作息時間信號機_技術文檔

1、課程設計報告 作息時間信號機(作息時間信號機的整體電路圖見最后一頁)一 設計目標本課題是在熟悉數(shù)字電路知識的基礎上，根據(jù)設計要求來制訂一簡易作息時間信號機，該信號機能正常顯示時間并能手動校時校分，且能在特定的時間打特定的鈴；在設計的基礎上掌握調試電路的基本方法。二 技術指標21 整體功能要求： 學校、機關和工廠企業(yè)為了維護正常的工作，學習和生活秩序，作息時間信號機是必不可少的，一年四季的作息時間是不同的，功能齊全的信號機應能根據(jù)季節(jié)的變更，自動調整作息時間。另外，任何時鐘都有記時誤差，數(shù)字鐘也不例外，性能優(yōu)良的信號機，應能根據(jù)廣播及時的進行人工校時，本課題設計是簡易作息時間信號機，作息時間按學

2、校規(guī)定的作息時間自動打鈴，全年作息時間是規(guī)定不變（雙休日照常運行），且只要求人工校時校分。22系統(tǒng)結果要求： 作息時間信號機的系統(tǒng)結構方框如圖2.1-123 電氣指標231規(guī)定的作息時間表如下：項目時間鈴聲類型起床6：30長早操6：40短早餐7：10長預備鈴7：50短第一節(jié)課8：00-8：50間-短第二節(jié)課9：009：50間-短課間操10：00短第三節(jié)課10：1011：00間-短第四節(jié)課11：1012：00間-短午餐12：10長午休12：30長預備鈴13：40短第五節(jié)課14：0014：50間短第六節(jié)課15：0015：50間短第七節(jié)課16：0016：50間短第八節(jié)課17：0017：50間短晚餐1

3、8：00長第九節(jié)課18：3019：20 間短第十節(jié)課19：3020：30間短晚自習結束22：00間熄燈22：30長232鈴聲分類根據(jù)鈴聲長短共分三類：長鈴：12s; 短鈴7s；間歇鈴18s內響3s，停3s，共三個周期。這三種鈴聲分別應用于下列三種情況（已在上表中給出分類情況）；長鈴：起床，早、中、晚餐，午休和熄燈。短鈴：預備鈴，下課，自習幾課間操作結束。間歇鈴：上課，晚自習結束。233采用24小時制三 電路設計31 工作原理及其流程圖 該簡易信號機的框圖如圖3.1-1所示，它由以下幾個部分組成； 秒信號發(fā)生器：用來產生數(shù)字鐘記時的標準脈沖信號數(shù)字鐘：用以提供作息時間表中的各個具體時間譯碼電路：

4、將所有欲打鈴的時間提取出來并分別構成三種鈴聲的控制信號定時電路：用以形成三種鈴聲所需的持續(xù)時間并匯集成一路信號送至多諧震蕩器可控多諧振蕩器及推動電路：在需要打鈴的時間里，多諧振蕩器從音頻頻率振蕩并推動揚聲器的發(fā)聲以下我們將具體介紹個部分的電路及其工作過程。32 電路分析321秒信號發(fā)生器 秒信號發(fā)生器是數(shù)字鐘的重要部分，它決定了數(shù)字鐘的穩(wěn)定度和精確度，在記時要求不高的場合，可以用環(huán)形門電路或555定時器產生。在記時要求準確的條件下，一般用石英晶體做振蕩源，振蕩器的頻率越高，設計計時精度越高，所用的器件所用的器件就越多，本課題用32768Hz的晶體，經十五次的二分頻可得到1s的標準脈沖信號，如圖

5、.所示通過秒信號發(fā)生器可產生Hz、2Hz、1024Hz、2048Hz等脈沖信號，將其作為數(shù)字鐘的CP輸入，方便檢驗電路的準確性3.2.2數(shù)字鐘數(shù)字鐘即計數(shù)器，對秒信號計數(shù)，將累積結果用24進制顯示時、分、秒，數(shù)字鐘主要包括計數(shù)器、譯碼器及顯示電路。（1）計數(shù)器主要應用于計數(shù)時、分、秒，于6片74161級聯(lián)而成。計秒電路由2片74161通過異步級聯(lián)實現(xiàn)模為60的計數(shù)并輸出，第一片74161為模6的計數(shù)器，第二片74161為模10 的計數(shù)器，均采用預置“0”法，電路如下：該電路可從0 59 計數(shù)，Qa、Qb、 Qc、Qd可輸出每一個數(shù)的二進制表示形式作為譯碼器的輸入信號 。計分信號也由由2片741

6、61級聯(lián)而成，電路圖同（3.2-3），當計數(shù)到59時就會產生一個脈沖，作為計時電路的CP輸入。計時電路；由于一天只有24小時，當計數(shù)達到23：59：59時，就需要清零以重新開始計時，計時電路由2片74161級聯(lián)而成的模為24計數(shù)器，下圖為計數(shù)器的電路圖，并能實現(xiàn)置零然后將計時、計分電路、計秒電路級聯(lián)起來，前一電路的置書數(shù)控制端的輸入信號也作為下一電路CP的輸入信號，當計時、計分、計秒計到滿足模為59的終止狀態(tài)時，將會產生置數(shù)控制信號，提供下一級電路的脈沖，當達到23：59：59的終止狀態(tài)時，所有的級聯(lián)電路全部置零，重復下一次的計數(shù)，計秒電路CP輸入為標準脈沖信號,下圖為每一個級聯(lián)電路基本觸發(fā)器

7、的Q端輸出波形圖：1計秒電路：、（個位） 2計秒電路（十位）3 計分電路（個，十位），計數(shù)電路個位與計數(shù) 電路相對應4 計時電路（十位）（2）譯碼器及其顯示電路我們用74161的時分電路產生所需的序列信號，采用74153級聯(lián)進制數(shù)據(jù)選擇，通過7448和74138可將時間在四個數(shù)碼管上動態(tài)顯示出來，利用7474構成的控制開關，可使四位數(shù)字同時顯示在四個數(shù)碼管上，具體的電路圖如下：1 數(shù)據(jù)選擇電路注 ：（b）為計時電路的十位（）為計時電路的個位（）為計分電路的十位（）為計分電路的個位數(shù)據(jù)選擇電路功能：將計數(shù)器的時分上的二進制數(shù)選擇出來。通過譯碼電路再將數(shù)字在數(shù)碼管上顯示出來。譯碼電路及其顯示電路圖

8、注：（I）為左（II）為右上圖為動態(tài)數(shù)碼顯示電路，它由一片譯碼器和四個數(shù)碼管共同組成的，圖.中芯片構成一個“”“”的交替開關，時分別由，號數(shù)碼管將選擇器中的選出來的數(shù)據(jù)在數(shù)碼管上進行顯示，當“”“”交替顯示時，由于人眼的視覺暫留效應，時分上的四位數(shù)字就會同時顯示在號數(shù)碼管上。至此，數(shù)字鐘顯示電路已經完成，當Hz脈沖正常輸入時，我們回看到顯示器上的數(shù)字將會隨著時間的推移而發(fā)生跳變，目的與結果吻合的相當好，調節(jié)秒電路的脈沖輸入，如CP輸入為Hz，我們會發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管上的數(shù)字將會連續(xù)快速的變化，并能實現(xiàn)小時制，數(shù)字鐘顯示的正確性在檢測中將給出具體的分析；.校時校分電路可設兩個校時、校分開關，當k時，正常

9、計時；當k時，校時；當k=10時，校分。在時分計數(shù)器的CP端，有一個控制信號控制正常計數(shù)或校時，校時時應加入一個校時脈沖，校時脈沖可選擇1Hz信號，為加快校時的速度，可選擇校時脈沖的頻率如：2Hz，4Hz，8Hz，校時控制電路可用組合電路來實現(xiàn)，由于開關存在抖動，必須采用消除抖動電路。1校對小時電路開關在松動時有兩端是相連的，在按下去時另兩端是相連的，在選擇開關時，必須將松開時相連的兩端按電路圖接好，這樣保證校時開關接人電路時不影響正常計時，在調節(jié)開關時，直接對計時電路輸入脈沖信號，實現(xiàn)手動調時。2校分電路： 校分電路的基本原理與校時電路相同在上述的兩個電路中都包含了一個SRFF門，用以消除開

10、關在按下去時可能帶來的震動，確保手動調時的準確性。3.2.4譯碼電路：該電路要將所有需要打零的時間檢測出來，分為三類鈴聲：長鈴、短鈴、幾間歇鈴，如果用用集成電路來完成組合邏輯設計，電路是十分龐大的，甚至是無法實現(xiàn)的，如果與GAL來實現(xiàn)，電路是非常簡單的。體現(xiàn)可編程器件的優(yōu)越性。GAL芯片有8個輸入緩沖器、8個輸出緩沖器、8個輸出反饋/輸入緩沖，一個時鐘輸入緩沖器 和一個片選信號輸入緩沖器，8個輸出邏輯宏單元OLMC,與陣列中有8*8個門實現(xiàn)64個乘積項。在GAL16 v8中，最多有16個引腳作為輸入端，而輸出端最多有8個由于GAL的基本結構，使她實現(xiàn)復雜的邏輯功能的靈活性較大，它的輸出宏單元O

11、LMC可配置成5種工作方式，各種模式對于輸出邏輯表達式的要求不同，特別要注意的是宏單元OLMC的內部有一個8輸入的或門，或門的每一個輸入對應與1個乘積項，每個與門可達32個輸入端，在宏單元配置成不同的工作模式時，或門最多只能8個乘積項相加，在實現(xiàn)組合邏輯電路工作在反饋組合輸出方式時，第一個乘積項被三態(tài)選通信號占用，故或門只有7個輸入端可用，既最多可有7 個乘積項相或。在編程時，只需要寫出三種鈴聲的表達式，如果某種鈴聲的乘積項大于7時就需要設計一個中間變量，否則軟件編輯時會出錯。以下是GAL編程實現(xiàn)時間檢測的具體程序：PARTNO； REV；DATE 2005-09-07；DE SIGHER；

12、COM PANY；ASSEMBLY；LOCATION；PIN2，3，4，5，6，7，8，9，12，13，18，19=Q6B，Q6A，Q5D，Q5C，Q5B，Q4C，Q4B，Q4A，Q3D，Q3C，Q3B，Q3APIN12，13，14，15，16，17，18=L，S，J，；L=!Q6B&Q6A&!Q5D&Q5B&Q5C&Q5A&!Q4C&Q4B&Q4A#!Q6B&!Q6A&!Q5D&Q5C&Q5B&Q5A&!Q4C&Q4B&Q4A#!Q6B&Q6A&!Q

13、5D&!Q5C&Q5B&!Q5A&!Q4C&!Q4B&Q4A#!Q6B&Q6A&Q5D&!Q5C&!Q5B&!Q5A&!Q4C&!Q4B&!Q4A#!Q6B&Q6A&!Q5D&Q5C&Q5B&!Q5A&!Q4C&Q4B&Q4A#Q6B&!Q6A&!Q5D&!Q5C&Q5B&!Q5A&!Q4C&Q4B&Q4A；=!Q6B&!Q6A&!Q5D&a

14、mp;Q5C&Q5B&Q5A&Q4C&!Q4B&Q4A#!Q6B&Q6A&!Q5D&!Q5C&Q5B&Q5A&Q4C&!Q4B&!Q4A#!Q6B&!Q6A&Q5D&!Q5C&!Q5B&!Q5A&Q4C&!Q4B&Q4A#!Q6B&!Q6A&Q5D&!Q5C&!Q5B&Q5A&Q4C&!Q4B&Q4A#!Q6B&!Q6A&Q5D&Q5C&am

15、p;!Q5B&Q5A&!Q4C&!Q4B&!Q4A#!Q6B&Q6A&!Q5D&!Q5C&Q5B&!Q5A&!Q4C&!Q4B&!Q4A；=!Q6B&!Q6A&!Q5D&Q5C&Q5B&Q5A&Q4C&!Q4B&Q4A#!Q6B&Q6A&!Q5D&!Q5C&Q5B&Q5A&Q4C&!Q4B&!Q4A#!Q6B&!Q6A&Q5D&!Q5C&!Q

16、5B&!Q5A&Q4C&!Q4B&Q4A#!Q6B&!Q6A&Q5D&!Q5C&!Q5B&Q5A&Q4C&!Q4B&Q4A#!Q6B&!Q6A&Q5D&Q5C&!Q5B&Q5A&!Q4C&!Q4B&!Q4A#!Q6B&Q6A&!Q5D&!Q5C&Q5B&!Q5A&!Q4C&!Q4B&!Q4A；=!Q6B&Q6A&!Q5D&Q5C&!Q5B&a

17、mp;!Q5A&Q4C&!Q4B&Q4A#!Q6B&Q6A&!Q5D&Q5C&!Q5B&Q5A&Q4C&!Q4B&Q4A#!Q6B&Q6A&!Q5D&Q5C&Q5B&!Q5A&Q4C&!Q4B&Q4A#!Q6B&Q6A&!Q5D&Q5C&Q5B&Q5A&Q4C&!Q4B&Q4A#!Q6B&Q6A&!Q5D&!Q5C&Q5B&Q5A&!

18、Q4C&Q4B&!Q4A#Q6B&!Q6A&!Q5D&!Q5C&!Q5B&!Q5A&!Q4C&Q4B&!Q4A#Q6B&!Q6A&!Q5D&!Q5C&Q5B&!Q5A&!Q4C&!Q4B&!Q4A；=!Q6B&!Q6A&Q5D&!Q5C&!Q5B&!Q5A&!Q4C&!Q4B&!Q4A#!Q6B&!Q6A&Q5D&!Q5C&!Q5B&Q5A&

19、!Q4C&!Q4B&!Q4A#!Q6B&Q6A&!Q5D&!Q5C&!Q5B&!Q5A&!Q4C&!Q4B&Q4A#!Q6B&!Q6A&!Q5D&!Q5C&!Q5B&Q5A&!Q4C&!Q4B&Q4A#!Q6B&Q6A&!Q5D&Q5C&Q5B&!Q5A&!Q4C&!Q4B&!Q4A#!Q6B&Q6A&!Q5D&Q5C&!Q5B&Q5A&!Q

20、4C&!Q4B&!Q4A；=!Q6B&Q6A&!Q5D&Q5C&Q5B&!Q5A&!Q4C&!Q4B&!Q4A#!Q6B&Q6A&Q5D&Q5C&Q5B&Q5A&!Q4C&!Q4B&!Q4A#!Q6B&Q6A&Q5D&!Q5C&!Q5B&!Q5A&!Q4C&Q4B&Q4A#!Q6B&Q6A&Q5D&!Q5C&!Q5B&Q5A&!Q4C&

21、;Q4B&Q4A；J=#；325定時電路 用長鈴，短鈴和間歇鈴作為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的觸發(fā)信號，再配以定時元件R，C，實現(xiàn)脈沖展寬至所需的時間，電路如圖：該電路采用中規(guī)模集成單穩(wěn)態(tài)74123，單穩(wěn)態(tài)的脈沖寬度 由外接決定，在<1000時，可以通過查找有關圖表求得，在>1000時，對LS型， 對標準型L型： K（HaT/）對型K0.28；對型,k=0.33通過計算可求得 長鈴定時電路中的=100K，220短鈴電路中的=74K，220間歇鈴的=200K，220間歇鈴聲的形成，要求在18s內響3s，停3s共三個周期，可移動寄存器74194附加門電路。實現(xiàn)111000序列信號發(fā)生器，實現(xiàn)

22、電路如下：其波形圖如下：最后，將長鈴、短鈴和間歇鈴的輸出端Q通過一個或門，接到蜂鳴器上，實現(xiàn)定點報時。綜上所述，將所有電路組合起來，完整的電路圖見附錄。但在接線的過程中仍不可避免存在芯片與接觸面的問題，電路調試的具體過程將在下面予以給出。四電路的調試電路的調試是整個電路設計的至關重要的部分，數(shù)字電路的測試目的有兩類：一是功能測試；二是結構測試。功能測試的目的是驗證被測電路的功能，而結構測試的目的是針對電路的硬件故障，通過測試確定電路中某節(jié)點的故障情況。數(shù)字電路中信號的頻率和均勻性更多樣化，示波器則擁有觀察這些多樣化的能力，能否正確的使用示波器也是相當重要的。41 時間校正運用2Hz，4Hz，8

23、Hz等快速測量，校正開關應用消抖動電路逐級測量和校正。411秒脈沖發(fā)生器的測試：在秒發(fā)生器中，7474芯片的5管腳與地線直接接入二級管，觀察二極管的亮滅情況，通過計時一檢測秒信號發(fā)生器電路的正確性，在組裝電路的過程中，由于接觸不良或者芯片的損害，使得無法產生標準的秒脈沖信號。兩點間是否通路可通過萬用表直接檢測而的，秒脈沖信號在示波器上是無法產生均勻波形的，通過CD4060的管腳5和7可產生1024Hz和2048Hz的脈沖，觸發(fā)信號為均勻波形，各點波形本身的高、低電平時分分別相等，都是均勻波形圖如下： 當出現(xiàn)上述波形以及二極管能正常1s閃亮一次時 ，說明該秒信號發(fā)生電路是正確的，在電路連接中，一

24、些使能端和高電平，地線的正確性連接與否必須確定。412數(shù)字電路的檢測 （1）選擇電路的檢測： 電路中出現(xiàn)的具體問題及相應的解決方案，如下： 1.1在時分電路中是采用異步級聯(lián)的方式實現(xiàn)M=60的計數(shù)器，利用同步級聯(lián)也可以實現(xiàn)M=60的計數(shù)器，電路圖如下：但是上述的計廟電路存在很大的弊端，由于非門的存在會使的輸入下一級74161的P、T信號延遲，從而使得CP與P、T計數(shù)不準，所以計時電路采用同步級聯(lián)方式。12 斷路故障斷路故障是指連線造成的斷路，現(xiàn)象一般顯示出相關點無規(guī)律的電平，檢測此類故障用“0”“1”判斷法，操作時可用萬用表邏輯筆或者示波器從源頭沿一定的路徑逐段的檢察，不難發(fā)現(xiàn)故障點。13路故

25、障 短路故障是指連線或點短路造成電路出現(xiàn)異常的現(xiàn)象，排除方法同斷路故障排除法一樣的。14集成芯片故障該故障主要是指集成芯片的功能不正常，其主要的原因表現(xiàn)在以下幾個方面： （a）集成電路燙手，可能由于正負級反向連接造成或短路造成的 （b）集成電路電源端的電壓近似零伏（c）芯片的管腳折斷或折彎而未能直接插入實驗板。（e）芯片的輸入端有規(guī)定的邏輯電平而沒有規(guī)定的邏輯電平的輸出。在檢查上述的故障時，應首先檢查時鐘信號是否加上，以及是否滿足電路對時鐘的要求，如時鐘脈沖的頻率，高低電平，上升下降的時間等；在查使能端，清零端，置位端是否按要求接好，然后按照電路的邏輯功能，分別檢查各級電路的輸入、輸出引腳，看

26、電壓是否正常。在檢查電路時，應按照上述的步驟對電路的邏輯功能進行推理分析，一步步縮小范圍，最后找出故障，特別在74161級聯(lián)時各個輸出端的波形對電路正確性的檢測尤為重要，為了能夠較為清晰的觀察波形圖，將1024Hz作為第一片74161的CP輸入，然后根據(jù)設計電路中給出的波形圖，如果輸出的波形圖與假設不符，可以逐個寫出信號的傳輸途徑中各個門電路的輸出端的真值表與示波器測量的各個點波形相比較，如不符則可判斷故障的所在。（5）在74161級連構成模為24、60的電路中往往會忽視高低位，從而使的模值不為設計的要求值，如芯片上，從最低位至高位管腳號分別為11，12，13，14但在一般電路中用，其中為高位

27、，這會使得在清零時發(fā)生錯誤，避免地方案就是利用示波器觀察四個管腳的輸出波形，從而判斷其高低位。有前面知，74161四個管腳的輸出波形圖為：當各片74161的輸出波形與上述圖形相同時說明該芯片是正常工作的。（注：實際產生的波形可能只為圖中一部分，主要取決于模值）（2）校時電路的測試檢測該部分電路有多種方法，主要是由于校時電路接法很多，若使用單脈沖校對時，按鍵開關必須用消抖動電路，即用SRFF電路實現(xiàn)。校時開關的原理是直接給計時計分電路提供信號，開關連接時中間引腳接地，把開關按電路圖加入電路中，在開關輸出地方連接示波器，當出現(xiàn)下述波形時，說明開關連接反向。此時需將開關反向相連，直至當手動按下開關時

28、示波器上才會產生一跳躍波形。（3）譯碼管的檢測該部分電路產生故障主要包括以下兩方面：1.數(shù)碼顯示器件損壞或連入數(shù)碼管的引腳有誤芯片7448的LT端是顯示數(shù)碼管或顯示譯碼器的好壞的端口，在7448連入LED的引腳正確無誤后，當LT=0時，ag均為高電平，七段數(shù)碼管所有段均發(fā)光，成日字形。若有些段無法顯示，說明有故障，應詳細檢查電路，2.顯示器無數(shù)字顯示或顯示亂碼在實驗中常會出現(xiàn)右圖所示的數(shù)字亂碼等產生這種情況下，如果顯示器正常的話，則74138，74153，7448或74161的引腳連接有誤，不妨先使得74138和74153中的=1，=0，則=(6), = (5), = (4), = (3),7

29、4138中的為低電平，那么在數(shù)碼管2上將會有“5”在顯示，如果非“5”顯示的話，檢查是否連入74153的引腳有誤（順序置反），并依次校正從輸出的波形是否與相應從74161輸出的波形一致，一致則說明芯片正常工作。4.1.3譯碼電路的檢測1將需打鈴的時間用CUPL語言經編程，寫入GAL芯片，由于打鈴的時間較多，在CUPL語言編輯時可能會出現(xiàn)資源不夠的情況。主要是GAL芯片的生產廠家不同，輸入輸出的引腳定義有所不同，如有的15 、16管腳只能做輸出不能做輸入，而有的18、19腳只能做輸出不能做輸入，發(fā)現(xiàn)這種情況要及時的調整，調整過程主要體現(xiàn)在程序編程過程中。4.1.4定時電路的檢測1 響鈴測試用校正

30、時間的按鍵對要求響鈴的時間進行逐一的測試，可能會出現(xiàn)響長鈴的時間，短鈴也響或間歇鈴也響，或者出現(xiàn)不該響鈴的時間也響鈴，出現(xiàn)這些情況主要是由于時間的檢測不對，或者在GAL編程時響鈴的；邏輯表達式簡化了，要特別主要響鈴的表達式不能化簡，各個乘積項僅代表唯一的時間段。在響鈴測試的過程中，響鈴的時間應分別是12s，7s，8s但在實驗時往往時間長短有差異，產生這種現(xiàn)象的原因主要在于定時電路的電阻、電容選擇不當，而每個74123型號不同，相同，對應的時間也是不同的，這些情況需要在實際操作中進行調節(jié)。2 在74194附加門電路產生111000序列信號時，有時仍會出現(xiàn)不產生間歇的情況，產生的原因也是相當?shù)膹碗s的，需對電路進行實際的操作檢查來排除故障。同樣利用示波器仍可以