數(shù)字電路設(shè)計(jì) (數(shù)字鐘)

1、 2009級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化 20112012學(xué)年度第一學(xué)期 電子課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書 總 體 設(shè) 計(jì) 步 驟1下達(dá)任務(wù)書：第15周周五；2分析題意并查資料，確定方案：要求必須在第15周六、周日兩天完成。3方案討論會(huì)：第16周周一全天進(jìn)行。1）由老師組織，全班同學(xué)都參加，小組負(fù)責(zé)人講述10分鐘；2）其他同學(xué)作補(bǔ)充，其他同學(xué)也可提出解決的想法及關(guān)鍵問題5分鐘；3）最后由老師敲定方案5分鐘）。4方案確定并進(jìn)行相關(guān)元器件的計(jì)算、選型，并列出元器件清單：第16周周二完成；5購買相關(guān)元器件：第16周周三（老師購買元器件，學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真，并畫出布線圖，為寫報(bào)告做準(zhǔn)備。）6在17周周二前完成單元電路調(diào)試

2、，同時(shí)完成電路PCB的設(shè)計(jì)與制作，不愿意制作PCB板的小組，在購買的實(shí)驗(yàn)電路板上完成電路的焊接。7進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，直到達(dá)到任務(wù)書全部要求：第17周周三前必須完成；8編寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告：第17周周四前完成；9上交課程設(shè)計(jì)報(bào)告，并進(jìn)行簡(jiǎn)單的答辯：第16周周五進(jìn)行。 指導(dǎo)教師:宰文姣 2011-12-18 數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)1 設(shè)計(jì)要求： 數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)的裝置，與機(jī)械式時(shí)鐘相比具有更高的準(zhǔn)確性和直觀性，且無機(jī)械裝置，具有更更長(zhǎng)的使用壽命，因此得到了廣泛的使用。數(shù)字鐘從原理上講是一種典型的數(shù)字電路，其中包括了組合邏輯電路和時(shí)序電路。設(shè)計(jì)與制做數(shù)字鐘就是為了了解數(shù)字鐘的原理，從而學(xué)會(huì)

3、制作數(shù)字鐘。而且通過數(shù)字鐘的制作進(jìn)一步的了解各種在制作中用到的中小規(guī)模集成電路的作用及實(shí)用方法.且由于數(shù)字鐘包括組合邏輯電路和時(shí)序電路.通過它可以進(jìn)一步學(xué)習(xí)與掌握各種組合邏輯電路與時(shí)序電路的原理與使用方法.要求功能：能進(jìn)行正常的分、秒計(jì)時(shí)功能，分別由4個(gè)數(shù)碼管顯示60分鐘，60秒鐘的計(jì)數(shù)器顯示。2 題目分析： 1.計(jì)數(shù)器 有了時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)“秒”信號(hào)以后，就可以根據(jù)60秒為一分鐘、60分為一小時(shí)的計(jì)數(shù)周期，分別組成兩個(gè)60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，將這些計(jì)數(shù)器適當(dāng)連接，就可以構(gòu)成秒、分的計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)功能。 2.譯碼和數(shù)碼顯示電路譯碼和數(shù)碼顯示電路是將數(shù)字鐘的計(jì)時(shí)狀態(tài)直觀清晰地顯示出來，被人們的視覺器官所接受。顯

4、示器件選用七段數(shù)碼管。3 總體方案：所需元件器材等清單：1.555定時(shí)器1片2.74HC47集成塊6片3.74HC393集成塊6片4.74HC20集成塊6片5.CD40192集成塊6片6.共陽極7段數(shù)碼管6個(gè)7.電路焊接板1塊8.0.01電解電容3個(gè)9.10k、100k、150k、200k若干及其他電阻10.單股線11.鑷子12.剪刀13.斜口鉗設(shè)計(jì)方案圖形如下：（注：小時(shí)計(jì)數(shù)功能暫時(shí)不需） 數(shù)字鐘原理方框圖十位個(gè)位十位個(gè)位十位個(gè)位譯碼譯碼譯碼譯碼譯碼譯碼六進(jìn)制 十進(jìn)制六十進(jìn)制六進(jìn)制 十進(jìn)制六十進(jìn)制二十四進(jìn)制555定時(shí)器顯示部分譯碼部分計(jì)數(shù)部分秒基準(zhǔn)信號(hào)4 原理圖設(shè)計(jì)： 1. 555定時(shí)器 5

5、55定時(shí)器是一種集模擬、數(shù)字于一體的中規(guī)模集成電路，其應(yīng)用極為廣泛。555定時(shí)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由分壓器、兩個(gè)電壓比較器、基本SR觸發(fā)器、晶體管及緩沖器 組成。1腳是接地端GND，2腳是低電平觸發(fā)端（也稱觸發(fā)端），3腳是輸出端OUT，4腳是復(fù)位端ft，5腳是電 壓控制端，6腳是高電平觸發(fā)端（也稱閾值端），7腳是放電端，8腳是電源端VCC。555定時(shí)器功能表見圖2，其中4腳RD，為復(fù)位端，當(dāng)RD為低電平時(shí)，不管其他輸人端的狀態(tài)如何，輸出 Uo為低電平。只有當(dāng)RD為高電平時(shí)，輸出的狀態(tài)將由2腳低電平觸發(fā)端和6腳高電平觸發(fā)端電壓的大小來決 定，因此，在正常工作時(shí)，應(yīng)將4腳接高電平。當(dāng)

6、uil(2/3)Vcc,u2(1/3)Vcc時(shí)，放電晶體管VT截止，輸出端仍為高電平。當(dāng)uil(2/3)Vcc,ui2(1/3)Vcc時(shí)，放電晶體管VT導(dǎo)通，輸出端uo為低電平。當(dāng)uil(2/3)Vcc,ui2(1/3)Vcc時(shí)，電路亦保持原狀態(tài)不變。如果在電壓控制端（5腳）施加一個(gè)外加電壓（其值在0Vcc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(jìn)而影響電路的工作狀態(tài)。 圖1 555定時(shí)器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖2 555定時(shí)器功能表 2.74HC47芯片集成電路譯碼器之引腳圖如下圖。在正常操作時(shí)，當(dāng)輸入DCBA=0010 則輸出abcdefg=0010010。故使顯示

7、器顯示"2"。 當(dāng)輸入DCBA=0110 時(shí)，輸出abcdeg=1100000，顯示器顯示"6。在7447 中尚有LT、RBI 與BI/RBO 之控制腳，其功能分述如下:該電路是由與非門、輸入緩沖器和7 個(gè)與或非門組成的BCD-7 段譯碼器/驅(qū)動(dòng)器。通常是低電平有效，高的灌入電流的輸出可直接驅(qū)動(dòng)顯示器。7 個(gè)與非門和一個(gè)驅(qū)動(dòng)器成對(duì)連接，以產(chǎn)生可用的BCD 數(shù)據(jù)及其補(bǔ)碼至7 個(gè)與或非譯碼門。剩下的與非門和3 個(gè)輸入緩沖器作為試燈輸入（LT）端、滅燈輸入/動(dòng)態(tài)滅燈輸出(BI/RBO)端及動(dòng)態(tài)滅燈輸入(RBI )端。該電路接受4 位二進(jìn)制編碼十進(jìn)制數(shù)（BCD）輸入并借助

8、于輔助輸入端狀態(tài)將輸入數(shù)據(jù)譯碼后去驅(qū)動(dòng)一個(gè)七段顯示器。輸出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成能承受7 段顯示所需要的相當(dāng)高的電壓。驅(qū)動(dòng)顯示器各段所需的高達(dá)24mA 的電流可以由其高性能的輸出晶體管來直接提供。BCD 輸入計(jì)數(shù)9 以上的顯示圖案是鑒定輸入條件的唯一信號(hào)。該電路有自動(dòng)前、后沿滅零控制（RBI和RBO）。試燈（LT）可在端處在高電平的任何時(shí)刻去進(jìn)行，該電路還含有一個(gè)滅燈輸入（BI），它用來控制燈的亮度或禁止輸出。該電路在應(yīng)用中可以驅(qū)動(dòng)共陽極的發(fā)光二極管或直接驅(qū)動(dòng)白熾燈指示器。74HC47之輸出系為驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)，其邏輯0 之吸入電流高達(dá)40mA，故在使用必須加入400 左右電阻加以限流，以免過大電流流經(jīng)LED

9、而燒毀顯示器。 3.74HC393芯片：雙 4 位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器（異步清零） 簡(jiǎn)要說明:實(shí)現(xiàn)對(duì)555產(chǎn)生的頻率分頻的作用393為兩個(gè)4位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，異步清零端（1clear,2clear）為高電平時(shí)，不管時(shí)鐘端 1A，2A 狀態(tài)如何，即可以完成清除功能。當(dāng) 1clear,2clear 為低電平時(shí)，在 1A,2A 脈沖下降沿作用下進(jìn)行計(jì)數(shù)操作。引出端符號(hào)：1A、2A 時(shí)鐘輸入端（下降沿有效）1clear,2clear 異步清零端1Qa1Qd、2Qa2Qb 輸出端外接管腳圖： 4.74HC20芯片 74HC20是常用的雙4輸入與非門集成電路。74HC20芯片包含兩個(gè)4輸入與非門，內(nèi)含兩組4與非門

10、第一組：1,2,4,5輸入6輸出。 第2組：9,10,12,13輸入8輸出。 74LS20功能表 A B C D Y 1 1 1 1 0 0 X X X 1 X 0 X X 1 X X 0 X 1 X X X 0 15. CD40192芯片 CD40192是同步十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器，具有雙時(shí)鐘輸入，并具有清除和置數(shù)等功能，其引腳排列及邏輯符號(hào)，如圖所示。CD40192的功能見表，說明如下：當(dāng)清除端CR為高電平“1”時(shí)，計(jì)數(shù)器直接清零；CR置低電平則執(zhí)行其他功能。當(dāng)CR為低電平，置數(shù)端 也為低電平時(shí)，數(shù)據(jù)直接從置數(shù)端J1、J2、J3、J4 置入計(jì)數(shù)器。    

11、     CD40192 引腳圖引腳功能：圖中：LD （11腳） 置數(shù)端 CU(5腳) 加計(jì)數(shù)端 CD(4腳) 減計(jì)數(shù)端  C0 （12腳）非同步進(jìn)位輸出端 B0 （13腳）非同步借位輸出端。838電子J1、J2、J3、J4 計(jì)數(shù)器輸入端. Q1、Q2、Q3、Q4 數(shù)據(jù)輸出端 CR（14腳） 清除端當(dāng)CR為低電平， LD 為高電平時(shí)，執(zhí)行計(jì)數(shù)功能。執(zhí)行加計(jì)數(shù)時(shí)，減計(jì)數(shù)端CD 接高電平，計(jì)數(shù)脈沖由CU輸入；在計(jì)數(shù)脈沖上升沿進(jìn)行8421碼十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)。執(zhí)行減計(jì)數(shù)時(shí)，加計(jì)數(shù)端CU接高電平，計(jì)數(shù)脈沖由減計(jì)數(shù)端CPD輸入.表 CD40192功

12、能表輸    入輸     出CRLDCPUCPDJ4J3J2J1Q4Q3Q2Q11×××××××000000××dcbAdcba011××××加 法 計(jì)  數(shù)011××××減 法 計(jì)  數(shù) 5 各部分定性說明以及定量計(jì)算： 555定時(shí)器通過電阻和電容出來的頻率并非1hz，需要分頻。 R1 用100千歐,   

13、0;R2用560千歐, C用0.01uF 則555第3腳輸出的方波的周期 T=0.7（R1+2R2）C=0.00854 則方波頻率 F=1/T=1/0.00854=117Hz 此時(shí)先8分頻，再16分頻，即F=T/(16*8)=117/(16*8)Hz=0.91481265Hz,接近于1Hz此時(shí)則達(dá)到要求。6 在設(shè)計(jì)過程中遇到的問題及排除措施： 1.電源接通后，數(shù)碼管不顯示任何數(shù)值。經(jīng)檢查,數(shù)碼管地線沒焊接。把地線接上后，數(shù)碼管亮了。 2.數(shù)碼管顯示亂碼，不能正常工作。經(jīng)檢查，原因是沒弄清楚共陽極數(shù)碼管的各管腳，插反了。改正過后數(shù)碼管顯示數(shù)值了。 3.接上電源四個(gè)數(shù)碼管上的數(shù)字不停的變化，沒有什

14、么規(guī)律性，經(jīng)過分析，是因?yàn)轭l率太快。我們又重新計(jì)算頻率，使輸出的頻率為1HZ。七設(shè)計(jì)心得體會(huì)： 通過這次對(duì)數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)與制作，讓我了解了設(shè)計(jì)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(jì)理念，要設(shè)計(jì)一個(gè)電路總要先要模擬調(diào)試成功之后才實(shí)際接線的。但是最后的成品卻不一定與仿真時(shí)完全一樣，因?yàn)?，再?shí)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(shí)際中因?yàn)樾酒旧淼奶匦远軌虺晒?。所以，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮兩者的差異，從中找出最適合的設(shè)計(jì)方法。 通過這次學(xué)習(xí)，讓我對(duì)各種電路都有了大概的了解，所以說，坐而言不如立而行，對(duì)于這些電路還是應(yīng)該自己動(dòng)手實(shí)際操作才會(huì)有深刻理解。參考文獻(xiàn)：（采用下面示例的格式） 1 康華光，數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)，北京：高等教育出版社，2008年1月。 2 郭榮佐，數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)，北京：科學(xué)出版社，2014年6月。實(shí)物制作成績(jī)（50分）課程設(shè)計(jì)報(bào)告成績(jī)（40分）答辯成績(jī)（10分