數(shù)字計(jì)時(shí)器的設(shè)計(jì)

1、- -數(shù)字計(jì)時(shí)器的設(shè)計(jì)摘要：本系統(tǒng)由石英晶體振蕩器、分頻器、計(jì)數(shù)器、譯碼器、LED顯示器和校分電路組成，采用了中小規(guī)模集成芯片?？傮w方案設(shè)計(jì)由主體電路和擴(kuò)展電路兩大部分組成。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)字計(jì)時(shí)器的擴(kuò)展功能，進(jìn)行了各單元設(shè)計(jì)，總體調(diào)試。多功能數(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。關(guān)鍵詞：石英晶振器；分頻器；計(jì)數(shù)器；譯碼器；LED顯示器1設(shè)計(jì)電路的內(nèi)容和功能要求設(shè)計(jì)內(nèi)容簡(jiǎn)介綜合運(yùn)用所學(xué)的數(shù)字邏輯電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的知識(shí)，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)的設(shè)計(jì)，提高自己選擇器件及解決實(shí)際問題

2、的能力。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)功能且計(jì)時(shí)準(zhǔn)確，并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)的功能。設(shè)計(jì)功能要求（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)蜂鳴器發(fā)聲的脈沖信號(hào)；（2）設(shè)計(jì)計(jì)時(shí)和顯示電路，完成0分00秒9分59秒的計(jì)時(shí)和顯示功能；（3）設(shè)計(jì)清零電路，具有開機(jī)自動(dòng)清零的功能，并在任何時(shí)候，按動(dòng)清零開關(guān)，就可以實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)器清零;（4）設(shè)計(jì)校分電路，在任何時(shí)候，按下校分開關(guān)，可以進(jìn)行快速校分；（5）設(shè)計(jì)報(bào)時(shí)電路，使數(shù)字計(jì)時(shí)器從9分53秒開始報(bào)時(shí)，每隔二秒發(fā)一聲，共發(fā)三聲低音，一聲高音；即9分53秒、9分55秒、9分57秒發(fā)

3、低音（頻率1KHz）,9分59秒發(fā)高音（頻率2KHz）;（6）系統(tǒng)級(jí)聯(lián)調(diào)試，將上述電路進(jìn)行級(jí)聯(lián)完成計(jì)時(shí)器的所有功能；（7）可增加數(shù)字計(jì)時(shí)器的附加功能，例如數(shù)字計(jì)時(shí)器定時(shí)功能、秒表功能、報(bào)整點(diǎn)時(shí)數(shù)功能等。2設(shè)計(jì)電路原理框圖譯碼顯示電路秒脈沖發(fā)生電路計(jì)時(shí)電路報(bào)時(shí)電路圖2-1原理框圖3電路工作原理及邏輯原理圖31工作原理數(shù)字計(jì)時(shí)器是由脈沖發(fā)生電路、計(jì)時(shí)和顯示電路、清零電路、校分- -電路和報(bào)時(shí)電路和其它附加電路等幾部分組成的，電路由振蕩器、分頻器、計(jì)數(shù)器、譯碼器、顯示器等元件構(gòu)成，可以分為。振蕩器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)經(jīng)過分頻器分頻作用后為秒脈沖，秒脈沖送入計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)并且通過“時(shí)”、“分”、“秒”譯

4、碼器顯示時(shí)間。校分電路實(shí)現(xiàn)對(duì)“分上數(shù)值的控制，而不受秒十位是否進(jìn)位的影響，報(bào)時(shí)電路通過1kHz或2kHz的信號(hào)和要報(bào)時(shí)的時(shí)間信號(hào)進(jìn)行與的運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)的定點(diǎn)報(bào)時(shí)的。3.2整體電路邏輯圖澤碼器仆；卜數(shù)船秒1I7.il數(shù)骼電路報(bào)時(shí)電路晶休振蕩電路分頻器圖3-1整體邏輯圖4各單元電路原理及邏輯設(shè)計(jì)41脈沖發(fā)生電路圖4-1脈沖發(fā)生電路圖脈沖發(fā)生電路是為計(jì)時(shí)電路提供計(jì)數(shù)脈沖的，所以需要產(chǎn)生1Hz的脈沖信號(hào)。采用石英晶體振蕩器和分頻器構(gòu)成。晶體振蕩器是構(gòu)成數(shù)字計(jì)時(shí)器的核心，它保證了計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確及穩(wěn)定這里使用晶振的頻率為32768Hz。晶體振蕩器的振蕩信號(hào)的頻率與振蕩電路中的RC元件的數(shù)值無(wú)關(guān)，因此，這種振蕩電路

5、輸出的是準(zhǔn)確度極高的信號(hào)。晶體振蕩器輸出頻率較高，為了得到1Hz的秒信號(hào)輸入，需要對(duì)振蕩器的輸出信號(hào)進(jìn)行分頻。通常實(shí)現(xiàn)分頻器的電路是計(jì)數(shù)器電路，一般采用多級(jí)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，將32768Hz的振蕩信號(hào)分頻為1Hz的分頻倍數(shù)為32768(215)，即實(shí)現(xiàn)該分頻功能的計(jì)數(shù)器相當(dāng)于15級(jí)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。CD4060在數(shù)字集成電路中可實(shí)現(xiàn)的分頻次數(shù)最高，而且CD4060還包含振蕩電路所需的非門使用更為方便。CD4060計(jì)數(shù)為14級(jí)(214)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，可以將32768HZ的信號(hào)分頻為2Hz。4.2計(jì)時(shí)和顯示電路45182Q12Q2CLKCLRLOAD圖4-2顯示電路圖EN11AMR11B1CC

6、P11D4518IDSK計(jì)時(shí)電路有分計(jì)時(shí)，秒十位計(jì)時(shí)和秒個(gè)位計(jì)時(shí)三個(gè)部分構(gòu)成。分計(jì)時(shí)器和秒個(gè)位計(jì)時(shí)器為十進(jìn)制計(jì)數(shù)器CD4518，秒十位計(jì)數(shù)器為4位二進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器74LS161。秒個(gè)位計(jì)時(shí)單元為十進(jìn)制計(jì)數(shù)器CD4518，無(wú)需進(jìn)制轉(zhuǎn)換，弓I腳10(上升有效)與1Hz秒輸入脈沖信號(hào)相連，引腳14(Q3)可作為向前的進(jìn)位信號(hào)與秒十位計(jì)時(shí)單元的引腳2相連。秒十位計(jì)時(shí)單元為十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，需要轉(zhuǎn)換為六進(jìn)制計(jì)數(shù)器，轉(zhuǎn)換方法采用反饋置數(shù)法，具體方法如下：把引腳14（Q1）、引腳12（Q3）接入74LS00，并把74LS00的引腳六接到74LS161的引腳9（曠）,因?yàn)椋?101）2=（6）10。分位計(jì)時(shí)單元為

7、十進(jìn)制計(jì)數(shù)器CD4518，無(wú)需進(jìn)制轉(zhuǎn)換把74LS161的引腳12（Q3）接到分計(jì)時(shí)電路CD4518的引腳2（上升有效），作為進(jìn)位信號(hào)。級(jí)聯(lián)組裝時(shí)，則要把分計(jì)時(shí)電路CD4518的引腳2（上升有效）接到快速校分的輸出端。顯示電路由CD4511和LED數(shù)碼管構(gòu)成。CD4511把輸入的二進(jìn)制信號(hào)翻譯成十進(jìn)制數(shù)字，再由數(shù)碼管顯示出來(lái)。這里的LED數(shù)碼管是采用共陰的方法連接的并且接入1KQ的限流電阻。清零電路R2clrl340694069U1BclrSW-PIIS1圖4-3清零電路圖清零電路使用RC充放電回路和施密特整形電路組成。主要是連接到計(jì)時(shí)和顯示電路中的CD4518和74LS161的清零（CLR）端

8、，實(shí)現(xiàn)上述功能。4.4校分電路VCC圖4-4校分電路圖當(dāng)重新接通電源或走時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí)都需要對(duì)時(shí)間進(jìn)行校正，所以計(jì)時(shí)器應(yīng)當(dāng)具有校分的功能。實(shí)現(xiàn)思路為首先截?cái)嗾５挠?jì)數(shù)通路，然后再將頻率較高的脈沖信號(hào)（2Hz）加到秒脈沖輸入端，校正好后，再轉(zhuǎn)入正常計(jì)時(shí)狀態(tài)即可。報(bào)時(shí)電路圖4-5報(bào)時(shí)電路圖報(bào)時(shí)電路在9分53秒、9分55秒、9分57秒以1KHz接通蜂鳴器，9分59秒以2KHz接通蜂鳴器。分、秒十位均部變化，分別為9和5,74LS21（U3B）引腳3輸出高電平時(shí)蜂鳴器鳴叫。46所用電器元件引腳及真值表譯碼器（CD4511）111514131211109CD4511BCDJC1245l67IsVDDYrY

9、bY,YtYcY,AiA3CD4511LTIDLEAsBCD-鎖存/七段譯碼/驅(qū)胡器圖4-6CD4511譯碼器圖輸入輸出LT麗LEDCBAgfedcba字符測(cè)燈0XXXXXX11111118火零10X00000000000消隱鎖存111XXXX顯示LE=01時(shí)數(shù)據(jù)譯碼110000001111110110000100011101110001010100112110001110011113110010011011104110010111011015110011011111006110011100011117110100011111118110100111011119表4-1CD4511真值表分頻器

10、(CD4060)Vnp.QieQjjCrCPCPnCFq151413111094）廠CD4O6O一(234561I&QuQnQ|4QQ7Q*VfflCMWffl14隹二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)/分頻器圖4-7CD4060分頻器圖CP1CP0CPCr功能11T0計(jì)數(shù)任意011復(fù)位表4-2CD4060分頻器真值表BCD碼計(jì)數(shù)器（CD4518）VM2Rb2Qfl2Qi2Q*NR2CPTCPIEIQaLQ.IQIQoV;CW51#JRBCD同步加計(jì)數(shù)器圖4-8CD4518BCD碼計(jì)數(shù)器圖輸入輸出CrCPENQdQcQbQa清零1XX0000計(jì)數(shù)0T1BCD碼加法計(jì)數(shù)保持0X0保持計(jì)數(shù)001BCD碼加法計(jì)數(shù)保持01

11、X保持表4-3CD4518BCD碼計(jì)數(shù)器真值表4.6.4四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器（74LS161）VecQceQrQQcQdSaLD卩石11514131211110g74LS161123456*8C?CPA乃CDStGND74LSL61四性二進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器圖4-974LS161四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器圖輸入輸出CPcrLDS1S0DCBAQdQCQBQAQcc清零X0XXXXXXX00000送數(shù)T10XXdcbadcba0-1計(jì)數(shù)T1111XXXX二進(jìn)制計(jì)數(shù)保持X1101XXXX不變保持X1110XXXX不變表4-474LS161四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器真值表D觸發(fā)器（74LS74）Vcc2D2CP2Sd2Q2Q74

12、LST4JR上升D型融發(fā)關(guān)圖4-1074LS74D觸發(fā)器圖cpsRQnQn+1XXXXQnT0000T0011T0100T0110T1000T1011T110XT111X表4-474LS74D觸發(fā)器真值表二入與非門（74LS00）Vcc4B4A4Y3B3AiYI卩4；嚴(yán)衛(wèi)；81AIB1Y2A2B2YGND74LS00四2輸入與非門圖4-1174LS00二入與非門圖非門（CD4069）VBB6A6Y5A54A4Y11+131211IQ98)-A-A-ChM5A112345171A1Y2A2Y3AJYVCD4069六反相器圖4-12CD4060非門圖二入或門（74LS32）圖4-1374LS32二

13、入與非門圖四入與門（74LS21）Vcc2D2CN232A2Y74LS21雙4輸入與非門圖4-1474LS21四入與門圖|hbc11ed亡he$b4.6.10共陰極數(shù)碼管I圖4-15共陰極數(shù)碼管圖5電路安裝與調(diào)試說(shuō)明51電路檢查對(duì)照電路圖檢查電路器件是否連接正確，比如器件引腳、電容極性、電源線、地線是否都接正確，連接是否牢靠，電源的數(shù)值與方向是否符合設(shè)計(jì)要求。52按照功能模塊分別調(diào)試把每一基本電路分別調(diào)試，使之達(dá)到正常功能要求，然后才能把它們連接成整機(jī)，進(jìn)行整體調(diào)試。53連接調(diào)試過程中遇到的問題及解決方法5.3.1整體布局及線路顏色的重要性整體布局非常重要，一開始我就沒有對(duì)元器件進(jìn)行整體布局導(dǎo)

14、致后面電路的連接線拉得很長(zhǎng)而且比較亂，必須對(duì)布局做適當(dāng)調(diào)整。布線顏色也比較重要，因?yàn)榇舜卧O(shè)計(jì)電路還是比較復(fù)雜，整體電路由5個(gè)基本電路構(gòu)成，基本電路內(nèi)部使用藍(lán)色線連接，基本電路間的連接采用黃線進(jìn)行連接，電源線用紅色，接地線用黑色等，便于后期的檢查。LED數(shù)碼管始終顯示“0”因?yàn)樵谶M(jìn)行調(diào)試時(shí)，殳有禁止CD4518和74LS161的清零功能?？梢园袰D4518的CLR端接“-”，74LS161的CLR端接“+”基本電路調(diào)試時(shí)秒十位計(jì)時(shí)進(jìn)制錯(cuò)，能顯示6，7，等基本電路調(diào)試時(shí)反饋置數(shù)法沒有起作用，因?yàn)?4LS00沒有連接進(jìn)去，所以基本電路分別調(diào)試時(shí)，其它基本電路的一些器件也要暫時(shí)連接進(jìn)去，以使電路正常工

15、作。基本電路調(diào)試時(shí)分不能進(jìn)位沒有把74LS161的Q3（引腳12）接到分的CD4518的EN（引腳2），正確連接后問題解決。基本電路調(diào)試時(shí)校分電路不起作用檢查發(fā)現(xiàn)連線完全正確，但是兩個(gè)74LS00沒有連接電源，連接電源后正常。由此可見，使用集成器件時(shí)，一定不能忘記要接電源。級(jí)聯(lián)調(diào)試時(shí)分顯示不正常因?yàn)榛菊{(diào)試時(shí)臨時(shí)提供分進(jìn)位的那個(gè)線沒有拆去，拆去后正常。級(jí)聯(lián)調(diào)試時(shí)報(bào)時(shí)電路不正常電路圖對(duì)器件的標(biāo)注上不夠清晰，預(yù)習(xí)不充分，導(dǎo)致在連接報(bào)時(shí)電路時(shí)錯(cuò)誤地把兩個(gè)74LS21當(dāng)作一組連。錯(cuò)誤地把2KHz和1KHz看作2Hz和1Hz進(jìn)行連接，而且沒有分清蜂鳴器具有正負(fù)極，導(dǎo)致正負(fù)極接反，蜂鳴器不工作。三極管NP

16、N引腳判別方法使用口訣：平面對(duì)自己，從左向右ebc即可輕松判斷。接線一定要接實(shí)，因?yàn)樘摻映鲥e(cuò)很能查找，因此養(yǎng)成良好的習(xí)慣很重要。對(duì)電路的改進(jìn)意見6.1電路的改進(jìn)（1）在開關(guān)處加一個(gè)RS鎖存器可以消顫，使輸入更穩(wěn)定。（2）系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)有一定的誤差，其原因是晶體振蕩的特點(diǎn)所決定的，同時(shí)與芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。有時(shí)會(huì)出現(xiàn)跳字現(xiàn)象，解決這些誤差的方法是提高石英晶體振蕩器的穩(wěn)定性及使用精度較高的電容等。6.2電路的創(chuàng)新設(shè)計(jì)可以設(shè)計(jì)成報(bào)整點(diǎn)時(shí)數(shù)電路，該電路功能可分為階段進(jìn)行秒進(jìn)位脈沖來(lái)到時(shí)分計(jì)數(shù)器加1:報(bào)時(shí)計(jì)數(shù)器應(yīng)記錄下此時(shí)的分?jǐn)?shù)；報(bào)時(shí)計(jì)數(shù)器開始做減法運(yùn)算，每減一個(gè)脈沖，報(bào)時(shí)電路鳴叫一次，直至計(jì)數(shù)器值為零。

17、收獲體會(huì)及建議7.1收獲和體會(huì)電工電子綜合實(shí)驗(yàn)運(yùn)用所學(xué)數(shù)字邏輯電路中的理論知識(shí)，使我在設(shè)計(jì)過程中對(duì)理論知識(shí)有了更為深刻的了解和認(rèn)識(shí)，使學(xué)到的知識(shí)相互融會(huì)貫通，同時(shí)也是較好的檢驗(yàn)我們所學(xué)知識(shí)的好機(jī)會(huì)。在數(shù)字計(jì)時(shí)器課程設(shè)計(jì)過程中，我認(rèn)為最重要的就是有個(gè)清晰的思路，還要學(xué)會(huì)如何搜集和查閱有關(guān)資料。其次在課程設(shè)計(jì)中更進(jìn)一步地熟悉了集成元件的結(jié)構(gòu)及掌握了各集成元件的工作原理和具體的使用方法。在連接六進(jìn)制、二進(jìn)制的進(jìn)位接法中，要求熟悉邏輯電路及其芯片各引腳的功能，那么在電路出錯(cuò)時(shí)便能準(zhǔn)確地找出錯(cuò)誤所在并及時(shí)糾正了。此次數(shù)字計(jì)時(shí)器設(shè)計(jì)要求能按照電路圖接出來(lái)，并能正常工作。數(shù)字電路連接復(fù)雜，因此需要我們連接時(shí)

18、要有好的布局和合理的布線規(guī)則，如將電源線、地線、傳輸線、暫時(shí)產(chǎn)生的線分別開來(lái)，用不同的顏色，或者以基本電路的形式分開，為以后查錯(cuò)或改進(jìn)帶來(lái)極大的方便。細(xì)心與耐心是不可或缺的，特別是在連接每一根線時(shí)，既要注意剝線的長(zhǎng)短要適中，走線時(shí)要成直線直角，使電路板連線清晰美觀，最重要的是檢查時(shí)特別方便?？偟膩?lái)說(shuō)，通過這次電工電子綜合實(shí)驗(yàn)更進(jìn)一步地增強(qiáng)了自己實(shí)驗(yàn)的動(dòng)手能力。指導(dǎo)老師給予了我們很大的幫助，教了一些解決問題的方法。在以后的學(xué)習(xí)過程中，我相信我會(huì)做的更好！7.2建議（1）建議老師在我們動(dòng)手制作之前應(yīng)先告訴一些關(guān)于所做電路的元件資料名稱，便于我預(yù)習(xí)查找，也使我們后期連線更加方便。（2）教我們一些檢測(cè)電路的方法，還有關(guān)于檢測(cè)芯片的方法，這樣出現(xiàn)問題之后可以更有針對(duì)性地檢查，而不是對(duì)照?qǐng)D紙一根線一根線的檢查。附錄8.1電工電子綜合實(shí)驗(yàn)物品清單名稱型號(hào)數(shù)量二入與非門74LS002個(gè)D觸發(fā)器74LS741個(gè)四入與非門74LS212個(gè)二入或門74LS321個(gè)四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS1611個(gè)BCD碼計(jì)數(shù)器CD45181個(gè)分頻器CD40601個(gè)譯碼器（驅(qū)動(dòng)共陰）CD4