數(shù)字時(shí)鐘設(shè)計(jì) EDA

1、 -多功能數(shù)字計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì) 姓名：劉法民班級(jí)：08081902學(xué)號(hào)：0808190229院系：自動(dòng)化學(xué)院指導(dǎo)老師：李元浩 日期：2011年1月5日一 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?） 掌握常見集成電路的工作原理和使用方法。（2） 學(xué)會(huì)單元電路的設(shè)計(jì)方法。二 實(shí)驗(yàn)要求用中小規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)一數(shù)字計(jì)時(shí)鐘，可以完成從0分00秒到9分59秒計(jì)時(shí)功能，并在控制電路的作用下具有開機(jī)清零、快速校分、正點(diǎn)報(bào)時(shí)功能，另外有附加功能啟停（停在7分39秒，停四秒）。1 設(shè)計(jì)一個(gè)脈沖發(fā)生電路，為計(jì)時(shí)器提供秒脈沖、為報(bào)時(shí)電 路提供驅(qū)動(dòng)蜂鳴器的脈沖信號(hào)；2 設(shè)計(jì)計(jì)時(shí)電路，完成0分00秒9分59秒的計(jì)時(shí)功能；3 設(shè)計(jì)報(bào)時(shí)電路，使數(shù)字計(jì)時(shí)器從9

2、分53秒開始報(bào)時(shí)，每隔一秒發(fā)一聲，共發(fā)三聲低音，一聲高音；即9分53秒、9分55秒、9分57秒發(fā)低音（頻率512Hz）,9分59秒發(fā)高音（頻率2048Hz）；4 設(shè)計(jì)校分電路，在任何時(shí)候，撥動(dòng)校分開關(guān)，可進(jìn)行快速 校分；5 設(shè)計(jì)清零電路，具有開機(jī)自動(dòng)清零功能，并在任何時(shí)候， 按動(dòng)清零開關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)器清零；6 設(shè)計(jì)啟停電路，在設(shè)定時(shí)刻（7.39）停下，停4秒后接著計(jì)時(shí)。三 實(shí)驗(yàn)原理數(shù)字計(jì)時(shí)器是由計(jì)時(shí)電路、譯碼顯示電路、脈沖發(fā)生電路和控制電路等幾部分組成的，其中控制電路可以分為校分電路、清零電路和報(bào)時(shí)電路。其具體的原理框圖如圖3.1所示。（附加電路啟停也為控制電路）圖3.1 電路原理框圖下面對(duì)

3、計(jì)時(shí)器的工作原理按其組成進(jìn)行說明。3.1 脈沖發(fā)生電路脈沖發(fā)生電路是為計(jì)時(shí)器提供計(jì)數(shù)脈沖的，因?yàn)樵O(shè)計(jì)的是計(jì)時(shí)器，所以需要產(chǎn)生1Hz的脈沖信號(hào)。用CC4060與74ls74產(chǎn)生秒信號(hào)。3.2計(jì)時(shí)電路計(jì)時(shí)電路鐘的計(jì)數(shù)器，秒各位和分位采用二-十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器CD4518實(shí)現(xiàn)，秒十位采用74ls161實(shí)現(xiàn)。從0分0秒到9分59秒，然后重新計(jì)數(shù)。3.3譯碼顯示電路譯碼器可以采用CD4511通過300電阻來驅(qū)動(dòng)共陰極顯示器。3.4報(bào)時(shí)電路電路每小時(shí)進(jìn)行一次報(bào)時(shí)，從9分53秒開始報(bào)時(shí)，每隔一秒發(fā)一聲，共三聲低音、一聲高音。即9分53秒、9分55秒、9分57秒為低音，9分59秒為高音。實(shí)際上，需要在某一時(shí)刻報(bào)

4、時(shí)，就將該時(shí)刻輸出為“1”的信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)，選通報(bào)時(shí)脈沖信號(hào)，進(jìn)行報(bào)時(shí)即可。3.5校分電路電路中存在一個(gè)開關(guān)，當(dāng)開關(guān)打到“正?！睓n時(shí)，計(jì)數(shù)器正常計(jì)數(shù)；當(dāng)開關(guān)打到“校分”檔時(shí)，分計(jì)數(shù)器進(jìn)行快速校分（即分計(jì)數(shù)器可以不受秒計(jì)數(shù)器的進(jìn)位信號(hào)控制，而選通一個(gè)頻率較快的校分信號(hào)進(jìn)行校分），而秒計(jì)數(shù)器保持。在任何時(shí)候，撥動(dòng)校分開關(guān)，可以進(jìn)行快速校分。即令計(jì)時(shí)器分為快速計(jì)數(shù)，而秒位保持。3.6清零電路在任何時(shí)刻，撥動(dòng)清零開關(guān)，可以進(jìn)行計(jì)數(shù)器的清零。3.7啟停電路 在當(dāng)電路計(jì)時(shí)計(jì)到事先設(shè)計(jì)好的時(shí)刻（7.39）時(shí)停止計(jì)數(shù)，在停四秒后接著從7.40開始計(jì)數(shù)?？梢岳?.39這時(shí)的狀態(tài)來控制秒各位計(jì)數(shù)器4518的C

5、P端，同時(shí)再利用一個(gè)與秒各位4518計(jì)數(shù)器同步的4518計(jì)數(shù)器來產(chǎn)生同步脈沖，具體原理見下面原理分析。四 實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)與原理1 分步電路設(shè)計(jì)（圖為在Multisim10.1上的仿真連接圖）（1）分頻器設(shè)計(jì)圖4.1原理：4060加上晶振以及阻容產(chǎn)生各種頻率的信號(hào)。其中晶振為32768Hz。經(jīng)十四分頻后產(chǎn)生2Hz的信號(hào)。（2）秒信號(hào)產(chǎn)生電路圖4.2原理：T觸發(fā)器的工作狀態(tài)即是將輸入的時(shí)鐘頻率降低一倍，即2分頻。要將D觸發(fā)器設(shè)計(jì)成2分頻電路，即是將D觸發(fā)器設(shè)計(jì)成T觸發(fā)器，比較兩個(gè)觸發(fā)器的特性方程可得D=Q。Q為Q非。（3）秒個(gè)位計(jì)時(shí)電路圖4.3原理：把4518設(shè)計(jì)成10進(jìn)制計(jì)數(shù)器，因?yàn)?518是異步

6、清0，所以令Cr=Qd*Qb即可。EN端接秒信號(hào)，CP接0(4)秒個(gè)位顯示電路圖4.4 原理：秒個(gè)位4518的輸出接到譯碼顯示芯片4511，4511驅(qū)動(dòng)共陰顯示管。(5) 秒十位計(jì)時(shí)顯示電路 圖4.5原理：74ls161的時(shí)鐘CLK端是上升沿有效，當(dāng)秒個(gè)位跳到0時(shí)，秒十位要進(jìn)一，因此74ls74的時(shí)鐘端接秒個(gè)位計(jì)數(shù)器4518輸出的Qa.Qb.Qc.Qd的或非。同時(shí)74ls161要設(shè)計(jì)成6進(jìn)制，采用置數(shù)法。因?yàn)槭峭街脭?shù)，且置數(shù)端低電平有效，所以令 LD=Qc.Qa的與非即可。秒十位74ls161的輸出接到譯碼顯示芯片4511，4511驅(qū)動(dòng)共陰顯示管。（6）分位計(jì)時(shí)顯示電路圖4.6原理：同秒個(gè)位

7、一樣，把4518設(shè)計(jì)成10進(jìn)制計(jì)數(shù)器，因?yàn)?518是異步清0，所以令Cr=Qd*Qb即可。當(dāng)秒十位從5跳到0時(shí)分位才加一。時(shí)鐘輸入端用EN，下降沿觸發(fā)，所以令EN=74ls161的輸出Qa.Qc相與即可。CP接0。（7）清0電路設(shè)計(jì) 圖4.7原理：4518的清零端Cr是高電平有效，74ls161的清零端是低電平有效，在沒有接清零電路時(shí)74ls161清零端接高電平，4518清零端接自己輸出的Qb.Qd相與。如圖電路，未按開關(guān)即圖示位置時(shí)，41處的電位為高電平，經(jīng)門電路后4518、74ls161的清零端分別接自己輸出的Qb.Qd相與以及高電平，即與正常計(jì)數(shù)時(shí)一樣。當(dāng)按下開關(guān)后，41處的電位變?yōu)榈碗?/p>

8、平，經(jīng)門電路后74ls161清零端接的是低電平，4518的清零端Cr接的是高電平，因此三個(gè)都清零。即實(shí)現(xiàn)了清零的功能。（8）報(bào)時(shí)電路設(shè)計(jì) 圖4.8原理：報(bào)時(shí)即9分53秒、9分55秒、9分57秒發(fā)低音（頻率512Hz）,9分59秒發(fā)高音（頻率2048Hz）。報(bào)時(shí)都發(fā)生在9分五十秒段，因此報(bào)時(shí)電路要工作一定有3Qa、3Qd、2Qa、2Qc為高電平，因此在報(bào)時(shí)電路的前端要把3Qa、3Qd、2Qa、3Qc四個(gè)信號(hào)相與。秒個(gè)位為3、5、7的時(shí)候發(fā)低音，經(jīng)卡諾圖化簡即1Qa*(1Qb+1Qc)為高時(shí)發(fā)低音，因此可以把1Qa*(1Qb+1Qc)和512Hz信號(hào)相與。秒個(gè)位為9的時(shí)候發(fā)低音，因此可以把1Qd*

9、1Qa和2048Hz信號(hào)相與。然后把這兩個(gè)與門的輸出相或再和3Qa、3Qd、2Qa、3Qc四個(gè)信號(hào)相與的輸出相與。最后這個(gè)與門的輸出送到蜂鳴器電路。蜂鳴器用三極管放大電路來驅(qū)動(dòng)。 注：*指的是相與的運(yùn)算符號(hào)，3 ，2 ，1分別指的是分位、秒十位、秒個(gè)位的信號(hào)輸出。（9）較分電路設(shè)計(jì) 圖4.9原理：用74LS74做成防抖動(dòng)開關(guān)，在未按下開關(guān)時(shí)SD非端為高電平，又D端接0.，RD端接1，此時(shí)74LS74工作在送0狀態(tài)，Q輸出為0，Q輸出為1。Q非和74ls161的輸出Qa*Qc再相與非，Q和2Hz信號(hào)相與非，兩個(gè)與非門的輸出再相與非，結(jié)果送到分位計(jì)數(shù)器4518的時(shí)鐘端EN。因此未按下開關(guān)時(shí)，送到分

10、位計(jì)數(shù)器4518的時(shí)鐘端EN的信號(hào)為74ls161的輸出Qa*Qc，即為正常工作狀態(tài)。當(dāng)按下開關(guān)時(shí)，SD非端為0，此時(shí)74LS74工作在置1狀態(tài)，Q輸出為1，Q輸出為0，此時(shí)送到分位計(jì)數(shù)器4518的時(shí)鐘端EN的信號(hào)為2Hz的脈沖，此時(shí)即實(shí)現(xiàn)了快速較分。（10）啟停電路設(shè)計(jì) 圖4.10原理：要使電路在某一刻停下，實(shí)際上只要秒計(jì)數(shù)器停止即可，秒計(jì)數(shù)器正常計(jì)數(shù)是CP=0，要使其停下，只要使CP=1，要讓其接著計(jì)數(shù)再使其CP=0即可。因此設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)器在7分39秒停下，所以CP一定要包3Qc.3Qb.3Qa.2Qb.2Qa.1Qd.1Qa相與得結(jié)果。另外為了使電路停止后能接著計(jì)數(shù)，需要一個(gè)與秒計(jì)數(shù)器同步的

11、計(jì)數(shù)器脈沖，這里再用一個(gè)4518（2）連接成一個(gè)秒個(gè)位計(jì)數(shù)器，其與另一個(gè)秒個(gè)位計(jì)數(shù)器的脈沖完全同步。要使其能在4秒后重新啟動(dòng)，除去啟動(dòng)時(shí)1秒的時(shí)鐘脈沖，實(shí)際上只等待3秒，4518（2）秒個(gè)位從9變到2，這時(shí)再讓CP=0，因此令CP=3Qc.3Qb.3Qa.2Qb.2Qa.1Qd.1Qa相與后再與4518（2）的輸出Qb非相與即可。這樣可以實(shí)現(xiàn)停四秒重新計(jì)數(shù)。但此后4518（2）與秒個(gè)位計(jì)數(shù)脈沖不再同步，為了解決這一問題，可以使4518（2）的清零端接秒個(gè)位計(jì)數(shù)器4518輸出的Qa.Qb.Qc.Qd的或非。注（總圖是筆畫的，電子版無總圖）五 實(shí)際電路組建思路先根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)總圖在電路板上規(guī)劃好主要

12、元件的位置（三個(gè)顯示器在最上面，然后下面對(duì)應(yīng)的三個(gè)驅(qū)動(dòng)電路4511），規(guī)劃好元件的位置后，首先搭建計(jì)時(shí)電路，因?yàn)橛?jì)時(shí)電路最復(fù)雜，確保計(jì)時(shí)電路的正確能大大降低總電路的校驗(yàn)難度（只需要檢查其他簡單電路的錯(cuò)誤）。計(jì)時(shí)電路搭建好之后再搭建秒信號(hào)源并與計(jì)時(shí)電路連接，觀察顯示能否計(jì)時(shí)（0:00-9:59）。最后分別搭建清零、校分、報(bào)時(shí)電路。再基本電路全部連接好以后再連接附加電路。六 實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題與解決方法實(shí)驗(yàn)整個(gè)過程分為電路的設(shè)計(jì)、在計(jì)算機(jī)上的仿真、連接實(shí)際電路。在設(shè)計(jì)過程中，產(chǎn)生困難的地方主要有兩個(gè)，一是開機(jī)清零的實(shí)現(xiàn)，二是啟停電路同步脈沖的產(chǎn)生。在設(shè)計(jì)開機(jī)清零時(shí)，最初是想著利用開機(jī)時(shí)電源的那個(gè)

13、上升脈沖來產(chǎn)生清零信號(hào)，但是器件的清零信號(hào)都是由狀態(tài)產(chǎn)生的，不能利用那個(gè)脈沖，然后就想利用一個(gè)什么器件把那個(gè)上升脈沖轉(zhuǎn)化為狀態(tài)，在提供的器件里面沒有找到合適的或者如果要實(shí)現(xiàn)也會(huì)用比較多的器件。后來在設(shè)計(jì)的清零電路中，發(fā)現(xiàn)只要未開機(jī)狀態(tài)就像是按下清零開關(guān)一樣，理論是能實(shí)現(xiàn)開機(jī)清零的，后來在軟件上模擬和實(shí)際連線的時(shí)候驗(yàn)證了這個(gè)結(jié)論。另一個(gè)問題就是啟停電路同步脈沖的產(chǎn)生，最初設(shè)計(jì)把秒信號(hào)二分頻、四分頻、八分頻然后把這些信號(hào)相組合去產(chǎn)生同步脈沖，但是從秒沖圖上看總有可能不能停下或者停的時(shí)間不能確定，最后用卡諾圖驗(yàn)證無論把這些信號(hào)怎樣組合都不能產(chǎn)生啟停所需的同步脈沖。后來思路變到再用一片4518計(jì)數(shù)器來

14、產(chǎn)生同步脈沖，這樣就很順利的解決了這個(gè)問題。在仿真的過程中，除了軟件上一些芯片的引腳標(biāo)號(hào)與實(shí)際不同之外，另一個(gè)就是7段共陰數(shù)碼管一定要每個(gè)連線都要接一個(gè)300的電阻，否則不亮。在實(shí)際連線的過程中，因?yàn)槭孪仍谲浖戏抡孢^，所以電路塊功能上面沒存在什么困難。只是芯片布局上面未事先設(shè)計(jì)好，導(dǎo)致后面跨線比較多，連線看上去比較凌亂。另一個(gè)問題就是在秒個(gè)位給秒十位的計(jì)數(shù)脈沖那里產(chǎn)生了競爭冒險(xiǎn)，秒十位74ls74的時(shí)鐘端接秒個(gè)位計(jì)數(shù)器4518輸出的Qa.Qb.Qc.Qd的或非。本來只有在秒個(gè)位從9到0時(shí)秒十位才加1，但是在連線過程中秒個(gè)位由1跳到2時(shí)秒十位也加1，后來在檢查電路的連接后沒有發(fā)現(xiàn)問題，因?yàn)樵谠O(shè)

15、計(jì)過程中看到過競爭冒險(xiǎn)的介紹，然后就用兩個(gè)非門把秒個(gè)位給秒十位的計(jì)數(shù)信號(hào)延時(shí)一下，問題就這樣解決了。七 實(shí)驗(yàn)總結(jié)與思考總結(jié)：1、實(shí)驗(yàn)之前先設(shè)計(jì)好電路，把原理弄清楚，這樣在實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)什么問題自己也能大概知道在什么地方。2、在具體連接線路之前最好先設(shè)計(jì)芯片的布局，這樣能給后面的連線省去很多麻煩。我們組在實(shí)驗(yàn)前沒有布好局，結(jié)果在連線上花費(fèi)了很多時(shí)間。3、實(shí)驗(yàn)中遇到什么故障不要什么麻木的拆線，先自己看看原理，弄清楚出現(xiàn)這個(gè)故障可能在哪些地方，然后再去檢查電路連接。4、實(shí)驗(yàn)過程一定要循序漸進(jìn)，不能先把所有電路連好了再來測試。這樣出現(xiàn)問題很難找到原因再哪。5、在搭建總電路的過程一定要明確懸空與接高電位

16、的區(qū)別。思考：這次實(shí)驗(yàn)是對(duì)知識(shí)與心理的雙重檢驗(yàn)，一是要求自己對(duì)實(shí)驗(yàn)原理要能很熟練的掌握，另外一方面自己也要膽大心細(xì)、不慌不忙。通過這次實(shí)驗(yàn)讓我對(duì)小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有了初步的了解。在此感謝李元浩老師的辛勤指導(dǎo)。八 參考文獻(xiàn)1數(shù)字邏輯電路與系統(tǒng)設(shè)計(jì) 蔣立平 2電子線路設(shè)計(jì).實(shí)驗(yàn).測試 謝自美 華中科技大學(xué)出版社九 附錄電器元元器件清單1.集成電路： CD4060 1只 CD4511 3只 CD4518 1只 CD 4069 1只 74LS00 2只 74LS21 2只 74LS32 1只 74LS74 1只 74LS161 1只2.其他：LED數(shù)碼管 3只 晶振32768 1只蜂鳴器 1只 開關(guān) 2只

17、三極管 1只電阻 10K2只 22M1只 30021只 電容 20pF1只 10pF1只 22F1只實(shí)驗(yàn)芯片引腳圖與功能表1譯碼器（4511）其功能表有：輸 入輸 出LEDCBAgfedcba字符測燈0 XXXXXX11111118滅零10X00000000000消隱鎖存111XXXX顯示LE=01時(shí)數(shù)據(jù)譯碼1100000011111101100001000111011100010101001121100011100111131100100110111041100101110110151100110111110061100111000111171101000111111181101001110111192分頻器( 4060)CD4060 是由一振蕩器和 14 級(jí)二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)位組成。振蕩器的結(jié)構(gòu)可以是 RC 或晶振電路。CR 為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器清零且振蕩器停止工作。所有的計(jì)數(shù)器均為主-從觸發(fā)器，在 /CP1 （