多功能數(shù)字計(jì)時(shí)器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、多功能數(shù)字計(jì)時(shí)器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告姓名 曹金燦學(xué)號(hào) 04301797專業(yè) 電子信息工程 院系 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院指導(dǎo)教師 王川 目錄 一設(shè)計(jì)內(nèi)容簡介 3二設(shè)計(jì)要求 3三詳細(xì)設(shè)計(jì) 31 整體設(shè)計(jì)22 秒脈沖發(fā)生電路53 報(bào)時(shí)電路64 校分電路 75 清零電路 76 動(dòng)態(tài)顯示電路 8四 電路仿真波形 9五 實(shí)驗(yàn)中所遇問題及解決方法 12六附錄 14a) 參考文獻(xiàn) 14b) 電路連接圖 14c) 芯片引腳排列圖 15數(shù)字鐘的分析設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告一設(shè)計(jì)內(nèi)容簡介：運(yùn)用所學(xué)集成電路的工作原理和使用方法，學(xué)會(huì)在單元電路的基礎(chǔ)上進(jìn)行小型數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)。要求設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字計(jì)時(shí)器，可以完成0分00秒9分59秒的計(jì)時(shí)功能，并

2、在控制電路的作用下具有開機(jī)清零、快速校分、整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能，本設(shè)計(jì)采用中小規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)，主要培養(yǎng)學(xué)生的分析問題解決問題的能力，提高學(xué)生設(shè)計(jì)電路、調(diào)試電路的實(shí)驗(yàn)技能。二 設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)分為兩個(gè)部分，即基本設(shè)計(jì)和附加功能的設(shè)計(jì)?；驹O(shè)計(jì)的要求為：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秒到9分59秒的計(jì)時(shí)功能。3 設(shè)計(jì)報(bào)時(shí)電路，完成從9分53秒，9分55秒，9分57秒發(fā)低音（頻率1khz），9分59秒發(fā)高音（頻率2khz）。4 設(shè)計(jì)較分電路，在任何時(shí)刻撥動(dòng)較分開關(guān)，可進(jìn)行快速較分。5 設(shè)計(jì)清零電路，具有開機(jī)自動(dòng)清零功能，并且在

3、任何時(shí)候，按動(dòng)清零開關(guān)，可以進(jìn)行計(jì)時(shí)器清零。6 系統(tǒng)級(jí)聯(lián)調(diào)試，將以上的電路進(jìn)行級(jí)聯(lián)，完成計(jì)時(shí)器所有的功能。附加功能的設(shè)計(jì)要求為：實(shí)現(xiàn)數(shù)字計(jì)時(shí)器定時(shí)功能，電路的起停功能，動(dòng)態(tài)顯示等之一。三 設(shè)計(jì)原理一系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)原理：利用晶體震蕩器加一些電路產(chǎn)生頻率為1hz的秒脈沖信號(hào)，送入到秒個(gè)位的cp脈沖輸入端，那么秒個(gè)位就以一秒為時(shí)間間隔進(jìn)行計(jì)數(shù)，提供了整個(gè)計(jì)時(shí)電路最基本的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。有了秒脈沖以后，后面的就很簡單了。當(dāng)秒個(gè)位達(dá)到9秒并且在新一個(gè)秒脈沖來到時(shí)，秒十位加一。我們可以在秒個(gè)位的四位二進(jìn)制的最高位()和最低位()加一個(gè)與非門連接到秒十位的脈沖輸入端。當(dāng)秒個(gè)位到達(dá)9時(shí)，與非門的輸出為低電平0，在下

4、一個(gè)脈沖來到時(shí)，輸出變?yōu)楦唠娖?。由此產(chǎn)生了一個(gè)上升邊沿的觸發(fā)信號(hào)，使秒十位加一。再考慮到秒十位是六進(jìn)制的，只有05六種狀態(tài)。我們實(shí)際用的是74161芯片，利用它的置數(shù)功能，當(dāng)秒十位為二進(jìn)制0101，且下一個(gè)脈沖到來時(shí)實(shí)現(xiàn)置數(shù)0000，這樣就實(shí)現(xiàn)了六進(jìn)制的翻轉(zhuǎn)。具體的做法是在秒十位的二進(jìn)制輸出的最低位（）和第三位()加一個(gè)與非門連接到74161的置數(shù)控制端（），實(shí)現(xiàn)置數(shù)功能(這里用的是全部置為零)。同樣的，依照上面的進(jìn)位思想，在秒個(gè)位為9，秒十位為5，且一個(gè)新的秒脈沖來到時(shí)產(chǎn)生分的進(jìn)位信號(hào)。實(shí)際的做的方法是在74161輸出端的和通過與非門接到分位的4518的脈沖輸入端。整個(gè)系統(tǒng)的框架就這樣了。

5、我們可以用下面的系統(tǒng)框架圖來形象表示設(shè)計(jì)的整個(gè)思路：系統(tǒng)的電路圖為：二部分功能設(shè)計(jì)：1. 秒脈沖發(fā)生器在這個(gè)部件的核心就是一個(gè)石英晶振，它的振蕩頻率是32768hz（hz），通過4060芯片（實(shí)際上就是一個(gè)分頻器）取其14端為輸出端，得到的頻率為2hz，再通過一個(gè)二分頻器件就得到了單位秒脈沖信號(hào)。電路圖如下：2報(bào)時(shí)電路報(bào)時(shí)電路的設(shè)計(jì)要求是在9分53秒，9分55秒，9分57秒發(fā)低音，在9分59秒發(fā)高音。設(shè)計(jì)前已經(jīng)給出了蜂鳴電路如下所示：其中或門的輸入為脈沖信號(hào)。因?yàn)橐笫窃?分53秒，9分55秒，9分57秒發(fā)低音，即分位為1001，秒十位為0101，秒個(gè)位為0011，或0101，或0111。通過

6、卡諾圖化簡如下：得到f=(+)。用所得到的f通過與門來控制輸入信號(hào)的頻率（1khz），將與門輸出接入到蜂鳴器的或門輸入端，就可以實(shí)現(xiàn)發(fā)低音的要求。同樣地，為了實(shí)現(xiàn)在9分59秒發(fā)高音的功能，在分位為1001，秒十位為0101，秒個(gè)位為1001時(shí)送入頻率為2khz的脈沖就可以實(shí)現(xiàn)發(fā)高音的功能。具體實(shí)現(xiàn)的電路圖如下：為了簡便起見，我們用1、1、1、1來表示秒秒個(gè)位的低位到高位；用2、2、2、2來表示秒十位低位到高位；用3、3、3、3來表示分位的低位到高位。3較分電路的設(shè)計(jì)較分電路的設(shè)計(jì)思想是在正常情況下，送入分位的是由秒十位送入的的脈沖信號(hào)；在撥動(dòng)較分開關(guān)以后，送入2hz的信號(hào)讓分位快速跳動(dòng)，進(jìn)行快

7、速較分。設(shè)計(jì)的電路如下：4. 清零電路的設(shè)計(jì)清零電路相對(duì)于其他電路來說要簡單很多。具體的想法就是把所有的清零端都接在一起，需要時(shí)就可以隨時(shí)清零。對(duì)于開機(jī)清零來說可以用電容來實(shí)現(xiàn)。電容在沒有充電時(shí)相當(dāng)于短路，在開機(jī)時(shí)實(shí)現(xiàn)清零功能。電路實(shí)現(xiàn)如下：三附加功能設(shè)計(jì)在附加功能中，我選擇的是動(dòng)態(tài)顯示的功能。這個(gè)設(shè)計(jì)比較簡單，設(shè)計(jì)的思想是利用數(shù)據(jù)選擇器的選擇置數(shù)功能，選擇秒個(gè)位或秒十位或分位的輸出。與此同時(shí)，利用數(shù)據(jù)選擇器的地址來控制七段顯示譯碼器的陰極，使得在某一時(shí)刻由同一個(gè)譯碼器送出的信號(hào)只能在一個(gè)顯示譯碼器上顯示出來。再由數(shù)據(jù)選擇器的地址信號(hào)的快速循環(huán)變化（即由00. 01. 10構(gòu)成的循環(huán)）。循環(huán)計(jì)

8、數(shù)的實(shí)現(xiàn)可以通過十進(jìn)制bcd碼計(jì)數(shù)器4518來做。即利用4518的正常計(jì)數(shù)功能，當(dāng)輸出為0011時(shí)對(duì)其進(jìn)行清零就行了。在4518的脈沖輸入端的變化的頻率大于42hz時(shí)人眼就分辨不出來了，就此完成了動(dòng)態(tài)顯示功能。動(dòng)態(tài)顯示一共只用了一個(gè)譯碼器，在一個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)顯示管有用。具體的電路圖如下：由于ewb中沒有共陰的顯示管，所以上圖中的顯示管接法是示意的。四 實(shí)驗(yàn)中的波形分析實(shí)驗(yàn)中，我在需要看波形的端口接上示波器，得到了如下的波形：1脈沖信號(hào)發(fā)生電路的q14通過t觸發(fā)器（二分頻器）所得到的波形2在電路輸出的秒個(gè)位，秒十位，分位的波形分別如下： 秒個(gè)位：秒十位：分位：校分的仿真波形：圖中的1代表校分開關(guān)

9、閉合的時(shí)刻；2代表校分開關(guān)斷開的時(shí)刻。五實(shí)驗(yàn)中遇到的問題分析1進(jìn)位信號(hào)的送出剛開始做實(shí)驗(yàn)之前，在電腦上用進(jìn)行模擬時(shí)發(fā)現(xiàn)進(jìn)位信號(hào)的送入總是出現(xiàn)問題，以秒個(gè)位向秒十位進(jìn)位為例，我用的是二入與非門，與非門的輸入是秒個(gè)位的二進(jìn)制的最低位和最高位，輸出接到秒十位的cp脈沖輸入端。當(dāng)最低位和最高位同時(shí)為時(shí)產(chǎn)生低電平，由變回時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)上升邊沿的cp脈沖，提供進(jìn)位信號(hào)。不過在上進(jìn)行模擬時(shí)，開機(jī)的瞬間就變?yōu)?。分析其原因是開機(jī)之前，秒十位的脈沖端是低電平，開機(jī)后在與非門輸出為。產(chǎn)生了上升邊沿的脈沖，就變成了，后來想到了用觸發(fā)器來解決，即當(dāng)秒個(gè)位為且再來一個(gè)脈沖時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)高電平送入到cp端，很有效解決問題。不過

10、在實(shí)驗(yàn)中沒有這么多d觸發(fā)器，共要兩個(gè)芯片。此時(shí)又想到了開機(jī)清零，開機(jī)清零實(shí)際上是把電阻和電容串聯(lián)起來。清零端接到電容的兩端。開機(jī)瞬間利用電容的電壓不能突變的性質(zhì)進(jìn)行清零。在實(shí)際的電路中，高電平和低電平都是有一定的范圍的，電容兩端電壓從低電平到高電平也是有一定的時(shí)間的，時(shí)間常數(shù)，和門的傳輸?shù)难訒r(shí)（幾納秒）相比是很大的，不過也遠(yuǎn)小于秒。實(shí)際工作時(shí)，開機(jī)的一小段時(shí)間內(nèi)（幾十納秒）秒十位是有一個(gè)進(jìn)位信號(hào)，使秒十位由0到1。不過由于電容的清零作用使輸入脈沖無效，從而保證了清零的成功。在ewb上我用了一個(gè)很小的電容和電阻串聯(lián)，使時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于1ns，并且把所有的器件都是實(shí)際的，結(jié)果是清零不成功，秒十位在開

11、機(jī)就變成了1，證實(shí)了我的猜想。2校分電路的設(shè)計(jì)問題在老師給出的校分電路中使用的d觸發(fā)器中的d=,實(shí)際上構(gòu)成了一個(gè)t觸發(fā)器，也就是一個(gè)分頻器。在實(shí)際用于仿真時(shí)，總要把開關(guān)撥動(dòng)兩次才能實(shí)現(xiàn)一次翻轉(zhuǎn)。究其原因是，d觸發(fā)器是上升邊沿有效的，開關(guān)開一下，產(chǎn)生一個(gè)上升邊沿的脈沖，t觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)。在開關(guān)關(guān)掉時(shí)產(chǎn)生的是下降邊沿的脈沖，對(duì)于d觸發(fā)器是 無效的。只有在再次開關(guān)時(shí)才能實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，很不方便。所以在做電路的時(shí)候我直接把防抖動(dòng)開關(guān)的q和直接連接到了兩個(gè)與非門的輸入端，這樣做既節(jié)省了器件，又省去了校分需要撥兩次開關(guān)的麻煩。電路如下所示：至此，整個(gè)實(shí)驗(yàn)的任務(wù)就完成了。我學(xué)到的不只是簡單的搭一個(gè)電路，更重要的是學(xué)會(huì)了分析問題的方法。再也不會(huì)忘記在繁蕪的導(dǎo)線中尋找錯(cuò)誤的痛苦。最