微電子實習課程設計-數(shù)字時鐘

1、微電子實習設計說明書設計題目：數(shù) 字 鐘姓 名：吳 志 強同 組 者：周 會 林 學 號：指導老師： 曹青松 周繼慧目錄第一節(jié) 系統(tǒng)概述-31.1 系統(tǒng)設計思路與總體方案-3第二節(jié) 單元電路設計與分析-52.1 振蕩器-5秒發(fā)生電路-5 振蕩器-62.2 計數(shù)器-7 六十進制計數(shù)器-7 十二進制計數(shù)器-92.3 顯示器-102.4 校時電路-112.5 整點報時電路-11第三節(jié) 電路的總體設計與調(diào)試-133.1 電路的總設計圖-133.2 調(diào)試中遇到的問題-14第四節(jié) 設計總結-16附錄 部分芯片及其控制元件功能參數(shù)表-17 5.1 74LS90-185.2 共陽極七段譯碼管-205.3 55

2、5定時器-215.4 74LS00-245.5 74LS04-255.6 74LS20-265.7 74LS47-275.8 蜂鳴器(SOUNDER) -285.9 開關-29第六節(jié) 數(shù)字鐘設計任務書-31參考文獻-32一系統(tǒng)概述數(shù)字電子鐘是由多塊數(shù)字集成電路構成的，其中有555定時器，校時電路，計數(shù)器，譯碼器和顯示器六部分組成。通過改變555定時系統(tǒng)中的電容大小發(fā)出標準秒信號發(fā)生器，不同進制的計數(shù)器產(chǎn)生計數(shù)，譯碼器和顯示器進行顯示，通過校時電路實現(xiàn)對時，分的校準，通過整點報時電路實現(xiàn)整點報時。1.1 統(tǒng)設計思路與總體方案 數(shù)字時鐘基本原理的邏輯框圖如下所示：譯碼器譯碼器譯碼器時計數(shù)器分計數(shù)器

3、秒計數(shù)器校時電路圖1.1 系統(tǒng)方框圖時顯示分顯示秒顯示振蕩器整點報時電路由上圖可以看出，555定時器組成的多諧振蕩器直接產(chǎn)生的信號秒脈沖，秒脈沖送入計數(shù)器，計數(shù)結果經(jīng)過“時”、“分”、“秒”，譯碼器，顯示器顯示時間。555定時器組成的多諧振蕩脈沖電路構成標準秒脈沖信號發(fā)生器，由不同進制的計數(shù)器，譯碼器和顯示電路組成計時系統(tǒng)。秒信號送入計數(shù)器進行計數(shù)，把累計的結果以“時”，“分”、“秒”的數(shù)字顯示出來?！皶r”顯示由12進制計數(shù)器，譯碼器，顯示器構成；“分”、“秒”顯示分別由六十進制的計數(shù)器，譯碼器，顯示器構成；校時電路實現(xiàn)對時，分的校準；整點報時電路實現(xiàn)整點前十秒開始進行報時報時聲音采用四高一低

4、。第二節(jié)單元電路設計與分析由圖1.1的系統(tǒng)圖知其由555定時器組成的多諧振蕩電路、計數(shù)器、譯碼器、顯示器、校正電路、整點報時電路組成。2.1 振蕩器秒發(fā)生電路秒發(fā)生電路-振蕩器是計時器的核心，振蕩器的穩(wěn)定度和頻率的精確度決定了計時器的準確度。一般來說，振蕩器的頻率越高，計時精度就越高，但耗電量將越大。所以，在設計電路時要根據(jù)需要而設計出最佳電路。圖2.1.1 秒發(fā)生電路圖vc由555組成的振蕩器，最高工作頻率可達300KHz，多諧振蕩器也稱無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，它沒有穩(wěn)定的狀態(tài)，同時毋需外加觸發(fā)脈沖，就能夠輸出一定頻率的矩形脈沖（自激振蕩）。因為矩形波含有豐富的諧波，故稱為多諧振蕩器。多諧振蕩器是常用

5、的一種矩形波發(fā)生器。觸發(fā)器和時序電路中的時鐘脈沖一般是由多諧振蕩器產(chǎn)生的。接通電源Ucc后，它經(jīng)R1和R2對電容C4充電，uc上升，當0uc13Ucc時，S =0， R =1時，將觸發(fā)器置1，引腳3輸出為高電平，當13Uccuc23Ucc時，S =1，R =1時，觸發(fā)器狀態(tài)保持不變，3引腳輸出的仍然是高電平。比較器C1的輸出上升到大于2/3VCC時，觸發(fā)器被復位，放電管T導通，此時v0為低電平，電容C1通過R2和T放電，使vC下降。當vC下降到小于1/3VCC時，觸發(fā)器被置位，v0翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器C1放電結束,所需的時間為： 當C1放電結束時，T截止，VCC將通過R1、R2向電容器C1充電

6、，vC由1/3VCC上升到2/3VCC所需的時為：當vC上升到2/3VCC時，觸發(fā)器又被復位發(fā)生翻轉(zhuǎn)，如此周而復始，在輸出端就得到一個周期性的方波，其頻率為 。 本設計中，由電路圖和f的公式可以算出，微調(diào)R3=47k左右，其輸出的頻率為f=1000Hz.振蕩器，除了可以由上一節(jié)介紹的除外，如果對精度有較高要求的話，還可以用石英晶體構成的振蕩器。當需要高精度時，采用更精確的石英晶體振蕩器，石英晶體振蕩器發(fā)出的頻率需要分頻，所以需要使用分頻電路。分頻的功能主要有兩個：一個是產(chǎn)生標準秒脈沖信號；二是提供功能擴展電路所需要的信號，如仿電臺報時用的1000Hz的高音頻信號和500Hz的低音頻信號等。在設

7、計中，由于振蕩器產(chǎn)生的信號頻率太高，要得到標準的秒信號，就需要對所得的信號進行分頻。所采用的分頻。10分電路圖2.2 計數(shù)器由圖1.1的方框圖可以清楚的看到，顯示“時”、“分”、“秒”需要6片中規(guī)模計數(shù)器；其中“秒”、“分”各為60進制計數(shù)，“時”為24進制計數(shù)。在本設計中均用74LS90來實現(xiàn)：“秒”計數(shù)器電路與“分”“秒”，“分”計數(shù)器。 十進制計數(shù)器 秒分計數(shù)器 由于74LS90是在時鐘的下降沿到來時計數(shù)的，所以Q3正好符合要求，在十秒內(nèi)只給出一個下降沿且與第10秒的下降沿正好對齊。Q2也只產(chǎn)生一個下降沿，但產(chǎn)生的時刻不對。這樣，個位和十位之間的進位信號就找到了，把個位的Q3（11端）接

8、到十位的CKA端（14端）上。用異步清零法實現(xiàn)，即從0“時” 2.3 顯示器解碼七段排列顯示器管腳圖如圖左上角是一個解碼七段排列顯示器，由其左邊7個腳輸入二進制數(shù)，就可顯示數(shù)字；而U7和U9是個譯碼器，和未解碼的七段顯示管也可以構成顯示器，連接如上面所示。2.4 校時電路校正電路圖2.5 整點報時電路當計時過程中想具有報時功能，當時間到達整點前10秒進行蜂鳴報時； 所謂整點報時電路就是只報時不報分。為了簡化電路，每當計到59分50時時開始報時，響一秒就停一下，正好響五次。前四次為低音，最后一響為高音。（1）報時開始信號計到59分50秒時，分和秒計數(shù)器的狀態(tài)如下：分十位：Q3Q2Q1Q0=010

9、1秒電路的十位中的Q2Q0相與作為開始報時的一個條件即可。第三節(jié) 電路的總體設計與調(diào)試3.1 電路的總設計圖 由第二節(jié)介紹的電路各個部分的子電路構成的各個部分的功能，再由第一節(jié)的數(shù)字時鐘的系統(tǒng)原理框圖，可以清楚的知道了總體的電路情況。下面圖3.1就是本設計的總體電路：圖3.1 總體電路圖由圖3.1可以看出和清楚的整個數(shù)字時鐘的總體工作原理和整個工作過程：由555和RC構成的振蕩器產(chǎn)生的1Hz的標準頻信號進入60進制的“秒”計時，“秒”進位后的分位進入60進制的“分”計時，最后，由“分”的進位后時位進入24進制的“時”計時。在電路中，還有由門電路和開關構成的校時電路對電路的“時”，“分”進行校時

10、，得到正確的時間。3.2 調(diào)試中遇到的問題在Proteus仿真成功后，原本以為連線會很輕松。但是，在實際連線中卻發(fā)現(xiàn)自己太樂觀了。在仿真中，我們采用的分模塊的連接方法。 首先在Proteus中555振蕩器組成的秒發(fā)生電路中5引腳可以產(chǎn)生秒脈沖波，但在實際連線中用示波器檢驗該電路根本發(fā)生不了波。之后我們經(jīng)過改變電阻。把原先的0.1uf的電容換成10uf的電容。實際電路才產(chǎn)生標準秒脈沖。在連接計數(shù)電路加顯示電路時，發(fā)出標準脈沖，但七段譯碼器就是不亮。我們先對74LS90從左到右從輸入到輸出用示波器依次檢驗引腳的是否正常接地或接5V正極。后面經(jīng)過示波器依電路從左到右，從脈沖輸入端沿計數(shù)器74LS90

11、發(fā)現(xiàn)該芯片的輸出引腳不能發(fā)出正常的方波。接著我們采用換芯片的方式，每個芯片的輸出方波都不一樣。7段數(shù)碼管各引腳之間的高低電平轉(zhuǎn)換相互之間會有影響。各芯片之間的高低電平轉(zhuǎn)換方式。答:電平是個電壓范圍，規(guī)定輸出高電平2.4V,輸出低電平=2.0V，輸入低電平=0.8V。有的74LS90芯片的輸出波雖然比較有規(guī)律符合我們需要的該引腳方波，但是電壓幅值是2V，按照TTL電路的高低電平轉(zhuǎn)換方式只能全部識別低電平。由于試好幾個芯片都不行，這時我該用了74LS160計數(shù)器芯片。但是也不能成功，該芯片輸出的方波也是不能產(chǎn)生正常的方波。第四節(jié) 設計總結通過本次設計，使我對已學過的電路、數(shù)電、模電等電子技術的知識

12、有了更深一步的了解，鍛煉和培養(yǎng)了自己利用已學知識來分析和解決實際問題的能力。對自己以后的學習和工作有很大的幫助。剛開始做這個設計的時候感覺自己什么都不知道怎么下手，腦子里比較浮躁和零亂。但通過一段時間的努力，通過重溫數(shù)電，模電等電子技術的書籍，還有通過查看相關的設計技術以及一些參考文獻，再加之在老師的指導和周圍同學的幫助下，使我對自己的本設計有了熟練的掌握。在整個的設計過程中我充滿了激情和用心。在這次的電子技術設計中用自己的雙手和滿腔的熱情來完成各個環(huán)節(jié)，不斷的在圖書管查看相關資料和期刊文獻，特別在Intern上也收收獲了很多新鮮的東西。這次設計更讓我熟悉了一些常用集成邏輯電路和其相應芯片的使

13、用。雖然，在本設計中所用的方案不是最好的，但我想其中的原理是最基本的；雖然其中可能出現(xiàn)的誤差會計較大些，但是是最經(jīng)濟的和實用的，我想在下去的一段時間里。最后，我要衷心的感謝老師給了我一次實踐的機會，讓我更加深刻地了解和認識到了自己的優(yōu)點和不足，通過這個課程設計我發(fā)現(xiàn)了我好多知識都不熟悉甚至有的東西我根本就不知道，這讓我感到了要學習的東西還有很多很多。因此使我更堅定了在以后的學習中要扎實好基礎，闊廣知識面。附錄 部分芯片功能參數(shù)表5.1 74LS9074LS90的引腳圖如下圖5.1所示： 圖5.1 .1 74LS90引腳圖74LS90的功能表74LS90計數(shù)器是一種中規(guī)模二一五進制計數(shù)器，管腳引

14、線如下圖所示： 74LS90A 將輸出QA與輸入B相接，構成8421BCD碼計數(shù)器；B 將輸出QD與輸入A相接，構成5421BCD碼計數(shù)器；C 表中H為高電平、L為低電平、為不定狀態(tài)。74LS90計數(shù)器電路中，設有專用置“0”端R1、R2和置位（置“9”）端S1、S2。74LS90具有如下的五種基本工作方式：（1）五分頻：即由FD、FC、和FB組成的異步五進制計數(shù)器工作方式。（2）十分頻（8421碼）：將QA與CK2聯(lián)接，可構成8421碼十分頻電路。（3）六分頻：在十分頻（8421碼）的基礎上，將QB端接R1，QC端接R2。其計數(shù)順序為000101，當?shù)诹鶄€脈沖作用后，出現(xiàn)狀態(tài)QCQBQA=1

15、10，利用QBQC=11反饋到R1和R2的方式使電路置“0”。 （4） 九分頻：QAR1、QDR2，構成原理同六分頻。（5）十分頻（5421碼）：將五進制計數(shù)器的輸出端QD接二進制計數(shù)器的脈沖輸入端CK1，即可構成5421碼十分頻工作方式。 此外，據(jù)功能表可知，構成上述五種工作方式時，S1、S2端最少應有一端接地；構成五分頻和十分頻時，R1、R2端亦必須有一端接地。5.2 共陽極七段譯碼管 5.3 555定時器 555定時器（又稱時基電路）是一個模擬與數(shù)字混合型的集成電路。555定時器是一種應用極為廣泛的中規(guī)模集成電路。該電路使用靈活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以構成單穩(wěn)、多諧和施密特觸

16、發(fā)器。因而廣泛用于信號的產(chǎn)生、變換、控制與檢測。目前生產(chǎn)的定時器有雙極型和CMOS兩種類型，其型號分別有NE555(或5G555)和C7555等多種。它們的結構及工作原理基本相同。通常，雙極型定時器具有較大的驅(qū)動能力，而CMOS定時器具有低功耗、輸入阻抗高等優(yōu)點。555定時器工作的電源電壓很寬，并可承受較大的負載電流。雙極型定時器電源電壓范圍為516V，最大負載電流可達200mA；CMOS定時器電源電壓范圍為318V，最大負載電流在4mA以下。555定時器的引腳圖如下圖： 555定時器的內(nèi)部電路如下圖所示： 555定時器內(nèi)部電路圖上圖555定時器內(nèi)部組成框圖。它主要由兩個高精度電壓比較器A1、

17、A2，一個RS觸發(fā)器，一個放電三極管和三個5K電阻的分壓器而構成。它的各個引腳功能如下：1腳：外接電源負端VSS或接地，一般情況下接地。8腳：外接電源VCC，雙極型時基電路VCC的范圍是4.5 16V，CMOS型時基電路VCC的范圍為3 18V。一般用5V。3腳：輸出端Vo2腳：低觸發(fā)端6腳：TH高觸發(fā)端4腳：是直接清零端。當端接低電平，則時基電路不工作，此時不論、TH處于何電平，時基電路輸出為“0”，該端不用時應接高電平。5腳：VC為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內(nèi)部兩個比較器的基準電壓，當該端不用時，應將該端串入一只0.01F電容接地，以防引入干擾。7腳：放電端。該端與放電管集電極相

18、連，用做定時器時電容的放電。在1腳接地，5腳未外接電壓，兩個比較器A1、A2基準電壓分別為的情況下，其功能如下表：清零端高觸發(fā)端TH低觸發(fā)端Qn+1放電管T功能00導通直接清零10導通置011截止置11Qn不變保持5.4 74LS0074LS00是常用的2輸入四與非門集成電路，他的作用很簡單顧名思義就是實現(xiàn)一個與非門如下圖所示。74LS00的引腳功能如下圖所示：74LS00的引腳功能如下圖其真值表下圖所示： 5.5 74LS0474LS04是6非門（反相器），其工作電壓為5V，內(nèi)部含有6個COMS反相器。74LS04的作用就是反相把1變成0，平時在使用中注意不要把芯片的管腳順序弄錯，下面是芯片

19、的管腳圖：芯片的管腳圖5.6 74LS20兩個4輸入與非門，內(nèi)含兩組4與非門第一組：1,2,4,5輸 入6輸出，第2組：9,10,12,13輸入8輸出。 其74LS20的引腳功能圖如下圖所示：5.7 74LS4774LS47是BCD-7段數(shù)碼管譯碼器/驅(qū)動器，74LS47的功能用于將BCD碼轉(zhuǎn)化成數(shù)碼塊中的數(shù)字,通過它解碼，可以直接把數(shù)字轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管的顯示數(shù)字，從而簡化了程序，節(jié)約了單片機的IO開銷。因此是一個非常好的芯片！但是由于目前從節(jié)約成本的角度考慮，此類芯片已較少用，大部份情況下都是用動態(tài)掃描數(shù)碼管的形式來實現(xiàn)數(shù)碼管顯示。74LS47譯碼器原理：譯碼為編碼的逆過程。它將編碼時賦予代碼的

20、含義“翻譯”過來。實現(xiàn)譯碼的邏輯電路成為譯碼器。譯碼器輸出與輸入代碼有唯一的對應關系，74LS47是輸出低電平有效的七段字形譯碼器，它QA-QG在這里與數(shù)碼管a-f引腳相連配合使用。 74LS47LT()：試燈輸入，是為了檢查數(shù)碼管各段是否能正常發(fā)光而設置的。當LT()=0時，無論輸入A3，A2，A1，A0為何種狀態(tài)，譯碼器輸出均為低電平，若驅(qū)動的數(shù)碼管正常，是顯示8。BI()：滅燈輸入，是為控制多位數(shù)碼顯示的滅燈所設置的。BI()=0時。不論LT()和輸入A3，A2，A1，A0為何種狀態(tài)，譯碼器輸出均為高電平，使共陽極7段數(shù)碼管熄滅。RBI(-)：滅零輸入，它是為使不希望顯示的0熄滅而設定的。當對每一位A3=A2=A1=A0=0時，本應顯示0，但是在RBI(-)=0作用下，使譯碼器輸出全1。其結果和加入滅燈信號的結果一樣，將0熄滅。RBO()：滅零輸出，它和滅燈輸入BI()共用一端，兩者配合使用，可以實現(xiàn)多位數(shù)碼顯示的滅零控制。5.8 蜂鳴器(SOUNDER)蜂鳴器是一種一體化結構的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應用于計算機、打印機、復印機、報警器、電子玩具、汽車電子設備、電話機、定時器等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。 Proteus ISIS軟件表示符 蜂鳴器5.9 開關開關的詞語解釋為開啟和關閉。它還是指