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1、 - 16 - - 3 -閩南師范大學(xué)物理與信息工程院課程設(shè)計報告課題:簡易數(shù)字計時電路設(shè)計姓 名: 學(xué) 號: 系 別: 專 業(yè): 年 級: 指導(dǎo)教師: 2013年 11 月 3 日 摘要:本課設(shè)是以并聯(lián)諧振方式經(jīng)過二分頻產(chǎn)生一個秒脈沖,依次通過十分頻、六分頻、十分頻三個電路產(chǎn)生一個時間能達到九分五十九秒的時鐘。具有報警、清零、啟動計時、暫停計時及繼續(xù)計時等功能。在電源上也是采用簡單實用的穩(wěn)壓電源。該電路節(jié)省成本,電路原理清晰,稍作修改可以用來當(dāng)做鬧鐘、計時等。關(guān)鍵詞:計時 報警 74LS161 CD4060CD4011 74LS48 目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK
2、l _Toc266902292 1.設(shè)計任務(wù)4 1.1 設(shè)計目的4 1.2 設(shè)計要求4 HYPERLINK l _Toc266902293 2.設(shè)計方案5 HYPERLINK l _Toc266902294 2.1 設(shè)計總框圖5 HYPERLINK l _Toc266902295 2.1.1 設(shè)計思路5 HYPERLINK l _Toc266902297 2.2 直流穩(wěn)壓電源5 HYPERLINK l _Toc266902300 2.3 秒脈沖信號發(fā)生器電路6 HYPERLINK l _Toc266902301 2.4 分頻電路7 HYPERLINK l _Toc266902302 2.5 顯
3、示及其驅(qū)動電路8 2.6 即時時間設(shè)置電路8 2.7 報警選頻電路10 2.8 蜂鳴器驅(qū)動電路10 HYPERLINK l _Toc266902306 3.系統(tǒng)測試11 HYPERLINK l _Toc266902307 3.1 電路的檢查11 HYPERLINK l _Toc330826945 3.2 電路板的調(diào)試及其問題11 3.3 數(shù)據(jù)測量12 HYPERLINK l _Toc266902312 4.結(jié)論14 HYPERLINK l _Toc276842102 5.參考資料14 HYPERLINK l _Toc276842103 6.附錄14 HYPERLINK l _Toc276842
4、104 6.1 元器件清單14 HYPERLINK l _Toc276842106 6.2 儀器設(shè)備清單15 HYPERLINK l _Toc276842106 6.3 原理圖15 HYPERLINK l _Toc276842107 6.4 PCB圖16 HYPERLINK l _Toc276842106 6.5 實物圖17 設(shè)計任務(wù)1.1設(shè)計目的1.熟悉中、小規(guī)模數(shù)字集成電路的使用方法。2.熟悉常用分頻、計數(shù)、譯碼、顯示等電路。 3.掌握數(shù)字電路設(shè)計、組裝、調(diào)試方法。1.2設(shè)計要求1.具有“分”“秒”顯示的計時電路(9分59秒)。2.具有隨時計時清零的功能。3.秒信號產(chǎn)生、系統(tǒng)電源設(shè)計。4.
5、具有調(diào)整“分”“秒”的功能。5.計時將滿時具有聲音提示功能: 9分51秒、53秒、55秒、57秒、59秒輸出前4響低音,后1響高音鳴叫。步長為1秒,最后1響結(jié)束時正好為整點。(低音500Hz左右,高音1000Hz左右)。7.用中小規(guī)模集成電路實現(xiàn),畫出系統(tǒng)框圖、各單元邏輯電路圖。6.鋪銅板板的大小(10cm * 10cm)。2. 設(shè)計方案2.1設(shè)計總框圖圖2.1簡易數(shù)字計時電路設(shè)計總框圖圖2.1簡易數(shù)字計時電路設(shè)計總框圖2.1.1設(shè)計思路該系統(tǒng)包含有秒脈沖信號發(fā)生模塊、分頻模塊、即時時間設(shè)置模塊、報警選頻模塊、蜂鳴器驅(qū)動模塊、顯示及其驅(qū)動模塊、電源模塊。由LM7805構(gòu)成的交流轉(zhuǎn)直流的直流穩(wěn)壓
6、電源為系統(tǒng)供電。秒脈沖及報警的頻率產(chǎn)生選用CD4060構(gòu)成的多分頻模塊,可以產(chǎn)生2HZ、512HZ、1024HZ等頻率。秒脈沖依次送入由CD4011與76LS161構(gòu)成的2、10、6、10分頻器,經(jīng)過74LS48驅(qū)動數(shù)碼管計時。為實現(xiàn)簡單的啟動和停止控制,用自鎖開關(guān)把晶振與電路分開。閉合時晶振工作。因為晶振的脈沖頻率大大于按鍵抖動頻率,所以設(shè)計在這個地方可以不用考慮由于按鍵抖動引起的多余計數(shù)脈沖發(fā)生。為實現(xiàn)時間設(shè)置功能,采用積分電路與斯密特反相器構(gòu)成的按鍵去抖電路。清零模塊選用上電及手動兩種方式。報警模塊采用由IN4148構(gòu)成的四輸入或門和CD4011組成的控制選頻電路,加上光耦及S9013構(gòu)
7、成的驅(qū)動電路來控制無源蜂鳴器變頻鳴叫。通過以上各個模塊的組裝和調(diào)試系統(tǒng)很好的實現(xiàn)了設(shè)計的需求。2.2直流穩(wěn)壓電源電路直流穩(wěn)壓電源是一種將220V工頻交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)壓輸出的直流電壓的裝置,經(jīng)過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓四個環(huán)節(jié)才能完成。發(fā)光二極管可用于觀察電源是否供電正常。電源原理圖如圖2.2所示: 四個環(huán)節(jié)的工作原理如下: (1)電源變壓器:降壓變壓器,它將電網(wǎng)220V、50HZ交流電壓變換成符合需要的交流電壓,并送給整流電路,變壓器的變比由變壓器的副邊電壓確定。該電源設(shè)計輸入交流電9V輸出5V穩(wěn)壓。 (2)整流濾波電路:整流電路將交流電壓變換成脈動的直流電壓。再經(jīng)濾波電路濾除較大的紋波成分,輸出
8、紋波較小的直流電壓。常用的整流濾波電路有全波整流濾波、橋式整流濾波等。本設(shè)計采用全波整流。 整流二極管的選?。哼x用1N4007(反向耐壓1000V,正向最大電流1A)二極管,每個整流二極管平均電流等于0.5倍負載電流;每個整流二極管反向耐壓等于1.4U2(有效值)。符合電源設(shè)計要求。 (3)濾波電路:可以將整流電路輸出電壓中的交流成分大部分加以濾除,從而得到比較平滑的直流電壓各濾波電容C滿足RL-C(35)T/2,或中T為輸入交流信號周期,RL為整流濾波電路的等效負載電阻。濾波電容的選擇:C1、C5是濾波電容,要求C5的容量小于C1的容量,以免掉電時C5通過LM7805向C1充放電,考慮到性價
9、比,C1取470uF/25V、C5取220 uF/25V。 (4)穩(wěn)壓電路:穩(wěn)壓電路的功能是使輸出的直流電壓穩(wěn)定,不隨交流電網(wǎng)電壓和負載的變化而變化。常用的集成穩(wěn)壓器有固定式三端穩(wěn)壓器與可調(diào)式三端穩(wěn)壓器。此設(shè)計采用固定式三端穩(wěn)壓器LM7805符合要求。圖2.2直流穩(wěn)壓電源 2.3秒脈沖信號發(fā)生器電路方案一:采用石英晶體振蕩器、CD4060及74LS161構(gòu)成秒脈沖信號發(fā)生器。為了提高秒信號準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性,利用石英晶體來構(gòu)成振蕩電路。由于石英晶體的選頻特性很好,只有在某一頻率點的信號可以通過它,振蕩信號的頻率和振蕩電路中的R、C元件的數(shù)值無關(guān)。因此,這種振蕩電路可以輸出準(zhǔn)確極高的信號。然后再利用
10、二分頻電路,將其輸出的信號轉(zhuǎn)變?yōu)槊朊}沖信號。方案二:用555構(gòu)成多謝振蕩器。由555定時器和外接元件電阻電容構(gòu)成多諧振蕩器,電路沒有穩(wěn)態(tài),僅存在兩個暫穩(wěn)態(tài),電路不用外加觸發(fā)信號。通過對電容的充放電原理,使電路產(chǎn)生振蕩。外部元件的穩(wěn)定性決定了多諧振蕩器的穩(wěn)定性,555定時器配以少量的元件既可以獲得較高精度的振蕩頻率和具有較強的功率輸出。兩種方案比較:方案一中的振蕩電路輸出的是準(zhǔn)確度極高的信號,然后再利用分頻電路,將其輸出信號轉(zhuǎn)變?yōu)槊胄盘?,石英晶體振蕩器有頻率精確、振蕩穩(wěn)定、溫度系數(shù)小等特點,而且本系統(tǒng)需要的不僅僅是秒脈沖信號還需要512HZ和1024HZ的頻率信號可以滿足電子時鐘的準(zhǔn)確性要求。而
11、方案二中如果需要多種頻率的信號就需要多加一些外電路相對來說比較復(fù)雜,計數(shù)穩(wěn)定性容易受干擾。因此該系統(tǒng)優(yōu)先選用方案一。 秒脈沖發(fā)生器是數(shù)字時鐘的核心部分,它的精度和穩(wěn)定度決定了數(shù)字時鐘的質(zhì)量,通常用晶振振蕩器發(fā)出的脈沖進行整形、分頻獲得1HZ的秒脈沖。工作原理:該系統(tǒng)采用32768HZ晶振和兩個15PF瓷片電容組成的起振電路。接入CD4060BM模塊中通過15次二分頻后可以獲得2HZ的脈沖輸出,接入由74LS161構(gòu)成的二分頻電路就可以得到秒脈沖信號。同時可以從CD4060BM輸出端四腳得到512HZ和輸出端五腳1024HZ的頻率,兩種觸發(fā)信號提供給報警模塊。如下圖2.3。圖2.3秒脈沖發(fā)生信號
12、電路2.4分頻電路74LS161原理:這種同步可預(yù)置四位二進計數(shù)器是由四個D 型觸發(fā)器和若干個門電路構(gòu)成,內(nèi)部有超前進位,具有計數(shù)、置數(shù)、禁止、直接(異步)清零等功能。對所有觸發(fā)器同時加上時鐘,使得當(dāng)計數(shù)使能輸入和內(nèi)部門發(fā)出指令時輸出變化彼此協(xié)調(diào)一致而實現(xiàn)同步工作。這種工作方式消除了非同步(脈沖時鐘)計數(shù)器中常有的輸出計數(shù)尖峰。緩沖時鐘輸入將在時鐘輸入上升沿觸發(fā)四個觸發(fā)器。這種計數(shù)器是可全編程的,即輸出可預(yù)置到任何電平。當(dāng)預(yù)置是同步時,在置數(shù)輸入上將建立一低電平,禁止計數(shù),并在下一個時鐘之后不管使能輸入是何電平,輸出都與建立數(shù)據(jù)一致。清除是異步的(直接清零),不管時鐘輸入、置數(shù)輸入、使能輸入為
13、何電平,清除輸入端的低電平把所有四個觸發(fā)器的輸出直接置為低電平。有了超前進位電路后,無須另加門,即可級聯(lián)出n位同步應(yīng)用的計數(shù)器。此高電平溢出進位脈沖可用來使能其后的各個串聯(lián)級。使能ENP 和ENT 輸入的跳變不受時鐘輸入的影響。電路有全獨立的時鐘電路。改變工作模式的控制輸入(使能ENP、ENT 或清零)縱使發(fā)生變化,直到時鐘發(fā)生為止,都沒有什么影響。計數(shù)器的功能(不管使能、不使能、置數(shù)或計數(shù))完全由穩(wěn)態(tài)建立時間和保持時間所要求的條件來決定。分頻電路原理:系統(tǒng)采用由74LS161和CD4011構(gòu)成的異步置數(shù)多級分頻電路。把U5(74LS161)接成二、六、十分頻形式接法如下圖。給U5輸入2HZ頻
14、率可以得到輸出1HZ頻率。U5輸出端(15腳)接下一級U4構(gòu)成的十分頻電路中信號輸入端(2腳),可以從U4的9腳得到一個經(jīng)過十分頻后的信號a。信號a接入下一級U3構(gòu)成六分頻電路中信號輸入端(2腳),可以從U3的9腳得到一個經(jīng)過六分頻后的信號b。信號b接入下一級U2構(gòu)成十分頻電路中信號輸入端(2腳)。如下圖2.4。圖2.4分頻電路2.5顯示及其驅(qū)動電路7段數(shù)碼管管腳順序及譯碼驅(qū)動集成電路74LS48。7段數(shù)碼管管腳順序及譯碼驅(qū)動集成電路74LS48,這里介紹一下7段數(shù)碼管見下圖 7段數(shù)碼管又分共陰和共陽兩種顯示方式。如果把7段數(shù)碼管的每一段都等效成發(fā)光二極管的正負兩個極,那共陰就是把abcdef
15、g這7個發(fā)光二極管的負極連接在一起并接地;它們的7個正極接到7段譯碼驅(qū)動電路74LS48的相對應(yīng)的驅(qū)動端上(abcdefg)。無論共陰共陽7段顯示電路,都需要加限流電阻,否則通電后就把7段譯碼管燒壞了!限流電阻的選取是:5V電源電壓減去發(fā)光二極管的工作電壓除上10mA到15mA得數(shù)即為限流電阻的值。發(fā)光二極管的工作電壓一般在1.8V-2.2V,為計算方便,通常選2V即可!發(fā)光二極管的工作電流選取在10-20mA,電流選小了,7段數(shù)碼管不太亮,選大了工作時間長了發(fā)光管易燒壞!如圖2.5。圖2.5 顯示及其驅(qū)動電路2.6 即時時間設(shè)置電路 時間設(shè)置模塊主要思想是通過復(fù)位按鍵每按一次,會給一個脈沖送
16、進脈沖信號輸入端。該系統(tǒng)采用積分電路和施密特反相器來構(gòu)成三位時間設(shè)置模塊。按鍵防抖電路控制電路原理(如下圖2.6)所示利用RC 積分電路來達成雜波的濾除與波形修整的電路。在K1 斷開的瞬間由于接觸彈跳的關(guān)系,會使A 點電壓呈現(xiàn)高速的斷續(xù)現(xiàn)象,再K1 閉合時亦然,詳(如圖2.6.1),然而由于HYPERLINK /tech/dgq/200010090013/9632.html電容兩端電壓需由電壓經(jīng)HYPERLINK /tech/qtdz/200010160031/28957.html電阻慢慢充電才會上升,使得B點電位緩步上升情形:S1閉合時亦然,電容電壓經(jīng)R 放電,使B點電壓緩緩下降。此一變化,
17、經(jīng)74LS14斯密特反相器修整后,可得一標(biāo)準(zhǔn)負脈波輸出,如波形圖C 點所示。2.6 即時時間設(shè)置電路2.6.1按鍵去抖波形2.7報警選頻電路 該電路是由六個IN4148和兩個下拉電阻構(gòu)成的兩個3輸入或門。通過采集各級分頻電路輸出端的信號相或而得到的兩個開關(guān)端口。工作原理:當(dāng)分位和秒十位計滿而且秒個位遇到奇數(shù)(除9)時,A、B兩點輸入為低電平,C、D兩點輸入為高電平經(jīng)過與非后得到低電平。因此BJ1輸出為低電平。此時蜂鳴器選頻為512HZ鳴叫,且鳴叫的間隔為一秒。當(dāng)分位和秒十位計滿而且秒個位為9時,A、B、C三點輸入為低電平時相或得BJ2輸出為低電平。此時蜂鳴器選頻為1024HZ鳴叫,鳴叫的間隔為
18、一秒,鳴叫結(jié)束,從9分59秒置數(shù)為0分00秒繼續(xù)計時。電路圖如下2.8。圖2.8 報警選頻電路2.8蜂鳴器驅(qū)動電路圖2.8蜂鳴器驅(qū)動電路工作原理: R8、R9電阻取值為470對輸入信號進行限流,避免電流過大使TLP521光耦燒壞。如果BJ1為低電平時512HZ輸入有效。U7光耦輸出端控制S9013開關(guān)。同理BJ2低電平時,U8光耦輸出端控制S9013以1024HZ頻率開關(guān)。R10為偏置電阻提供S9013基極的偏置電壓,使其進入飽和區(qū)。3.系統(tǒng)測試3.1電路的檢查未上電前,用萬用表歐姆檔最大檔測量系統(tǒng)的內(nèi)阻,無短路斷路現(xiàn)象。檢查是否有不安全跳線。(2)先使用學(xué)生電源提供工作電壓,從零開始加電壓觀
19、察學(xué)生電源輸出電流的變化如果發(fā)現(xiàn)不正常則應(yīng)該立即關(guān)掉電源檢查電路。如若沒有則繼續(xù)加電壓到穩(wěn)定工作電壓觀察一段時間,電路板是否有冒煙、燒斷、燒焦、跳火、發(fā)熱等不正?,F(xiàn)象。如有發(fā)現(xiàn),一定要先斷電,再查線路。如果電路穩(wěn)定再檢查沒插芯片的插槽電源和地是否正常。正常的情況下關(guān)掉電源按號入座插入芯片。電源開啟也從零加到穩(wěn)定工作電壓后,檢查芯片是否發(fā)熱,冒煙等不正?,F(xiàn)象,觀察數(shù)碼管是否顯示正常。(3)檢查所有芯片的電源腳和接地腳是否正確。用萬用表表筆檢測各芯片的工作電壓是否正常。3.2電路板的調(diào)試及其問題調(diào)試步驟:首先在電路板正常工作情況下,檢查數(shù)碼管是否每個位每個段都正常顯示,這個只需要把數(shù)碼顯示的驅(qū)動芯
20、片先拔掉,然后分別在插槽上找到各個位的abcdefgh輸出口,給2V電壓看看各個位的數(shù)碼管的各個段的燈是否正常顯示。插上驅(qū)動芯片74LS48觀察數(shù)碼管各個位是否正常計時。復(fù)位按鍵按下數(shù)碼管顯示是否是000。啟動/停止鍵閉合,數(shù)碼顯示的計時是否停止。鍵斷開,數(shù)碼管顯示的計時是否開啟。而且停止與開啟都不會改變顯示的值。三個按鍵分、秒十位、秒個位時間設(shè)置在計時的同時,按一次鍵那一位是否會加一。暫停計時,按一次鍵那一位是否會加一。觀察數(shù)碼顯示按鍵按下是否會影響其他位的計數(shù)。計數(shù)溢出后是否會進位。當(dāng)時間計時到9分51秒、9分53秒、9分54秒、9分55秒、9分57秒蜂鳴器是否會以512HZ鳴叫,且鳴叫間
21、隔一秒。當(dāng)時間計時到9分59秒蜂鳴器是否會以1024HZ鳴叫,且鳴叫間隔一秒。調(diào)試問題:此次設(shè)計的電路在畫好原理圖和PCB后檢查原理一切正常,但是板做出來后出現(xiàn)了挺多問題。以下是遇到的問題:由32768HZ晶振和15PF瓷片電容構(gòu)成的起振電路,輸出脈沖不正常,導(dǎo)致經(jīng)過CD4060輸出來2HZ、512HZ、1024HZ等頻率不正常。因為可以看到脈沖波形,所以先判斷晶振可以正常使用,于是改變15PF瓷片電容,為30PF瓷片電容。起振正常CD4060出來的頻率也正常輸出了。啟動/暫停自鎖開關(guān)設(shè)置位置。因為自鎖開關(guān)也會出現(xiàn)開關(guān)時的抖動現(xiàn)象,一開始把它接在CD4060電源端,目的是斷開時可以使CD406
22、0不工作,也就是停止計時,但是問題出現(xiàn)了。在按鍵閉合和斷開時由于按鍵抖動的原因計時脈沖數(shù)會增多,導(dǎo)致計時不正常。為體現(xiàn)課設(shè)的簡易性,便修改電路把自鎖開關(guān)接在晶振與CD4060之間。因為抖動的脈沖頻率小小于晶振的振蕩頻率所以在閉合和斷開時不會引起計時不正常。也可以加入用RC積分電路和施密特反相器構(gòu)成的去抖電路依舊接在電源端使其正常使用。在調(diào)試去抖電路時要合理搭配電阻電容,要不然按鍵有時候會不正常。電源模塊LM7805發(fā)熱不多,因此去掉LM7805的散熱片,讓其貼板來促進散熱。圖3.3.1 秒脈沖信號波形3.3數(shù)據(jù)測量圖3.3.2 2HZ脈沖信號波形圖3.3.3 512HZ脈沖信號波形圖3.3.4 1024HZ秒脈沖信號波形根據(jù)圖3.3.1秒脈沖信號波形可知因為清零電路,所以當(dāng)信號為低電平時不會為零點。波形沒有變形,頻率1.000HZ,周期1.000S,峰峰值為3.76V,占空比為50.00%。綜上該秒脈沖信號基本滿足系統(tǒng)需求。圖3.3.2 2HZ脈沖信號波形圖3.3.3 512HZ脈沖波形圖3.3.3 512HZ脈沖波形圖3.3.4 1024HZ
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