數(shù)字電路設計 (數(shù)字鐘)

1、 2009級電氣工程及其自動化 20112012學年度第一學期 電子課程設計指導書 總 體 設 計 步 驟1下達任務書：第15周周五；2分析題意并查資料，確定方案：要求必須在第15周六、周日兩天完成。3方案討論會：第16周周一全天進行。1）由老師組織，全班同學都參加，小組負責人講述10分鐘；2）其他同學作補充，其他同學也可提出解決的想法及關鍵問題5分鐘；3）最后由老師敲定方案5分鐘）。4方案確定并進行相關元器件的計算、選型，并列出元器件清單：第16周周二完成；5購買相關元器件：第16周周三（老師購買元器件，學生對設計方案進行仿真，并畫出布線圖，為寫報告做準備。）6在17周周二前完成單元電路調(diào)試

2、，同時完成電路PCB的設計與制作，不愿意制作PCB板的小組，在購買的實驗電路板上完成電路的焊接。7進行系統(tǒng)調(diào)試，直到達到任務書全部要求：第17周周三前必須完成；8編寫課程設計報告：第17周周四前完成；9上交課程設計報告，并進行簡單的答辯：第16周周五進行。 指導教師:宰文姣 2011-12-18 數(shù)字鐘的設計1 設計要求： 數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術實現(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，其中包括了組合邏輯電路和時序電路。設計與制做數(shù)字鐘就是為了了解數(shù)字鐘的原理，從而學會

3、制作數(shù)字鐘。而且通過數(shù)字鐘的制作進一步的了解各種在制作中用到的中小規(guī)模集成電路的作用及實用方法.且由于數(shù)字鐘包括組合邏輯電路和時序電路.通過它可以進一步學習與掌握各種組合邏輯電路與時序電路的原理與使用方法.要求功能：能進行正常的分、秒計時功能，分別由4個數(shù)碼管顯示60分鐘，60秒鐘的計數(shù)器顯示。2 題目分析： 1.計數(shù)器 有了時間標準“秒”信號以后，就可以根據(jù)60秒為一分鐘、60分為一小時的計數(shù)周期，分別組成兩個60進制計數(shù)器，將這些計數(shù)器適當連接，就可以構成秒、分的計數(shù)，實現(xiàn)計時功能。 2.譯碼和數(shù)碼顯示電路譯碼和數(shù)碼顯示電路是將數(shù)字鐘的計時狀態(tài)直觀清晰地顯示出來，被人們的視覺器官所接受。顯

4、示器件選用七段數(shù)碼管。3 總體方案：所需元件器材等清單：1.555定時器1片2.74HC47集成塊6片3.74HC393集成塊6片4.74HC20集成塊6片5.CD40192集成塊6片6.共陽極7段數(shù)碼管6個7.電路焊接板1塊8.0.01電解電容3個9.10k、100k、150k、200k若干及其他電阻10.單股線11.鑷子12.剪刀13.斜口鉗設計方案圖形如下：（注：小時計數(shù)功能暫時不需） 數(shù)字鐘原理方框圖十位個位十位個位十位個位譯碼譯碼譯碼譯碼譯碼譯碼六進制 十進制六十進制六進制 十進制六十進制二十四進制555定時器顯示部分譯碼部分計數(shù)部分秒基準信號4 原理圖設計： 1. 555定時器 5

5、55定時器是一種集模擬、數(shù)字于一體的中規(guī)模集成電路，其應用極為廣泛。555定時器內(nèi)部結構如圖1所示。它由分壓器、兩個電壓比較器、基本SR觸發(fā)器、晶體管及緩沖器 組成。1腳是接地端GND，2腳是低電平觸發(fā)端（也稱觸發(fā)端），3腳是輸出端OUT，4腳是復位端ft，5腳是電 壓控制端，6腳是高電平觸發(fā)端（也稱閾值端），7腳是放電端，8腳是電源端VCC。555定時器功能表見圖2，其中4腳RD，為復位端，當RD為低電平時，不管其他輸人端的狀態(tài)如何，輸出 Uo為低電平。只有當RD為高電平時，輸出的狀態(tài)將由2腳低電平觸發(fā)端和6腳高電平觸發(fā)端電壓的大小來決 定，因此，在正常工作時，應將4腳接高電平。當

6、uil(2/3)Vcc,u2(1/3)Vcc時，放電晶體管VT截止，輸出端仍為高電平。當uil(2/3)Vcc,ui2(1/3)Vcc時，放電晶體管VT導通，輸出端uo為低電平。當uil(2/3)Vcc,ui2(1/3)Vcc時，電路亦保持原狀態(tài)不變。如果在電壓控制端（5腳）施加一個外加電壓（其值在0Vcc之間），比較器的參考電壓將發(fā)生變化，電路相應的閾值、觸發(fā)電平也將隨之變化， 進而影響電路的工作狀態(tài)。 圖1 555定時器內(nèi)部結構 圖2 555定時器功能表 2.74HC47芯片集成電路譯碼器之引腳圖如下圖。在正常操作時，當輸入DCBA=0010 則輸出abcdefg=0010010。故使顯示

7、器顯示"2"。 當輸入DCBA=0110 時，輸出abcdeg=1100000，顯示器顯示"6。在7447 中尚有LT、RBI 與BI/RBO 之控制腳，其功能分述如下:該電路是由與非門、輸入緩沖器和7 個與或非門組成的BCD-7 段譯碼器/驅(qū)動器。通常是低電平有效，高的灌入電流的輸出可直接驅(qū)動顯示器。7 個與非門和一個驅(qū)動器成對連接，以產(chǎn)生可用的BCD 數(shù)據(jù)及其補碼至7 個與或非譯碼門。剩下的與非門和3 個輸入緩沖器作為試燈輸入（LT）端、滅燈輸入/動態(tài)滅燈輸出(BI/RBO)端及動態(tài)滅燈輸入(RBI )端。該電路接受4 位二進制編碼十進制數(shù)（BCD）輸入并借助

8、于輔助輸入端狀態(tài)將輸入數(shù)據(jù)譯碼后去驅(qū)動一個七段顯示器。輸出結構設計成能承受7 段顯示所需要的相當高的電壓。驅(qū)動顯示器各段所需的高達24mA 的電流可以由其高性能的輸出晶體管來直接提供。BCD 輸入計數(shù)9 以上的顯示圖案是鑒定輸入條件的唯一信號。該電路有自動前、后沿滅零控制（RBI和RBO）。試燈（LT）可在端處在高電平的任何時刻去進行，該電路還含有一個滅燈輸入（BI），它用來控制燈的亮度或禁止輸出。該電路在應用中可以驅(qū)動共陽極的發(fā)光二極管或直接驅(qū)動白熾燈指示器。74HC47之輸出系為驅(qū)動器設計，其邏輯0 之吸入電流高達40mA，故在使用必須加入400 左右電阻加以限流，以免過大電流流經(jīng)LED

9、而燒毀顯示器。 3.74HC393芯片：雙 4 位二進制計數(shù)器（異步清零） 簡要說明:實現(xiàn)對555產(chǎn)生的頻率分頻的作用393為兩個4位二進制計數(shù)器，異步清零端（1clear,2clear）為高電平時，不管時鐘端 1A，2A 狀態(tài)如何，即可以完成清除功能。當 1clear,2clear 為低電平時，在 1A,2A 脈沖下降沿作用下進行計數(shù)操作。引出端符號：1A、2A 時鐘輸入端（下降沿有效）1clear,2clear 異步清零端1Qa1Qd、2Qa2Qb 輸出端外接管腳圖： 4.74HC20芯片 74HC20是常用的雙4輸入與非門集成電路。74HC20芯片包含兩個4輸入與非門，內(nèi)含兩組4與非門

10、第一組：1,2,4,5輸入6輸出。 第2組：9,10,12,13輸入8輸出。 74LS20功能表 A B C D Y 1 1 1 1 0 0 X X X 1 X 0 X X 1 X X 0 X 1 X X X 0 15. CD40192芯片 CD40192是同步十進制可逆計數(shù)器，具有雙時鐘輸入，并具有清除和置數(shù)等功能，其引腳排列及邏輯符號，如圖所示。CD40192的功能見表，說明如下：當清除端CR為高電平“1”時，計數(shù)器直接清零；CR置低電平則執(zhí)行其他功能。當CR為低電平，置數(shù)端 也為低電平時，數(shù)據(jù)直接從置數(shù)端J1、J2、J3、J4 置入計數(shù)器。    

11、     CD40192 引腳圖引腳功能：圖中：LD （11腳） 置數(shù)端 CU(5腳) 加計數(shù)端 CD(4腳) 減計數(shù)端  C0 （12腳）非同步進位輸出端 B0 （13腳）非同步借位輸出端。838電子J1、J2、J3、J4 計數(shù)器輸入端. Q1、Q2、Q3、Q4 數(shù)據(jù)輸出端 CR（14腳） 清除端當CR為低電平， LD 為高電平時，執(zhí)行計數(shù)功能。執(zhí)行加計數(shù)時，減計數(shù)端CD 接高電平，計數(shù)脈沖由CU輸入；在計數(shù)脈沖上升沿進行8421碼十進制加法計數(shù)。執(zhí)行減計數(shù)時，加計數(shù)端CU接高電平，計數(shù)脈沖由減計數(shù)端CPD輸入.表 CD40192功

12、能表輸    入輸     出CRLDCPUCPDJ4J3J2J1Q4Q3Q2Q11×××××××000000××dcbAdcba011××××加 法 計  數(shù)011××××減 法 計  數(shù) 5 各部分定性說明以及定量計算： 555定時器通過電阻和電容出來的頻率并非1hz，需要分頻。 R1 用100千歐,   

13、0;R2用560千歐, C用0.01uF 則555第3腳輸出的方波的周期 T=0.7（R1+2R2）C=0.00854 則方波頻率 F=1/T=1/0.00854=117Hz 此時先8分頻，再16分頻，即F=T/(16*8)=117/(16*8)Hz=0.91481265Hz,接近于1Hz此時則達到要求。6 在設計過程中遇到的問題及排除措施： 1.電源接通后，數(shù)碼管不顯示任何數(shù)值。經(jīng)檢查,數(shù)碼管地線沒焊接。把地線接上后，數(shù)碼管亮了。 2.數(shù)碼管顯示亂碼，不能正常工作。經(jīng)檢查，原因是沒弄清楚共陽極數(shù)碼管的各管腳，插反了。改正過后數(shù)碼管顯示數(shù)值了。 3.接上電源四個數(shù)碼管上的數(shù)字不停的變化，沒有什

14、么規(guī)律性，經(jīng)過分析，是因為頻率太快。我們又重新計算頻率，使輸出的頻率為1HZ。七設計心得體會： 通過這次對數(shù)字鐘的設計與制作，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，要設計一個電路總要先要模擬調(diào)試成功之后才實際接線的。但是最后的成品卻不一定與仿真時完全一樣，因為，再實際接線中有著各種各樣的條件制約著。而且，在仿真中無法成功的電路接法，在實際中因為芯片本身的特性而能夠成功。所以，在設計時應考慮兩者的差異，從中找出最適合的設計方法。 通過這次學習，讓我對各種電路都有了大概的了解，所以說，坐而言不如立而行，對于這些電路還是應該自己動手實際操作才會有深刻理解。參考文獻：（采用下面示例的格式） 1 康華光，數(shù)字電子技術基礎，北京：高等教育出版社，2008年1月。 2 郭榮佐，數(shù)字電子技術基礎，北京：科學出版社，2014年6月。實物制作成績（50分）課程設計報告成績（40分）答辯成績（10分