)圖6則

6、是由74ls163與74ls90及門構(gòu)成“秒”計(jì)數(shù)器電路?！胺帧庇?jì)數(shù)器電路與“秒”計(jì)數(shù)器相同。1hz10 hz102 hz103 hz104 hz105 hz圖3 分頻電路1圖4 分頻電路2（2）24進(jìn)制計(jì)數(shù)圖6所示為24進(jìn)制小時(shí)計(jì)數(shù)器，是用兩片74ls160組成的。 也可用兩塊中規(guī)模集成電路74ls161和與非門構(gòu)成。上述計(jì)數(shù)器原理讀者自行分析。圖6 24 進(jìn)制計(jì)數(shù)器4. 譯碼和顯示電路譯碼就是把給定的代碼進(jìn)行翻譯，變成相應(yīng)的狀態(tài)，用于驅(qū)動(dòng)led七段數(shù)碼管，只要在它的輸入端輸入8421碼，七段數(shù)碼管就能顯示十進(jìn)制數(shù)字。5. 校準(zhǔn)電路圖7 單脈沖發(fā)生器10k10k校準(zhǔn)電路實(shí)質(zhì)上是一個(gè)由基本r-

7、s觸發(fā)器組成的單脈沖發(fā)生器，如圖7所示。從圖中可知，未按按鈕sb時(shí)，與非門g2的一個(gè)輸入端接地，基本r-s觸發(fā)器處于1狀態(tài)，即q1，0。再看圖1，這時(shí)數(shù)字鐘正常工作，分脈沖能進(jìn)入分計(jì)數(shù)器，時(shí)脈沖也能進(jìn)入時(shí)計(jì)數(shù)器。按下按鈕sb時(shí)，與非門g1的一個(gè)輸入端接地，于是基本r-s觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)為0狀態(tài)q0，1。再看圖1，若所按的是校分的按鈕sbl，則秒脈沖可以直接進(jìn)入分計(jì)數(shù)器而分脈沖被阻止進(jìn)入，因而便能較快地校準(zhǔn)分計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值。若所按的是校時(shí)的按鈕sb2，則秒脈沖可以直接進(jìn)入時(shí)計(jì)數(shù)器而時(shí)脈沖被封鎖，于是就能較快地對(duì)時(shí)計(jì)數(shù)值進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)后，將校正按鈕釋放，使其恢復(fù)原位，數(shù)字鐘繼續(xù)進(jìn)行正常的計(jì)時(shí)工作。本實(shí)驗(yàn)

8、電路圖6未加校準(zhǔn)電路，讀者可在圖7電路中加入校準(zhǔn)電路。五、 實(shí)驗(yàn)步驟根據(jù)本實(shí)驗(yàn)所給元件，按圖8所示電路在實(shí)驗(yàn)箱上組裝調(diào)試。依次觀察各數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)是否正確。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求（1）畫出數(shù)字鐘的全部邏輯圖，簡(jiǎn)述各部分工作原理。（2）總結(jié)調(diào)試中遇到的問題及解決方法。（3）談?wù)勀愕氖斋@、體會(huì)及改進(jìn)意見。七、備用方案數(shù)字電子鐘的實(shí)現(xiàn)方案有多種，圖9是另外一種實(shí)現(xiàn)方案。該電路也含有振蕩器、分頻器、計(jì)數(shù)器、譯碼器、顯示器等幾部分電路，但是該電路所使用的集成組件與圖8電路的組件不同。此外該電路還具有校正功能和整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能。讀者可自己分析圖9中各部分電路的原理，現(xiàn)僅把圖9的整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路的原理分析如下。在圖9中

9、，當(dāng)分計(jì)到59min時(shí)，將分觸發(fā)器置1，而等到秒計(jì)數(shù)到54s時(shí)，將秒觸發(fā)器置1，然后通過與相“與”后，再和1s標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)相“與”，輸出控制低音喇叭鳴叫，直到59s時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位信號(hào)，使清0，低音鳴叫停止；同時(shí)59s信號(hào)的反相又和相“與”，輸出控制高音喇叭鳴叫。當(dāng)分、秒計(jì)數(shù)從59:59變?yōu)?0:00時(shí)，鳴叫結(jié)束，完成整點(diǎn)報(bào)時(shí)。電路中的高、低音信號(hào)分別由cd4060分頻器的輸出端q5和q6產(chǎn)生。q5輸出頻率為1 024 hz，q6為512 hz。高、低兩種頻率通過或門輸出驅(qū)動(dòng)三極管vt，帶動(dòng)喇叭鳴叫。八、預(yù)習(xí)要求（1）復(fù)習(xí)中規(guī)模計(jì)數(shù)器、譯碼器的邏輯功能。（2）試用本實(shí)驗(yàn)所提供的集成芯片畫出24進(jìn)

10、制和60進(jìn)制計(jì)數(shù)器的接線圖（管腳圖見附錄）。（3）畫出數(shù)字電子鐘的全部邏輯電路圖。要求： 具有“時(shí)”、“分”、“秒”的十進(jìn)制數(shù)字顯示式電子鐘。 具有整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能，在離整數(shù)點(diǎn)10s時(shí)，便自動(dòng)發(fā)出鳴叫聲，聲長(zhǎng)1s，每隔1s鳴叫1次，前4響是低音，后1響為高音，共鳴叫5次，最后1響結(jié)束時(shí)為整點(diǎn)（低音頻為500 hz，高音頻為1 000 hz）。 具有穩(wěn)定可靠的校時(shí)功能（時(shí)、分）。 四位二進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器 74ls163前面所講述的74ls 90其清零方式通常稱為“異步清零 ”，即只要 q 0(1) = q 0(2) = 1，不管有無時(shí)鐘信號(hào)，輸出端立即為 0；而且它的計(jì)數(shù)方式是異步的，即cp不是同時(shí)送

11、 到每個(gè)觸發(fā)器。下面將要講述的74ls163，不但 計(jì)數(shù)方式是同步的，而且它的清零方式 也是同步的：即使控制端clr0，清零目的真正實(shí)現(xiàn)還需等待下一個(gè)時(shí)鐘脈沖的上升沿到來以后才能夠變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。這就是“ 同步清零 ”的含義。計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率為1 hz，由晶體振蕩器產(chǎn)生的32 768 hz時(shí)鐘，經(jīng)過a17、a18 兩片計(jì)數(shù)器215分頻得到。計(jì)數(shù)器的輸出通過數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)譯碼器 a1a6去驅(qū)動(dòng)共陰極數(shù)碼管顯示時(shí)間，顯示的時(shí)間值為時(shí)、分、秒。cd4060bc 74l160-十進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器（異步清除）160 的清除端是異步的。當(dāng)清除端/mr 為低電平時(shí)，不管時(shí)鐘端cp 狀態(tài)如何，即可完成清除功能。160

12、的預(yù)置是同步的。當(dāng)置入控制器/pe 為低電平時(shí)，在cp 上升沿作用下，輸出端q0q3 與數(shù)據(jù)輸入端p0p3 一致。對(duì)于54/74160，當(dāng)cp 由低至高跳變或跳變前，如果計(jì)數(shù)控制端cep、cet為高電平，則/pe 應(yīng)避免由低至高電平的跳變，而54/74ls160 無此種限制。160 的計(jì)數(shù)是同步的，靠cp 同時(shí)加在四個(gè)觸發(fā)器上而實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)cep、cet 均為高電平時(shí)，在cp 上升沿作用下q0q3 同時(shí)變化，從而消除了異步計(jì)數(shù)器中出現(xiàn)的計(jì)數(shù)尖峰。對(duì)于54/74160，只有當(dāng)cp 為高電平時(shí)，cep、cet 才允許由高至低電平的跳變，而54/74ls160的cep、cet 跳變與cp 無關(guān)。160

13、 有超前進(jìn)位功能。當(dāng)計(jì)數(shù)溢出時(shí)，進(jìn)位輸出端（tc）輸出一個(gè)高電平脈沖，其寬度為q0 的高電平部分。在不外加門電路的情況下，可級(jí)聯(lián)成n 位同步計(jì)數(shù)器。引出端符號(hào)：tc 進(jìn)位輸出端cep 計(jì)數(shù)控制端q0q3 輸出端cet 計(jì)數(shù)控制端cp 時(shí)鐘輸入端（上升沿有效）/mr 異步清除輸入端（低電平有效）/pe 同步并行置入控制端（低電平有效）輸入輸出mrpecetcepcpp3p2p1p0q3q2q1q00xxxxxxxx000010xx1d3d2d1d0d3d2d1d011111xxxx計(jì)數(shù)110xxxxxx保持11x0xxxxx保持(tc=0)74ls112雙j-k觸發(fā)器引腳功能電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 數(shù)字電子鐘的組裝與調(diào)試實(shí)驗(yàn)儀器和元器件清單附件1：（共計(jì)40套）1. 74ls 163同步四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器2片2. 74ls 90異步二-五-十進(jìn)制計(jì)數(shù)器 8片3. 74ls 00四-2輸入與非門3片4. 74ls 04六反相器1片5. 74ls 112雙j-k觸發(fā)器2片6. 74ls 48bcd七段譯碼驅(qū)動(dòng)器6片7. 數(shù)碼管七段共陰極數(shù)碼管6片8. cd 406014二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)/分頻器1片9. 74ls 1754d觸發(fā)器1片10. 石英晶體32 768 hz1片11. 74ls 161四-2進(jìn)制計(jì)數(shù)器5片共計(jì)：