《數(shù)字電子技術項目教程》項目6 數(shù)字鐘的設計與制作

項目6數(shù)字鐘的設計與制作

6.1項目描述本項目制作的數(shù)字鐘是由計數(shù)器、分頻器、譯碼顯示器等組成，項目相關知識點主要有時序邏輯電路、計數(shù)器、寄存器等。項目要求項目制作的數(shù)字鐘要求信號發(fā)生電路產(chǎn)生穩(wěn)定的秒脈沖信號，作為數(shù)字鐘的計時基準；具有“時、分、秒”的十進制數(shù)字顯示；小時計時以一晝夜為一個周期(即24進制)，分和秒計時為60進制；具有校時功能，可在任何時候將其調(diào)至標準時間或者指定時間。6.2項目資訊

6.2.1時序邏輯電路的分析1．概述1）時序邏輯電路的特點時序邏輯電路由存儲電路和組合電路兩部分組成，而在時序邏輯電路中，任何時刻的輸出信號不僅取決于當時的輸入信號，而且還取決于電路原來的工作狀態(tài)，即與以前的輸入信號也有關系。時序邏輯電路功能的描述方法（1）邏輯表達式（2）狀態(tài)轉換表。（3）狀態(tài)轉換圖。（4）時序波形圖。

上述4種描述方法從不同側面突出了時序邏輯電路邏輯功能的特點，它們本質上是相通的，可以轉換。在實際分析、設計中，可以根據(jù)具體情況選用。2.時序邏輯電路的分析

分析時序邏輯電路一般按以下步驟進行1）寫出電路的方程組(1)時鐘方程。(2)驅動力程。（3）狀態(tài)方程。2）列出狀態(tài)表3）畫狀態(tài)轉換圖和時序波形圖4）說明電路的邏輯功能一般情況下，根據(jù)時序邏輯電路的狀態(tài)表或狀態(tài)圖就可以反映出電路的功能。但在實際應用中，若各個輸入、輸出信號有明確的物理含義時，常需要結合這些信號的物理含義，進一步說明電路的具體功能。6.2.2計數(shù)器

計數(shù)器種類按照觸發(fā)器是否同時翻轉分為同步計數(shù)器和異步計數(shù)器；按照計數(shù)順序的增、減，分為加計數(shù)器、減計數(shù)器，計數(shù)順序可增、可減稱為可逆計數(shù)器；按計數(shù)進制分為二進制計數(shù)器、十進制計數(shù)器、任意進制計數(shù)器。二進制計數(shù)器：按二進制運算規(guī)律進行計數(shù)的電路稱作二進制計數(shù)器。十進制計數(shù)器：按十進制運算規(guī)律進行計數(shù)的電路稱作十進制計數(shù)器。任意進制計數(shù)器：二進制計數(shù)器和十進制計數(shù)器之外的其他進制計數(shù)器統(tǒng)稱為任意進制1．二進制計數(shù)器

1）異步二進制計數(shù)器異步計數(shù)器各觸發(fā)器的狀態(tài)轉換與時鐘脈沖是異步工作的。異步計數(shù)器又稱串行進位計數(shù)器。（1）異步二進制加法計數(shù)器4位二進制加法計數(shù)器的工作波形D觸發(fā)器構成的上升沿觸發(fā)的4位異步二進制加法計數(shù)器（2）異步二進制減法計數(shù)器

由JK觸發(fā)器組成的4位二進制減法計數(shù)器的邏輯圖4位二進制減法計數(shù)器工作波形圖2）同步二進制計數(shù)器

（1）同步二進制加法計數(shù)器(2）同步二進制減法計數(shù)器2．十進制計數(shù)器

1）異步十進制加法計數(shù)器

十進制加法計數(shù)器時序圖

2）同步十進制加法計數(shù)器由JK觸發(fā)器組成的8421BCD碼同步十進制加法計數(shù)器的邏輯圖,用下降沿觸發(fā)。

3．集成計數(shù)器

1）集成同步二進制計數(shù)器74LS161和74LS1632）集成同步十進制計數(shù)器74LS160和74LS1626.2.3N進制計數(shù)器

反饋清零法

計數(shù)過程中，將某個中間狀態(tài)反饋到清零端，強行使計數(shù)器返回到0，再重新開始計數(shù)，可構成比原集成計數(shù)器模小的任意進制計數(shù)器。反饋清零法適用于有清零輸入的集成計數(shù)器，分為異步清零和同步清零兩種方法。(1)異步清零法在異步清零端有效時，不受時鐘脈沖及任何信號影響，直接使計數(shù)器清零，因而可采用瞬時過渡狀態(tài)作為清零信號。（2）同步清零法同步清零法必須在清零信號有效時，再來一個CP時鐘脈沖觸發(fā)沿，才能使觸發(fā)器清零。2反饋置數(shù)法

反饋置數(shù)法適用于具有預置數(shù)功能的集成計數(shù)器，對于具有同步置數(shù)功能的計數(shù)器，則與同步清零類似，即同步置數(shù)輸入端獲得置數(shù)有效信號后，計數(shù)器不能立刻置數(shù)，而是在下一個CP脈沖作用后，計數(shù)器才會被置數(shù)。對于具有異步置數(shù)功能的計數(shù)器，只要置數(shù)信號滿足(不需要脈沖CP作用)，就可立即置數(shù)，因此異步反饋置數(shù)法仍需瞬時過渡狀態(tài)作為置數(shù)信號。3）級聯(lián)法

級聯(lián)就是把兩個以上的集成計數(shù)器連接起來，從而獲得任意進制計數(shù)器。例如，可把一個N1進制計數(shù)器和一個N2進制計數(shù)器串聯(lián)起來構成N＝N1N2進制計數(shù)器。圖所示為由兩片74LS160級聯(lián)成100進制同步加法計數(shù)器。6.2.4寄存器

1．數(shù)碼寄存器數(shù)碼寄存器只供暫時存放數(shù)碼，可以根據(jù)需要將存放的數(shù)碼隨時取出參加運算或者進行數(shù)據(jù)處理。寄存器是由觸發(fā)器構成的，對于觸發(fā)器的選擇只要求它們具有置1、置0的功能即可。無論是用同步結構的RS觸發(fā)器、主從結構的觸發(fā)器，還是邊沿觸發(fā)結構的觸發(fā)器，都可以組成寄存器。D觸發(fā)器組成的4位集成數(shù)碼寄存器74LSl75的邏輯電路圖2．移位寄存器

單向移位寄存器雙向移位寄存器

6.3技能訓練集成計數(shù)器功能及應用測試

1）集成芯片74LS161功能測試（1）按測試電路圖6-32接好電路；（2）檢查電路接線無誤后，接通電源；（3）異步清零測試。將置低電平，即=0，改變、CTP、CTT、和CP的狀態(tài)，觀察Q3~Q0端LED發(fā)光情況的變化，LED燈亮為1。2）74LS161構成12進制計數(shù)器（1）按圖6-33連接電路；（2）檢查電路接線無誤后，接通電源；（3）依次從CP端輸入觸發(fā)脈沖（上升沿，0→1），觀察隨著CP端脈沖的變化，輸出端Q3~Q0的LED燈的變化。6.4項目實施

6.4.1項目分析1.電路組成小時十位顯示小時個位顯示分鐘十位顯示分鐘個位顯示秒十位顯示秒個位顯示二十四進制計數(shù)器六十進制計數(shù)器六十進制計數(shù)器秒信號發(fā)生電路小時校時分鐘校時秒校時2.電路原理1）秒信號發(fā)生電路秒信號發(fā)生電路產(chǎn)生1Hz的時間基準信號，數(shù)字鐘大多采用32768（215）Hz石英晶體振蕩器，經(jīng)過15級二分頻，獲得1Hz的秒脈沖，秒脈沖發(fā)生器電路如圖所示。2）計數(shù)器電路秒、分六十進制計數(shù)器秒、分計數(shù)器完全相同，將一片74LS160設計成十進制加法計數(shù)器，另一片設計成六進制加法計數(shù)器，當計數(shù)到59時，再來一個脈沖變成00，然后再重新開始計數(shù)。如圖所示。時進制數(shù)為二十四進制計數(shù)器3）譯碼、顯示電路4）校正電路（1）秒校正電路（2）分校正電路（3）時校正電路6.4.2項目制作

1）元器件的檢測（1）電阻、電容的檢測。使用萬用表歐姆檔根據(jù)測量阻值的方法判斷其好壞。（2）數(shù)字集成電路的檢測。安裝之前，先用萬用表非在路檢測，（3）晶振和分頻電路檢測。用示波器測量晶振的輸出信號波形和頻率是否正常2）連接電路（1）連接秒信號發(fā)生電路。（2）連接分、秒顯示電路。（3）連接時顯示電路。（4）連接秒、分、時校正電路。（5）將秒信號發(fā)生器，分、秒、時計數(shù)顯示電路，及秒、分、時校正電路連接起來，構成數(shù)字鐘電路。連接時，集成電路芯片插裝要認清方向，找準第一腳，所有IC的插入方向應保持一致。元件的連接應去除元件引腳氧化層。為檢查電路的方便，導線選用不同的顏色，一般習慣是正電源用紅線，負電源用藍線，地線用黑線，信號線用其它顏色的線。電路要布局合理，整齊美觀，便于調(diào)試和檢測故障。3）電路調(diào)試（1）秒信號發(fā)生電路的調(diào)試。測量晶體振蕩器的輸出頻率，調(diào)節(jié)微調(diào)電容C2，使振蕩器頻率為32768Hz，再測CD4060的Q4、Q5和Q6等腳的輸出頻率，檢查CD4060