電子課程設(shè)計(jì)-自動(dòng)電子鐘

電子課程設(shè)計(jì)—自動(dòng)電子鐘 學(xué)院：電子信息工程學(xué)院班級(jí)：學(xué)號(hào)：姓名：指導(dǎo)老師：目錄設(shè)計(jì)任務(wù)與要求...........................3總體框圖...........................3選擇器件...........................41、74LS290D...........................42、數(shù)碼管...........................53、非門 ...........................64、555定時(shí)器 ...........................65、單刀雙擲開關(guān) ...........................76、2N6659 ...........................77、LED燈 ...........................78、5V電源 ...........................79、與門 ...........................8功能模塊...........................91、多諧振蕩器的設(shè)計(jì)...........................92、分頻電路的設(shè)計(jì)...........................103、分秒的六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)...........................114、時(shí)的二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)...........................125、校時(shí)電路 ...........................136、秒指示電路 ...........................14總體設(shè)計(jì)電路圖...........................14六、個(gè)人體會(huì)與總結(jié)...........................15自動(dòng)電子鐘一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求用中小規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)一臺(tái)能顯示時(shí)、分、秒的自動(dòng)電子鐘。其中小時(shí)為二十四進(jìn)制，能夠顯示00～23；分和秒為六十進(jìn)制，能夠顯示00～59；整體在計(jì)時(shí)時(shí)間為23:59:59時(shí)清零，顯示為00:00:00。該電路能實(shí)現(xiàn)的 功能有：在走時(shí)不準(zhǔn)能夠?qū)Ψ趾蜁r(shí)模塊進(jìn)行調(diào)時(shí)，調(diào)時(shí)過程不影響秒的正常計(jì)數(shù)且不產(chǎn)生進(jìn)位信號(hào)；每秒秒閃爍模塊LED燈要閃爍一次；要用555時(shí)鐘芯片構(gòu)成的多諧振蕩器與分頻電路產(chǎn)生秒脈沖以保證電子鐘走時(shí)精確度與穩(wěn)定性。 1、秒、分為00～59六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。2、時(shí)為00～23二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器。3、具有校時(shí)功能，可手動(dòng)校正：能分別進(jìn)行分、時(shí)的校正，只要將開關(guān)置于手動(dòng)位置，可分別對(duì)分、時(shí)進(jìn)行連續(xù)脈沖輸入的校正。4、每秒鐘要有秒閃爍指示。5、上電后從“00：00：00”開始顯示。二、總體框圖根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)與要求，想出了以下兩種方案：方案一：使用具有異步置零功能的74LS290D組成主電路的計(jì)數(shù)模塊；秒脈沖由555時(shí)鐘芯片組成的多諧振蕩器和分頻電路產(chǎn)生；校時(shí)模塊采用手動(dòng)校時(shí)，手動(dòng)產(chǎn)生單脈沖，按一下，計(jì)數(shù)器加一。方案二：采用十進(jìn)制異步加計(jì)數(shù)芯片74LS160組成主電路的計(jì)數(shù)模塊；秒脈沖直接由1Hz固定脈沖提供，無需設(shè)計(jì)秒脈沖發(fā)生電路；校時(shí)模塊采用快速校時(shí)，通過開關(guān)控制計(jì)數(shù)器接通1HZ脈沖，自動(dòng)計(jì)數(shù)。綜合以上兩種方案，分析每個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)后，發(fā)現(xiàn)方案一具有走時(shí)精準(zhǔn)、電路原理簡潔易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，所以該設(shè)計(jì)采用方案一的設(shè)計(jì)思路?？傮w框圖如圖2—1所示。分頻器電路晶體振蕩器電路數(shù)碼管數(shù)碼管數(shù)碼管分頻器電路晶體振蕩器電路數(shù)碼管數(shù)碼管數(shù)碼管數(shù)碼管數(shù)碼管數(shù)碼管二十四進(jìn)制時(shí)計(jì)數(shù)器六十進(jìn)制分計(jì)數(shù)器六十進(jìn)制分計(jì)數(shù)器校時(shí)電路校時(shí)電路秒閃爍指示 圖2—1總體框圖三、選擇器件本篇設(shè)計(jì)中采用了組合邏輯電路和時(shí)序電路的設(shè)計(jì)，芯片選用了74LS290D十進(jìn)制加法器,非門，555時(shí)鐘芯片以及帶譯碼器的數(shù)碼管,實(shí)現(xiàn)時(shí)間的時(shí)、分、秒的記時(shí)。1、74LS290D主體電路選用74LS290D構(gòu)成計(jì)數(shù)模塊，該芯片的引腳圖，內(nèi)部原理圖如圖3—1，3—2所示。 圖3—174LS290D引腳圖圖3—274LS290D內(nèi)部原理圖2、數(shù)碼管數(shù)碼管是一種由發(fā)光二極管組成的斷碼型顯示器件，如圖3—3所示。圖3—3數(shù)碼管管腳圖數(shù)碼管里有八個(gè)小LED發(fā)光二極管，通過控制不同的LED的亮滅來顯示出不同的字形。數(shù)碼管又分為共陰極和共陽極兩種類型，其實(shí)共陰極就是將八個(gè)LED的陰極連在一起，讓其接地，這樣給任何一個(gè)LED的另一端高電平，它便能點(diǎn)亮。而共陽極就是將八個(gè)LED的陽極連在一起。 3、非門非門又稱為反相器，是實(shí)現(xiàn)邏輯非運(yùn)算的邏輯電路。非門有輸入和輸出兩個(gè)端，電路符號(hào)如圖3—4所示，其輸出端的圓圈代表反相的意思，當(dāng)其輸入端為高電平時(shí)輸出端為低電平，當(dāng)其輸入端為低電平時(shí)輸出端為高電平。也就是說，輸入端和輸出端的電平狀態(tài)總是反相的。圖3—4非門4、555定時(shí)器555定時(shí)器管腳圖如圖3—5所示，其功能如表3—2所示，內(nèi)部原理圖如圖3—6所示。圖3—5555定時(shí)器管腳圖圖3—6555定時(shí)器內(nèi)部原理圖5、單刀雙擲開關(guān)單刀雙擲開關(guān)符號(hào)如圖3—7所示。圖3—7單刀雙擲開關(guān)符號(hào)6、2N66592N6659符號(hào)圖如圖3—8所示。 圖3—82N6659符號(hào)2N6659內(nèi)部原理剖圖如圖3—9所示。圖3—9內(nèi)部原理剖圖7、LED燈LED燈符號(hào)如圖3—10所示。圖3—10LED燈符號(hào)8、5V電源5V電源符號(hào)如圖3—11所示。圖3—11電源9、與門與門符號(hào)圖如圖3—12所示。圖3—12與門四、功能模塊自動(dòng)電子鐘是一種用數(shù)字顯示秒、分、時(shí)的計(jì)時(shí)裝置，與傳統(tǒng)的機(jī)械鐘相比，它具有走時(shí)準(zhǔn)確，顯示直觀、無機(jī)械傳動(dòng)裝置等優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛的應(yīng)用。小到人們?nèi)粘Ｉ钪械碾娮邮直恚蟮杰囌?、碼頭、機(jī)場等公共場所的大型數(shù)顯電子鐘。自動(dòng)電子鐘由以下幾部分組成：秒脈沖發(fā)生電路；校時(shí)電路；六十進(jìn)制秒、分計(jì)數(shù)器，二十四進(jìn)制（或十二進(jìn)制）計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器；秒指示電路。其中主電路有時(shí)、分、秒三個(gè)計(jì)數(shù)模塊構(gòu)成，擴(kuò)展電路包括校時(shí)電路、秒指示電路及由多諧振蕩器構(gòu)成的秒脈沖發(fā)生電路。1、多諧振蕩器的設(shè)計(jì)振蕩器是數(shù)字鐘的核心，振蕩器的穩(wěn)定度以及其所產(chǎn)生的基準(zhǔn)頻率的穩(wěn)定度決定了數(shù)字鐘的計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確度，通常選用石英晶振構(gòu)成振蕩電路。在要求不高的情況下可以選用555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器，頻率f=1KHZ。555定時(shí)器功能如表4—1所示。表4—1555定時(shí)器功能表閾值輸入端6觸發(fā)輸入端2復(fù)位端4輸出端3放電管T端7××00導(dǎo)通<2/3Vcc<1/3Vcc11截止>2/3Vcc>1/3Vcc10導(dǎo)通<2/3Vcc>1/3Vcc1不變不變555定時(shí)器組成多諧振蕩器的工作原理如下：接通電源VCC后，VCC經(jīng)電阻R1和R2對(duì)電容充電，其電壓UC由0按指數(shù)規(guī)律上升。當(dāng)UC≥2/3VCC時(shí)，電壓比較器C1和C2的輸出分別為UC1=0、UC2=1，基本RS觸發(fā)器被置0，Q=0、Q’=1,輸出u0躍到低點(diǎn)平Uo1。與此同時(shí)，放電管V導(dǎo)通，電容C經(jīng)電阻R2和放電管V放電，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。隨著電容C放電，uc下降到uc≤1/3Vcc時(shí)，則電壓比較器C1和C2的輸出為uc1=1、uc2=0，基本RS觸發(fā)器被置1，Q=1，Q’=0，輸出u0由低點(diǎn)平Uo1躍到高電平Uoh。同時(shí)，因Q’=0，放電管V截止，電源VCC又經(jīng)過電阻R1和R2對(duì)電容C充電。電路又返回前一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。因此，電容C上的電壓uc將在2/3Vcc和1/3Vcc之間來回充電和放電，從而使電路產(chǎn)生了振蕩，輸出矩形脈沖。由圖4可得多諧震蕩周T為：T=tw1+tw2。tw1為電容C上的電壓由1/3Vcc充到2/3Vcc所需的時(shí)間，充電回路的時(shí)間常數(shù)為R2C。tw2可用下式估算tw1=（R1+R2）Cln≈0.7（R1+R2）C。tw2為電容C上的電壓由2/3Vcc下降到1/3Vcc所需的時(shí)間，放電回路的時(shí)間常數(shù)為R2C。tw2可用下式估算。tw2=R2Cln≈0.7R2C所以，多諧振蕩器的振蕩頻率周期T為T=tw1+tw2≈0.7（R1+2R2）C振蕩頻率為f=1/T=1/0.7（R1+2R2）C555定時(shí)器構(gòu)成的時(shí)鐘基準(zhǔn)發(fā)生電路如圖4—1所示。圖4—1多諧振蕩器電路2、分頻電路的設(shè)計(jì)分頻電路的主要功能有兩個(gè)：一是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的秒脈沖信號(hào)和校時(shí)脈沖信號(hào)；二是提供功能擴(kuò)展電路所需的信號(hào)，如校時(shí)電路的1Hz的信號(hào)。選用三片十進(jìn)制計(jì)數(shù)器芯片74LS290D可以完成上述任務(wù)。74LS290D是常用的二－五－十進(jìn)制異步計(jì)數(shù)器，其功能如表4—2所示。表4—274LS290D功能表74LS290D具有如下的四種基本工作方式：（1）二分頻：將R01，R02，R91，R92接地，INB置為低電平，在INA脈沖下降沿作用下，輸出端QA為二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。（2）五分頻：將R01，R02，R91，R92接地，INA置為低電平，在INB脈沖下降沿作用下，輸出端QDQCQB為五進(jìn)制計(jì)數(shù)器。（3）十分頻（8421碼）：將R01，R02，R91，R92接地，INB接QA，，在INA脈沖下降沿作用下，輸出端QDQCQBQA為十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。（4）置零置九：將R01，R02接高電平實(shí)現(xiàn)異步置零功能，將R91，R92接高電平實(shí)現(xiàn)異步置九功能。該設(shè)計(jì)電路要求經(jīng)過三次分頻將多諧振蕩器輸出的1KHZ的脈沖變?yōu)?HZ標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖，所以要使用74LS290D的十分頻工作方式：將QA與INB連接，前一級(jí)芯片的QD與下一級(jí)芯片的INA連接作為下一級(jí)的脈沖輸入，R01,R02，R91，R92共同接地使之無效。設(shè)計(jì)的分頻電路如圖4—2所示。圖4—2分頻電路3、分秒的六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)分和秒都是六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其計(jì)數(shù)規(guī)律為00-01-……—58-59-00……在選擇芯片時(shí)，仍然選擇74LS290D作為基礎(chǔ)計(jì)數(shù)器芯片。分的十位和秒的十位皆為六進(jìn)制計(jì)數(shù)器，分的個(gè)位和秒的個(gè)位皆為十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。要得到六進(jìn)制的計(jì)數(shù)器就先把74LS290D接成十進(jìn)制的（INB與QA接，以INA做輸入），然后用異步置零功能跳過6，7，8，9四個(gè)狀態(tài)達(dá)到六進(jìn)制計(jì)數(shù)．即當(dāng)輸出為0110時(shí)實(shí)現(xiàn)進(jìn)位同時(shí)置零，進(jìn)位信號(hào)是通過把QB和QC經(jīng)過一次與運(yùn)算后接到高一級(jí)計(jì)數(shù)模塊的R01和R02腳上（即異步置零），此時(shí)當(dāng)計(jì)數(shù)到0110時(shí)則立刻置0，重新從0開始計(jì)數(shù)．因?yàn)?4LS290D是異步置零，所以0110的狀態(tài)為瞬態(tài)，肉眼幾乎無法看到。由十進(jìn)制計(jì)數(shù)器（即個(gè)位的進(jìn)位）當(dāng)其由0000-1001時(shí)為一個(gè)周期的計(jì)數(shù)，所以我們只要其在由1001轉(zhuǎn)變?yōu)?000時(shí)實(shí)現(xiàn)進(jìn)位即可，通過觀察十進(jìn)制計(jì)數(shù)的輸出0000，0001，0010，0011，0100，0101，0110，0111，1000，1001發(fā)現(xiàn)其最高位QD在一個(gè)周期的計(jì)數(shù)中只出現(xiàn)一次由1到0的變化（由1001到0000），而且74LS290D的脈沖輸入端為下降沿有效，所以可以將QD直接作為六進(jìn)制的輸入脈沖來達(dá)到進(jìn)位，如圖4—3所示。 圖4—3六十進(jìn)制計(jì)數(shù)模塊4、時(shí)的二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器是一個(gè)24進(jìn)制計(jì)數(shù)器，時(shí)的個(gè)位是10進(jìn)制計(jì)數(shù)器，時(shí)的十位為二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，當(dāng)時(shí)鐘顯示23:59:59時(shí)，時(shí)鐘計(jì)數(shù)器自動(dòng)跳回00，設(shè)計(jì)電路如圖4—4所示。 圖4—4二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)模塊5、校時(shí)電路當(dāng)電子鐘接通電源或者計(jì)數(shù)出現(xiàn)誤差時(shí)，需要矯正時(shí)間。校時(shí)是電子鐘必備的功能之一。本設(shè)計(jì)中，為簡化起見，只進(jìn)行分和時(shí)的校正。校時(shí)電路要求在校時(shí)的同時(shí)不影響秒的正常計(jì)數(shù)，設(shè)計(jì)中，可分為“快速校正”和“慢速校正”?！翱焖傩Ｕ蓖ㄟ^開關(guān)控制，使計(jì)數(shù)器使用1HZ的校時(shí)脈沖。“慢校時(shí)”是用手動(dòng)產(chǎn)生單脈沖，按一下，計(jì)數(shù)