微電子實(shí)習(xí)課程設(shè)計(jì)-數(shù)字時(shí)鐘

1、微電子實(shí)習(xí)設(shè)計(jì)說明書設(shè)計(jì)題目：數(shù) 字 鐘姓 名：吳 志 強(qiáng)同 組 者：周 會(huì) 林 學(xué) 號(hào)：指導(dǎo)老師： 曹青松 周繼慧目錄第一節(jié) 系統(tǒng)概述-31.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路與總體方案-3第二節(jié) 單元電路設(shè)計(jì)與分析-52.1 振蕩器-5秒發(fā)生電路-5 振蕩器-62.2 計(jì)數(shù)器-7 六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器-7 十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器-92.3 顯示器-102.4 校時(shí)電路-112.5 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路-11第三節(jié) 電路的總體設(shè)計(jì)與調(diào)試-133.1 電路的總設(shè)計(jì)圖-133.2 調(diào)試中遇到的問題-14第四節(jié) 設(shè)計(jì)總結(jié)-16附錄 部分芯片及其控制元件功能參數(shù)表-17 5.1 74LS90-185.2 共陽極七段譯碼管-205.3 55

2、5定時(shí)器-215.4 74LS00-245.5 74LS04-255.6 74LS20-265.7 74LS47-275.8 蜂鳴器(SOUNDER) -285.9 開關(guān)-29第六節(jié) 數(shù)字鐘設(shè)計(jì)任務(wù)書-31參考文獻(xiàn)-32一系統(tǒng)概述數(shù)字電子鐘是由多塊數(shù)字集成電路構(gòu)成的，其中有555定時(shí)器，校時(shí)電路，計(jì)數(shù)器，譯碼器和顯示器六部分組成。通過改變555定時(shí)系統(tǒng)中的電容大小發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)發(fā)生器，不同進(jìn)制的計(jì)數(shù)器產(chǎn)生計(jì)數(shù)，譯碼器和顯示器進(jìn)行顯示，通過校時(shí)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)，分的校準(zhǔn)，通過整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路實(shí)現(xiàn)整點(diǎn)報(bào)時(shí)。1.1 統(tǒng)設(shè)計(jì)思路與總體方案 數(shù)字時(shí)鐘基本原理的邏輯框圖如下所示：譯碼器譯碼器譯碼器時(shí)計(jì)數(shù)器分計(jì)數(shù)器

3、秒計(jì)數(shù)器校時(shí)電路圖1.1 系統(tǒng)方框圖時(shí)顯示分顯示秒顯示振蕩器整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路由上圖可以看出，555定時(shí)器組成的多諧振蕩器直接產(chǎn)生的信號(hào)秒脈沖，秒脈沖送入計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)結(jié)果經(jīng)過“時(shí)”、“分”、“秒”，譯碼器，顯示器顯示時(shí)間。555定時(shí)器組成的多諧振蕩脈沖電路構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)發(fā)生器，由不同進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，譯碼器和顯示電路組成計(jì)時(shí)系統(tǒng)。秒信號(hào)送入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，把累計(jì)的結(jié)果以“時(shí)”，“分”、“秒”的數(shù)字顯示出來?！皶r(shí)”顯示由12進(jìn)制計(jì)數(shù)器，譯碼器，顯示器構(gòu)成；“分”、“秒”顯示分別由六十進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，譯碼器，顯示器構(gòu)成；校時(shí)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)，分的校準(zhǔn)；整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路實(shí)現(xiàn)整點(diǎn)前十秒開始進(jìn)行報(bào)時(shí)報(bào)時(shí)聲音采用四高一低

4、。第二節(jié)單元電路設(shè)計(jì)與分析由圖1.1的系統(tǒng)圖知其由555定時(shí)器組成的多諧振蕩電路、計(jì)數(shù)器、譯碼器、顯示器、校正電路、整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路組成。2.1 振蕩器秒發(fā)生電路秒發(fā)生電路-振蕩器是計(jì)時(shí)器的核心，振蕩器的穩(wěn)定度和頻率的精確度決定了計(jì)時(shí)器的準(zhǔn)確度。一般來說，振蕩器的頻率越高，計(jì)時(shí)精度就越高，但耗電量將越大。所以，在設(shè)計(jì)電路時(shí)要根據(jù)需要而設(shè)計(jì)出最佳電路。圖2.1.1 秒發(fā)生電路圖vc由555組成的振蕩器，最高工作頻率可達(dá)300KHz，多諧振蕩器也稱無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，它沒有穩(wěn)定的狀態(tài)，同時(shí)毋需外加觸發(fā)脈沖，就能夠輸出一定頻率的矩形脈沖（自激振蕩）。因?yàn)榫匦尾ê胸S富的諧波，故稱為多諧振蕩器。多諧振蕩器是常用

5、的一種矩形波發(fā)生器。觸發(fā)器和時(shí)序電路中的時(shí)鐘脈沖一般是由多諧振蕩器產(chǎn)生的。接通電源Ucc后，它經(jīng)R1和R2對(duì)電容C4充電，uc上升，當(dāng)0uc13Ucc時(shí)，S =0， R =1時(shí)，將觸發(fā)器置1，引腳3輸出為高電平，當(dāng)13Uccuc23Ucc時(shí)，S =1，R =1時(shí)，觸發(fā)器狀態(tài)保持不變，3引腳輸出的仍然是高電平。比較器C1的輸出上升到大于2/3VCC時(shí)，觸發(fā)器被復(fù)位，放電管T導(dǎo)通，此時(shí)v0為低電平，電容C1通過R2和T放電，使vC下降。當(dāng)vC下降到小于1/3VCC時(shí)，觸發(fā)器被置位，v0翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器C1放電結(jié)束,所需的時(shí)間為： 當(dāng)C1放電結(jié)束時(shí)，T截止，VCC將通過R1、R2向電容器C1充電

6、，vC由1/3VCC上升到2/3VCC所需的時(shí)為：當(dāng)vC上升到2/3VCC時(shí)，觸發(fā)器又被復(fù)位發(fā)生翻轉(zhuǎn)，如此周而復(fù)始，在輸出端就得到一個(gè)周期性的方波，其頻率為 。 本設(shè)計(jì)中，由電路圖和f的公式可以算出，微調(diào)R3=47k左右，其輸出的頻率為f=1000Hz.振蕩器，除了可以由上一節(jié)介紹的除外，如果對(duì)精度有較高要求的話，還可以用石英晶體構(gòu)成的振蕩器。當(dāng)需要高精度時(shí)，采用更精確的石英晶體振蕩器，石英晶體振蕩器發(fā)出的頻率需要分頻，所以需要使用分頻電路。分頻的功能主要有兩個(gè)：一個(gè)是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)；二是提供功能擴(kuò)展電路所需要的信號(hào)，如仿電臺(tái)報(bào)時(shí)用的1000Hz的高音頻信號(hào)和500Hz的低音頻信號(hào)等。在設(shè)

7、計(jì)中，由于振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)頻率太高，要得到標(biāo)準(zhǔn)的秒信號(hào)，就需要對(duì)所得的信號(hào)進(jìn)行分頻。所采用的分頻。10分電路圖2.2 計(jì)數(shù)器由圖1.1的方框圖可以清楚的看到，顯示“時(shí)”、“分”、“秒”需要6片中規(guī)模計(jì)數(shù)器；其中“秒”、“分”各為60進(jìn)制計(jì)數(shù)，“時(shí)”為24進(jìn)制計(jì)數(shù)。在本設(shè)計(jì)中均用74LS90來實(shí)現(xiàn)：“秒”計(jì)數(shù)器電路與“分”“秒”，“分”計(jì)數(shù)器。 十進(jìn)制計(jì)數(shù)器 秒分計(jì)數(shù)器 由于74LS90是在時(shí)鐘的下降沿到來時(shí)計(jì)數(shù)的，所以Q3正好符合要求，在十秒內(nèi)只給出一個(gè)下降沿且與第10秒的下降沿正好對(duì)齊。Q2也只產(chǎn)生一個(gè)下降沿，但產(chǎn)生的時(shí)刻不對(duì)。這樣，個(gè)位和十位之間的進(jìn)位信號(hào)就找到了，把個(gè)位的Q3（11端）接

8、到十位的CKA端（14端）上。用異步清零法實(shí)現(xiàn)，即從0“時(shí)” 2.3 顯示器解碼七段排列顯示器管腳圖如圖左上角是一個(gè)解碼七段排列顯示器，由其左邊7個(gè)腳輸入二進(jìn)制數(shù)，就可顯示數(shù)字；而U7和U9是個(gè)譯碼器，和未解碼的七段顯示管也可以構(gòu)成顯示器，連接如上面所示。2.4 校時(shí)電路校正電路圖2.5 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路當(dāng)計(jì)時(shí)過程中想具有報(bào)時(shí)功能，當(dāng)時(shí)間到達(dá)整點(diǎn)前10秒進(jìn)行蜂鳴報(bào)時(shí)； 所謂整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路就是只報(bào)時(shí)不報(bào)分。為了簡(jiǎn)化電路，每當(dāng)計(jì)到59分50時(shí)時(shí)開始報(bào)時(shí)，響一秒就停一下，正好響五次。前四次為低音，最后一響為高音。（1）報(bào)時(shí)開始信號(hào)計(jì)到59分50秒時(shí)，分和秒計(jì)數(shù)器的狀態(tài)如下：分十位：Q3Q2Q1Q0=010

9、1秒電路的十位中的Q2Q0相與作為開始報(bào)時(shí)的一個(gè)條件即可。第三節(jié) 電路的總體設(shè)計(jì)與調(diào)試3.1 電路的總設(shè)計(jì)圖 由第二節(jié)介紹的電路各個(gè)部分的子電路構(gòu)成的各個(gè)部分的功能，再由第一節(jié)的數(shù)字時(shí)鐘的系統(tǒng)原理框圖，可以清楚的知道了總體的電路情況。下面圖3.1就是本設(shè)計(jì)的總體電路：圖3.1 總體電路圖由圖3.1可以看出和清楚的整個(gè)數(shù)字時(shí)鐘的總體工作原理和整個(gè)工作過程：由555和RC構(gòu)成的振蕩器產(chǎn)生的1Hz的標(biāo)準(zhǔn)頻信號(hào)進(jìn)入60進(jìn)制的“秒”計(jì)時(shí)，“秒”進(jìn)位后的分位進(jìn)入60進(jìn)制的“分”計(jì)時(shí)，最后，由“分”的進(jìn)位后時(shí)位進(jìn)入24進(jìn)制的“時(shí)”計(jì)時(shí)。在電路中，還有由門電路和開關(guān)構(gòu)成的校時(shí)電路對(duì)電路的“時(shí)”，“分”進(jìn)行校時(shí)

10、，得到正確的時(shí)間。3.2 調(diào)試中遇到的問題在Proteus仿真成功后，原本以為連線會(huì)很輕松。但是，在實(shí)際連線中卻發(fā)現(xiàn)自己太樂觀了。在仿真中，我們采用的分模塊的連接方法。 首先在Proteus中555振蕩器組成的秒發(fā)生電路中5引腳可以產(chǎn)生秒脈沖波，但在實(shí)際連線中用示波器檢驗(yàn)該電路根本發(fā)生不了波。之后我們經(jīng)過改變電阻。把原先的0.1uf的電容換成10uf的電容。實(shí)際電路才產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖。在連接計(jì)數(shù)電路加顯示電路時(shí)，發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)脈沖，但七段譯碼器就是不亮。我們先對(duì)74LS90從左到右從輸入到輸出用示波器依次檢驗(yàn)引腳的是否正常接地或接5V正極。后面經(jīng)過示波器依電路從左到右，從脈沖輸入端沿計(jì)數(shù)器74LS90

11、發(fā)現(xiàn)該芯片的輸出引腳不能發(fā)出正常的方波。接著我們采用換芯片的方式，每個(gè)芯片的輸出方波都不一樣。7段數(shù)碼管各引腳之間的高低電平轉(zhuǎn)換相互之間會(huì)有影響。各芯片之間的高低電平轉(zhuǎn)換方式。答:電平是個(gè)電壓范圍，規(guī)定輸出高電平2.4V,輸出低電平=2.0V，輸入低電平=0.8V。有的74LS90芯片的輸出波雖然比較有規(guī)律符合我們需要的該引腳方波，但是電壓幅值是2V，按照TTL電路的高低電平轉(zhuǎn)換方式只能全部識(shí)別低電平。由于試好幾個(gè)芯片都不行，這時(shí)我該用了74LS160計(jì)數(shù)器芯片。但是也不能成功，該芯片輸出的方波也是不能產(chǎn)生正常的方波。第四節(jié) 設(shè)計(jì)總結(jié)通過本次設(shè)計(jì)，使我對(duì)已學(xué)過的電路、數(shù)電、模電等電子技術(shù)的知識(shí)

12、有了更深一步的了解，鍛煉和培養(yǎng)了自己利用已學(xué)知識(shí)來分析和解決實(shí)際問題的能力。對(duì)自己以后的學(xué)習(xí)和工作有很大的幫助。剛開始做這個(gè)設(shè)計(jì)的時(shí)候感覺自己什么都不知道怎么下手，腦子里比較浮躁和零亂。但通過一段時(shí)間的努力，通過重溫?cái)?shù)電，模電等電子技術(shù)的書籍，還有通過查看相關(guān)的設(shè)計(jì)技術(shù)以及一些參考文獻(xiàn)，再加之在老師的指導(dǎo)和周圍同學(xué)的幫助下，使我對(duì)自己的本設(shè)計(jì)有了熟練的掌握。在整個(gè)的設(shè)計(jì)過程中我充滿了激情和用心。在這次的電子技術(shù)設(shè)計(jì)中用自己的雙手和滿腔的熱情來完成各個(gè)環(huán)節(jié)，不斷的在圖書管查看相關(guān)資料和期刊文獻(xiàn)，特別在Intern上也收收獲了很多新鮮的東西。這次設(shè)計(jì)更讓我熟悉了一些常用集成邏輯電路和其相應(yīng)芯片的使

13、用。雖然，在本設(shè)計(jì)中所用的方案不是最好的，但我想其中的原理是最基本的；雖然其中可能出現(xiàn)的誤差會(huì)計(jì)較大些，但是是最經(jīng)濟(jì)的和實(shí)用的，我想在下去的一段時(shí)間里。最后，我要衷心的感謝老師給了我一次實(shí)踐的機(jī)會(huì)，讓我更加深刻地了解和認(rèn)識(shí)到了自己的優(yōu)點(diǎn)和不足，通過這個(gè)課程設(shè)計(jì)我發(fā)現(xiàn)了我好多知識(shí)都不熟悉甚至有的東西我根本就不知道，這讓我感到了要學(xué)習(xí)的東西還有很多很多。因此使我更堅(jiān)定了在以后的學(xué)習(xí)中要扎實(shí)好基礎(chǔ)，闊廣知識(shí)面。附錄 部分芯片功能參數(shù)表5.1 74LS9074LS90的引腳圖如下圖5.1所示： 圖5.1 .1 74LS90引腳圖74LS90的功能表74LS90計(jì)數(shù)器是一種中規(guī)模二一五進(jìn)制計(jì)數(shù)器，管腳引

14、線如下圖所示： 74LS90A 將輸出QA與輸入B相接，構(gòu)成8421BCD碼計(jì)數(shù)器；B 將輸出QD與輸入A相接，構(gòu)成5421BCD碼計(jì)數(shù)器；C 表中H為高電平、L為低電平、為不定狀態(tài)。74LS90計(jì)數(shù)器電路中，設(shè)有專用置“0”端R1、R2和置位（置“9”）端S1、S2。74LS90具有如下的五種基本工作方式：（1）五分頻：即由FD、FC、和FB組成的異步五進(jìn)制計(jì)數(shù)器工作方式。（2）十分頻（8421碼）：將QA與CK2聯(lián)接，可構(gòu)成8421碼十分頻電路。（3）六分頻：在十分頻（8421碼）的基礎(chǔ)上，將QB端接R1，QC端接R2。其計(jì)數(shù)順序?yàn)?00101，當(dāng)?shù)诹鶄€(gè)脈沖作用后，出現(xiàn)狀態(tài)QCQBQA=1

15、10，利用QBQC=11反饋到R1和R2的方式使電路置“0”。 （4） 九分頻：QAR1、QDR2，構(gòu)成原理同六分頻。（5）十分頻（5421碼）：將五進(jìn)制計(jì)數(shù)器的輸出端QD接二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的脈沖輸入端CK1，即可構(gòu)成5421碼十分頻工作方式。 此外，據(jù)功能表可知，構(gòu)成上述五種工作方式時(shí)，S1、S2端最少應(yīng)有一端接地；構(gòu)成五分頻和十分頻時(shí)，R1、R2端亦必須有一端接地。5.2 共陽極七段譯碼管 5.3 555定時(shí)器 555定時(shí)器（又稱時(shí)基電路）是一個(gè)模擬與數(shù)字混合型的集成電路。555定時(shí)器是一種應(yīng)用極為廣泛的中規(guī)模集成電路。該電路使用靈活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以構(gòu)成單穩(wěn)、多諧和施密特觸

16、發(fā)器。因而廣泛用于信號(hào)的產(chǎn)生、變換、控制與檢測(cè)。目前生產(chǎn)的定時(shí)器有雙極型和CMOS兩種類型，其型號(hào)分別有NE555(或5G555)和C7555等多種。它們的結(jié)構(gòu)及工作原理基本相同。通常，雙極型定時(shí)器具有較大的驅(qū)動(dòng)能力，而CMOS定時(shí)器具有低功耗、輸入阻抗高等優(yōu)點(diǎn)。555定時(shí)器工作的電源電壓很寬，并可承受較大的負(fù)載電流。雙極型定時(shí)器電源電壓范圍為516V，最大負(fù)載電流可達(dá)200mA；CMOS定時(shí)器電源電壓范圍為318V，最大負(fù)載電流在4mA以下。555定時(shí)器的引腳圖如下圖： 555定時(shí)器的內(nèi)部電路如下圖所示： 555定時(shí)器內(nèi)部電路圖上圖555定時(shí)器內(nèi)部組成框圖。它主要由兩個(gè)高精度電壓比較器A1、

17、A2，一個(gè)RS觸發(fā)器，一個(gè)放電三極管和三個(gè)5K電阻的分壓器而構(gòu)成。它的各個(gè)引腳功能如下：1腳：外接電源負(fù)端VSS或接地，一般情況下接地。8腳：外接電源VCC，雙極型時(shí)基電路VCC的范圍是4.5 16V，CMOS型時(shí)基電路VCC的范圍為3 18V。一般用5V。3腳：輸出端Vo2腳：低觸發(fā)端6腳：TH高觸發(fā)端4腳：是直接清零端。當(dāng)端接低電平，則時(shí)基電路不工作，此時(shí)不論、TH處于何電平，時(shí)基電路輸出為“0”，該端不用時(shí)應(yīng)接高電平。5腳：VC為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內(nèi)部?jī)蓚€(gè)比較器的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)該端不用時(shí)，應(yīng)將該端串入一只0.01F電容接地，以防引入干擾。7腳：放電端。該端與放電管集電極相

18、連，用做定時(shí)器時(shí)電容的放電。在1腳接地，5腳未外接電壓，兩個(gè)比較器A1、A2基準(zhǔn)電壓分別為的情況下，其功能如下表：清零端高觸發(fā)端TH低觸發(fā)端Qn+1放電管T功能00導(dǎo)通直接清零10導(dǎo)通置011截止置11Qn不變保持5.4 74LS0074LS00是常用的2輸入四與非門集成電路，他的作用很簡(jiǎn)單顧名思義就是實(shí)現(xiàn)一個(gè)與非門如下圖所示。74LS00的引腳功能如下圖所示：74LS00的引腳功能如下圖其真值表下圖所示： 5.5 74LS0474LS04是6非門（反相器），其工作電壓為5V，內(nèi)部含有6個(gè)COMS反相器。74LS04的作用就是反相把1變成0，平時(shí)在使用中注意不要把芯片的管腳順序弄錯(cuò)，下面是芯片

19、的管腳圖：芯片的管腳圖5.6 74LS20兩個(gè)4輸入與非門，內(nèi)含兩組4與非門第一組：1,2,4,5輸 入6輸出，第2組：9,10,12,13輸入8輸出。 其74LS20的引腳功能圖如下圖所示：5.7 74LS4774LS47是BCD-7段數(shù)碼管譯碼器/驅(qū)動(dòng)器，74LS47的功能用于將BCD碼轉(zhuǎn)化成數(shù)碼塊中的數(shù)字,通過它解碼，可以直接把數(shù)字轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管的顯示數(shù)字，從而簡(jiǎn)化了程序，節(jié)約了單片機(jī)的IO開銷。因此是一個(gè)非常好的芯片！但是由于目前從節(jié)約成本的角度考慮，此類芯片已較少用，大部份情況下都是用動(dòng)態(tài)掃描數(shù)碼管的形式來實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管顯示。74LS47譯碼器原理：譯碼為編碼的逆過程。它將編碼時(shí)賦予代碼的

20、含義“翻譯”過來。實(shí)現(xiàn)譯碼的邏輯電路成為譯碼器。譯碼器輸出與輸入代碼有唯一的對(duì)應(yīng)關(guān)系，74LS47是輸出低電平有效的七段字形譯碼器，它QA-QG在這里與數(shù)碼管a-f引腳相連配合使用。 74LS47LT()：試燈輸入，是為了檢查數(shù)碼管各段是否能正常發(fā)光而設(shè)置的。當(dāng)LT()=0時(shí)，無論輸入A3，A2，A1，A0為何種狀態(tài)，譯碼器輸出均為低電平，若驅(qū)動(dòng)的數(shù)碼管正常，是顯示8。BI()：滅燈輸入，是為控制多位數(shù)碼顯示的滅燈所設(shè)置的。BI()=0時(shí)。不論LT()和輸入A3，A2，A1，A0為何種狀態(tài)，譯碼器輸出均為高電平，使共陽極7段數(shù)碼管熄滅。RBI(-)：滅零輸入，它是為使不希望顯示的0熄滅而設(shè)定的。當(dāng)對(duì)每一位A3=A2=A1=A0=0時(shí)，本應(yīng)顯示0，但是在RBI(-)=0作用下，使譯碼器輸出全1。其結(jié)果和加入滅燈信號(hào)的結(jié)果一樣，將0熄滅。RBO()：滅零輸出，它和滅燈輸入BI()共用一端，兩者配合使用，可以實(shí)現(xiàn)多位數(shù)碼顯示的滅零控制。5.8 蜂鳴器(SOUNDER)蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、報(bào)警器、電子玩具、汽車電子設(shè)備、電話機(jī)、定時(shí)器等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。 Proteus ISIS軟件表示符 蜂鳴器5.9 開關(guān)開關(guān)的詞語解釋為開啟和關(guān)閉。它還是指