多功能集成電路數(shù)字鐘論文.doc

本文由fc7758258貢獻(xiàn) doc文檔可能在WAP端瀏覽體驗(yàn)不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機(jī)查看。 目錄摘要3 1 設(shè)計(jì)功能要求3 2 系統(tǒng)原理框圖3 3 方案設(shè)計(jì)與論證5 3.1 時(shí)間脈沖產(chǎn)生電路 5 3.2 分頻器電路 6 3.3 時(shí)間計(jì)數(shù)器電路 6 3.3.1 60 進(jìn)制計(jì)數(shù)器 8 3.3.2 24 進(jìn)制計(jì)數(shù)器 9 4 譯碼及驅(qū)動(dòng)顯示單元電路 10 5 校時(shí)電路 11 6 報(bào)時(shí)電路 12 7 定時(shí)控制電路 13 8 完整電路 14 9 電路調(diào)試 14 10 電路特點(diǎn)及方案優(yōu)缺點(diǎn)15 11 心得與體會(huì)15 12 參考文獻(xiàn)16 附錄 元件清單16 摘要 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， 該數(shù)字鐘具有基本功能和擴(kuò)展功 能兩部分。其中，基本功能部分的有準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，以數(shù)字形式顯示時(shí)、分、秒的時(shí) 間和校時(shí)功能。擴(kuò)展功能部分則具有：定時(shí)控制、仿廣播電臺(tái)正點(diǎn)報(bào)時(shí)、自動(dòng)報(bào) 整點(diǎn)時(shí)數(shù)的功能。數(shù)字鐘的電路也是由主體電路和擴(kuò)展電路兩部分構(gòu)成，在電路 中，基本功能部分由主體電路實(shí)現(xiàn)，而擴(kuò)展功能部電路實(shí)現(xiàn)。這兩部分都有一個(gè) 共同特點(diǎn)就是它們都要用到振蕩電路提供的 1Hz 脈沖信號(hào)。在計(jì)時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí) 電路還可以進(jìn)行校時(shí)和校分，為了使電路簡(jiǎn)單所設(shè)計(jì)的電路不具備校秒的功能。 并且要用數(shù)碼管顯示時(shí)、分、秒，各位均為兩位顯示，擴(kuò)展部分要有相應(yīng)的響應(yīng) 電路。分則由擴(kuò)展。 1.設(shè)計(jì)功能要求 1. 設(shè)計(jì)功能要求 基本功能： （1）時(shí)的計(jì)時(shí)要求為 24 進(jìn)制，分和秒的計(jì)時(shí)要求為 60 進(jìn)制 （2）準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，以數(shù)字形式顯示時(shí)，分，秒的時(shí)間 （3）校正時(shí)間 擴(kuò)展功能： （1）定時(shí)控制； （2）仿廣播電臺(tái)報(bào)時(shí)功能； （3）自動(dòng)報(bào)整點(diǎn)時(shí)數(shù)； 2.系統(tǒng)原理框圖 2.系統(tǒng)原理框圖 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率（1HZ）進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)電路。由于計(jì)數(shù)的起始時(shí)間不可能與標(biāo) 準(zhǔn)時(shí)間（如北京時(shí)間）一致，故需要在電路上加一個(gè)校時(shí)電路，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)的 1HZ 時(shí)間信號(hào)必須做到準(zhǔn)確穩(wěn)定。通常使用石英晶體振蕩器電路構(gòu)成數(shù)字鐘。下圖所 示為數(shù)字鐘的一般構(gòu)成框圖。 555 振蕩器電路：555 振蕩器電路給數(shù)字鐘提供一個(gè)頻率穩(wěn)定的 1000z 的方波信號(hào)，可保證數(shù)字鐘的走時(shí)準(zhǔn)確及穩(wěn)定。 分頻器電路：分頻器電路將 1000HZ 的高頻方波信號(hào)經(jīng)分頻后得到 1Hz 的 方波信號(hào)供秒計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。分頻器實(shí)際上也就是計(jì)數(shù)器。 時(shí)間計(jì)數(shù)器電路：時(shí)間計(jì)數(shù)電路由秒個(gè)位和秒十位計(jì)數(shù)器、分個(gè)位和分十 位計(jì)數(shù)器及時(shí)個(gè)位和時(shí)十位計(jì)數(shù)器電路構(gòu)成，其中秒個(gè)位和秒十位計(jì)數(shù)器、分個(gè) 位和分十位計(jì)數(shù)器為 60 進(jìn)制計(jì)數(shù)器，而根據(jù)設(shè)計(jì)要求，時(shí)個(gè)位和時(shí)十位計(jì)數(shù)器 為 24 進(jìn)制計(jì)數(shù)器。 譯碼驅(qū)動(dòng)電路： 譯碼驅(qū)動(dòng)電路將計(jì)數(shù)器輸出的 8421BCD 碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管需 要的邏輯狀態(tài)，并且為保證數(shù)碼管正常工作提供足夠的工作電流。 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路：一般時(shí)鐘都應(yīng)具備整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路功能,即在時(shí)間出現(xiàn)整點(diǎn) 前數(shù)秒內(nèi),數(shù)字鐘會(huì)自動(dòng)報(bào)時(shí),以示提醒.其作用方式是發(fā)出連續(xù)的或有節(jié)奏的音 頻聲波,較復(fù)雜的也可以是實(shí)時(shí)語音提示。 3.方案設(shè)計(jì)與論證 3.方案設(shè)計(jì)與論證 3.1 時(shí)間脈沖產(chǎn)生電路 時(shí)間脈沖產(chǎn)生電路 方案一：由集成電路定時(shí)器 555 與 RC 組成的多諧振蕩器作為時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào) 源。 方案二: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(jì)時(shí)的準(zhǔn)確程度，通常選用石英晶體構(gòu)成振蕩器電路。石英晶體振蕩器的作 用是產(chǎn)生時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。因此，一般采用石英晶體振蕩器經(jīng)過分頻得到這一時(shí)間 脈沖信號(hào)。 用 555 組成的脈沖產(chǎn)生電路: 經(jīng)計(jì)算，當(dāng)滑動(dòng)變阻器阻值為 2.1K 時(shí)，可 以產(chǎn)生 1000Hz 的脈沖。 石英晶體振蕩電路:采用的 32768 晶體振蕩電路,其頻率為 32768Hz,然后再 經(jīng)過 15 分頻電路可得到標(biāo)準(zhǔn)的 1Hz 的脈沖輸出.R 的阻值,對(duì)于 TTL 門電路通常 在 0.72K 之間;對(duì)于 CMOS 門則常在 10100M 之間。 經(jīng)分析，方案二石英晶體振蕩電路能夠作為最穩(wěn)定的信號(hào)源。但綜合各方面 考慮，本設(shè)計(jì)采用方案一進(jìn)行設(shè)計(jì)。 3.2 分頻器電路 通常，數(shù)字鐘的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。 分頻器的功能主要有兩個(gè)： 一是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)； 二是功能擴(kuò)展電路所需的信號(hào)，如仿電臺(tái)用的 1KHz 的高頻信號(hào)和 500Hz 的低頻 信號(hào)等. 本設(shè)計(jì)選用 3 片中規(guī)模集成電路計(jì)數(shù)器 74LS90 可以完成上述功能。因每片 為 1/10 分頻，3 片級(jí)聯(lián)則可獲得所需要的頻率信號(hào)，即第一片的 Q0 端輸出頻率 為 500Hz，第二片的 Q3 端輸出頻率為 10Hz，第三片的 Q3 端輸出頻率為 1Hz。 3.3 時(shí)間計(jì)數(shù)器電路 計(jì)數(shù)器是一種計(jì)算輸入脈沖的時(shí)序邏輯網(wǎng)絡(luò)， 被計(jì)數(shù)的輸入信號(hào)就是時(shí)序網(wǎng) 絡(luò)的時(shí)鐘脈沖，它不僅可以計(jì)數(shù)而且還可以用來完成其他特定的邏輯功能，如測(cè) 量、定時(shí)控制、數(shù)字運(yùn)算等等。 數(shù)字鐘的計(jì)數(shù)電路是用兩個(gè)六十進(jìn)制計(jì)數(shù)電路和一個(gè) 24 進(jìn)制計(jì)數(shù)電路實(shí)現(xiàn) 的。數(shù)字鐘的計(jì)數(shù)電路的設(shè)計(jì)可以用反饋清零法。當(dāng)計(jì)數(shù)器正常計(jì)數(shù)時(shí)，反饋門 不起作用，只有當(dāng)進(jìn)位脈沖到來時(shí)，反饋信號(hào)將計(jì)數(shù)電路清零，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)模的循 環(huán)計(jì)數(shù)。以六十進(jìn)制為例，當(dāng)計(jì)數(shù)器從 00，01，02，59 計(jì)數(shù)時(shí)，反饋門 不起作用，只有當(dāng)?shù)?60 個(gè)秒脈沖到來時(shí)，反饋信號(hào)隨即將計(jì)數(shù)電路清零，實(shí)現(xiàn) 模為 60 的循環(huán)計(jì)數(shù)。 3.3.1 60 進(jìn)制計(jì)數(shù)器 電路中，74LS92 作為十位計(jì)數(shù)器，在電路中采用六進(jìn)制計(jì)數(shù)；74LS90 作為 個(gè)位計(jì)數(shù)器在電路中采用十進(jìn)制計(jì)數(shù)。 74LS90 的 14 腳接振蕩電路的輸出脈沖 當(dāng) 1Hz 時(shí) 74LS90 開始工作，它計(jì)時(shí)到 10 時(shí)向十位計(jì)數(shù)器 74LS92 進(jìn)位。下面對(duì)電 路中所用的主要元件及功能介紹。 十進(jìn)制計(jì)數(shù)器 74LS90 74LS90 是二五十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，它有兩個(gè)時(shí)鐘輸入端 CKA 和 CKB。其中， CKA 和 Q 0 組成一位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器；CKB 和 Q 3Q 2Q1 組成五進(jìn)制計(jì)數(shù)器；若將 Q 0 與 CKB 相連接，時(shí)鐘脈沖從 CPA 輸入，則構(gòu)成了 8421BCD 碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。74LS90 有兩個(gè)清零端 R0（1） 、R0（2） ，兩個(gè)置 9 端 R9（1）和 R9（2） ，其 BCD 碼十進(jìn) 制計(jì)數(shù)時(shí)序如表 1，二五混合進(jìn)制計(jì)數(shù)時(shí)序如表 2，74LS90 的管腳圖如下圖。 表 1 BCD 碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)時(shí)序 CK 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 QD QC QB QA 表 2 二五混合進(jìn)制計(jì)數(shù)時(shí)序 CK 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 QA QB QC QD 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 異步計(jì)數(shù)器 74LS92 所謂異步計(jì)數(shù)器是指計(jì)數(shù)器內(nèi)各觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)不是來自于同一外接輸 入時(shí)鐘信號(hào)，因而觸發(fā)器不是同時(shí)翻轉(zhuǎn)。這種計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)速度慢。一異步計(jì)數(shù) 器 74LS92 是 二六十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，即 CKA 和 Q 0 組成二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，CKB 和 Q 3Q 2Q1 在 74LS92 中為六進(jìn)制計(jì)數(shù)器。當(dāng) CKB 和 Q 0 相連，時(shí)鐘脈沖從 CKA 輸 入，74LS92 構(gòu)成十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器。74LS92 的管腳圖如下圖。 60 進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路仿真如下圖： 3.3.2 24 進(jìn)制計(jì)數(shù)器 設(shè)計(jì)方法與 60 進(jìn)制計(jì)數(shù)器相同，采用 2 片 74LS90 即可以實(shí)現(xiàn)要求，基本電路如圖所示： 電路仿真如下： 4.譯碼及驅(qū)動(dòng)顯示單元電路 4.譯碼及驅(qū)動(dòng)顯示單元電路 譯碼電路的功能是將“秒”、“分”、“時(shí)”計(jì)數(shù)器的輸出代碼進(jìn)行翻譯， 變成相應(yīng)的數(shù)字。用于驅(qū)動(dòng) LED 七段數(shù)碼管的譯碼器常用的有 74LS48。74LS48 是 BCD-7 段譯碼器/驅(qū)動(dòng)器，其輸出是 OC 門輸出且低電平有效，專用于驅(qū)動(dòng) LED 七段顯示數(shù)碼管。若將“秒”、“分”、“時(shí)”計(jì)數(shù)器的每位輸出分別接到相應(yīng) 七段譯碼器的輸入端，便可進(jìn)行不同數(shù)字的顯示。 以下為 74LS48 和七段顯示數(shù)碼管圖示： 74LS48 七段顯示數(shù)碼管 5.校時(shí)電路 5.校時(shí)電路 方案一：通常，校正時(shí)間的方法是：首先截?cái)嗾５挠?jì)數(shù)通路，然后再進(jìn)行人工 出觸發(fā)計(jì)數(shù)或?qū)㈩l率較高的方波信號(hào)加到需要校正的計(jì)數(shù)單元的輸入端， 校正好 后，再轉(zhuǎn)入正常計(jì)時(shí)狀態(tài)即可。根據(jù)要求，數(shù)字鐘應(yīng)具有分校正和時(shí)校正功能， 因此，應(yīng)截?cái)喾謧€(gè)位和時(shí)個(gè)位的直接計(jì)數(shù)通路，并采用正常計(jì)時(shí)信號(hào)與校正信號(hào) 可以隨時(shí)切換的電路接入其中，并加入了 0.01uf 的電容來防抖動(dòng)。即如圖所示： 方案二：如圖所示，直接在進(jìn)位端加入一個(gè)開關(guān)脈沖，來實(shí)現(xiàn)校時(shí)。電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn) 單，且不會(huì)影響整體電路的正常運(yùn)行。 綜合以上分析，本設(shè)計(jì)采用方案二來進(jìn)行設(shè)計(jì)。 6.報(bào)時(shí)電路 6.報(bào)時(shí)電路 仿廣播電臺(tái)正點(diǎn)報(bào)時(shí)的功能要求是：每當(dāng)數(shù)字鐘計(jì)時(shí)快要到正點(diǎn)時(shí)，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(shí)刻為正點(diǎn)時(shí)刻。 。 方案一：采用仿廣播臺(tái)整點(diǎn)報(bào)時(shí)的功能：每當(dāng)數(shù)字鐘計(jì)時(shí)快要到正點(diǎn)時(shí)候發(fā) 出響聲，通常按照四低音，一高音的順序發(fā)出間斷聲，以最后一聲高音結(jié)束的時(shí) 刻為正點(diǎn)時(shí)刻。4 低音（約 500Hz）分別發(fā)生在 59 分 51 秒、發(fā)生在 59 分 53 秒、 發(fā)生在 59 分 55 秒、發(fā)生在 59 分 57 秒、，最后一聲高音（約 1KHz）發(fā)生在 59 分 59 秒，他們的持續(xù)時(shí)間均為一秒。 方案二：方案二與方案一實(shí)現(xiàn)功能基本一致，電路略有不同。 7.定時(shí)控制電路 7. 定時(shí)控制電路 數(shù)字鐘在指定的時(shí)刻發(fā)出信號(hào)，或驅(qū)動(dòng)音響電路“鬧時(shí)” ；或?qū)δ逞b置的電源進(jìn) 行接通或斷開“控制” 。不管是鬧時(shí)還是控制，都要求時(shí)間準(zhǔn)確，即信號(hào)的開始 時(shí)刻與持續(xù)時(shí)間必須滿足規(guī)定的要求。 在這里將舉例來說明它的工作原理。要求上午 7 時(shí) 59 分發(fā)出鬧時(shí)信號(hào)，持 續(xù) 1 分鐘。設(shè)計(jì)如下： 7 時(shí) 59 分對(duì)應(yīng)數(shù)字鐘的時(shí)時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)器的狀態(tài)為 (Q 3Q 2Q1Q 0) H 1 = 0111 ， 分十 位 計(jì) 數(shù) 器 的 狀 態(tài) 為 (Q 3Q 2Q1Q 0) M 2 = 0101 ， 分 個(gè) 位 計(jì) 數(shù) 器 的 狀 態(tài) 為 (Q 3Q 2Q1Q 0) M 1 = 1001 ，若將上述計(jì)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，就可以使音響電路正好在 7 點(diǎn) 59 分響，持續(xù) 1 分鐘后（即 8 點(diǎn)）停響。所以鬧時(shí)控制信號(hào) Z 的表達(dá)式為 Q 0 S 1 = 1 Z = (Q 2Q1Q 0) H 1 ? (Q 2Q 0) M 2 ? (Q 3Q 0) M 1 ? M 式中，M 為上午的信號(hào)輸出，要求 M=1。 如果用與非門實(shí)現(xiàn)的邏輯表達(dá)式為： Z = (Q 2Q1Q 0) H 1 ? M ? (Q 2Q0) M 2 ? (Q 3Q 0) M 1 在該電路圖中用到了 4 輸入二與非門 74LS20，集電極開路的 2 輸入四與非 門 74LS03，因 OC 門的輸出端可以進(jìn)行“線與” ，使用時(shí)在它們的輸出端與電源 +5V 端之間應(yīng)接一電阻 RL。RL 的值由下式?jīng)Q定： VCC ? VOH min VCC ? VOL max RL max = RL min = nIOH + mIIH IOL ? mIIL VOL max =0.4V, IIL =0.4mA, VOL min =2.4V, IIH =50uA, IOL =8mA, IOH =100Ua;m 為負(fù)載門 輸入端總個(gè)數(shù)。 取 RL=3.3K。如果控制 1KHz 高音和驅(qū)動(dòng)音響電路的兩極與非門也采用 OC 門，則 RL 的值應(yīng)該重新計(jì)算。 由電路圖可以看見，上午 7 點(diǎn) 59 分，音響電路的晶體管導(dǎo)通，則揚(yáng)聲器發(fā) 出 1KHz 的聲音。持續(xù) 1 分鐘到 8 點(diǎn)整晶體管因?yàn)檩斎攵藶椤?”而截止，電路停 鬧。 8.完整電路 8. 完整電路 電路的工作原理：就是由脈沖發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè) 1kHz 的方波脈沖，經(jīng)過分頻器分 頻成為 1Hz 的脈沖，送入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器由一個(gè) 24 進(jìn)制計(jì)數(shù)器和 2 個(gè) 60 進(jìn)制計(jì)數(shù)器組成。 定時(shí)控制電路和整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路的輸入信號(hào)都由計(jì)數(shù)器所產(chǎn)生的 計(jì)數(shù)脈沖決定。 9.調(diào)試 9. 調(diào)試 電路的調(diào)試主要用到了示波器等。電路的運(yùn)行結(jié)果及調(diào)試的波形如下： 555 脈沖產(chǎn)生器波形圖 調(diào)試中出現(xiàn)的故障：電路調(diào)試過程中，出現(xiàn)了很多細(xì)小的故障。比如元器件同名 導(dǎo)致仿真無法進(jìn)行，元器件參數(shù)設(shè)置不當(dāng)導(dǎo)致無法得出正確結(jié)果等。經(jīng)過細(xì)心的 調(diào)整和反復(fù)的調(diào)試，最終得到了理想的結(jié)果。 10.電路特點(diǎn)及方案的優(yōu)缺點(diǎn) 10.電路特點(diǎn)及方案的優(yōu)缺點(diǎn) 電路特點(diǎn)就是總體設(shè)計(jì)不算復(fù)雜，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，很多分電路的原理及連線都基 本一樣。 電路實(shí)現(xiàn)起來也比較方便。 主要的缺點(diǎn)就是校時(shí)電路還有點(diǎn)遺留的問題， 即在校時(shí)過程中會(huì)產(chǎn)生干擾，使相對(duì)應(yīng)的分和秒