應(yīng)用物理學(xué)——近代電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)

1、TONGREN UNIVERSITY近代電子技術(shù)設(shè)計(jì)報(bào)告姓 名： 趙強(qiáng) 學(xué) 號： 2010051060 角 色： 成員 專 業(yè)： 應(yīng)用物理 題 目： 多功能數(shù)字鐘 成績: 指導(dǎo)教師: 冉耀宗 年 月 摘 要加入世貿(mào)組織后，中國將面臨激烈的競爭。這場比賽將是一場科技實(shí)力，管理水平和人才素質(zhì)的較量，風(fēng)險(xiǎn)和機(jī)遇并存，及電子產(chǎn)品的發(fā)展變化迅速，不僅在通信技術(shù)的數(shù)字替代模擬信號，甚至在我們?nèi)粘５纳钭寯?shù)字化取締.相比模擬鐘能給人一種一目了然的感覺，它不僅可以顯示在同一時間，時、分和秒，并且可以完成準(zhǔn)確的校正。同時，數(shù)字時鐘可以準(zhǔn)確的時間，你的時間精確到報(bào)時的聲音，提醒你在這個時候，需要做的事情。老式時鐘

2、比它更適合現(xiàn)代生活。一個數(shù)字時鐘電路精確時間“小時”“分”“秒”與數(shù)字顯示，并需要校時電路，使其準(zhǔn)確的工作，也可有定時和計(jì)時功能。數(shù)字鐘及擴(kuò)大其應(yīng)用，有著非?，F(xiàn)實(shí)的意義。關(guān)鍵詞： 晶振、數(shù)字鐘、數(shù)碼管、計(jì)數(shù)器、校時電路ABSTRACTAfter China's accession to the wto, China will face fierce competition.The game is going to be a science and technology strength, management level and talents quality, risks and o

3、pportunities coexist, and electronic products the development and changes rapidly, not only in the digital communication technology instead of analog signals, and even in our daily life to digital banned. Compared with the simulation clock can give people a feeling of be clear at a glance, it not on

4、ly can display at the same time, hours, minutes and seconds, and can complete the accurate calibration.At the same time, the digital clock can be the correct time, your time is accurate to the sound of the time, to remind you at this time, what needs to be done.Old clock than it more suitable for mo

5、dern life.A digital clock circuit, precise time "hours" "seconds" and "points", according to figures and need correction circuit, make its accurate work, also can have timing and timing function.Digital clock and expand its application, has very realistic significance.K

6、ey words: Crystal oscillator 、Digital clock、Digital tube、Counter、Timing circuit目 錄一 數(shù)字鐘的構(gòu)成4二 數(shù)字鐘電路的設(shè)計(jì)42.1 數(shù)字鐘電路系統(tǒng)的基本原理42.2 秒脈沖發(fā)生器4 555構(gòu)成多諧振蕩器（f=1HZ）4 晶體振蕩器電路52.3 分頻器的設(shè)計(jì)62.4 秒、分、小時計(jì)數(shù)電路的設(shè)計(jì)62.5 譯碼、顯示電路設(shè)計(jì)72.6 校時電路設(shè)計(jì)72.7 整點(diǎn)報(bào)時功能72.8 數(shù)字鐘鬧時功能7三 芯片硬件工作原理及引腳圖83.1 555芯片83.2 32768Hz晶振93.3 CD4060 分頻器93.4 加法計(jì)數(shù)器93

7、.5 7段鎖存/譯碼/驅(qū)動器93.6 7段（共陽極）數(shù)碼管103.7 與非門（74LS00）10四 MULTISIM仿真原理圖11五 總結(jié)115.1 設(shè)計(jì)過程中遇到的問題及解決方法115.1.1 Multisim仿真中的問題115.1.2 電路組裝、調(diào)試中的問題115.2 設(shè)計(jì)收獲和體會12 5.3 組裝成果圖.12六 參考文獻(xiàn)13七 附錄137.1 元件清單13正文：一 數(shù)字鐘的構(gòu)成 數(shù)字鐘主要由顯示器、譯碼器、計(jì)數(shù)器、邏輯門電路、時鐘脈沖振蕩器等器件模塊組成，是組合邏輯電路與時序邏輯電路的綜合應(yīng)用。二 數(shù)字鐘電路的設(shè)計(jì)2.1數(shù)字鐘電路系統(tǒng)的基本原理數(shù)字鐘電路系統(tǒng)由主體電路和 擴(kuò)展電路兩大部

8、分組成，其中主體電路完成數(shù)字鐘的基本功能，擴(kuò)展電路完成數(shù)字鐘的擴(kuò)展功能。其系統(tǒng)組成原理框圖如下：2.2 秒脈沖發(fā)生器本電路主要由振蕩器和分頻器產(chǎn)生1Hz（即1 秒）的秒脈沖，用秒脈沖驅(qū)“秒”計(jì)數(shù)器，因每分鐘有60 秒，所以“秒”計(jì)數(shù)器應(yīng)為60 進(jìn)制計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)輸出經(jīng)譯碼、顯示時鐘苗；利用“秒”計(jì)數(shù)器的復(fù)位脈沖作為“分”計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖，因每小時有60 分，所以“分”計(jì)數(shù)器也應(yīng)是60 進(jìn)制計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器的輸出經(jīng)譯碼、顯示時鐘分；利用“分”計(jì)數(shù)器的復(fù)位脈沖作為“時”計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖，因每天有24 小時，所以“時”計(jì)數(shù)器應(yīng)為24 進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其輸出經(jīng)譯碼、顯示時鐘時。 555構(gòu)成多諧振蕩器（f=1H

9、Z）多諧振蕩器是一種能產(chǎn)生矩形波的自激振蕩器，也稱矩形波發(fā)生器?！岸嘀C”指矩形波中除了基波成分外，還含有豐富的高次諧波成分。多諧振蕩器沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)。在工作時，電路的狀態(tài)在這兩個暫穩(wěn)態(tài)之間自動地交替變換，由此產(chǎn)生矩形波脈沖信號，常用作脈沖信號源及時序電路中的時鐘信號。 1.電路組成：用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器電路如圖6-11（a）所示：圖中電容C、電阻R1和R2作為振蕩器的定時元件，決定著輸出矩形波正、負(fù)脈沖的寬度。定時器的觸發(fā)輸入端（2腳）和閥值輸入端（6腳）與電容相連；集電極開路輸出端（7腳）接R1、R2相連處，用以控制電容C的充、放電；外界控制輸入端（5腳）通過0.01uF

10、電容接地。2.工作原理：多諧振蕩器的工作波形如圖6-11(b)所示：電路接通電源的瞬間，由于電容C來不及充電，Vc=0v，所以555定時器狀態(tài)為1，輸出Vo為高電平。同時，集電極輸出端（7腳）對地?cái)嚅_，電源Vcc對電容C充電，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)I，此后，電路周而復(fù)始地產(chǎn)生周期性的輸出脈沖。多諧振蕩器兩個暫穩(wěn)態(tài)的維持時間取決于RC充、放電回路的參數(shù)。暫穩(wěn)態(tài)的維持時間，即輸出Vo的正向脈沖寬度T10.7(R1+R2)C；暫穩(wěn)態(tài)的維持時間，即輸出Vo的負(fù)向脈沖寬度T20.7R2C。因此，振蕩周期T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C，振蕩頻率f=1/T。正向脈沖寬度T1與振蕩周期T之比稱矩形波的占空比

11、，由上述條件可得D=（R1+R2）/（R1+2R2），若使R2>>R1，則D1/2，即輸出信號的正負(fù)向脈沖寬度相等的矩形波（方波）。 晶體振蕩器電路圖12 振蕩器及分頻器2.3 分頻器的設(shè)計(jì)晶體振蕩器采用32768Hz，經(jīng)分頻后從CD4060 的腳輸出頻率為2Hz 的信號，再經(jīng)74LS74組成的2 分頻器，輸出1Hz 的時鐘秒脈沖。，分頻器的主要功能有兩個：一是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號；二是提供功能擴(kuò)展電路所需的信號，如仿電臺報(bào)時電路用的1000Hz 的高音頻信號和500Hz 的低頻音頻信號等。選用中規(guī)模集成電路計(jì)數(shù)器74LS90 可完成上述功能。2.4 秒、分、小時計(jì)數(shù)電路的設(shè)計(jì)60

12、進(jìn)制計(jì)數(shù)器“秒”和“分”的計(jì)數(shù)器都是60 進(jìn)制計(jì)數(shù)器，由一級十進(jìn)制計(jì)數(shù)器和一級六進(jìn)制計(jì)數(shù)器級聯(lián)而成。十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的復(fù)位方法大家比較熟悉，六進(jìn)制計(jì)數(shù)器的復(fù)位方法是：當(dāng)CP 輸入端輸入第六個脈沖時，它的四個觸發(fā)器輸出的狀態(tài)為“0110”，這時QbQC 均為高電平“1”。將它們相“與”（用兩級“與非”門，保證復(fù)位信號為高電平）后，送到計(jì)數(shù)器的清除端Cr，使計(jì)數(shù)器復(fù)“0”，從而實(shí)現(xiàn)60 進(jìn)制計(jì)數(shù)。圖1-3 60進(jìn)制24 進(jìn)制計(jì)數(shù)器由兩級十進(jìn)制計(jì)數(shù)器聯(lián)與及兩級反相器組成。原理為：當(dāng)“時”計(jì)數(shù)器個位輸入端CP脈沖到來第十個觸發(fā)脈沖時，“時”的個位計(jì)數(shù)器復(fù)“0”，并向“時”的十位進(jìn)位，在第24 個觸發(fā)脈沖到

13、來時，“時”的個位計(jì)數(shù)器的四級觸發(fā)器狀態(tài)為“0100”，而“時”的十位計(jì)數(shù)器的狀態(tài)為“0010”，這時“時”的個位計(jì)數(shù)器的Qc 和“時”的十位計(jì)數(shù)器的Qb輸出為“1”，把它們相“與”經(jīng)兩級反相器反相后，送到“時”計(jì)數(shù)器的清除端Cr，使計(jì)數(shù)器復(fù)“0”。使計(jì)數(shù)器復(fù)“0”。從而實(shí)現(xiàn)了24 進(jìn)制計(jì)數(shù)。 圖1-4 24進(jìn)制 2.5 譯碼、顯示電路設(shè)計(jì)譯碼顯示電路：選擇共陽譯碼器74LS47，譯碼器與數(shù)碼管之間要加限流電阻。2.6 校時電路設(shè)計(jì)當(dāng)數(shù)字鐘接通電源或者計(jì)時出現(xiàn)誤差時，均需要校正時間，校時電路是數(shù)字鐘的基本功能。對校時電路的基本要求是，在進(jìn)行小時校正時不影響分和秒的正常計(jì)數(shù)，同理，進(jìn)行分校正時不

14、影響秒的正常計(jì)數(shù)。校正時間的方式有“快校時”和“慢校時”兩種，其中“快校時”是同過校時開關(guān)的控制，使校時脈沖進(jìn)入校時電路，則計(jì)數(shù)器對校時脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)到需要校正的時間時，再使計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)入正常計(jì)數(shù)?！奥r”是用單脈沖發(fā)生器的輸出作校時脈沖，通過校時開關(guān)的控制，每觸發(fā)一次輸出一個單脈沖，則計(jì)數(shù)器加1，當(dāng)計(jì)到需要校正的時間時，再使計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)入正常計(jì)數(shù)。由此可見，兩種校時方式的電路應(yīng)基本相同，不同的是校時脈沖的產(chǎn)生與控制方式有所區(qū)別。 分進(jìn)位 秒進(jìn)位 圖1-5校時電路分進(jìn)位脈沖 校時脈沖 秒進(jìn)位脈沖圖1-3 所示電路是由與非門構(gòu)成的組合邏輯電路，開關(guān)S1 或S2 為“0”或“1”時，可能會產(chǎn)生抖動，

15、必要時還應(yīng)將其該為去抖動開關(guān)電路。2.7 整點(diǎn)報(bào)時功能仿電臺整點(diǎn)報(bào)時功能的要求是：每當(dāng)數(shù)字鐘計(jì)數(shù)到整點(diǎn)（或快要到整點(diǎn)時）發(fā)出音響，通常按照4 低音1 高音的順序發(fā)出間斷聲響，以最后一聲高音結(jié)束的時刻為整點(diǎn)時刻。 設(shè)4 低聲（500Hz）分別發(fā)生在59 分51 秒、53 秒、55 秒、57 秒，最后一聲高音（1000Hz）發(fā)生在59 秒，它們的持續(xù)時間為1 秒。由此可見，分十位和個位計(jì)數(shù)器的狀態(tài)分別為（QdQcQbQa）m2 0101，（QdQcQbQa）m11001；秒十位計(jì)數(shù)器的狀態(tài)為（QdQcQbQa）。秒個位計(jì)數(shù)器Qds1 的狀態(tài)可用來控制1000Hz 和500Hz 的音頻。只有當(dāng)Qcm

16、2Qam2 11，Qdm1Qam1 11，Qcs2Qas2 11 及Qas1 1 時，音響電路才能工作。整點(diǎn)報(bào)時電路如圖1-4。圖1-6仿電臺整點(diǎn)報(bào)時電路2.8 數(shù)字鐘鬧時功能有時需要數(shù)字鐘在規(guī)定的時刻發(fā)出信號，或驅(qū)動音響電路進(jìn)行“鬧時”；或控制某裝置電源的接通或斷開進(jìn)行“定時控制”。不管是鬧時還是控制，都要求時間準(zhǔn)確，即信號的開始時刻與持續(xù)時間必須滿足規(guī)定的要求。例如：要求上午7 點(diǎn)59 分發(fā)出鬧時信號，持續(xù)時間為1 分鐘。7 點(diǎn)59 分對應(yīng)數(shù)字鐘的時個位計(jì)數(shù)器的狀態(tài)為（QdQcQbQa）h10111，分十位計(jì)數(shù)器的狀態(tài)對應(yīng)為（QdQcQbQa）m2 0101，分的個位計(jì)數(shù)器的狀態(tài)為（QdQ

17、cQbQa）m11001。若將上述計(jì)數(shù)器輸出為“1”的所有輸出經(jīng)過與非門電路去控制音響電路。可以使音響電路正好在7 點(diǎn)59 分響，持續(xù)1 分鐘（即8 點(diǎn)時）停響。所以鬧時電路控制信號Z 的表達(dá)式為Z （QcQbQa）h1 （QcQa）m2 （QdQa）m1 M （1-1）式中，M 為上、下午的信號輸出，要求M 1 。如果用與非門實(shí)現(xiàn)1-1 式所表示的邏輯功能，則可Z 用布爾代數(shù)變化，即Z （QcQbQa）h1 M （QcQa）m2 （QdQa）m1 （1-2）實(shí)現(xiàn)上式的邏輯電路如圖1-4 。由可見，上午7 點(diǎn)59 分時，音響電路的晶體管導(dǎo)通，則揚(yáng)聲器發(fā)出1000H z 的聲音。8 點(diǎn)后晶體管因

18、輸入端為“0”而截至，電路停鬧。圖1-7 鬧時電路三 芯片硬件工作原理及引腳圖3.1 555芯片555的8腳是集成電路工作電壓輸入端，電壓為518V，以UCC表示；從分壓器上看出，上比較器A1的腳接在R1和R2之間，所以5腳的電壓固定在2UCC/3上；下比較器A2接在R2與R3之間，A2的同相輸入端電位被固定在UCC/3上。1腳為地。2腳為觸發(fā)輸入端；3腳為輸出端，輸出的電平狀態(tài)受觸發(fā)器控制，而觸發(fā)器受上比較器6腳和下比較器2腳的控制。當(dāng)觸發(fā)器接受上比較器A1從R腳輸入的高電平時，觸發(fā)器被置于復(fù)位狀態(tài)，3腳輸出低電平；2腳和6腳是互補(bǔ)的，2腳只對低電平起作用，高電平對它不起作用，即電壓小于1U

19、cc/3，此時3腳輸出高電平。6腳為閾值端，只對高電平起作用，低電平對它不起作用，即輸入電壓大于2 Ucc/3，稱高觸發(fā)端，3腳輸出低電平，但有一個先決條件，即2腳電位必須大于1Ucc/3時才有效。3腳在高電位接近電源電壓Ucc，輸出電流最大可打200mA。4腳是復(fù)位端，當(dāng)4腳電位小于0.4V時，不管2、6腳狀態(tài)如何，輸出端3腳都輸出低電平。5腳是控制端。7腳稱放電端，與3腳輸出同步，輸出電平一致，但7腳并不輸出電流，所以3腳稱為實(shí)高（或低）、7腳稱為虛高。圖1-8 555芯片3.2 32768Hz晶振從數(shù)字鐘的精度考慮，晶振頻率越高，鐘的計(jì)時準(zhǔn)確度就愈高，但這將使振蕩器的耦電量增大，分頻電路

20、的級數(shù)也要增加，因此一般選取石英晶體頻率為32678HZ（或100KHZ），頻率為32678HZ（或100KHZ），這樣也便于分頻得到1HZ的信號3.3 CD4060 分頻器 CD4060 內(nèi)部有一個振蕩器和214 的分頻器，晶體振蕩器采用32768Hz，經(jīng)分頻后從CD4060 的腳輸出頻率為2Hz 的信號，再經(jīng)74LS74組成的2 分頻器，輸出1Hz 的時鐘秒脈沖。圖1-9 CD40603.4 加法計(jì)數(shù)器74LS90功能：十進(jìn)制計(jì)數(shù)器（÷2 和÷5） 原理說明：由4 個主從觸發(fā)器和用作除2 計(jì)數(shù)器及計(jì)數(shù)周期長度為除5 的3 位2 進(jìn)制計(jì)數(shù)器所用的附加選通所組成。有選通的零

21、復(fù)位和置9 輸入。為了利用本計(jì)數(shù)器的最大計(jì)數(shù)長度（十進(jìn)制），可將B 輸入同QA輸出連接，輸入計(jì)數(shù)脈沖可加到輸入A 上，此時輸出就如相應(yīng)的功能表上所要求的那樣。LS90 可以獲得對稱的十分頻計(jì)數(shù)，辦法是將QD 輸出接到A 輸入端，并把輸入計(jì)數(shù)脈沖加到B 輸入端，在QA 輸出端處產(chǎn)生對稱的十分頻方波。 圖1-10 74LS90引腳圖3.5 7段鎖存/譯碼/驅(qū)動器74LS47是BCD-7段數(shù)碼管譯碼器/驅(qū)動器， 74LS47的功能用于將BCD碼轉(zhuǎn)化成數(shù)碼塊中的數(shù)字,通過它解碼， 可以直接把數(shù)字轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管的顯示數(shù)字74LS47是BCD-7段數(shù)碼管譯碼器/驅(qū)動器， 74LS47的功能用于將BCD碼轉(zhuǎn)化

22、成數(shù)碼塊中的數(shù)字,通過它解碼， 可以直接把數(shù)字轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管的顯示數(shù)字。 圖1-11 74LS47引腳圖3.6 7段（共陽極）數(shù)碼管 圖1-12 共陽極數(shù)碼管3.7 與非門（74LS00）74ls00是常用的2輸入四與非門集成電路圖1-13 與非門（74LS00）四 multisim仿真原理圖圖1-14 multisim仿真電路圖五 總結(jié)5.1 設(shè)計(jì)過程中遇到的問題及解決方法 首先是元器件的選擇，結(jié)合實(shí)際選了譯碼器、計(jì)數(shù)器，32.768KHZ的晶振、CD4060和74LS74組成的秒脈沖發(fā)生器。然后是60進(jìn)制、24進(jìn)制的實(shí)現(xiàn)，校時電路的設(shè)計(jì)。5.1.1 Multisim仿真中的問題在multis

23、im中沒找到包含CD4060的元件庫，故秒發(fā)生器用脈沖信號源代替。接好電路在仿真時必須有個虛擬接地，否則無法仿真。計(jì)數(shù)器的兩個置零端內(nèi)部是與的邏輯關(guān)系因此可省去三個與門即六個與非門。仿真時數(shù)碼管顯示的數(shù)字會有跳變。5.1.2 電路組裝、調(diào)試中的問題 在multisim中仿真中，秒個位和分個位的計(jì)數(shù)器置零端可不接地，但實(shí)際電路中必須接地否則不計(jì)數(shù)。由于采用的是面包板、芯片比較多，需要合理的布局。但還是由于插孔有限，我們把面包板內(nèi)部的連線拆了兩條才把限流電阻放下。由于自己找的線比較細(xì)容易發(fā)生接觸不良、短路等問題。組裝好之后數(shù)碼管能顯示但沒有計(jì)數(shù)，于是找了一個發(fā)光二極管測試了一下，發(fā)現(xiàn)晶振也起振了，最后才發(fā)現(xiàn)是計(jì)數(shù)器的置零端沒接地。在校時電路中接好后不能實(shí)現(xiàn)功能，檢查了幾遍接的電路，我自己又重新接了一遍后，調(diào)時的可以，調(diào)分的不可以，于是判斷是這個74LS00中與非門壞了。5.2 設(shè)計(jì)收獲和體會 通過對軟件Multisim10.0的學(xué)習(xí)和使用，進(jìn)一步加深了對數(shù)字電路的認(rèn)