數(shù)電：電子時鐘的設(shè)計

電子時鐘的設(shè)計一、課程設(shè)計題目與要求根據(jù)數(shù)字電子技術(shù)所學(xué)理論和知識，進(jìn)行數(shù)字式電子時鐘的設(shè)計，具體要求如下：1、根本功能■設(shè)計一個分秒計數(shù)器，并具有譯碼顯示功能：其中時為24進(jìn)制，分秒為60進(jìn)制；■小時、分鐘及秒可手動校準(zhǔn)；■具有清理功能。2、擴(kuò)展功能■實現(xiàn)整點(diǎn)報時功能，要求報時聲響四低一高，報時聲響持續(xù)一秒，間隔一秒，最后一響結(jié)束位整點(diǎn)。3、按要求完成設(shè)計報告要求。二、設(shè)計目的通過完成設(shè)計，穩(wěn)固所學(xué)知識，鍛煉分析、解決問題能力，知識綜合應(yīng)用能力，也培養(yǎng)知識應(yīng)用于工程的意識。三、電路設(shè)計及其工作原理本電路共有五大模塊，分別是：秒脈沖發(fā)生器，秒六十進(jìn)制計數(shù)電路、分六十進(jìn)制計數(shù)點(diǎn)、時二十四進(jìn)制計數(shù)電路、手動校準(zhǔn)電路、整點(diǎn)報時電路?，F(xiàn)把電路圖化整為零，分割成小塊，逐步分析：〔一〕、秒脈沖發(fā)生器秒脈沖發(fā)生器是電子時鐘的根本單元，由它產(chǎn)生時鐘的基準(zhǔn)信號，根據(jù)設(shè)計題目要求，此電子時鐘顯示時間最小單元為一秒，可見，基準(zhǔn)信號頻率應(yīng)為1HZ。參考課本可知，由555定時器做成的多謝振蕩器能產(chǎn)生穩(wěn)定的脈沖信號，故有如下設(shè)計：秒脈沖發(fā)生器邏輯電路圖：其中555時基電路的部等效電路可簡化為如圖(如下)所示的等效功能電路，顯然，555電路含兩個比擬器C1和C2、一個觸發(fā)器、一個驅(qū)動器和一個放電晶體管。兩個比擬器分別被電阻R1、R2和R3構(gòu)成的分壓器設(shè)定的?Vcc和?Vcc。參考電壓所限定。為進(jìn)一步理解其電路功能，并靈活應(yīng)用555集成塊，下面簡要說明其作用機(jī)理。從圖中可見，三個5kΩ電阻組成的分壓器，使部的兩個比擬器構(gòu)成一個電平觸發(fā)器，上觸發(fā)電平為?Vcc，下觸發(fā)電平為?Vcc。在5腳控制端外接一個參考電源Vco，可以改變上、下觸發(fā)電平值。比擬器Cl的輸出同或非門l的輸入端相接，比擬器C2的輸出端接到或非門2的輸入端。由于由兩個或非門組成的RS觸發(fā)器必須用負(fù)極極性信號觸發(fā)，因此，加到比擬器Cl同相端6腳的觸發(fā)信號，只有當(dāng)電位高于反相端5腳的電位時，RS觸發(fā)器才翻轉(zhuǎn)；而加到比擬器C2反相端2腳的觸發(fā)信號，只有當(dāng)電位低于C2同相端的電位?Vcc時，RS觸發(fā)器才翻轉(zhuǎn)。通過上面對等效功能電路和CA555時基電路的部等效電路的分析，可得出555各功能端的真值表。555定時器部電路圖：555電路引腳功能：其工作原理如下：①接通電源后，Vcc經(jīng)R1、R2給電容C充電。由于電容上電壓不能躍變，電源剛接通時，電容C上的電壓小于1/3Vcc,TRI(2端)和THR(6端)電平小于1/3Vcc,555定時器部比擬器C1輸出高電平，C2輸出低電平，即RD=1,SD=0,根本觸發(fā)器置1，輸出端輸出端OUT(3端)為高電平，同時部晶體管TD截止，此時電容繼續(xù)充電。②當(dāng)電容C電壓到達(dá)1/3Vcc時，C1,C2均輸出高電平，RS觸發(fā)器保持原狀態(tài)，輸出端OUT(3端)為高電平電容C繼續(xù)充電。③當(dāng)電容C上電壓到達(dá)2/3Vcc時，C1輸出低電平，C2輸出高電平，觸發(fā)器置零，此時555定時器部晶體管TD導(dǎo)通，輸出端輸出端OUT(3端)為低電平，DIS(7端)接地，電容C通過R2、晶體管放電，其放電時間T1=0.7*R2C。④當(dāng)電容放電直至其電壓Vc降低到1/3Vcc時，由于TRI(2端)和THR(6端)電平略小于1/3Vcc，導(dǎo)致C1輸出高電平，C2輸出低電平，RD=1,SD=0,根本觸發(fā)器置1，輸出端 Q為高電平，同時部晶體管TD截止，此時電容又重復(fù)充電。⑤如此反復(fù)，電容C反復(fù)充放電，于是在OUT(3端)輸出一個脈沖波。由電容C的充電時間T2=0.7*(R1+R2)C與放電時間T1=0.7*R2C可以計算出該脈沖的周期T=0.7*(2*R1+R2)C。下面是便是Vc和輸出端OUT(3端)電平的波形：把元件參數(shù)帶入周期公式，可求出該輸出脈沖的周期恰好是一秒?！捕场⒚胗嫊r六十進(jìn)制電路該電路模塊使用了兩塊74160集成芯片，用于顯示秒的高位和低位，下面是芯片74160的功能表：該模塊邏輯電路圖如下:電路分析如下：①低位芯片由于清零功能端CLR’、預(yù)置端LOAD、使能端ENP、ENT端接高電平，所以該低位芯片計數(shù)，一個上升沿到來計數(shù)就加一，當(dāng)計數(shù)到達(dá)九時，進(jìn)位端RCO為一，但這時高位片不能馬上計數(shù)，需待下一個上升沿才能進(jìn)位，所以運(yùn)用到了圖中偏右的D觸發(fā)器。其作用是讓RCO端輸出的信號延遲一秒鐘，即讓低位片從九跳變?yōu)榱銜r的一瞬間讓高位片進(jìn)一位。②高位芯片當(dāng)?shù)臀话l(fā)出的進(jìn)位脈沖到來時，高位片計數(shù)，圖中偏右的的與非門輸入端為高位片的QC與QA，其作用是使高位片輸出為0101〔即5〕時，使預(yù)置端為0，此時，由于同步置數(shù)的原因，狀態(tài)5能保持一個進(jìn)位脈沖，當(dāng)顯示為59時，過一秒，進(jìn)位脈沖到來時，QD、QC、QB、QA就同步置數(shù)為0。③秒進(jìn)分脈沖圖中偏左的與門作用是當(dāng)顯示為59時，使偏左的D觸發(fā)器輸入為一，同時，該觸發(fā)器使輸出延遲一秒，即在顯示從59跳變?yōu)?0時進(jìn)位脈沖才能輸入到分六十進(jìn)制計時模塊?！踩场⒎钟嫊r六十進(jìn)制電路該電路原理與秒計時六十進(jìn)制電路原理一致，不再贅述?！菜摹场⑿r二十四進(jìn)制計數(shù)電路該電路使用的也是兩塊74160芯片，分別用于顯示小時的高位和地位，由于該電路有至24時異步清零的功能，所以其原理與秒、分計時器略有不同，該模塊邏輯電路圖如下：①計數(shù)當(dāng)小時進(jìn)位脈沖到來時，低位片開始計數(shù)，在低位顯示為1到8時由于和高位片使能端ENP、ENT的低位RCO端為0，所以此時不允許高位片計數(shù)，當(dāng)?shù)臀伙@示為9時，RCO輸出為1，此時，高位片開始允許計數(shù)，但要等到下一個脈沖，于是在低位片從9跳變?yōu)?時，高位片也計數(shù)一次，但又馬上停止計數(shù)。②清零當(dāng)邏輯變?yōu)?4的一瞬間時，高位片的QB為1，低位片QC為1，經(jīng)過邏輯與非后，輸入到高位和地位的異步清零端CLR’，由于異步清零非常迅速，所以狀態(tài)24是非常短暫的，也即狀態(tài)24與狀態(tài)00完全重合，故實現(xiàn)了24進(jìn)制?！参濉场⑹謩有?zhǔn)電路該模塊很簡單，由幾個簡單的邏輯門和數(shù)個開關(guān)機(jī)及電源構(gòu)成，其邏輯電路圖如下：圖中偏下的開關(guān)閉合用于產(chǎn)生手動校準(zhǔn)脈沖信號，偏上的開關(guān)用于選擇計時脈沖或手動校準(zhǔn)脈沖，該電路圖的邏輯表達(dá)式為CP=M*CP1+M`*CP2，當(dāng)其閉合時，計時脈沖被屏蔽，輸出為校準(zhǔn)脈沖信號，當(dāng)其斷開時，校準(zhǔn)脈沖信號被屏蔽，輸出為計時脈沖。該課程設(shè)計中使用了三個這樣的電路，分別用于校準(zhǔn)時分秒。以下便是調(diào)校出來的時間：〔六〕、整點(diǎn)報時電路該電路設(shè)計簡單，只用到了一個D觸發(fā)器，一個與門，一個或門和一個燈泡。當(dāng)時進(jìn)位脈沖到來時或門輸出為上升沿，D觸發(fā)器D輸入端為高電平，于是觸發(fā)器狀態(tài)置為1，燈泡亮，時進(jìn)位脈沖結(jié)束后，D輸入端為0，但由于暫時沒有上升沿到來，觸發(fā)器保持原狀態(tài)，燈泡持續(xù)明亮。當(dāng)秒位跳變?yōu)?3時，由于QA、QB都為1，于是在與門輸出端產(chǎn)生一個脈沖，也就是D觸發(fā)器迎來第二個上升沿，但此時由于沒有時進(jìn)位脈沖，觸發(fā)器D輸入端電平為低，所以此時觸發(fā)器置零，燈泡滅，可見，燈泡正好在整點(diǎn)事亮了2秒鐘。綜上可見，該課程設(shè)計完成了時分秒顯示、手動校準(zhǔn)的根本功能和整點(diǎn)報時的拓展功能。需要指出的是，手動校準(zhǔn)便有數(shù)據(jù)清零的功能。四、元件明細(xì)表集成芯片門電路觸發(fā)器雜項555定時器74160計數(shù)器與門或門非門與非門D觸發(fā)器燈泡開關(guān)電源電容電阻1個6片9個4個3個3個5個1個6個5V電源假設(shè)干2個2個五、設(shè)計總結(jié)在電路設(shè)計中，我遇到了很多問題，總是有那樣這樣的問題，不過老師給予我們很多的指導(dǎo)和啟迪，比方說我在設(shè)計秒顯示六十進(jìn)制模塊時，低位的秒跳到9就進(jìn)1了，這是因為高位的脈沖直接取自低位的RCO進(jìn)位端，當(dāng)?shù)臀粸?時，高位片就受到一個上升沿，就計數(shù)了。但如果把低位片的進(jìn)位條件改成0000的話，雖然解決的到9就進(jìn)位的問題，但隨之帶來的問題是，電路一開始運(yùn)行，變顯示的是10。所以這樣是行不通的。后來聽到老師說延時這個詞，我想到觸發(fā)器有這個功能，于是試著用不同的觸發(fā)器來延遲進(jìn)位信號1秒鐘，果然，通過不斷嘗試我用D觸發(fā)器實現(xiàn)了這個功能。后來在設(shè)計小時24進(jìn)制電路的時候，也遇到了不能正常清零的功能，我開始使用的是74160計數(shù)器同步置數(shù)的這個功能，但當(dāng)跑到23時，雖然低位能清零，但高位還是2，開始始終想不通，為什么電路會在20到23直接循環(huán)，后來我參考同學(xué)的電路后，才發(fā)現(xiàn)，原來雖然同步置數(shù)LOAD端在低位清零時時0，但由于高位此時并沒有上升沿到來，所以高位是置0不了的！這樣的問題