多功能集成電路數(shù)字鐘論文.doc

本文由fc7758258貢獻 doc文檔可能在WAP端瀏覽體驗不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機查看。 目錄摘要3 1 設(shè)計功能要求3 2 系統(tǒng)原理框圖3 3 方案設(shè)計與論證5 3.1 時間脈沖產(chǎn)生電路 5 3.2 分頻器電路 6 3.3 時間計數(shù)器電路 6 3.3.1 60 進制計數(shù)器 8 3.3.2 24 進制計數(shù)器 9 4 譯碼及驅(qū)動顯示單元電路 10 5 校時電路 11 6 報時電路 12 7 定時控制電路 13 8 完整電路 14 9 電路調(diào)試 14 10 電路特點及方案優(yōu)缺點15 11 心得與體會15 12 參考文獻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)實現(xiàn)時、分、秒 計時的裝置，與機械式時鐘 相比具有更高的準確性和直觀性，且無機械裝置，具有更更長的使用壽命，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展功 能兩部分。其中，基本功能部分的有準確計時，以數(shù)字形式顯示時、分、秒的時 間和校時功能。擴展功能部分則具有：定時控制、仿廣播電臺正點報時、自動報 整點時數(shù)的功能。數(shù)字鐘的電路也是由主體電路和擴展電路兩部分構(gòu)成，在電路 中，基本功能部分由主體電路實現(xiàn)，而擴展功能部電路實現(xiàn)。這兩部分都有一個 共同特點就是它們都要用到振蕩電路提供的 1Hz 脈沖信號。在計時出現(xiàn)誤差時 電路還可以進行校時和校分，為了使電路簡單所設(shè)計的電路不具備校秒的功能。 并且要用數(shù)碼管顯示時、分、秒，各位均為兩位顯示，擴展部分要有相應(yīng)的響應(yīng) 電路。分則由擴展。 1.設(shè)計功能要求 1. 設(shè)計功能要求 基本功能： （1）時的計時要求為 24 進制，分和秒的計時要求為 60 進制 （2）準確計時，以數(shù)字形式顯示時，分，秒的時間 （3）校正時間 擴展功能： （1）定時控制； （2）仿廣播電臺報時功能； （3）自動報整點時數(shù)； 2.系統(tǒng)原理框圖 2.系統(tǒng)原理框圖 對標準頻率（1HZ）進行計數(shù)的計數(shù)電路。由于計數(shù)的起始時間不可能與標 準時間（如北京時間）一致，故需要在電路上加一個校時電路，同時標準的 1HZ 時間信號必須做到準確穩(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)字鐘提供一個頻率穩(wěn)定的 1000z 的方波信號，可保證數(shù)字鐘的走時準確及穩(wěn)定。 分頻器電路：分頻器電路將 1000HZ 的高頻方波信號經(jīng)分頻后得到 1Hz 的 方波信號供秒計數(shù)器進行計數(shù)。分頻器實際上也就是計數(shù)器。 時間計數(shù)器電路：時間計數(shù)電路由秒個位和秒十位計數(shù)器、分個位和分十 位計數(shù)器及時個位和時十位計數(shù)器電路構(gòu)成，其中秒個位和秒十位計數(shù)器、分個 位和分十位計數(shù)器為 60 進制計數(shù)器，而根據(jù)設(shè)計要求，時個位和時十位計數(shù)器 為 24 進制計數(shù)器。 譯碼驅(qū)動電路： 譯碼驅(qū)動電路將計數(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。 整點報時電路：一般時鐘都應(yīng)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。 3.方案設(shè)計與論證 3.方案設(shè)計與論證 3.1 時間脈沖產(chǎn)生電路 時間脈沖產(chǎn)生電路 方案一：由集成電路定時器 555 與 RC 組成的多諧振蕩器作為時間標準信號 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) 字鐘計時的準確程度，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)生時間標準信號。因此，一般采用石英晶體振蕩器經(jīng)過分頻得到這一時間 脈沖信號。 用 555 組成的脈沖產(chǎn)生電路: 經(jīng)計算，當滑動變阻器阻值為 2.1K 時，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 分頻電路可得到標準的 1Hz 的脈沖輸出.R 的阻值,對于 TTL 門電路通常 在 0.72K 之間;對于 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)定的信號源。但綜合各方面 考慮，本設(shè)計采用方案一進行設(shè)計。 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 的秒信號輸入，需要對 振蕩器的輸出信號進行分頻。 分頻器的功能主要有兩個： 一是產(chǎn)生標準脈沖信號； 二是功能擴展電路所需的信號，如仿電臺用的 1KHz 的高頻信號和 500Hz 的低頻 信號等. 本設(shè)計選用 3 片中規(guī)模集成電路計數(shù)器 74LS90 可以完成上述功能。因每片 為 1/10 分頻，3 片級聯(lián)則可獲得所需要的頻率信號，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 時間計數(shù)器電路 計數(shù)器是一種計算輸入脈沖的時序邏輯網(wǎng)絡(luò)， 被計數(shù)的輸入信號就是時序網(wǎng) 絡(luò)的時鐘脈沖，它不僅可以計數(shù)而且還可以用來完成其他特定的邏輯功能，如測 量、定時控制、數(shù)字運算等等。 數(shù)字鐘的計數(shù)電路是用兩個六十進制計數(shù)電路和一個 24 進制計數(shù)電路實現(xiàn) 的。數(shù)字鐘的計數(shù)電路的設(shè)計可以用反饋清零法。當計數(shù)器正常計數(shù)時，反饋門 不起作用，只有當進位脈沖到來時，反饋信號將計數(shù)電路清零，實現(xiàn)相應(yīng)模的循 環(huán)計數(shù)。以六十進制為例，當計數(shù)器從 00，01，02，59 計數(shù)時，反饋門 不起作用，只有當?shù)?60 個秒脈沖到來時，反饋信號隨即將計數(shù)電路清零，實現(xiàn) 模為 60 的循環(huán)計數(shù)。 3.3.1 60 進制計數(shù)器 電路中，74LS92 作為十位計數(shù)器，在電路中采用六進制計數(shù)；74LS90 作為 個位計數(shù)器在電路中采用十進制計數(shù)。 74LS90 的 14 腳接振蕩電路的輸出脈沖 當 1Hz 時 74LS90 開始工作，它計時到 10 時向十位計數(shù)器 74LS92 進位。下面對電 路中所用的主要元件及功能介紹。 十進制計數(shù)器 74LS90 74LS90 是二五十進制計數(shù)器，它有兩個時鐘輸入端 CKA 和 CKB。其中， CKA 和 Q 0 組成一位二進制計數(shù)器；CKB 和 Q 3Q 2Q1 組成五進制計數(shù)器；若將 Q 0 與 CKB 相連接，時鐘脈沖從 CPA 輸入，則構(gòu)成了 8421BCD 碼十進制計數(shù)器。74LS90 有兩個清零端 R0（1） 、R0（2） ，兩個置 9 端 R9（1）和 R9（2） ，其 BCD 碼十進 制計數(shù)時序如表 1，二五混合進制計數(shù)時序如表 2，74LS90 的管腳圖如下圖。 表 1 BCD 碼十進制計數(shù)時序 CK 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 QD QC QB QA 表 2 二五混合進制計數(shù)時序 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 異步計數(shù)器 74LS92 所謂異步計數(shù)器是指計數(shù)器內(nèi)各觸發(fā)器的時鐘信號不是來自于同一外接輸 入時鐘信號，因而觸發(fā)器不是同時翻轉(zhuǎn)。這種計數(shù)器的計數(shù)速度慢。一異步計數(shù) 器 74LS92 是 二六十二進制計數(shù)器，即 CKA 和 Q 0 組成二進制計數(shù)器，CKB 和 Q 3Q 2Q1 在 74LS92 中為六進制計數(shù)器。當 CKB 和 Q 0 相連，時鐘脈沖從 CKA 輸 入，74LS92 構(gòu)成十六進制計數(shù)器。74LS92 的管腳圖如下圖。 60 進制計數(shù)器電路仿真如下圖： 3.3.2 24 進制計數(shù)器 設(shè)計方法與 60 進制計數(shù)器相同，采用 2 片 74LS90 即可以實現(xiàn)要求，基本電路如圖所示： 電路仿真如下： 4.譯碼及驅(qū)動顯示單元電路 4.譯碼及驅(qū)動顯示單元電路 譯碼電路的功能是將“秒”、“分”、“時”計數(shù)器的輸出代碼進行翻譯， 變成相應(yīng)的數(shù)字。用于驅(qū)動 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)動器，其輸出是 OC 門輸出且低電平有效，專用于驅(qū)動 LED 七段顯示數(shù)碼管。若將“秒”、“分”、“時”計數(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.校時電路 5.校時電路 方案一：通常，校正時間的方法是：首先截斷正常的計數(shù)通路，然后再進行人工 出觸發(fā)計數(shù)或?qū)㈩l率較高的方波信號加到需要校正的計數(shù)單元的輸入端， 校正好 后，再轉(zhuǎn)入正常計時狀態(tài)即可。根據(jù)要求，數(shù)字鐘應(yīng)具有分校正和時校正功能， 因此，應(yīng)截斷分個位和時個位的直接計數(shù)通路，并采用正常計時信號與校正信號 可以隨時切換的電路接入其中，并加入了 0.01uf 的電容來防抖動。即如圖所示： 方案二：如圖所示，直接在進位端加入一個開關(guān)脈沖，來實現(xiàn)校時。電路實現(xiàn)簡 單，且不會影響整體電路的正常運行。 綜合以上分析，本設(shè)計采用方案二來進行設(shè)計。 6.報時電路 6.報時電路 仿廣播電臺正點報時的功能要求是：每當數(shù)字鐘計時快要到正點時，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)束的時刻為正點時刻。 。 方案一：采用仿廣播臺整點報時的功能：每當數(shù)字鐘計時快要到正點時候發(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 刻為正點時刻。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)時間均為一秒。 方案二：方案二與方案一實現(xiàn)功能基本一致，電路略有不同。 7.定時控制電路 7. 定時控制電路 數(shù)字鐘在指定的時刻發(fā)出信號，或驅(qū)動音響電路“鬧時” ；或?qū)δ逞b置的電源進 行接通或斷開“控制” 。不管是鬧時還是控制，都要求時間準確，即信號的開始 時刻與持續(xù)時間必須滿足規(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 59 分發(fā)出鬧時信號，持 續(xù) 1 分鐘。設(shè)計如下： 7 時 59 分對應(yīng)數(shù)字鐘的時時個位計數(shù)器的狀態(tài)為 (Q 3Q 2Q1Q 0) H 1 = 0111 ， 分十 位 計 數(shù) 器 的 狀 態(tài) 為 (Q 3Q 2Q1Q 0) M 2 = 0101 ， 分 個 位 計 數(shù) 器 的 狀 態(tài) 為 (Q 3Q 2Q1Q 0) M 1 = 1001 ，若將上述計數(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 59 分響，持續(xù) 1 分鐘后（即 8 點）停響。所以鬧時控制信號 Z 的表達式為 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 為上午的信號輸出，要求 M=1。 如果用與非門實現(xiàn)的邏輯表達式為： 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 門的輸出端可以進行“線與” ，使用時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 為負載門 輸入端總個數(shù)。 取 RL=3.3K。如果控制 1KHz 高音和驅(qū)動音響電路的兩極與非門也采用 OC 門，則 RL 的值應(yīng)該重新計算。 由電路圖可以看見，上午 7 點 59 分，音響電路的晶體管導通，則揚聲器發(fā) 出 1KHz 的聲音。持續(xù) 1 分鐘到 8 點整晶體管因為輸入端為“0”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 1kHz 的方波脈沖，經(jīng)過分頻器分 頻成為 1Hz 的脈沖，送入計數(shù)器計數(shù)，計數(shù)器由一個 24 進制計數(shù)器和 2 個 60 進制計數(shù)器組成。 定時控制電路和整點報時電路的輸入信號都由計數(shù)器所產(chǎn)生的 計數(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)了很多細小的故障。比如元器件同名 導致仿真無法進行，元器件參數(shù)設(shè)置不當導致無法得出正確結(jié)果等。經(jīng)過細心的 調(diào)整和反復的調(diào)試，最終得到了理想的結(jié)果。 10.電路特點及方案的優(yōu)缺點 10.電路特點及方案的優(yōu)缺點 電路特點就是總體設(shè)計不算復雜，結(jié)構(gòu)比較簡單，很多分電路的原理及連線都基 本一樣。 電路實現(xiàn)起來也比較方便。 主要的缺點就是校時電路還有點遺留的問題， 即在校時過程中會產(chǎn)生干擾，使相對應(yīng)的分和秒