電子技術課程設計第十章

1、電工電子綜合課程設計教學進度計劃48課時一、前期知識點補習：1、電子元件識別與測量技能；2、課程設計所需的電工技術理論與實驗補習；3、課程設計所需的相關電子技術實驗補習；4、課程設計所需的儀表使用（示波器、萬用表）610課時5、相關的仿真軟件的學習；演示2課時二、電工技術綜合課程設計項目（講解）1、基礎照明電路的設計與安裝； 24課時2、電壓表、電流表、歐姆表的設計； 46課時3、電機控制電路的設計； 24課時三、電子技術綜合課程設計項目（任選一制作）、局部電路的設計：1、晶體管放大器的設計；2、場效應管源極跟隨器的設計；3、差分放大器的設計；4、RC有源濾波器的設計、整體項目的設計：1、串聯(lián)

2、穩(wěn)壓電源的設計；2、函數(shù)信號發(fā)生器（信號源）的設計；3、汽車、摩托車電瓶充電器的設計；4、音頻功率放大器（有源音響）的設計；主講：閻峻嶺主講：閻峻嶺科創(chuàng)學院機電實訓部科創(chuàng)學院機電實訓部多功能數(shù)字鐘電路設計 學習要求 掌握數(shù)字電路系統(tǒng)的設計方法、裝調(diào)技術及數(shù)字鐘的功能擴展電路的設計 一、數(shù)字鐘的功能要求 基本功能 準確計時，以數(shù)字形式顯示時、分、秒的時間 小時的計時要求為“12翻1”，分和秒的計時要求為60進位 校正時間 擴展功能 定時控制 仿廣播電臺正點報時 報整點時數(shù) 觸摸報整點時數(shù) 二、數(shù)字鐘電路系統(tǒng)的組成框圖 主體電路擴展電路時顯示器時譯碼器時計數(shù)器分顯示器分譯碼器分計數(shù)器校時電路振蕩器

3、分頻器秒顯示器秒譯碼器秒計數(shù)器定時控制仿電臺報時報整點時數(shù)觸摸整點報時1s數(shù)字鐘電路系統(tǒng)由主體電路和擴展電路兩大部分所組成 振蕩器產(chǎn)生的穩(wěn)定的高頻脈沖信號，作為數(shù)字鐘的時間基準，再經(jīng)分頻器輸出標準秒脈沖 秒計數(shù)器計滿60后向分計數(shù)器進位 分計數(shù)器計滿60后向小時計數(shù)器進位 小時計數(shù)器按照“12翻1”規(guī)律計數(shù) 計數(shù)器的輸出經(jīng)譯碼器送顯示器 計時出現(xiàn)誤差時可以用校時電路進行校時、校分、校秒 擴展電路必須在主體電路正常運行的情況下才能進行功能擴展 三、主體電路的設計與裝調(diào) 主體電路是由功能部件或單元電路組成的。在設計這些電路或選擇部件時，盡量選用同類型的器件，如所有功能部件都采用TTL集成電路或都采

4、用CMOS集成電路。整個系統(tǒng)所用的器件種類應盡可能少。下面介紹各功能部件與單元電路的設計。 1. 振蕩器的設計 振蕩器是數(shù)字鐘的核心。振蕩器的穩(wěn)定度及頻率的精確度決定了數(shù)字鐘計時的準確程度，通常選用石英晶體構成振蕩器電路。一般來說，振蕩器的頻率越高，計時精度越高。 11voRF22MJT32768HzR150kC220pFC13/22pF 如圖所示為電子手表集成電路（如5C702）中的晶體振蕩器電路，常取晶振的頻率為32768Hz，因其內(nèi)部有15級2分頻集成電路，所以輸出端正好可得到1Hz的標準脈沖 1. 振蕩器的設計 C20.01FC10.1FR25.1kRP10kR12k5V8415762

5、5553vo1ms 如果精度要求不高也可以采用第二章介紹的由集成邏輯門與RC組成的時鐘源振蕩器或由集成電路定時器555與RC組成的多諧振蕩器。這里設振蕩頻率fo =103Hz 2. 分頻器的設計 分頻器的功能主要有兩個 產(chǎn)生標準秒脈沖信號 提供功能擴展電路所需要的信號，如仿電臺報時用的1kHz的高音頻信號和500Hz的低音頻信號等 z選用3片中規(guī)模集成電路計數(shù)器74LS90可以完成上述功能z因每片為1/10分頻，3片級聯(lián)則可獲得所需要的頻率信號 z即第1片的Q0端輸出頻率為500Hz，第2片的Q3端輸出為10Hz，第3片的Q3端輸出為1Hz3. 時分秒計數(shù)器的設計 分和秒計數(shù)器都是模M=60的

6、計數(shù)器 其計數(shù)規(guī)律為0001585900 選74LS92作十位計數(shù)器，74LS90作個位計數(shù)器，再將它們級聯(lián)組成模數(shù)M=60的計數(shù)器 時計數(shù)器是一個“12翻1”的特殊進制計數(shù)器 即當數(shù)字鐘運行到12時59分59秒時，秒的個位計數(shù)器再輸入一個秒脈沖時，數(shù)字鐘應自動顯示為01時00分00秒，實現(xiàn)日常生活中習慣用的計時規(guī)律 選用74LS191和74LS74，其電路見本章第三節(jié) 4. 校時電路的設計 當數(shù)字鐘接通電源或者計時出現(xiàn)誤差時，需要校正時間（或稱校時）校時是數(shù)字鐘應具備的基本功能。一般電子手表都具有時、分、秒等校時功能 為使電路簡單，這里只進行分和小時的校時 z對校時電路的要求是 y在小時校正

7、時不影響分和秒的正常計數(shù)y在分校正時不影響秒和小時的正常計數(shù) z校時方式有“快校時”和“慢校時”兩種 y “快校時”是，通過開關控制，使計數(shù)器對1Hz的校時脈沖計數(shù) y“慢校時”是用手動產(chǎn)生單脈沖作校時脈沖 3.3k&至時個位計數(shù)器&至分個位計數(shù)器&11分十位進位脈沖秒十位進位脈沖3.3kC20.01FC10.01FS2S1校時脈沖5VS1為校“分”用的控制開關 S2為?！皶r”用的控制開關 校時脈沖采用分頻器輸出的1Hz脈沖 當S1或S2分別為“0”時可進行“快校時” 如果校時脈沖由單次脈沖產(chǎn)生器（見第二章第四、五節(jié)）提供，則可以進行“慢校時” 需要注意的是，校時電路是

8、由與非門構成的組合邏輯電路，開關S1或S2為“0”或“1”時，可能會產(chǎn)生抖動，接電容C1、C2可以緩解抖動。必要時還應將其改為去抖動開關電路（見第二章第三節(jié)）5. 主體電路的裝調(diào) 3.3k&11分十位進位脈沖秒十位進位脈沖3.3k0.01FS2S1校時脈沖5V&0.01F1Hz0.01F0.1F5.1k10k2k841576255531kHz500Hz5V1211Q0Q374LS90(1)14126CPACPBR0(1)R9(1)Q0Q374LS90(2)CPACPBR0(1)R9(1)Q0Q374LS90(3)CPACPBR0(1)R9(1)10Hz74LS48(6) A3

9、A2 A1 A0621774LS48(5) A3 A2 A1 A074LS48(4) A3 A2 A1 A074LS48(3) A3 A2 A1 A074LS48(2) A3 A2 A1 A074LS48(1) A3 A2 A1 A0 Q3 Q2 Q1 Q074LS90(4)CPACPBR0(1)R9(1)74LS92(1)CPACPBR0(1)74LS90(5)CPACPBR0(1)R9(1)74LS92(2)CPACPBR0(1) Q3 Q2 Q1 Q0 Q3 Q2 Q1 Q0 Q3 Q2 Q1 Q074LS191 Q3 Q2 Q1 Q0 LD U/D11&7623 D3 D2 D

10、1 D0 G CP52313.3k5V1Q1D1Q1CP119 101511441Hz74LS74g a3 8g a3 8g a3 8g a3 8g a3 8g a3 8BS202651RD9 111291149 由數(shù)字鐘系統(tǒng)組成框圖按照信號的流向分級安裝，逐級級聯(lián)，這里的每一級是指組成數(shù)字鐘的各功能電路 級聯(lián)時如果出現(xiàn)時序配合不同步，或尖峰脈沖干擾，引起邏輯混亂，可以增加多級邏輯門來延時 如果顯示字符變化很快，模糊不清，可能是由于電源電流的跳變引起的，可在集成電路器件的電源端VCC加退耦濾波電容。通常用幾十微法的大電容與0.01F的小電容相并聯(lián) 經(jīng)過聯(lián)調(diào)并糾正設計方案中的錯誤和不足之處后，再

11、測試電路的邏輯功能是否滿足設計要求。最后畫出滿足設計要求的總體邏輯電路圖，如圖所示 如果因實驗器材有限，則其中秒計數(shù)器的個位和時計數(shù)器的十位可以采用發(fā)光二極管指示，因而可以省去2片譯碼器和2片數(shù)碼顯示器 除了振蕩和譯碼顯示部分外，其它各功能都可以用GAL16V8來實現(xiàn)。四、功能擴展電路的設計 定時控制電路的設計 仿廣播電臺正點報時電路的設計 報整點時數(shù)電路的設計 觸摸報整點時數(shù)電路的設計 定時控制電路的設計仿廣播電臺正點報時電路的設計報整點時數(shù)電路的設計觸摸報整點時數(shù)電路的設計1. 定時控制電路的設計 數(shù)字鐘在指定的時刻發(fā)出信號，或驅動音響電路“鬧時”；或對某裝置的電源進行接通或斷開“控制”。

12、 不管是鬧時還是控制，都要求時間準確，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 要求上午7時59分發(fā)出鬧時信號，持續(xù)時間為1分鐘。 解 7時59分對應數(shù)字鐘的時個位計數(shù)器的狀態(tài)為(Q3Q 2Q 1Q 0)H1=0111，分十位計數(shù)器的狀態(tài)為(Q3Q2Q1Q0)M2=0101，分個位計數(shù)器的狀態(tài)為(Q3Q2Q1Q0)M1=1001。若將上述計數(shù)器輸出為“1”的所有輸出端經(jīng)過與門電路去控制音響電路，可以使音響電路正好在7點59分響，持續(xù)1分鐘后（即8點時）停響。1. 定時控制電路的設計M)Q(Q)Q(Q)QQ(QZM103M202H1012所以鬧時控制信號Z的表達式為 式中，M為上午的信

13、號輸出，要求M=1 如果用與非門實現(xiàn)上式所表示的邏輯功能，則可以將Z進行布爾代數(shù)變換，即 M103M202H1012)Q(Q)Q(QM)QQ(QZ3.3k&5VRL&Q0Q1Q2M時個位Q0Q2分十位Q0Q3分個位74LS2074LS03Z1kHz74LS00&1k223DG1305V8音響電路 實現(xiàn)上式的邏輯電路如圖所示，其中74LS20為4輸入二與非門，74LS03為集電極開路（OC門）的2輸入四與非門 因OC門的輸出端可以進行“線與”，使用時在它們的輸出端與電源+5V端之間應接一電阻RL，RL的值可由式(2-3-8)、(2-3-9)計算，取RL=3.3k。如果控制

14、1kHz高音和驅動音響電路的兩級與非門也采用OC門，則RL的值應重新計算 由圖可見上午7點59分時,音響電路的晶體管導通,則揚聲器發(fā)出1kHz的聲音。持續(xù)1分鐘到8點整晶體管因輸入端為“0”而截止,電路停鬧。 2. 仿廣播電臺正點報時電路的設計 仿廣播電臺正點報時電路的功能要求是：每當數(shù)字鐘計時快要到正點時發(fā)出聲響;通常按照4低音1高音的順序發(fā)出間斷聲響;以最后一聲高音結束的時刻為正點時刻。表表5.5.2 秒個位計數(shù)器的狀態(tài)秒個位計數(shù)器的狀態(tài)CP(秒秒)Q3S1Q2S1Q1S1Q0S1功功 能能500000 510001鳴低音鳴低音520010停停530011鳴低音鳴低音540100停停550

15、101鳴低音鳴低音560110停停570111鳴低音鳴低音581000停停591001鳴高音鳴高音000000停停 設4聲低音（約500Hz）分別發(fā)生在59分51秒、53秒、55秒及57秒，最后一聲高音（約1kHz）發(fā)生在59分59秒，它們的持續(xù)時間均為1秒。由表可得 “0”時，500Hz 輸入音響“1”時，1kHz 輸入音響Q3S1=2. 仿廣播電臺正點報時電路的設計1&Q0Q2分十位Q0Q3分個位11kHz11音響電路Q0Q2秒十位秒個位Q0&秒個位 Q3500Hz只有當 分十位的Q2M2Q0M2=11 分個位的Q3M1Q0M1=11 秒十位的Q2S2Q0S2=11秒個位的

16、Q0S1=1時 音響電路才能工作 這里采用的都是TTL與非門，如果用其它器件，則報時電路還會簡單一些。 3. 報整點時數(shù)電路的設計 報整點時數(shù)電路的功能是：每當數(shù)字鐘計時到整點時發(fā)出音響，且?guī)c響幾聲。實現(xiàn)這一功能的電路主要由以下幾部分組成： 減法計數(shù)器 完成幾點響幾聲的功能。即從小時計數(shù)器的整點開始進行減法計數(shù)，直到零為止。 編碼器將小時計數(shù)器的5個輸出端Q4、Q3、Q2、Q1、Q0按照“12翻1”的編碼要求轉換為減法計數(shù)器的4個輸入端D3、D2、D1、D0所需的BCD碼。 邏輯控制電路 控制減法計數(shù)器的清“0”與置數(shù)?？刂埔繇戨娐返妮斎胄盘?。 3. 報整點時數(shù)電路-減法計數(shù)器 減法計數(shù)器選

17、用74LS191，各控制端的作用如下: LD為置數(shù)端。當 LD=0時將小時計數(shù)器的輸出經(jīng)數(shù) 據(jù)輸入端D0D1D2D3的數(shù)據(jù)置入。RC為溢出負脈沖輸出端。當減計數(shù)到“0”時， RC輸出一個負脈沖。 /DU為加/減控制器。 /DU=1時減法計數(shù)。 CPA為減法計數(shù)脈沖，兼作音響電路的控制脈沖。 3. 報整點時數(shù)電路-編碼器 分進位分進位脈沖脈沖 小時計數(shù)器輸出小時計數(shù)器輸出 減法計數(shù)器輸入減法計數(shù)器輸入 CPQ4Q3Q2Q1Q0D3D2D1D0100001000120001000103000110011400100010050010101016001100110700111011180100010

18、009010011001101000010101110001101112100101100 編碼器是由與非門實現(xiàn)的組合邏輯電路，其輸出端的邏輯表達式由5變量的卡諾圖可得： D1的邏輯表達式 1414141QQQQQQD41141QQQQD 如果用與非門實現(xiàn)上式，則 1421422QQQQQQDD2的邏輯表達式 00QD43433QQQQDD0、D3的邏輯表達式分別為 3. 報整點時數(shù)電路-邏輯控制電路 CP編 碼 器 Q4 Q3 Q2 Q1 Q0 LD U/D11CPA&1113 G D0 D1 D2 D35321Q1D1Q1CP815191014574LS741G261RDS1kHz

19、G31G4G51G6音響電路1G1Q2分十位時計數(shù)器74LS191 RCCP01Hz5VM2 LDC P分 十 位減 計 數(shù) R CN0Q2M 2邏輯控制電路由D觸發(fā)器74LS74與多級與非門組成 接通電源后按觸發(fā)開關S，使D觸發(fā)器清“0”，即1Q=0。該清“0”脈沖有兩個作用 其一，使74LS191的置數(shù)端，即將此時對應的小時計數(shù)器輸出的整點時數(shù)置入74LS191； 其二，封鎖1kHz的音頻信號，使音響電路無輸入脈沖。 當分十位計數(shù)器的進位脈沖Q2M2的下降沿來到時，經(jīng)G1反相，小時計數(shù)器加1。新的小時數(shù)置入74LS191。 1LD Q2M2的下降沿同時又使74LS74的狀態(tài)翻轉，1Q經(jīng)G3

20、、G4延時后使 此時74LS191進行減法計數(shù)，計數(shù)脈沖由CP0提供。 CP0=1時音響電路發(fā)出1kHz聲音，CP0=0時停響。 當減法計數(shù)到0時，使D觸發(fā)器的1CP=0，但觸發(fā)器狀態(tài)不變。 1RC 當 時，因O2M2仍為0，CP=1，使D觸發(fā)器翻轉復“0”，74LS191又回到置數(shù)狀態(tài)，直到下一個Q2M2的下降沿來到 如果出現(xiàn)某些整點數(shù)不準確，其主要原因是邏輯控制電路中的與非門延時時間不夠，產(chǎn)生了競爭冒險現(xiàn)象，可以適當增加與非門的級數(shù)或接入小電容進行濾波。 4. 觸摸報整點時數(shù)電路的設計 在有些場合（如夜間），不便于直接看顯示時間，希望數(shù)字鐘有觸摸報時功能。即觸摸數(shù)字鐘的某端，能夠報當時的整

21、點時數(shù)。 根據(jù)功能要求，不難設想在圖5.5.8所示電路的基礎上，增加一觸發(fā)脈沖控制電路，或將圖5.5.8所示的電路的自動報時改為觸摸報時電路即可。 產(chǎn)生觸摸控制脈沖的電路有單次脈沖產(chǎn)生器，555集成電路定時器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器等，這些電路已在第二章中介紹過。 五、設計任務 給定的主要器件給定的主要器件 74LS00 4片，74LS90 2片，74LS03（OC） 2片，74LS92 2片，74LS04 2片，74LS93 2片，74LS20 2片，74LS191 2片，74LS48 4片，發(fā)光二極管 4只，74LS74 2片，數(shù)碼顯示器BS202 4只，555 2片。 可編程邏輯器件- GAL16V8 3片。功能要求 基本功能基本功能 以數(shù)字形式顯示時、分、秒的時間，為節(jié)省器件，其中秒的個位和小時的十位均用發(fā)光二極管指示，燈亮為“1”，燈滅為“0”。小時計數(shù)器的計時要求為“12翻1”，但不要直接采用圖5.5.5所示的電路，應采用其它方案設計“12翻1”電路。要求手動快校時、快校分或慢校時、慢校分。 擴展功能擴展功能（其電路盡可能不與前述電路相同） 定時控制，其時間自定；仿廣播電臺正點報時，觸摸報整點時數(shù)或自動報整點時數(shù)。 任務：任務：100