設(shè)計4 數(shù)字時鐘電路設(shè)計

1、設(shè)計4 數(shù)字時鐘電路設(shè)計學(xué)習(xí)目的學(xué)習(xí)目的：掌握數(shù)字電路系統(tǒng)的設(shè)計方法、裝調(diào) 技術(shù)及集成電路定時器555的使用。一、設(shè)計課題：多功能數(shù)字時鐘電路一、設(shè)計課題：多功能數(shù)字時鐘電路功能要求：（1）基本功能（必做） 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“24翻0”，分和秒要求60進位 校正時間（2）擴展功能（選做） 定時控制 報整點時數(shù)二、數(shù)字時鐘原理二、數(shù)字時鐘原理時顯示器分顯示器秒顯示器譯碼器時計數(shù)器譯碼器分計數(shù)器譯碼器秒計數(shù)器校時電路振蕩器分頻器秒脈沖235959三、主體電路的設(shè)計與裝調(diào) 主體電路是由功能部件或單元電路組成主體電路是由功能部件或單元電路組成的。在設(shè)計這些電路或

2、選擇部件時，盡量選的。在設(shè)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用同類型的器件，如所有功能部件都采用TTLTTL集成電路或都采用集成電路或都采用CMOSCMOS集成電路。整個系統(tǒng)集成電路。整個系統(tǒng)所用的器件種類應(yīng)盡可能少。下面介紹各功所用的器件種類應(yīng)盡可能少。下面介紹各功能部件與單元電路的設(shè)計。能部件與單元電路的設(shè)計。 1. 振蕩器的設(shè)計振蕩器的設(shè)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(gòu)成振蕩器電路。一般來說，振蕩器的頻率越高，計時精度越高。 1. 振蕩器的設(shè)計 11voRF22MJT32768HzR150

3、kC220pFC13/22pF 如圖所示為晶體振蕩器電路，常取晶振的頻率為32768Hz，經(jīng)分頻 電路，可得到1Hz的標準脈沖 CD4060由一振蕩器和14級二進制串行計數(shù)器位組成1.振蕩器的設(shè)計 本課題采用集成電路定時器555與RC組成多諧振蕩器，一方面是為了練習(xí)555集成塊的使用，同時可節(jié)省器材。1RC43. 1f C2用來濾除電源電流跳變引入的高頻干擾2.分頻器分頻器的功能主要有兩個： a.產(chǎn)生標準秒脈沖信號 b.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 l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 因每片為1/10分頻

4、，3片級聯(lián)則可獲得所需要的頻率信號 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1Hz異步清零R01、R02異步置9端R91、R92計數(shù)時： R01或R02為低電平 及R91或R92為低電平 或全部低電平QA與CKB相連 74LS90十進制計數(shù)器3.計數(shù)器計數(shù)器 秒、分為60進制計數(shù)器，時為24進制計數(shù)器（1） 60進制計數(shù)器 由十進制和六進制級聯(lián)而成。十進制由74LS90組成，六進制由74LS92組成，引腳圖如下：異步清零R01、R02計數(shù)時： R01或R02為低電平QA與CKB相連 74LS92十二進制計數(shù)器60進制計數(shù)器連線圖74LS92六分頻

5、接線：Q3 Q2 Q1 Q00 1 0 1 （5）1 0 0 0 （6）（2）二十四進制計數(shù)器當：“24”時，兩集成塊的R01、R02均為“1”，兩計數(shù)器清零Q3 Q2 Q1 Q0 Q3 Q2 Q1 Q00 0 1 0 （2） 0 1 0 0 （4）4.譯碼器和顯示器 采用74LS48譯碼，與8421編碼器配合BI、LT應(yīng)為高電平七段LED共陰極顯示器5. 校時電路的設(shè)計 l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） l校時是數(shù)字鐘應(yīng)具備的基本功能。一般電子手表都具有時、分、秒等校時功能 l為使電路簡單，這里只進行分和小時的校時 5.校時電路 采用74LS00(四二與非門）7

6、4LS04(六反相器）校時電路原理圖四、功能擴展電路的設(shè)計 l定時控制電路的設(shè)計l仿廣播電臺正點報時電路的設(shè)計l報整點時數(shù)電路的設(shè)計l觸摸報整點時數(shù)電路的設(shè)計 數(shù)字鐘在指定的時刻發(fā)出信號，或驅(qū)動音響電路“鬧時”；或?qū)δ逞b置的電源進行接通或斷開“控制”。 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。 1. 定時控制電路的設(shè)計 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(yīng)數(shù)字鐘的時個位時個位計數(shù)器的狀態(tài)為(Q3Q2Q1Q0)H1=0111，分十位分十位計數(shù)器的狀態(tài)為(Q3Q2Q1Q0)M2=0101，分個位分個位計數(shù)器的狀態(tài)為(Q

7、3Q2Q1Q0)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(shè)計1. 定時控制電路的設(shè)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 1. 定時控制電路的設(shè)計3.3k&5VRL&Q0Q1Q2M時個位Q0Q2分十位Q0Q3分個位74LS2074LS03Z1kHz74LS00&1k223DG1305V8音響電路2. 仿廣播電臺正點報

8、時電路的設(shè)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(jié)束的時刻為正點時刻。2. 仿廣播電臺正點報時電路的設(shè)計 設(shè)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 Cp(秒)Q3S1Q2S1Q1S1Q0S1功能500000510001鳴低音520010停530011鳴低音540100停550101鳴低音560110停570111鳴低音581000停591001鳴高音000000停秒個位計數(shù)器狀態(tài)秒個位計數(shù)器狀

9、態(tài)音響輸入”時，“音響輸入”時，“HzKHzSQ500011132. 仿廣播電臺正點報時電路的設(shè)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Q0S1=1時 音響電路才能工作 3. 報整點時數(shù)電路的設(shè)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： l 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。 l 編碼器 將小時計數(shù)器的

10、5個輸出端Q4、Q3、Q2、Q1、Q0按照“12翻1”的編碼要求轉(zhuǎn)換為減法計數(shù)器的4個輸入端D3、D2、D1、D0所需的BCD碼。 l 邏輯控制電路 控制減法計數(shù)器的清“0”與置數(shù)。控制音響電路的輸入信號。 3. 報整點時數(shù)電路-減法計數(shù)器 減法計數(shù)器選用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 分進分進位脈沖位脈沖 小

11、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 CPQ4Q3Q2Q1Q0D3D2D1D0100001000120001000103000110011400100010050010101016001100110700111011180100010009010011001101000010101110001101112100101100 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 如果用與非門實現(xiàn)上式，則 3. 報整點時數(shù)電路-編碼器 分進分進位脈沖位脈沖 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 CPQ4Q3Q2Q

12、1Q0D3D2D1D0100001000120001000103000110011400100010050010101016001100110700111011180100010009010011001101000010101110001101112100101100 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： D2的邏輯表達式 3. 報整點時數(shù)電路-編碼器 分進分進位脈沖位脈沖 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 CPQ4Q3Q2Q1Q0D3D2D1D01000010001200010001030001100114001000100

13、50010101016001100110700111011180100010009010011001101000010101110001101112100101100 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： D0、D3的邏輯表達式分別為 4343300QQQQDQD3. 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 D35321Q1D1Q1CP815191014574LS741G261RDS1kHzG31G4G51G6音響電路1G1Q2分十位時計數(shù)器74LS191 RC

14、CP01Hz5VM2 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(guān)S，使觸發(fā)器清“0”，即1Q=03. 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 D35321Q1D1Q1CP815191014574LS741G261RDS1kHzG31G4G51G6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 清

15、“0”脈沖有兩個作用 其一，使74LS191的置數(shù)端，即將此時對應(yīng)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 D35321Q1D1Q1CP815191014574LS741G261RDS1kHzG31G4G51G6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 當分十位計數(shù)器的

16、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。 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 D35321Q1D1Q1CP815191014574LS741G261RDS1kHzG31G4G51G6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 Q2M2的下降沿同時又使74LS74的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，1Q經(jīng)G3、G4延時后使 CP編 碼 器

17、 Q4 Q3 Q2 Q1 Q0 LD U/D11CPA&1113 G D0 D1 D2 D35321Q1D1Q1CP815191014574LS741G261RDS1kHzG31G4G51G6音響電路1G1Q2分十位時計數(shù)器74LS191 RCCP01Hz5VM23. 報整點時數(shù)電路-邏輯控制電路 LDC P分 十 位減 計 數(shù) R CN0Q2M 2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CP0=1時音響電路發(fā)出1kHz聲音，CP0=0時停響。此時74LS19174LS191進行減法計數(shù)，計數(shù)脈沖由CP0提供3. 報整點時數(shù)電路-邏輯控制電路 CP編 碼 器 Q4 Q3 Q2

18、 Q1 Q0 LD U/D11CPA&1113 G D0 D1 D2 D35321Q1D1Q1CP815191014574LS741G261RDS1kHzG31G4G51G6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當 時，因Q2M2仍為0，CP=1，使D觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)復(fù)“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(shè)計 根據(jù)

19、功能要求，不難設(shè)想在報整點時數(shù)電路的基礎(chǔ)上，增加一觸發(fā)脈沖控制電路，或?qū)笳c時數(shù)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。 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，能夠報當時的整點時數(shù)。 五、設(shè)計任務(wù) 給定的主要器件給定的主要器件 74LS00 4片，74LS90 4片，74LS03（OC） 2片，74LS92 2片，74LS04 2片，74LS20 2片，74LS191 1片，74LS48 6片，發(fā)光二極管 1只，74LS74 1片，數(shù)碼顯示器BS202 6只，555

20、 2片。 五、設(shè)計任務(wù) 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，小時計數(shù)器的計時要求為“24翻0”，振蕩器和分頻器均采用集成電路555，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)。 五、設(shè)計任務(wù)-設(shè)計步驟與要求 (1) 擬定數(shù)字鐘電路的組成框圖，要求電路的基本功能與擴展功能同時實現(xiàn)，使用的器件少，成本低； (2)畫出數(shù)字鐘系統(tǒng)的整機邏輯電路圖，用MUltisim 7仿真軟件對所設(shè)計的電路進行仿真調(diào)試；(3) 用protel99繪制電路的PCB圖，并制作印

21、刷電路板要求布線整齊、美觀，便于級聯(lián)與調(diào)試；(4)電路板安裝與調(diào)試，測試數(shù)字鐘系統(tǒng)的邏輯功能，同時滿足基本功能與擴展功能的要求； (5) 寫出設(shè)計性實驗報告。 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(shè)計方案中的錯誤和不足之處后，再測試電路的邏輯功能是否滿足設(shè)計要求。最后畫出滿足設(shè)計要求的總體邏輯電路圖，如圖所示 如果因?qū)嶒炂鞑挠邢?，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 附錄：元器件引腳圖附錄：元器件引腳圖（1） 秒、分為60進制計數(shù)器，時為24進制計數(shù)器 60進制計數(shù)器 由十進制和六進制級聯(lián)而成。十進制由74LS90組成，六進制由74L