技術資料】定時控制器邏輯電路設計 大連工業(yè)大學數(shù)字電路 課程設計

1、目 錄一概述2二任務設計要求3三可選用器材3四原理與說明44.1石英晶體振蕩器.44.2分頻器.54.3計數(shù)器.64.3.1同步十進制加法計數(shù)器74160功能介紹.64.3.2六十進制計數(shù)器.64.3.3 二十四進制計數(shù).74.4 譯碼顯示電路.74.5 校準電路.74.6 報時電路.84.7 定時器預置開關.84.8 定時控制電路.9五整體電路.10六實驗設備及元件.12七整機電路圖.13八心得與體會.14九參考文獻.15一·概述數(shù)字鐘是采用數(shù)字電路實現(xiàn)對時、分、秒數(shù)字顯示的計時裝置，以其顯示的直觀性、走時準確穩(wěn)定而受到人們的歡迎，廣泛用于個人家庭、車站、碼頭、辦公室等公共場所，給

2、人們的生活、學習、工作、娛樂帶來了極大的方便，已成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢缮俚谋匦杵罚捎跀?shù)字集成電路的發(fā)展和石英晶體與 555 振蕩器的廣泛應用，使得數(shù)字鐘的精度遠遠超過老式鐘表，鐘表的數(shù)字化給人們生產(chǎn)生活帶來了極人的方便，而目大大地擴展了鐘表原先的報時功能。諸如定時自動報警、按時自動打鈴、時間程序自動控制、定時廣播、通斷動力設備、以及各種定時電氣的自動啟用等，所有這些，都是以鐘表數(shù)字化為基礎的。因此，研究數(shù)字鐘及擴大其應用，有著非?，F(xiàn)實的意義。本次課程設計旨在加強對數(shù)字電子技術基礎的進一步掌握和實際應用，該電子時鐘設計包括振蕩器、分頻器、計數(shù)器、譯碼器、顯示器等幾部分組成。其涉及芯片分別有74

3、LS160、74LS90及邏輯與非門電路構(gòu)成。且由于本人對知識的掌握運用能力有限，本報告中難免回出現(xiàn)一些疏漏和錯誤之處，懇請讀者及老師批評指正。關鍵詞：時鐘、計數(shù)器、門電路二·設計任務和要求1設計一個帶數(shù)組電子鐘的定時控制器邏輯電路，具體任務要求如下：2可設定定時啟動（開始）時間與定時結(jié)束（判定）時間3.定時開始，指示燈亮；定時結(jié)束，指示燈滅。4.定時范圍可以選擇三·可選用器材1數(shù)字電子技術實驗室2直流穩(wěn)壓電源38421撥碼開關4集成電路：CD4060·74LS90·74LS92·74LS48·74LS112·74LS845

4、石英晶振32768HZ6繼電器DC-12V7電阻·電容·三極管。8顯示器：LC5011-11,發(fā)光二極管四·. 原理與說明數(shù)字鐘一般由振蕩器、分頻器、計數(shù)器、譯碼器、顯示器等幾部分組成。這些都是數(shù)字電路中應用最廣的基本電路，原理框架圖如圖7.5所示。石英晶體振蕩器產(chǎn)生的時標信號送到分頻器，分頻電路將時標信號分成每秒一次的方波秒信號。秒信號送入計數(shù)器進行計時，并把累計的結(jié)果以“時”、“分”、“秒”的數(shù)字顯示出來?！懊搿钡娘@示由兩級計數(shù)器和譯碼器組成的六十進制計數(shù)電路實現(xiàn)；“分”的顯示電路與“秒”相同，“時”的顯示由兩級計數(shù)器和譯碼器組成的二十四進制計數(shù)電路實現(xiàn)。所有

5、計時結(jié)果結(jié)果由六位數(shù)碼管顯示。4.1石英晶體振蕩器振蕩器是電子鐘的核心，用它產(chǎn)生標準頻率信號，再由分頻器分成秒時間沖。振蕩器振蕩頻率的精度與穩(wěn)定度基本上決定了鐘的準確度。振蕩器是由石英晶體，微調(diào)電容與集成反相器等元件構(gòu)成，原理圖如圖7.6所示。石英晶體振蕩器電路給數(shù)字鐘提供一個頻率穩(wěn)定準確的32768z的方波信號，可保證數(shù)字鐘的走時準確及穩(wěn)定。不管是指針式的電子鐘還是數(shù)字顯示的電子鐘都使用了晶體振蕩器電路。圖中1門、2門是反相器，1門用于振蕩，2門用于緩沖整形，R1為反饋電阻，反饋電阻的作用是為反相器提供偏置，使其工作在放大狀態(tài)。反饋電阻R1的值選取太大，會使放大器偏置不穩(wěn)甚至不能正常工作；R

6、1值太小又會使反饋網(wǎng)絡負擔加重。圖中C1是頻率微調(diào)電容，一般取5-35pF。C2是溫度特性校正電容，一般取20-40pF。電容C1、C2與晶體共同構(gòu)成形網(wǎng)絡，以控制振蕩頻率，并使輸入輸出相移180度。從有關手冊中，可查得C1、C2均為30pF。當要求頻率準確度和穩(wěn)定度更高時，還可接入校正電容并采取溫度補償措施。石英晶體振蕩器XTAL的振蕩頻率選為32768HZ。該元件專為數(shù)字鐘電路而設計，其頻率較低且穩(wěn)定，有利于減少分頻器級數(shù)，可用反相器整形而得到矩形脈沖輸出。由于CMOS電路的輸入阻抗極高，因此反饋電阻R1可選為10M。較高的反饋電阻有利于提高振蕩頻率的穩(wěn)定性。非門電路可選74HC00。4.

7、2分頻器在數(shù)字電路中，分頻器是一種可以進行頻率變換的電路，其輸入、輸出信號是頻率不同的脈沖序列。輸入、輸出信號頻率的比值稱為分頻比。例如，2分頻器的輸出信號頻率是輸入信號頻率的，8分頻器的輸出信號頻率是輸入信號頻率的。通常實現(xiàn)分頻器的電路是計數(shù)器電路，一般采用多級2進制計數(shù)器來實現(xiàn)。例如，將32768Hz的振蕩信號分頻為1Hz的分頻倍數(shù)為32768（），即實現(xiàn)該分頻功能的計數(shù)器相當于15級2進制計數(shù)器。常用的進制計數(shù)器有4HC393等。本次課程設計中采用CD4060來構(gòu)成分頻電路。CD4060在數(shù)字集成電路中可實現(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。CD40

8、60計數(shù)器為14級2進制計數(shù)器，可以將32768Hz的信號分頻為Hz，其內(nèi)部框圖如圖所示，從圖中可以看出，CD4060的時鐘輸入端兩個串接的非門，因此可以直接實現(xiàn)振蕩和分頻的功能。4.3 計數(shù)器4.3.1同步十進制加法計數(shù)器74160功能介紹同步十進制加法計數(shù)器74160電路如圖1所示，此電路增加了預置數(shù)、保持和異步置零的功能。圖1中LOAD為預置數(shù)控制端,RCO為進位輸出端,CLR為異步置零端，ENP和ENT為工作狀態(tài)控制端。CLK為脈沖控制端，QA、QB、QC、QD為輸出控制端。4.3.2 六十進制計數(shù)秒計數(shù)器的電路形式很過，一般都是由一級十進制計數(shù)器和一級六進制計數(shù)器組成，是用兩塊中規(guī)模

9、集成電路74LS160按反饋置零法串接而成。秒計數(shù)器的十位和個位，輸出脈沖除用作自身清零外，同時還作為“分”計數(shù)器的輸入信號。當?shù)谝粋€脈沖來到時兩個數(shù)顯同步置零，顯示00狀態(tài)，即兩個同步十進制加法計數(shù)器的輸出分別為0000和0000，當?shù)诙€脈沖來到時個為脈沖作用下第一個同步十進制加法計數(shù)器的輸出變?yōu)?001，而第二個同步十進制加法計數(shù)器的工作狀態(tài)控制端接的為低電平，所以不工作，繼續(xù)保持為0000狀態(tài)不變，當?shù)谝粋€同步十進制加法計數(shù)器輸入第九個脈沖后，RCO進位輸出端會置1，同時第二個同步十進制加法計數(shù)器的工作狀態(tài)控制端接的為高電平，所以開始工作，輸出由0000變?yōu)?001，然后保持至第一個同

10、步十進制加法計數(shù)器的輸出再次變?yōu)?001。當?shù)谝粋€同步十進制加法計數(shù)器的輸出為0101，同時第二個同步十進制加法計數(shù)器的輸出為1001時，兩個同步十進制加法計數(shù)器的預置數(shù)控制端被同時置為0，即兩個同步十進制加法計數(shù)器的輸出均變?yōu)?000，從而完成六十進制計數(shù)4.3.3 二十四進制計數(shù)下圖7.8所示為二十四進制小時計數(shù)器，是用兩片74LS160構(gòu)成的。也可用兩塊中規(guī)模集成電路74LS160和與非門構(gòu)成。 當?shù)谝粋€脈沖來到時兩個數(shù)顯同步置零，顯示00狀態(tài)，即兩個同步十進制加法計數(shù)器的輸出分別為0000和0000，當?shù)诙€脈沖來到時個為脈沖作用下第一個同步十進制加法計數(shù)器的輸出變?yōu)?001，而第二個

11、同步十進制加法計數(shù)器的工作狀態(tài)控制端接的為低電平，所以不工作，繼續(xù)保持為0000狀態(tài)不變，當?shù)谝粋€同步十進制加法計數(shù)器輸入第九個脈沖后，RCO進位輸出端會置為1，同時第二個同步十進制加法計數(shù)器的工作狀態(tài)控制端接的為高電平，所以開始工作，輸出由0000變?yōu)?001，然后保持至第一個同步十進制加法計數(shù)器的輸出再次變?yōu)?001。當?shù)谝粋€同步十進制加法計數(shù)器的輸出為0010，同時第二個同步十進制加法計數(shù)器的輸出為0011時，兩個同步十進制加法計數(shù)器的預置數(shù)控制端被同時置為0，即兩個同步十進制加法計數(shù)器的輸出均變?yōu)?000，從而完成二十四進制計數(shù)4.4 譯碼顯示電路譯碼就是把給定的代碼進行翻譯，變成相應

12、的狀態(tài)，用于驅(qū)動LED七段譯碼管，只有在他的輸入端輸入8421BCD碼，七段數(shù)碼管就能顯示十進制數(shù)了。4.5 校準電路校準電路實質(zhì)上是一個由R-S觸發(fā)器組成的單脈沖發(fā)生器，如下圖所示，從圖中可知，未按按鈕SB時，與非門G2的一個輸入端接地，基本R-S觸發(fā)器處于1狀態(tài)，即Q=1,=0。這時數(shù)字鐘正常工作，分脈沖能進入分計數(shù)器，時脈沖也能進入時計數(shù)器。按下SB時，與非門G1的一個輸入端接地，于是基本R-S觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)為0狀態(tài)，Q=0, =1。若所按的是校分的按鈕SB1，則秒脈沖可以直接進入分計數(shù)器而分脈沖被阻止進入，因而能較快地校準分計數(shù)器的計數(shù)值。若所按的是校時的按鈕SB2，則秒脈沖可以直接進入時

13、計數(shù)器而時脈沖被封鎖，于是就能較快地對時計數(shù)器值進行校準。校準后，將校正按鈕釋放，使其恢復原位，數(shù)字鐘繼續(xù)進行正常的計時工作。4.6 報時電路一般時鐘都應具備整點報時電路功能，即在時間出現(xiàn)整點前數(shù)秒內(nèi)，數(shù)字鐘會自動報時，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，較復雜的也可以是實時語音提示。當分計到59min時，將分觸發(fā)器QH置1，而等到秒計數(shù)器到54s時，將秒觸發(fā)器QL置1，然后通過QL與QH相“與”后，再和1s標準秒信號相“與”，輸出控制低音喇叭鳴叫，直到59s時，產(chǎn)生一個復位信號，使QL清零，低音鳴叫停止；同時59s信號的反相又和QH相“與”，輸出控制高音喇叭鳴叫。當分、秒計數(shù)

14、從59：59變?yōu)?0：00時，鳴叫結(jié)束，完成整點報時。電路中的高、低音信號分別由CD4060分頻器的輸出端Q5和Q6產(chǎn)生。Q5輸出頻率為1024Hz，Q6為512Hz。高、低兩種頻率通過或門輸出驅(qū)動三極管VT，帶動喇叭鳴叫。4.7 定時器預置開關定時器控制的功能是姜數(shù)字鐘的時間與預置的開、關時間進行比較，并完成相應的開關動作。在定時預置開關電路中，有兩組開關其實定時時間開關和中止定時時間開關每組有四個開關（撥碼開關）他們輸出的都是BCD碼。4.8 控制電路 U8U9數(shù)字鐘輸出和定時撥碼開關輸出是通過異或們74LS86進行一位一位的比較，當定時開關時間到，即所有的數(shù)值全相等，在U1474LS30

15、與非門輸出端輸出一個負脈沖，使控制觸發(fā)器U1374LS112變?yōu)楦唠娖?。Q為高電平，使得繼電器RL1和RL2接通，定時器開始定時。RL1的接通，使得+5V從加入起始定時開關而轉(zhuǎn)加到中止定時開關上，由于控制觸發(fā)器U13Q=1(Q=0),使定時器的定時開始指示燈亮當運行時間到中止時間設定值時，U14又一次輸出一個負脈沖，使得控制觸發(fā)器U13翻轉(zhuǎn)，Q=0 U13的低電平是T1和T2關斷，RL1繼電器釋放，又回到定時前的工作狀態(tài)。同時Q=0又使定時結(jié)束指示燈亮RL2用于外界所需控制的儀器。按下S2，可以去掉可能預先存在的定時設定。五·整體電路 “秒計數(shù)器”采用60進制計數(shù)器，是由2片74LS

16、160和1片74LS00采用異步置0法連接而成,第一片的74LS160的十進制輸出經(jīng)74LS00反向后接第二片的CP,當?shù)?片的計數(shù)到9時,C輸出高電平,此時第2片計數(shù)器CP=0,當下一個秒脈沖到達時第1片變?yōu)?,第2片變?yōu)镃P脈沖成為上升沿,第2片計數(shù)器計數(shù)為1。這樣一直計數(shù)下去當計數(shù)到50以后,第2片計數(shù)器的LD接第2片的計數(shù)器輸出接了74LS00的Q0和Q2對應的反向輸出此時為LD=0,下一個脈沖到達第1片時，第1片計數(shù)從0開始計數(shù)，當?shù)?片計為9時，第2片計數(shù)變?yōu)?；因為下一秒第1片將給第2片了一個CP脈沖，第2片的計數(shù)器輸出接了74LS00的Q0和Q2對應的輸出,并且第1片給第2片一

17、因此在變?yōu)?的瞬間置零,也變?yōu)?,達到了計60的目的,這時從第2片中引出一個分脈沖作為分計數(shù)器的輸入CP脈沖?！胺钟嫈?shù)器”也采用60進制計數(shù)器，每累計60分鐘，發(fā)出一個“時脈沖”信號，此計數(shù)原理與秒計數(shù)器完全相同。從分計數(shù)器輸出的該信號將被送到“時計數(shù)器”。“時計數(shù)器”采用24進制計時器，也是有2片74LS160和1片74LS00采用清零法連接而成。24進制計數(shù)器開始計數(shù)時第一片的74LS160的十進制輸出接第二片的CP,當?shù)?片的計數(shù)到9時,十進制輸出高電平,此時第2片計數(shù)器開始計數(shù),當下一個秒脈沖到達時第1片變?yōu)?,第2片變?yōu)?,這樣一直計數(shù)下去但當計到23時,下一脈沖到達時由于時計數(shù)器的

18、第1片的Q2和第2片的Q1接74LS00,對應的輸出同時接了兩片的R置零端,在要變成24的瞬間兩片都變?yōu)?,實現(xiàn)對一天24小時的累計，這時從第二片中引出一個周脈沖作為周計數(shù)器的輸入CP脈沖。“周計數(shù)器”采用7進制計數(shù)器，用一片74LS160采用置數(shù)法連接而成。計數(shù)器從1開始計數(shù)，到7后通過74LS00輸出到74LS160的LD端，重新置數(shù)為1，從而實現(xiàn)對一周7天的累計。譯碼顯示電路將“周、時”、“分”、“秒”計數(shù)器的輸出狀態(tài)送到七段顯示譯碼器譯碼，通過七位LED七段顯示器顯示出來。只要接好電路圖,輸出的數(shù)碼即可在數(shù)碼管中對應顯示。定時器控制的功能是姜數(shù)字鐘的時間與預置的開、關時間進行比較，并完

19、成相應的開關動作。在定時預置開關電路中，有兩組開關其實定時時間開關和中止定時時間開關每組有四個開關（撥碼開關）他們輸出的都是BCD碼。U8U9數(shù)字鐘輸出和定時撥碼開關輸出是通過異或們74LS86進行一位一位的比較，當定時開關時間到，即所有的數(shù)值全相等，在U1474LS30與非門輸出端輸出一個負脈沖，使控制觸發(fā)器U1374LS112變?yōu)楦唠娖?。Q為高電平，使得繼電器RL1和RL2接通，定時器開始定時。RL1的接通，使得+5V從加入起始定時開關而轉(zhuǎn)加到中止定時開關上，由于控制觸發(fā)器U13Q=1(Q=0),使定時器的定時開始指示燈亮當運行時間到中止時間設定值時，U14又一次輸出一個負脈沖，使得控制觸

20、發(fā)器U13翻轉(zhuǎn)，Q=0 U13的低電平是T1和T2關斷，RL1繼電器釋放，又回到定時前的工作狀態(tài)。同時Q=0又使定時結(jié)束指示燈亮RL2用于外界所需控制的儀器。按下S2，可以去掉可能預先存在的定時設定。六· 實驗設備及元件1十六進制計數(shù)器74LS160七片2七段譯碼器74LS48七片3四輸入與非門74LS00兩片4二4輸入與非門74LS20兩片5四2輸入與門74LS08三片6二D觸發(fā)器74LS74兩片7六反相器74LS04一片8數(shù)碼顯示管BS201A七個914分頻器CD4060一個10石英晶體振蕩器32768Hz一個11可變電阻2.2K一個12電阻22M一個13電阻10k二個14電阻1k一個15電解電容100uF一個16電容22pF一個17可變電容320pF一個18電源5V一個19三極管8050一個20蜂鳴器一個七·整機電路圖八·心得與體會經(jīng)過一個多星期的查閱資料和反復修改設計，終于完成了本次的課程設計。通過此次對數(shù)字電子電路時鐘的設計，讓我了解了設計電路的程序，也讓我了解了關于數(shù)字鐘的原理與設計理念，加強了我們對數(shù)字電子技術的更深一步認識，加強了我