項(xiàng)目5：數(shù)字電子鐘的設(shè)計(jì)與制作

1、單元3：時(shí)鐘顯示電路的制作,單元2：分頻電路的制作,單元1：定時(shí)電路的設(shè)計(jì),單元4：時(shí)鐘校對(duì)電路的制作,項(xiàng)目5：數(shù)字電子鐘的設(shè)計(jì)與制作,單元5：100進(jìn)制計(jì)數(shù)器的制作與顯示,單元1：定時(shí)電路的設(shè)計(jì),概述,脈沖信號(hào),脈沖是脈動(dòng)和短促的意思，凡是具有不連續(xù)波形的信號(hào)均可稱(chēng)為脈沖信號(hào)。廣義講，各種非正弦信號(hào)都是脈沖信號(hào)。,(a)矩形波,(b)方波,在數(shù)字系統(tǒng)中常常需要用到各種幅度、寬度以及具有陡峭邊沿的矩形脈沖信號(hào)，如觸發(fā)器的時(shí)鐘脈沖（CP）。 獲取這些脈沖信號(hào)的方法通常有兩種： 脈沖產(chǎn)生電路直接產(chǎn)生； 利用已有的周期信號(hào)整形、變換得到。,脈沖信號(hào)的參數(shù),脈沖幅度,脈沖周期,脈沖寬度,上升時(shí)間,下降

2、時(shí)間,占空比D脈沖寬度與脈沖周期的比值，DtW/T 。,一、555定時(shí)器,555定時(shí)器是一種多用途的數(shù)字模擬混合集成電路，目前應(yīng)用十分廣泛。通常只需外接幾個(gè)阻容元件,就可以構(gòu)成各種不同用途的脈沖電路,如多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器以及施密特觸發(fā)器等。 555定時(shí)電路有TTL集成定時(shí)電路和CMOS集成定時(shí)電路,雙極型產(chǎn)品型號(hào)最后數(shù)碼為555，CMOS型產(chǎn)品型號(hào)最后數(shù)碼為7555。其功能和外部引腳排列完全相同。,1、555定時(shí)器的電路結(jié)構(gòu),（1）分壓器,電壓控制端,5腳懸空時(shí)， ， ；,5腳外接控制電壓UCO時(shí)， 。,注：當(dāng)5腳不加控制電壓時(shí)，通常經(jīng)過(guò)一個(gè)0.01F的電容接地，以抑制干擾。,（2）電壓

3、比較器,高觸發(fā)輸入端,低觸發(fā)輸入端,（3）基本RS觸發(fā)器,異步清零端,（4）放電三極管,VT是一個(gè)集電極開(kāi)路的放電三極管。,2、555定時(shí)器的功能,定時(shí)器的主要功能取決于兩個(gè)比較器輸出對(duì)RS觸發(fā)器和放電管VT狀態(tài)的控制。,555定時(shí)器功能表,5腳不接控制電壓，則 ， 。,二、 施密特觸發(fā)器,1、工作特性：,（1）具有兩個(gè)穩(wěn)態(tài)； （2）屬于電平觸發(fā)，緩慢變化的信號(hào)也可以作為輸入信號(hào)，當(dāng)輸入信號(hào)達(dá)到某一特定值時(shí)，輸出電平就發(fā)生突變； （3）輸入信號(hào)從低電平上升時(shí)，電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入電平，與輸入信號(hào)從高電平下降時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入轉(zhuǎn)換電平不同。,電壓傳輸特性,輸入信號(hào)上升時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換電平UT+ ，稱(chēng)為

4、正向閾值電壓； 輸入信號(hào)下降時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換電平 UT ，稱(chēng)為負(fù)向閾值電壓； 差值UUT+UT-，稱(chēng)為回差電壓。,反向輸出施密特觸發(fā)器,2、555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器,（1）電路結(jié)構(gòu)和邏輯符號(hào),施密特觸發(fā)器的特性和符號(hào)。 UT+ ：正向閾值電壓 UT-：負(fù)向閾值電壓 回差電壓: UH = UT+ - UT-,施密特觸發(fā)器 (a)反相輸出的傳輸特性 (b)反相輸出的符號(hào)圖 (C)同相輸出的傳輸特性.,綜之： 當(dāng)5腳不接控制電壓時(shí)， 當(dāng)5腳接控制電壓UCO時(shí)，比較電壓變?yōu)閁CO和（1/2）UCO，,（2）工作原理,(1)上升過(guò)程： 時(shí)，uO1； 時(shí)，uO保持不變； 時(shí)，輸出翻轉(zhuǎn)uO0。,(2)下降

5、過(guò)程： 時(shí)，uO0； 時(shí)，uO保持不變； 時(shí)，輸出翻轉(zhuǎn)uO1。,5腳經(jīng)過(guò)0.01F電容接地，則 ， 。,3、施密特觸發(fā)器的應(yīng)用,（1）波形變換,施密特觸發(fā)器可以將邊沿變化緩慢的周期性信號(hào)變換成邊沿陡峭的矩形脈沖信號(hào)。,（2）波形整形,施密特觸發(fā)器可以將不規(guī)則的波形整形為矩形波。,若適當(dāng)增大回差電壓，可提高電路的抗干擾能力。,利用施密特觸發(fā)器，從一串幅度不等的脈沖中，將幅度較大的信號(hào)鑒別出來(lái)，稱(chēng)為幅度鑒別，其波形如下圖示當(dāng)輸入脈沖幅度大于UT+時(shí)，有信號(hào)輸出，小于UT-時(shí)，無(wú)信號(hào)輸出,（3)幅度鑒別,從一系列幅度不同的脈沖信號(hào)中選出幅度大于正向閾值電壓UT+的輸入脈沖， 即對(duì)幅度進(jìn)行鑒別。,三、

6、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是一種只有一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的電路,它的另一個(gè)狀態(tài)是暫穩(wěn)態(tài)。在外加觸發(fā)脈沖作用下,電路能夠從穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)狀態(tài),經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后,靠電路自身的作用,將自動(dòng)返回到穩(wěn)定狀態(tài),并在輸出端獲得一個(gè)脈沖寬度為T(mén)w的矩形波。,由外界觸發(fā),自動(dòng)返回,1、工作特性：,（1） 它有穩(wěn)態(tài)和暫穩(wěn)態(tài)兩個(gè)不同的工作狀態(tài)； （2） 在外界觸發(fā)脈沖作用下，能從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)，在暫穩(wěn)態(tài)維持一段時(shí)間以后，電路能自動(dòng)返回穩(wěn)態(tài)； （3） 暫穩(wěn)態(tài)不能長(zhǎng)久保持，其維持時(shí)間的長(zhǎng)短取決于電路自身參數(shù)，與外界觸發(fā)脈沖無(wú)關(guān)。,2、555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,5腳經(jīng)過(guò)0.01F電容接地，則 ， 。,恢復(fù)期： VT導(dǎo)通

7、，電容C迅速放電，直到使uC0，電路又恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)。,暫穩(wěn)態(tài)： u2觸發(fā)脈沖下降沿到達(dá)時(shí)（ ），電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，uO1。當(dāng) 時(shí)，uO0，暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束。,（1）工作原理,穩(wěn)態(tài)： 無(wú)觸發(fā)信號(hào)時(shí)，uI為高電平。電容先充電后放電， 當(dāng)uC0時(shí)，電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)：uO0。,波形圖,電路對(duì)輸入觸發(fā)脈沖的寬度有一定要求，它必須小于tW。若輸入觸發(fā)脈沖寬度大于tW時(shí)，應(yīng)在u2輸入端加入微分電路。,因此可得,2.輸出脈沖寬度tW,輸出脈沖寬度tW是暫穩(wěn)態(tài)的停留時(shí)間，即電容C的電壓從0充電到 所需的時(shí)間。根據(jù)電容C的充電過(guò)程可知：,上式說(shuō)明：?jiǎn)畏€(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖寬度tW僅決定于定時(shí)元件R、C的取值，且成正比關(guān)系，而與輸入

8、觸發(fā)信號(hào)和電源電壓無(wú)關(guān)，因此調(diào)節(jié)R、C的大小，即可方便地改變tW。 矩形脈沖的周期與輸入的觸發(fā)信號(hào)周期相同。,2、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用,（1）脈沖整形,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器能夠把輸入的不規(guī)則脈沖信號(hào)uI，整形為具有一定幅度和一定寬度的標(biāo)準(zhǔn)矩形脈沖uO。uO的幅度取決于單穩(wěn)態(tài)電路輸出的高、低電平，寬度tW決定于定時(shí)元件R和C。,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的整形波形,（2）脈沖延時(shí),脈沖延時(shí)電路一般要用兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器完成。延時(shí)時(shí)間為tW1，它決定于第一級(jí)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的定時(shí)元件R和C。,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的延時(shí)波形,下圖(a)所示電路利用單穩(wěn)態(tài)電路的輸出uo作為其它電路的觸發(fā)信號(hào)。利用uo下降沿去觸發(fā)JK觸發(fā)器,實(shí)現(xiàn)單穩(wěn)態(tài)電路

9、的延時(shí)作用,由圖(b)可見(jiàn),uo的下降沿比輸入觸發(fā)信號(hào)ui的下降沿延遲了tw。因此，利用uo下降沿去觸發(fā)其它電路比用ui下降沿觸發(fā)時(shí)延遲了tw時(shí)間,（3)定時(shí),由于單穩(wěn)觸發(fā)器可產(chǎn)生寬度為tW的矩形脈沖，利用這個(gè)矩形脈沖去控制某電路使它在tW的時(shí)間內(nèi)動(dòng)作或不動(dòng)作，這就是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的定時(shí)作用。定時(shí)時(shí)間為tW，可通過(guò)調(diào)節(jié)定時(shí)元件R和C來(lái)調(diào)節(jié)定時(shí)時(shí)間。,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的定時(shí)波形,四、 多諧振蕩器,多諧振蕩器是一種常用的脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路。,1、工作特性：,（1） 無(wú)穩(wěn)態(tài)，具有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)； （2） 自激振蕩器在接通電源后，不需外加觸發(fā)信號(hào)，便能自動(dòng)產(chǎn)生矩形脈沖； （3）矩形波中除基波外，還含有豐富的高次諧

10、波故稱(chēng)為多諧振蕩器。,自動(dòng)觸發(fā),自動(dòng)返回,2、555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器,（1)電路結(jié)構(gòu),(2)工作原理,接通電源后，電容C來(lái)不及充電，uc0，則uO1(第一個(gè)暫穩(wěn)態(tài))，VT截止。這時(shí)Ucc經(jīng)R1和R2向C充電，當(dāng)充至uc2/3Ucc時(shí)，輸出翻轉(zhuǎn)uO0(第二個(gè)暫穩(wěn)態(tài))，VT導(dǎo)通；這時(shí)電容C經(jīng)R2和VT放電，當(dāng)降至uc1/3Ucc時(shí)，輸出翻轉(zhuǎn)uO1。,(3)參數(shù)的估算,電容充電時(shí)間T1：,電容放電時(shí)間T2：,電路振蕩周期T：,電路振蕩頻率f：,通過(guò)改變R、C的參數(shù)可改變振蕩周期和振蕩頻率。,輸出波形占空比D：,若R2R1，則D1/2，即輸出為對(duì)稱(chēng)方波。,（D50）,(4)改進(jìn)電路占空比可調(diào)的多

11、諧振蕩器,利用二極管的單向?qū)щ娦?，把電容C充電和放電回路隔離開(kāi)來(lái)，再加上一個(gè)可調(diào)電位器RW，便可構(gòu)成占空比可調(diào)的多諧振蕩器。,電容充電時(shí)間T1： T10.7R1C,電容放電時(shí)間T2： T20.7R2C,輸出波形占空比D：,電路振蕩周期T： TT1+T20.7(R1+R2)C,若R1=R2，則D=50%。,(5)555定時(shí)器構(gòu)成的振蕩器應(yīng)用實(shí)例模擬聲響發(fā)生器,將振蕩器A的輸出電壓uo1，接到振蕩器B中555定時(shí)器的復(fù)位端（4腳）。當(dāng)uo1為高電平時(shí)振蕩器B振蕩，當(dāng)uo1為低電平時(shí)555定時(shí)器復(fù)位，振蕩器B停止振蕩。這樣，揚(yáng)聲器便發(fā)出“嗚嗚”的間歇聲響。,當(dāng)頻率為諧振頻率f0時(shí)，石英晶體的等效阻抗最小，信號(hào)最容易通過(guò)，而其它頻率信號(hào)均被衰減掉。 晶體的選頻特性極好。,為了提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度，往往使用石英晶體多諧振蕩器。,3、石英晶體多諧振蕩器,555構(gòu)成的多諧振蕩器的特點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)：工作可靠，調(diào)節(jié)方便。 缺點(diǎn)：振蕩頻率不能太高，一般不超過(guò)幾百千赫； 受電源波動(dòng)、溫度變化等影響，頻率穩(wěn)定性較差。,f0只與晶體的材料、幾何形狀和尺寸大小有關(guān)， 而與電路中的R、C數(shù)值無(wú)關(guān)。 輸出頻率穩(wěn)態(tài)性很高。,石英晶體的固有頻率或諧振頻率,石英晶體振蕩器,電阻R1、R2的作用：保證兩個(gè)反相器在靜態(tài)時(shí)都能工作在線