數(shù)字鐘實驗報告-多功能計時電路的設(shè)計

1、電類綜合實驗報告題目：多功能計時電路的設(shè)計-數(shù)字鐘 姓名：馬馮生 學(xué)號： 學(xué)院：材料學(xué)院專業(yè)：材料加工工程 指導(dǎo)：電子技術(shù)中心 完成時間：2015年3月24日目 錄一、引言二、實驗?zāi)康娜?、實驗設(shè)計要求 四、實驗原理及框圖五、單元電路設(shè)計及其電路六、實驗中遇到的問題及解決方法七、心得體會八、元器件清單引言 隨著數(shù)字技術(shù)在儀表和通信系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，數(shù)字鐘已經(jīng)應(yīng)用到生活的方方面面，而數(shù)字鐘的功能也隨著人們要求的提高在不斷的增加，同時在數(shù)字技術(shù)的快速發(fā)展下，功能也越來越強大。 數(shù)字鐘能夠比傳統(tǒng)的時鐘更加精確的進行計時，并且能夠?qū)崿F(xiàn)多種顯示。在調(diào)節(jié)方面，能夠內(nèi)嵌許多諸如報時、萬年歷、彩鈴等計時以外的功

2、能。本設(shè)計在介紹數(shù)字鐘工作原理的基礎(chǔ)上，運用數(shù)字集成技術(shù)，來設(shè)計實現(xiàn)一個多功能數(shù)字鐘。實驗?zāi)康?、通過實驗掌握十進制加法計數(shù)、譯碼、顯示電路的工作過程。2、通過實驗深入掌握電路的分頻原理和數(shù)字信號的測量方法。 3、熟悉集成電路構(gòu)成的計數(shù)、譯碼、顯示器件的外部功能及其使用方法。三實驗設(shè)計要求1、秒信號發(fā)生電路：為計時器提供信號。2、及時電路：完成0分00秒-9分59秒的計時功能。3、清零電路：具有開機自動清零功能；在任何時候，按動清零開關(guān)，可進行計時器手動清零。4、譯碼顯示電路：顯示計時電路產(chǎn)生的數(shù)字信息。5、系統(tǒng)級聯(lián)調(diào)試：將以上電路進行級聯(lián)完成等計時器的所有功能。四實驗原理及框圖圖1 三位計時

3、器示意圖數(shù)字鐘示意圖如圖1所示，計時電路完成計時功能，并將計時結(jié)果傳送至顯示電路，進而實現(xiàn)顯示功能。原理框圖如圖2所示，主要由計時電路、秒信號發(fā)生電路、清零電路和譯碼電路組成。計時電路在秒信號的作用下，產(chǎn)生0:009:59的循環(huán)計時，清零電路控制計時電路的清零端，實現(xiàn)時鐘的清零，最終將計時電路的輸出送至譯碼顯示電路，實現(xiàn)時鐘的顯示。圖2 數(shù)字鐘的原理框圖五單元電路設(shè)計及其電路 秒信號發(fā)生電路圖3 秒信號發(fā)生電路秒信號發(fā)生電路為計時電路提供驅(qū)動信號，電路原理如圖3所示。為提供較為精確的秒信號，本設(shè)計中振蕩電路采用215Hz的石英晶體管為主體的晶振電路，并作為電路的秒信號源。由于震蕩電路產(chǎn)生的源信

4、號為215Hz，而秒的基準(zhǔn)信號頻率為1Hz，則需要對215Hz信號進行分頻，得到1Hz信號，分頻器采用CD4060和74LS74來實現(xiàn)，CD4060為14位二進制串行計數(shù)器，各腳管功能如表1所示，功能如表2所示。雖然CD4060內(nèi)部有14級由T觸發(fā)器構(gòu)成的二分頻器，但實際輸出端只有10個：Q4Q10、Q12Q14、Q1Q13以及Q13并不引出。為晶振電路的引出端，需接外部石英晶體。Cr為復(fù)零端，為高電平或正脈沖時振蕩器停振。從輸出功能看，CD4060能得到10中不同的分頻系數(shù)，最小為24=16分頻，最大為214=16384分頻，即將215Hz送入該芯片，最大分頻輸出端Q14輸出信號頻率為2Hz

5、。表1 CD4060管腳功能由于CD4060最多完成14級二分頻，所以還需要再加一級分頻，才能把4060輸出的2Hz信號變成秒信號。外接二分頻器可采用D觸發(fā)器（74LS74）構(gòu)成的二分頻電路，74LS74管腳功能如表3所示，該芯片上有上片和下片兩個D觸發(fā)器，2Hz信號經(jīng)過二分頻電路得到1Hz的秒脈沖信號，即將D觸發(fā)器的同相位輸出Q端與觸發(fā)信號連接在一起，復(fù)位端和控制端接電源，使該兩端口無效，則Q端的輸出信號即為1Hz的秒脈沖信號。時鐘輸入端CP0時鐘輸出端反相時鐘輸出端Q4Q10，Q12Q14計數(shù)器輸出端表2 CD4060功能表輸入功能CRX1清零0計數(shù)0保持表3 74LS74管腳功能管腳號引

6、腳代碼引腳功能管腳號引腳代碼引腳功能11復(fù)位信號82反相位輸出21D觸發(fā)信號92Q同相位輸出31CP時鐘信號102控制41控制112CP時鐘信號51Q同相位輸出122D觸發(fā)信號61反相位輸出132復(fù)位信號7GND地14VCC電源2、計時電路該電路是本實驗中的關(guān)鍵部分，有分計數(shù)器、秒十位計數(shù)器、秒個位計數(shù)器構(gòu)成，電路均使用CD4518BCD碼計數(shù)器來實現(xiàn)。CD4518管教如圖45所示，該計數(shù)器為雙十進制同步加法計數(shù)器，片子內(nèi)部封裝兩個相同且獨立的十進制計數(shù)器，每個計數(shù)器中都含有四位二進制的技術(shù)單元，每個計數(shù)器含有兩個時鐘輸入端“CP”和“EN”，簡稱雙時鐘，可以根據(jù)使用要求來選擇不同的始終輸入，

7、兩者所不同在于“CP”端對始終的上升沿有效，“EN”讀研對時鐘的下降沿有效。該計數(shù)器功能表如表4所示。表4 CD4518功能表功能輸入輸出CrCPENQDQCQBQA清零XXX0000計數(shù)01BCD碼加法計數(shù)保持0X0保持計數(shù)00BCD碼加法計數(shù)保持01X保持計時整體電路如圖5所示，分位計數(shù)器和秒個位計數(shù)器均是從09循環(huán)計數(shù)（模10計數(shù)），可采用CD4518直接實現(xiàn)十進制計數(shù)功能；秒十位計數(shù)器為六進制計數(shù)器，需要將CD4518的模10計數(shù)變換為一個從05的模六計數(shù)：當(dāng)4518計數(shù)到6時，將Qc，Qb引到與門74LS21的輸入端，此時74LS21輸出一個高電壓送回至4518的Cr端，實現(xiàn)復(fù)位（4

8、518回0），由于4518的Cr端為異步復(fù)位，因此4518余姚計數(shù)到6時才引出復(fù)位信號，并且6狀態(tài)非常短暫，顯示器并不顯示，所以實際效果還是05顯示。74LS21為四輸入與門，片子內(nèi)部封裝兩個相同且獨立的四輸入與門，該電路中只用到1個與門的2個輸入，因此需要將該與門的其他兩個輸入端接5V電源+極，不可懸空不接。搭建電路時，首先將所有芯片電源端（Vcc和GND端）分別連接至5V電源+、-極；對于秒個位計數(shù)器，將秒信號發(fā)生電路輸出的秒信號（1Hz信號）送入秒個位計數(shù)器的2CP端，同時2EN端接5V電源+極，2Cr端接5V電源-極（注意：當(dāng)清零電路搭建完成后，需將清零電路的輸出替換2Cr端的5V電源

9、-極），秒個位計數(shù)器即可完成09循環(huán)計數(shù)過程中唯一的下降沿，將此下降沿送至秒十位計數(shù)器的2EN端，即可實現(xiàn)秒十位計數(shù)器加1，實現(xiàn)進位），同時2CP端接5V電源+極，秒十位計數(shù)器即可在進位信號的驅(qū)動下完成05循環(huán)計數(shù)。對于分位計數(shù)器，將秒十位計數(shù)器的輸出2Qc端送入分位計數(shù)器的2EN端，完成秒十位到分位的進位（當(dāng)秒十位計數(shù)器從5跳至0時，2Qc端得到05循環(huán)計數(shù)過程中唯一的下降沿，將此下降沿送至分位計數(shù)器的2EN端，即可實現(xiàn)分位計數(shù)器加1實現(xiàn)進位），同時2CP端接5V電源+極，2Cr端接5V電源-極（注意：當(dāng)清零電路搭建完成后，需將清零電路的輸出替換2Cr端的5V電源-極），分位計數(shù)器即可完成0

10、9循環(huán)計數(shù)。所用器件：CD4518（計數(shù)器）3片、74LS21（與門）1片。圖5 計時電路3、清零電路該電路具有開機清零和手動清零功能。電路原理如圖6所示，將圖5計時電路的秒個位和分位的清零端即CD4518的管腳15（高電壓有效）原來的接5V電源-極導(dǎo)線拔開，將非門輸出送至2Cr端，而秒十位CD4518的清零端原來接74LS21的輸出，需要將此輸出和圖6中非門送入一個或門，再將或門輸出送至秒十位CD4518的清零端，才能同時實現(xiàn)秒十位計數(shù)器的清零功能和模6計數(shù)功能。電路管腳連接如圖7所示，對于清零電路，電路正常工作是開關(guān)打開，剛開機時，由于電容上的電壓不能突變，電容兩端初始為低電壓，經(jīng)過一個非

11、門輸出高電壓，送到CD4518的2Cr端，整個計時電路清零，進而實現(xiàn)電路開機時清零，當(dāng)電容充滿電以后，非門的輸入端為高電壓，非門輸出低電壓，2Cr端無效，CD4518實現(xiàn)正常計數(shù)，電路正常工作。按下開關(guān)后，電容、電阻組成一個回路，電容放電，當(dāng)電容儲存電量放完后，電容兩端為低電壓，即非門的輸入端為低電壓，非門輸出高電壓，送到CD4518的2Cr端，整個計時電路清零，進而實現(xiàn)電路手動清零。所用器件：CD4069（非門）1片、74LS32（或門）1片，1k電阻2個、10F電容1個、開關(guān)1個。圖7 清零電路管腳連接圖譯碼顯示電路譯碼顯示電路采用三片CD4511顯示譯碼器和三個七段共陰數(shù)碼管，分位、秒十

12、位和秒個位個采用一片CD4511和一個數(shù)碼管。CD4511的作用是將計數(shù)器QAQD輸出的二進制代碼譯成特定的輸出信號以供顯示器按代碼的原意顯示成數(shù)字，譯碼器采用CD4511七段字型譯碼器。由ag各個輸出段信號，以控制點亮LED數(shù)碼管的字型段，CD4511的輸入端ABCD依次接計數(shù)器的QAQD，及8421（BCD）碼輸出，CD4511有三個使能管腳。電路從0:000:59循環(huán)計時，譯碼電路分別進行譯碼，采用共陰極七段LED數(shù)碼管進行循環(huán)顯示。CD4511的輸入接到相應(yīng)計數(shù)器的輸出，而它的輸出端與數(shù)碼管的相應(yīng)端相連，數(shù)碼管通過300的電阻接地。所用器件：CD4511(譯碼器)3片、300電阻3個、

13、LED數(shù)碼顯示管3個。圖9 譯碼顯示電路校分電路圖10 校分電路原理圖 如圖10所示，校分電路能在開關(guān)閉合的情況下，實現(xiàn)分個位以0.5秒每個數(shù)的速度進行計數(shù)。同時，秒個位和十位并不走動。從而實現(xiàn)對于分個位顯示器的校準(zhǔn)。其原理為：正常計數(shù)時時開關(guān)打在“1”電平，下面的與非門被選通，上面的與非門被封鎖，秒進位產(chǎn)生的脈沖送至分計數(shù)器的時鐘端；當(dāng)開關(guān)打在“0”電平時，上面的與非門被選通，下面的與非門被封鎖，校分信號送至分計數(shù)器的時鐘端。校分信號可由4060分頻信號得到，一般選為2Hz。6、總體電路連接圖將以上四個模塊按照信號順序連接，即可得到總體電路如圖11所示。圖11總體電路六、實驗中遇到的問題及解

14、決辦法一開始我的電路根本就不亮，經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)由于原件位置擺放時的粗心導(dǎo)致的，經(jīng)過重新放置，電路能夠點亮。其次，電路亮了之后發(fā)現(xiàn)秒個位的顯示器右下角的紅點點亮了，經(jīng)過原理的論證，很快發(fā)現(xiàn)是由于左邊的引腳走線時不小心擺放到了該引腳的線路上，導(dǎo)致這個引腳也接受到了信號，從而點亮，重新排布后，顯示器回復(fù)正常。之后，電路并不能正常的實現(xiàn)計數(shù)功能，只是每次導(dǎo)通后變換數(shù)字，經(jīng)過線路的檢查發(fā)現(xiàn)并無問題，通過助教的指導(dǎo)，學(xué)會使用二極管檢查脈沖信號的通斷，發(fā)現(xiàn)并無問題，然后使用萬能表對線路實現(xiàn)了逐步排查，最后發(fā)現(xiàn)原來有個原件是換的，換過之后正常工作。之后在校分電路的制作中還算順利，只是在接通校分電路開關(guān)后，分個位

15、在跳動的同時，秒十位也在跳動，結(jié)果發(fā)現(xiàn)是秒十位到分個位的那根信號線沒拔，改正后，功能順利實現(xiàn)。到此，實驗順利完成。七、心得體會本次設(shè)計對于動手能力的要求很強，但是同時對于原理的了解也是必要的。第一天老師布置完實驗任務(wù)后，我就回去看數(shù)電書上相關(guān)的知識，也在網(wǎng)上查閱了這個電路的相應(yīng)資料，大致了解了整個數(shù)字時鐘原理和各個功能模塊作用以及要用到的各個芯片的引腳和功能。果然由于對于原理的理解，在排線過程中起到了一定的作用。這次試驗中也讓我知道了許多做電路實驗的注意點和方法，對我今后做更復(fù)雜的實驗奠定了基礎(chǔ)。首先元件的布局要合理，并且元件之間的連線要做到盡量少交叉，連線要清晰；不同功能的元件或者端口之間可以用不同的顏色的線加以區(qū)分，特別是地線和電源線最好用黑線和紅線連接，并且其它連線不要用這兩種顏色，這樣會給檢查電路錯誤帶來很大的方便。整個實驗的電路比較復(fù)雜，但都是建立在簡單的單一功能基礎(chǔ)上的，因此每一部分的電路是下一步的基礎(chǔ)，一定要做到每一部分線路正確，然后再開始下一部分電路的連接。最后，我體會很深的一點是一定要學(xué)會使用萬用表，這對于檢查錯誤很有效。就在我最后電路運行時，我遇到了很大的問題，用了幾乎一下午檢查連線，最后才發(fā)現(xiàn)了問題所在。 之后