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1、電子技術(shù)課程設(shè)計 數(shù)字鐘 學(xué)院 華科學(xué)院 專業(yè) 班級 電氣 062201H 姓名 范曉晶 學(xué)號 200622050104 指導(dǎo)教師 柴婷婷 2008 年 12 月 目 錄 一 設(shè)計任務(wù)與要 求 2 二 總體框圖 2 三 選擇器件 5 四 功 能 模 塊 16 五 總體設(shè)計電 路 21 六 設(shè)計體會 24 一 設(shè)計要求及任務(wù) 數(shù)字鐘是一種用數(shù)字顯示秒 分 時的計時裝置 與傳統(tǒng)的機械鐘相比 它具有走時準確 顯示直觀 無機械傳動裝置等優(yōu)點 因而得到了廣泛的應(yīng)用 小到人們?nèi)粘Ｉ钪械碾娮邮直?大到車站 碼頭 機場等公共場所的大型數(shù) 顯電子鐘 多功能數(shù)字鐘由以下幾部分組成 555 定時器組成的多諧振蕩器

2、構(gòu) 成秒脈沖發(fā)生器 校正電路 六十進制的秒 分計數(shù)器和十二進制的時計數(shù)器 秒 分 時的數(shù)碼顯示部分 報時電路等 具體要求如下 鐘是一種用數(shù)字電 路技術(shù)實現(xiàn)時 分 秒計時的裝置 通過數(shù)字鐘的 制作進一步了解中小規(guī)模集 成電路 設(shè)計指示 1 時間以 12 小時為一個周期 2 顯示時 分 秒 3 具有校時功能 可以分別對時 分進行單獨校時 使其校正到標準時間 4 計時過程具有報時功能 當時間到達正點前 10 秒進行蜂鳴報時 5 用 555 多振蕩器提供表針時間基準信號 設(shè)計要求 1 畫出電路原理圖 或仿真電路圖 2 元器件及參數(shù)選擇 3 電路仿真 4 接線及調(diào)試 二 總體框圖 1 數(shù)字鐘組成電路的總

3、體框圖如下圖所示 時顯示器 分顯示器 秒顯示器 12 進制計數(shù) 器 60 進制計數(shù)器 60 進制計數(shù)器 圖一 總體框圖 2 設(shè)計思路及模塊功能 根據(jù)設(shè)計任務(wù)和要求 對照數(shù)字鐘的總體框圖 可以分以下幾部分進行模 塊化設(shè)計 1 秒脈沖發(fā)生器 秒脈沖發(fā)生器是數(shù)字鐘的核心部分 它的精度和穩(wěn)定度決定了數(shù)字鐘的質(zhì) 量 本實驗可采用 555 定時器組成的多諧振蕩器發(fā)出秒脈沖即 1Hz 脈沖 電路 圖如下圖所示 校時電路 整點報時 振 蕩 器 圖二 秒脈沖發(fā)生器 2 計數(shù)譯碼顯示 秒 分 時分別為 60 60 和 12 進制計數(shù)器 秒 分均為六十進制 即顯 示 00 59 它們的個位為十進制 十位為六進制 時

4、為十二進制計數(shù)器 顯示 為 00 11 個位仍為十進制 而十位為二進制 但當十進位計到 1 而個位計 到 2 時清零 就為十二進制了 所有計數(shù)器的顯示均采用 DCD HEX 譯碼顯示器 3 校正電路 在剛剛開機接通電源時 由于時 分為任意值 所以 需進行調(diào)整 置開 關(guān)在手動位置 分別對時 分 秒進行單獨計數(shù) 計數(shù)脈沖由秒脈沖輸入 4 整點報時電路 當時計數(shù)器在每次計到整點時 需要報時 這可采用譯碼電路來解決 即 當分為 59 時 且秒計數(shù)到 50 時 輸出一高電平 經(jīng)過一三極管驅(qū)動喇叭鳴叫 完成整點報時 時間持續(xù)十秒 三 選擇器件 實驗所用器件如下 表一 實驗所用器件 序號 器件 功能 器件數(shù)

5、 1 74LS160 可預(yù)置 BCD 異步清零十進 制加法計數(shù)器 6 片 2 74LS04 反相器 4 片 3 74LS00 2 輸入端四與非門 1 片 4 74LS08 2 輸入端四與門 1 片 5 555 用于構(gòu)成多諧振蕩器 1 片 7 三極管 8099 放大驅(qū)動 1 個 8 揚聲器 1 4W 8 鳴叫報時 1 個 9 電容 0 172 uF 1 個 10 電容 0 01uF 1 個 11 電阻 1 4K 2 個 12 電阻 100 用于構(gòu)成多諧振蕩器 1 個 13 電位器 4 7K 1 個 14 電阻 200 用于構(gòu)成連續(xù)脈沖電路 1 個 15 單刀雙擲開關(guān) 用于校正電路 4 個 16

6、數(shù)字電子技術(shù)實驗箱 1 個 17 直流穩(wěn)壓電源 搭接硬件調(diào)試結(jié)果 各一個 各器件的邏輯框圖 邏輯符號 邏輯功能表 內(nèi)部原理圖及邏輯功能分別如下 1 74LS04 仔細觀察一下三極管組成的開關(guān)電路即可發(fā)現(xiàn) 當輸入為高電平時輸出等 于低電平 而輸入為低電平時輸出等于高電平 因此輸出與輸入的電平之間是 反向關(guān)系 它實際上就是一個非門 亦稱反向器 在一些實用的反向器電路中 為了保證在輸入低電平時三極管可靠地截止 常在三極管的基極連接一個電阻 R 和一個負電源 VEE 由于接入了電阻 R2 和負 電源 VEE 即使輸入的低電平信號稍大于零 也能使三極管的基極為負電位 從 而使三極管能可靠地截止 輸出為高

7、電平 當輸入信號為高電平時 應(yīng)保證三極管工作在深度飽和狀態(tài) 以使輸出電 平接近于零 為此 電路參數(shù)的配合必須合適 保證提供給三極的基極電流大 于深度飽和的基極電流 所用芯片 74LS04 是一個有六個反相器的芯片 其邏輯框圖如下圖所示 圖三 芯片 74LS04 管腳圖 邏輯功能表如下圖 表二 74LS04 邏輯功能表 邏輯函數(shù)式 Y A 邏輯功能描述如下 當輸入端為低電平 0 時 輸出端為高電平 1 當輸入端為低電平 1 時 輸出端為高電平 0 即輸出端的電平與輸入端的電平總是相反的 2 74LS00 74 系列與非門的電線電纜與三極管組成的 TTL 反相器的典型電路的區(qū)別在 于輸入端改成了奪

8、發(fā)射極三極管 多發(fā)射極三極管的基區(qū)和集電區(qū)是共用的 而在 P 區(qū)的基區(qū)上制作了兩個 或多個 高摻雜的 N 型區(qū) 形成了兩個互相獨立的發(fā)射極 我們可以把多發(fā) 射極三極管看作兩個發(fā)射極獨立而基極和集電極分別并聯(lián)在一起的三極管多發(fā) 射極三極管可實現(xiàn)與運算 所用芯片 74LS00 其邏輯框圖如下圖所示 圖四 芯片 74LS00 邏輯框圖 邏輯符號圖 圖五 芯片 74LS00 邏輯符號 邏輯功能表如下圖 表三 74LS00 邏輯功能表 邏輯函數(shù)式 Y AB 邏輯功能描述如下 其中 A B 為輸入端 Y 為輸出端 當輸入端 A 0 B 0 時 輸出端 Y 為高電平 即 Y 1 當輸入端 A 0 B 1 時

9、 輸出端 Y 為高電平 即 Y 1 當輸入端 A 1 B 0 時 輸出端 Y 為高電平 即 Y 1 當輸入端 A 1 B 1 時 輸出端 Y 為低電平 即 Y 0 即兩個輸入端 A B 的輸入電平只要有一個是低電平 0 輸出端 Y 就為高電 平 1 只有 A B 兩個輸入端的電平同時為 1 時 輸出端 Y 才為低電平 0 3 555 圖六 555 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖六為國產(chǎn)雙極型定時器 CB555 內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)原理圖 它是由比較器 C1和 C2 基本 RS 觸發(fā)器和集電極開路的放電三極管 TD三部分組成 其中 VH是比較器 C1 的輸入端 v 12是比較器 C2的輸入端 C 1和 C2的參考 電

10、壓 VR1和 VR2由 VCC經(jīng)三個五千歐電阻分壓給出 在控制電壓輸入端 VCO懸空時 VR1 2 3VCC VR2 1 3VCC 如果 VCO外接固定電壓 則 VR1 VCO VR2 1 2VCO RD是置零輸入端 只要在 RD端加上低電平 輸出端 v0便立即被置成低電 平 不受其他輸入端狀態(tài)的影響 正常工作時必須使 RD處于高電平 圖中的數(shù) 1 CO THR VCC uO D 5k 5k 5k C1 C2 G1 G2 G3 T 2 6 5 8 4 3 7 R Q Q 碼 1 8 為器件引腳的編號 555 定時器是一種中規(guī)模集成電路 只要在外部配上適當阻容元件 就可 以方便地構(gòu)成脈沖產(chǎn)生和整

11、形電路 555 集成定時器由五個部分組成 1 基本 RS 觸發(fā)器 由兩個 與非 門組成 2 比較器 C1 C2 是兩個電壓比較器 3 分壓器 阻值均為 5 千歐的電阻串聯(lián)起來構(gòu)成分壓器 為比較 器 C1 和 C2 提供參考電壓 4 晶體管開卷和輸出緩沖器 晶體管 VT 構(gòu)成開關(guān) 其狀態(tài)受 端Q 控制 輸出緩沖器就是接在輸出端的反相器 G3 其作用是提高 定時器的帶負載能力和隔離負載對定時器的影響 其邏輯框圖如下 圖七 邏輯框圖 邏輯符號如下 圖八 555 邏輯符號 邏輯功能表如下圖 表四 555 邏輯功能表 輸 入 輸 出 閾值輸入 vI1 觸發(fā)輸入 vI2 復(fù)位 輸出 放電管 T 0 0 導(dǎo)

12、通 1 1 截止 1 0 導(dǎo)通 1 不變 不變 邏輯功能描述如下 555 定時器的主要功能取決于比較器 比較器的輸出控制 RS 觸發(fā)器和放電 管 T 的狀態(tài) 圖中 RD為復(fù)位輸入端 當 RD為低電平時 不管其他輸入端的狀態(tài) 如何 輸出 v0為低電平 因此在正常工作時 應(yīng)將其接高電平 由圖可知 當 5 腳懸空時 比較器 C1和 C2比較電壓分別為 2 3VCC和 1 3VCC 當 vI1 2 3VCC vI2 1 3VCC時 比較器 C1輸出低電平 比較器 C2輸出高電平 基本 RS 觸發(fā)器被置 0 放電三極管 T 導(dǎo)通 輸出端 vO為低電平 當 vI1 2 3VCC vI2 1 3VCC時 比

13、較器 C1輸出高電平 比較器 C2輸出低電平 基本 RS 觸發(fā)器被置 1 放電三極管 T 截止 輸出端 vO為高電平 當 vI11 3VCC時 基本 RS 觸發(fā)器 R 1 S 1 觸發(fā)器狀態(tài)不變 電路亦保持原狀態(tài)不變 綜合上述分析 可得 555 定時器功能表如表 10 11 1 所示 如果在電壓控制端 5 腳 施加一個外加電壓 其值在 0 VCC之間 比 較器的參考電壓將發(fā)生變化 電路相應(yīng)的閾值 觸發(fā)電平也將隨之變化 進而 影響電路的工作狀態(tài) 4 74LS160 74LS160 為十進制同步加法計數(shù)器 邏輯框圖如圖 邏輯符號如圖 圖十 74LS160 邏輯符號 圖九 74LS160 邏輯框圖

14、邏輯功能表如下 表五 74LS160 邏輯功能 CP EP ET 工作狀態(tài) 0 置零 1 0 預(yù)置數(shù) 1 1 0 1 保持 1 1 0 保持 但 C 0 1 1 1 1 計數(shù) 邏輯功能描述如下 由邏輯圖與功能表知 在 CT74LS160 中 LD 為預(yù)置數(shù)控制端 D0 D3 為數(shù)據(jù) 輸入端 C 為進位輸出端 RD 為異步置零端 Q0 Q3 位數(shù)據(jù)輸出端 EP 和 ET 為 工作狀態(tài)控制端 當 RC 0 時所有觸發(fā)器將同時被置零 而且置零操作不受其他輸入端狀態(tài) 的影響 當 RC 1 LD 0 時 電路工作在預(yù)置數(shù)狀態(tài) 這時門 G16 G19 的輸出始 終是 1 所以 FF0 FF1 輸入端 J

15、K 的狀態(tài)由 D0 D3 的狀態(tài)決定 當 RC LD 1 而 EP 0 ET 1 時 由于這時門 G16 G19 的輸出均為 0 亦即 FF0 FF3 均處在 J K 0 的狀態(tài) 所以 CP 信號到達時它們保持原來的狀態(tài)不變 同時 C 的狀態(tài)也 得到保持 如果 ET 0 則 EP 不論為何狀態(tài) 計數(shù)器的狀態(tài)也保持不變 但這 時進位輸出 C 等于 0 當 RC LD EP ET 1 時 電路工作在計數(shù)狀態(tài) 從電路的 0000 狀態(tài)開始連續(xù)輸入 16 個計數(shù)脈沖時 電路將從 1111 的狀態(tài)返回 0000 的 狀態(tài) C 端從高電平跳變至低電平 利用 C 端輸出的高電平或下降沿作為進位 輸出信號 其

16、內(nèi)部原理圖如下圖所示 圖十一 74LS160 內(nèi)部原理圖 5 74LS08 最簡單的與門可以用二極管和電阻組成 74LS08 是四組二輸入端的與 門 其邏輯框圖如下圖 圖十二 74LS08 邏輯框圖 其邏輯符號如下圖 圖十三 74LS08 邏輯符號 其邏輯功能表如下 表六 74LS08 邏輯功能 1A 1B 1Y 2A 2B 2Y 3A 3B 3Y 4A 4B 4Y 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 其邏輯功能描述如下 當兩個輸入端 A

17、0 B 0 時 輸出端 Y 為低電平 0 即 Y 0 當兩個輸入端 A 0 B 1 時 輸出端 Y 為低電平 0 即 Y 0 當兩個輸入端 A 1 B 0 時 輸出端 Y 為低電平 0 即 Y 0 當兩個輸入端 A 1 B 1 時 輸出端 Y 為低電平 1 即 Y 1 即只要兩個輸入端 A B 的輸入電平有一個是低電平 0 輸出端 Y 即為低電平 0 只有 A B 的輸入電平全為 1 輸出端 Y 才為高電平 1 6 LED LED 是發(fā)光二極管 Light Emitting Diode 的英文縮寫 LED 顯示屏是由發(fā)光二極管排列組成的一顯示器件 它采用低電壓掃描驅(qū) 動 具有 耗電少 使用壽命

18、長 成本低 亮度高 故障少 視角大 可視距 離遠 規(guī)格品種全等特點 目前 LED 顯示屏作為新一代的信息傳播媒體 已經(jīng) 成為城市信息現(xiàn)代化建設(shè)的標志 管腳 分別接輸出段的 圖形顯示如下圖所示 圖十四 LED 顯示屏 四 功能模塊 四 功 能 模 塊 1 秒脈沖發(fā)生器 本實驗采用 555 定時器組成多諧振蕩器來產(chǎn)生 1Hz 的秒脈沖 電路圖如下圖十 五所示 圖 十 五 秒 脈 沖 發(fā) 生 器 電 路 圖 利用 Multism2001 的仿真結(jié)果如下圖所示 圖十六 連續(xù)脈沖電路仿真結(jié)果 2 計數(shù)譯碼顯示 這一部分均采用中規(guī)模集成電路 74LS160 實現(xiàn)秒 分 時的計數(shù) 其中秒 分為 60 進制

19、時為 12 進制 從下圖可發(fā)現(xiàn)秒 分兩組六十進制計數(shù)電路完全 相同 當計數(shù)到 59 時 再來一個脈沖變成 00 然后再重新開始計數(shù) 圖中用 同利用 異步清零 反饋到 CR 端 而實現(xiàn)個位十進制 十位六進制功能 時為十二進制 當開始計數(shù)時 個位按十進制計數(shù) 當計到 11 時 這時再 來一個脈沖 應(yīng)該回到 零 所以 這里必須使個位既能完成十進制計數(shù) 又 能在高低位滿足 11 這一數(shù)字后 計數(shù)器清 0 圖中采用了十位的 1 和個位 的 2 相 與非 后再清 0 所有計數(shù)器的顯示均采用 DCD HEX 譯碼顯示器 計數(shù)譯碼顯示電路如下圖十七所示 圖十七 計數(shù)譯碼顯示電路 3 校正電路 在剛剛開機接通電

20、源時 由于時 分 為任意值 所以 需進行調(diào)整 置開 關(guān)在手動位置 分別對時 分進行單獨計數(shù) 計數(shù)脈沖由秒脈沖產(chǎn)生 將開關(guān) 打到手動校正的位置 即可對時 分進行校正 校正電路如下圖十八所示 圖十八 校正電路圖 數(shù)字鐘的校正部分主要是通過開關(guān)實現(xiàn)的 當需要進行校正時 將開關(guān) J1 打開 J2 打到 5V 時為分校正 J3 打到 5V J4 打到上面時為時校正 4 整點報時電路 當時計數(shù)器在每次計到整點時 需要報時 這可采用譯碼電路來解決 即 當分為 59 時 則秒在計數(shù)到 50 時 輸出一高電平 經(jīng)過一三極管驅(qū)動喇叭鳴 叫 完成整點報時 圖中用燈泡代替三極管和喇叭 整點報時電路如下圖所示 圖十九

21、整點報時電路圖 圖中數(shù)字鐘顯示六點五十九分五十一秒 圖中燈泡發(fā)光 五 總體設(shè)計電路圖 總體電路原理圖如下圖九所示 本次設(shè)計的總體電路整體工作原理大體描述如下 1 首先 由 555 定時器組成一個多諧振蕩器得到 1HZ 的秒脈沖 秒脈沖發(fā)生 器的輸出端接到每個計數(shù)器的時鐘輸入端 2 數(shù)字鐘的分 秒計數(shù)部分均為六十進制計數(shù)器 顯示 00 59 采用兩片 74LS160 來實現(xiàn) 個位為十進制 十位為六進制 當個位計數(shù)到 9 時 再來一 個脈沖變成 0 同時產(chǎn)生一個進位信號 給十位提供一個脈沖 使十位計數(shù)加 1 而數(shù)字鐘的時計數(shù)部分為十二進制計數(shù)器 顯示 00 11 也是采用兩片 74LS160 實現(xiàn)

22、 當開始計數(shù)時 個位按十進制計數(shù) 當計到 11 時 這時再來一 個脈沖 回到 零 所以 這里必須使個位既能完成十進制計數(shù) 又能在高低 位滿足 11 這一數(shù)字后 十計數(shù)器清 0 圖中采用了十位的 1 和個位的 2 相 與非 后再清 0 當秒計數(shù)器計到 59 時 再來一個脈沖變成 00 同時產(chǎn)生一 個進位信號給分計數(shù)器的 CP 輸入端 當分計數(shù)器計到 59 時 再來一個脈沖變 成 00 同時產(chǎn)生一個進位信號給時計數(shù)器的 CP 輸入端 當時計數(shù)器計到 11 時 再來一個脈沖變成 00 3 數(shù)字鐘的校正部分主要是通過開關(guān)實現(xiàn)的 當需要進行校正時 將開關(guān) J1 打開 J2 打到 5V 時為分校正 J3

23、打到 5V J4 打到上面時為時校正 4 當計數(shù)器在每次計到整點時 需要提前十秒報時 這可采用譯碼電路來解 決 即當分為 59 時 且秒計數(shù)到 50 時 輸出一高電平 經(jīng)過一三極管驅(qū)動喇 叭鳴叫 完成整點報時 利用 Multism 軟件對整個電路進行仿真 結(jié)果正確后 在數(shù)字實驗箱上驗證 所設(shè)計的整體電路 結(jié)果正確 圖 二 十 總體電路圖 六 設(shè)計體會 1 實驗過程中遇到的問題及解決方法 時間計數(shù)電路的連接與測試 六進制 十進制都沒有什么大的問題 只是芯片引腳的老問題 只要重新插過 芯片就可以解決了 但在六十進制時 按圖接線后發(fā)現(xiàn) 顯示器上的數(shù)字總是 100 進制的 而不是六十進制 檢測后發(fā)現(xiàn)無

24、論是線路的連通還是芯片的接觸 都沒有問題 最后 在重對連線時發(fā)現(xiàn)是線路接錯引腳造成的 改過之后 顯 示就正常了 校正電路 因上面程因引腳接錯而造成錯誤 所以校正電路是完全按照仿真圖所連的 在 測試時 開始進行時校時時 沒有出現(xiàn)問題 但當進行到分校時時 發(fā)現(xiàn)計數(shù) 電路的秒電路開始亂跳出錯 因此 電路一定是有地方出錯了 在反復(fù)對照后 發(fā)現(xiàn)是因為在接入校正電路時忘了把秒十位和分個位之間的連線拿掉而造成的 因此 在接線時一定要注意把不要的多余的線拿掉 2 設(shè)計體會 通過這次對數(shù)字鐘的設(shè)計與制作 讓我了解了設(shè)計電路的程序 也讓我了解了 關(guān)于數(shù)字鐘的原理與設(shè)計理念 要設(shè)計一個電路總要先用仿真仿真成功之后才

25、 實際接線的 但是最后的成品卻不一定與仿真時完全一樣 因為 再實際接線 中有著各種各樣的條件制約著 而且 在仿真中無法成功的電路接法 在實際 中因為芯片本身的特性而能夠成功 所以 在設(shè)計時應(yīng)考慮兩者的差異 從中 找出最適合的設(shè)計方法 通過這次學(xué)習 讓我對各種電路都有了大概的了解 所以說 坐而言不如立而 行 對于這些電路還是應(yīng)該自己動手實際操作才會有深刻理解 1 要求學(xué)生根據(jù)原理和芯片引腳圖 分功能設(shè)計原理圖 并根據(jù)接線順序分步 驟驗證 2 容易出現(xiàn)故障為接觸不良 a 集成塊引腳方向預(yù)先彎好對準面包板的金屬孔 再小心插入 b 導(dǎo)線的剝線長度與面包板的厚度相適應(yīng) 比板的厚度稍短 c 導(dǎo)線的裸線部分不要露在板的上面 以防短路 d 導(dǎo)線要插入金屬孔中央 3 按照原理圖接線時首先確?？煽康碾娫春徒拥?4 注意芯片的控制引腳必須正確接好 5 檢查故障時除測試輸入 輸出信號外 要注意電源 接地和控制引腳 6 要注意芯片引腳上的信號與面包板上插座上信號是否一致 集成塊引腳與面 包板常接觸不良 7 接校時電路時可接模擬信號輸入 如 1Hz 和 2Hz 測試輸出信號的切換正確 后 再將秒進位和分進位信號接到校時電路 再接校時電路輸出到分計數(shù)器和 時計數(shù)器