數(shù)字定時控制器(4)

1、電子技術(shù)課程設(shè)計報告數(shù)字定時控制器姓名： 學(xué)號：班級：時間：一、設(shè)計要求1.設(shè)計一個具有數(shù)字鐘功能的數(shù)字定時控制器；2.計時顯示范圍要求自00時00分00秒到23時59分59秒；3.具有校時功能，可對小時、分、秒分別進行校準；4.要求預(yù)選時刻到達時被控對象連續(xù)響10秒，蜂鳴器在10秒內(nèi)斷續(xù)鳴叫5次，即響1秒停1秒。二、設(shè)計目的電子技術(shù)課程設(shè)計是繼數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)和模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)理論課、實驗課之后的重要的理論和實踐綜合設(shè)計環(huán)節(jié)。它的任務(wù)是在學(xué)生掌握和具備電子技術(shù)基礎(chǔ)知識和單元電路的設(shè)計能力之后，進一步學(xué)習(xí)電子電路系統(tǒng)的設(shè)計方法和實驗方法，進一步掌握EDA仿真設(shè)計工具，著重培養(yǎng)學(xué)生獨立分析問題和

2、解決問題的能力；為以后從事電子系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)應(yīng)用打好基礎(chǔ)。三、設(shè)計方案系統(tǒng)框圖如圖3-1所示圖3-1 數(shù)字定時控制器系統(tǒng)框圖1.秒脈沖發(fā)生器方案一：采用555定時器，直接與計算數(shù)值的電容、電阻等組合，搭接出一個秒脈沖發(fā)生電路。此方案的優(yōu)點是接線方便，只需要一塊芯片即可產(chǎn)生秒脈沖，電容、電阻等其他器件使用也較少；缺點是產(chǎn)生的秒脈沖具有較大的誤差，無法用來給數(shù)字時鐘進行相對精確的計時。方案二：使用32.768KHz的晶振作為基礎(chǔ)脈沖發(fā)生器，再通過CD4060芯片進行14分頻產(chǎn)生2Hz的脈沖，并進一步進行二分頻，最終得到1Hz的脈沖，即所需的秒脈沖。此方案的優(yōu)點是產(chǎn)生的秒脈沖很精確，能夠使數(shù)字時鐘進

3、行精確的計時；缺點是使用的芯片較多，接線相對復(fù)雜。經(jīng)過上述分析，雖然方案一中的電路設(shè)計相對簡單，對于一個接線復(fù)雜的系統(tǒng)，可以帶來一定程度的便利，但本設(shè)計對于設(shè)計的計時精度有較為高的要求，所以最終選取計時精度相對較高的方案二來設(shè)計秒脈沖發(fā)生器。設(shè)計電路如圖3-2所示。圖3-2 秒脈沖發(fā)生器電路圖2.計時電路方案一：采用74LS160的同步十進制計數(shù)器芯片首尾相連來搭接時、分、秒計時器。此方案的優(yōu)點是接線相對簡單，且邏輯關(guān)系也更為明顯，74LS160芯片自帶進位輸出端口Qcc，可以直接引出作為下一片的時序脈沖信號，且工作時S1、S2、LD恒接高電平，只需控制CR端口。方案二：采用74LS90的二-

4、五-十進制計數(shù)器首尾相連來搭接計時電路。此方案的優(yōu)點是其具有5421碼的計數(shù)方法，可以很好的進行四舍五入的計數(shù)，避免暫停帶來的誤差；缺點是連線相對復(fù)雜不少，尤其是芯片的4個輸出端分居芯片兩端，與數(shù)碼管的連線也變得更為復(fù)雜。經(jīng)過上述分析，雖然方案二中的74LS90芯片可以進行四舍五入的計數(shù)，但該芯片帶來的接線復(fù)雜程度是顯而易見的，在一個繁雜的電路中，在保證一定精度的情況下，還是優(yōu)先選擇接線更為簡單的方案一。設(shè)計電路如圖3-3所示。圖3-3 計時電路圖3.校時電路方案一：采用多開關(guān)和多個單脈沖發(fā)生電路來搭接電路，其中開光來控制電路的清零、運行和停止（進行校時），多個單脈沖發(fā)生電路分別產(chǎn)生對時、分、

5、秒的進位脈沖校時信號。此方案的優(yōu)點是思路較為清晰，邏輯較于簡單，便于連線的正確性；缺點是使用的開關(guān)數(shù)量太多，并不符合實際使用的需求。方案二:采用74LS175芯片搭接一個4位循環(huán)移位寄存器，依次產(chǎn)生1000、0100、0010、0001的循環(huán)輸出信號，分別對應(yīng)秒校時、分校時、時校時、運行（清零）的功能。其中前三位輸出Q1、Q2、Q3分別接三個兩輸入與門的一個輸入端，三個與門的另一個輸入端統(tǒng)一接入單脈沖發(fā)生電路的輸出信號，即時、分、秒共用一個校時進位脈沖信號，只是通過循環(huán)的高電平來確定對哪一位進行校時。此方案的優(yōu)點是使用的開關(guān)數(shù)量較少，可以很好的滿足實際的；需求；缺點是思路較為復(fù)雜，電路連線也較

6、為復(fù)雜。經(jīng)過上述的分析，雖然方案一對于簡化電路的連線有很大的幫助，但使用的開關(guān)數(shù)量實在太多，遠遠脫離了現(xiàn)實，很難讓人接受，故選擇只使用兩個開關(guān)的方案二來進行校時電路的設(shè)計。設(shè)計電路如圖3-4所示。圖3-4 校時電路圖4.時間預(yù)選矩陣電路（定時電路）方案一：采用74LS195四位移位寄存器來搭接定時電路，利用74LS195芯片的并行傳輸功能，使每片74LS195與計時電路中所使用的74LS160一一對接，并通過統(tǒng)一的脈沖控制，即可將計時器顯示的時間讀入定時電路中，以實現(xiàn)任意定時的功能。此方案的優(yōu)點是邏輯思路清晰，并且一一對應(yīng)的電路連接方法可以很好的簡化電路的連線復(fù)雜程度；缺點是74LS195芯片

7、本身的邏輯就相對復(fù)雜，需要較多的電路聯(lián)系以保證其正常工作。方案二：采用74LS373八位并行鎖存芯片來設(shè)計定時電路。此方案的優(yōu)點是一片74LS373可以同時與兩片74LS160對接，進一步減少芯片數(shù)量，簡化電路，同時自身的工作邏輯也較為簡單，只有ENG和OC兩個控制端，且實際控制中，ENG恒接高電平，只需控制OC端口即可。經(jīng)過上述的分析，相對于方案一而言，方案二具有更好的可是實現(xiàn)，并且對于簡化電路幫助很大，所以選擇方案二。設(shè)計電路如圖3-5所示。圖3-5 時間預(yù)選矩陣電路圖5.輸出控制電路（鬧鈴電路）方案一：針對設(shè)計任務(wù)中的要求預(yù)選時刻到達時被控對象連續(xù)響10秒，蜂鳴器在10秒內(nèi)斷續(xù)鳴叫5次，

8、即響1秒停1秒，可以十分巧妙的選用計時電路的秒脈沖來控制響一秒停一秒，并且選用秒的十位來控制鬧鈴的最終停止。此方案的優(yōu)點是極大的利用了已有的控制信號，可以很大程度上的簡化電路；缺點是并沒有實現(xiàn)模塊化的設(shè)計理念，對于后續(xù)要求的改動很難通過簡單的改動來滿足要求，不具有很強的實用性。方案二：利用CD4013雙D觸發(fā)器芯片和74LS160同步十進制芯片來搭接輸出控制電路。其中74LS160芯片利用其的十進制計數(shù)功能來控制鬧鈴的工作狀態(tài)，并使用其的最高位來觸發(fā)CD4013，以停止74LS160的計數(shù)。此方案的優(yōu)點是模塊化設(shè)計，便于電路的布局以及后續(xù)鬧鈴功能的改進；缺點是針對此實驗的設(shè)計要求而言，電路連線

9、相對復(fù)雜。經(jīng)過上述的分析，方案一雖然對于本實驗的設(shè)計要求而言具有電路連線簡單的優(yōu)點，但在講求模塊設(shè)計的當今時代，方案二更具有實用性，符合需求，所以選擇方案二。設(shè)計電路如圖3-6所示。圖3-6 輸出控制電路圖6.元器件清單數(shù)量型號數(shù)量型號774LS160D174LS00D174LS175D474LS08D57401N374LS86N41kOhm 電阻274LS373DW274LS04D474LS85D174LS27N1C4013BP174LS08D174LS02N174LS08J1C4060BD132.768kHz 晶振1C4013BD 四、設(shè)計分析1.EDA仿真分析系統(tǒng)仿真電路圖詳見附錄1電路

10、初始化：在仿真過程中，首先按下啟動開關(guān)，使電路初始化，然后撥動開關(guān)1調(diào)節(jié)電路的工作狀態(tài)，使其處于計時（清零）狀態(tài)，再使開關(guān)2置于高電平，使計數(shù)器清零。設(shè)置定時：撥動開關(guān)1，使其處于秒校時狀態(tài)，再撥動開關(guān)2對秒進行進位校時；秒校時完成后，撥動一下開關(guān)1，使其處于分校時狀態(tài)，再撥動開關(guān)2對分進行進位校時；分校時完成后，撥動開關(guān)2，使其處于時校時狀態(tài)，再撥動開關(guān)2對時進行時校時。調(diào)整完成后，撥動一下開關(guān)3，將設(shè)定好的時刻讀入74LS373并且鎖存。計時運行：撥動開關(guān)1，使其處于計時（清零）狀態(tài)，再使開關(guān)2置于高電平，是計數(shù)器清零，然后重復(fù)設(shè)置定時步驟中的校時操作，校準到當前時刻，然后將開關(guān)2置于低電

11、平，再撥動開關(guān)1，使其回到計時（清零）狀態(tài)，開始計時。鬧鈴工作：當電路計時到設(shè)定的定時時刻時，觸發(fā)鬧鈴模塊啟動，在響1秒停1秒的工作狀態(tài)中持續(xù)工作10秒后，鬧鈴模塊停止工作。通過上述的仿真分析，可以知道，設(shè)計電路能夠很好實現(xiàn)設(shè)計要求，并且具有較高的實用性。2.調(diào)試與結(jié)果分析1）硬件調(diào)試（1）秒脈沖發(fā)生器的調(diào)試 按電路布線圖連線，現(xiàn)用萬用表測量每個芯片接電源的引腳與接地引腳之間的電壓降，保證每一個芯片有能工作的條件。然后，可將輸出端接發(fā)光二極管，觀察發(fā)光二極管的現(xiàn)實情況，當發(fā)光二極管以1Hz的頻率閃亮?xí)r，則認為秒脈沖發(fā)生器調(diào)試成功。（2）計時電路的調(diào)試 按電路布線圖連線，計數(shù)器輸出接八段數(shù)碼管，

12、觀察在CP作用下CP為1Hz的狀態(tài)的變化情況，首先驗證秒各位是否為十進制計數(shù)器，并且在其由9跳變到0時，是否向秒十位進位，然后再驗證秒十位是否為6進制計數(shù)器，并且在其由5跳變到0時，是否向分個位位進位。以此類推，分別驗證分個位、分十位、時個位、時十位是否按預(yù)期工作。當期都按預(yù)期工作，計時顯示范圍要求自00時00分00秒到23時59分59秒時，則計時電路調(diào)試成功。（3）譯碼顯示的調(diào)試 按電路布線圖連線。將電路輸輸入接可預(yù)置減法計數(shù)器的輸出。先觀察顯示器是否發(fā)光，再觀察在計數(shù)器輸出的點位作用下譯碼器能否譯碼，然后驅(qū)動顯示器實現(xiàn)數(shù)字的秒變動。 （4）校時電路的調(diào)試 按電路布線圖連線， 先將74LS1

13、75芯片的4個輸出端分別接到一個二極管指示燈上，然后觸發(fā)單脈沖發(fā)生器，觀察在一定次數(shù)的單脈沖觸發(fā)之后，4個二極管是否處于一次循環(huán)點亮的狀態(tài)。如果是，這進一步將時、分、秒的校時輸出信號接入計時電路，分別測試其在計時（清零）狀態(tài)是否能夠?qū)崿F(xiàn)計時和清零的控制轉(zhuǎn)換，以及在時、分、秒的校時狀態(tài)是否能夠?qū)崿F(xiàn)校時功能。如果以上都能實現(xiàn)，則校時電路調(diào)試成功。（5）定時電路的調(diào)試按電路布線圖連線，然后將計時器的輸出依次接入定時電路模塊。隨后將計時電路校時到一個確定的時刻，然后再撥動定時電路的鎖存開關(guān)，觀察LED燈是否點亮，如果點亮，則定時電路調(diào)試成功。（6）鬧鈴電路的調(diào)試按電路布線圖連線，然后將秒脈沖發(fā)生器的輸

14、出接入鬧鈴電路模塊，再將單脈沖發(fā)生電路的輸出接入鬧鈴電路模塊。按動一次單脈沖發(fā)生電路，觀察鬧鈴電路工作指示燈是否點亮，如果點亮，則進一步觀察鬧鈴指示燈是否按照亮一秒暗一秒的工作狀態(tài)工作，如果是，再進一步觀察在工作十秒之后，鬧鈴電路工作指示燈是否熄滅，如果熄滅，則鬧鈴電路調(diào)試成功。2）問題分析（1）在電路的安裝與調(diào)試中，存在一個與EDA仿真結(jié)果不符合的地方，那就是74LS160同步十進制芯片，在進行EDA仿真時，直接將本片芯片Qcc接入下一片芯片的CP端，則在本片芯片由9跳變到0時，對下一片芯片實現(xiàn)進位；而在實際電路中，按照設(shè)計的電路接線后，發(fā)現(xiàn)在本片芯片由8跳變到9時，就已經(jīng)對下一片芯片進位。

15、經(jīng)分析，這一問題的存在可能是在EDA仿真中的芯片封裝與實際的芯片封裝存在不同的地方，在將Qcc經(jīng)過反相器再接入下一片芯片的CP端后，就能顧實現(xiàn)正常的進位。（2）在搭接實際的單脈沖發(fā)生電路時，并不能夠?qū)崿F(xiàn)完美的去抖動功能，這樣以來，就無法對電路進行精確控制，但一時也無法構(gòu)思出足夠優(yōu)良的去抖動電路，于是反其道而行之，就利用原始快關(guān)和一個現(xiàn)成的單脈沖發(fā)生器結(jié)合，通過開關(guān)的控制來決定此時單脈沖發(fā)生器是控制哪一部分，是控制校時電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，還是控制校時脈沖的輸出。五、總結(jié)與體會在此次為期一周的電子設(shè)計課程設(shè)計中，雖然也遇到了不少挫折，但也收獲了很多東西。首先是，在之前的正常教學(xué)中，我們在數(shù)電實驗中搭接的電路都是實驗書上現(xiàn)成的，我們所謂的實驗只是照著實驗書照葫蘆畫瓢，完全不去深究其中的原理，也并不去探究更好的電路設(shè)計方法。但此次課程設(shè)計，我們完全是親自設(shè)計一個電路，雖然是第一次，但在自己的設(shè)計過程中，翻閱了資料，也結(jié)合以前所學(xué)的知識，可以說在設(shè)計出一個完美電路的同時，也收獲了不少的電子設(shè)計的知識，可以說是獲益匪淺。而且，在此次的數(shù)電實驗中，我們采用了完全模塊化的設(shè)計理念，深切體會到了模塊化設(shè)計的優(yōu)秀之處，為我今后的設(shè)計奠定了一種理念基礎(chǔ)。最后，此次電路的搭接過程，我們充分考慮了電路的模塊化布局，雖然面對的是一個極其復(fù)雜的電路，但在精確