电工课程设计数字钟.docx
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电工课程设计数字钟
多功能数字钟设计
1.系统框图
图1多功能数字钟系统框图
2.主体电路的设计
主体电路是由功能部件或单元电路组成的。
在设计这些电路或选择部件时,尽量选用同类型的器件,如所有功能部件都采用TTL集成电路或都采用CMOS集成电路。
整个系统所用的器件种类应尽可能少。
2.1电路构成
⑴振荡器电路
产生震荡周期为一毫秒的标准秒脉冲
⑵分频器电路
分频器电路将1000hz的高频方波信号经3次分频后得到1Hz的方波信号供秒计数器进行计数。
分频器实际上也就是计数器。
⑶时间计数器电路
时间计数电路由秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器及时个位和时十位计数器电路构成,其中秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器为60进制计数器,而根据设计要求,时个位和时十位计数器为12进制计数器。
⑷译码驱动电路
译码驱动电路将计数器输出的8421BCD码转换为数码管需要的逻辑状态,并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。
⑸数码管
数码管通常有发光二极管(LED)数码管和液晶(LCD)数码管,本设计提供的为LED数码管。
(6)在小时校正时不影响分和秒的正常计数。
在分校正时不影响秒和小时的正常计数。
校时方式有“快校时”和“慢校时”两种,“快校时”是,通过开关控制,使计数器对1Hz的校时脉冲计数。
“慢校时”是用手动产生单脉冲作校时脉冲。
2.2方案比较
方案一:
首先构成一个555定时器产生震荡周期为一秒的标准秒脉冲,由74LS90采用清零法分别组成六十进制的秒记数器、六十进制分记数器、由74LS74、74LS191构成十二进制时记数器。
使用74LS48为驱动器,数码管作为显示器。
图2.2.1555多谐振荡器电路
图2.2.2方案一电路图
方案二:
首先构成一个石英晶体振荡器产生震荡周期为一秒的标准秒脉冲,由74LS190采用置数法分别组成六十进制的秒记数器、六十进制分记数器,十二进制时记数器采用清零法。
用反相器与石英晶体构成的振荡电路如图2所示。
利用两个非门G1和G2自我反馈,使它们工作在线性状态,然后利用石英晶体JU来控制振荡频率,同时用电容C1来作为两个非门之间的耦合,两个非门输入和输出之间并接的电阻R1和R2作为负反馈元件用,由于反馈电阻很小,可以近似认为非门的输出输入压降相等。
电容C2是为了防止寄生振荡。
图为电子手表集成电路(如5C702)中的晶体振荡器电路,常取晶振的频率为32768Hz因其内部有15级2分频集成电路,所以输出端正好可得到1Hz的标准脉冲。
由6个74LS90构成计数器
图2.2.3方案二电路图
方案三
由555定时器构成多谐振荡器、六个74LS90构成计数器。
方案一和方案二都很正确,振荡器是数字钟的核心。
如果精度要求不高也可以采用由集成逻辑门与RC组成的时钟源振荡器或由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器。
因为74LS191及74LS74组成的时计数器相对比较复杂,而且由于石英晶体振荡相对较难实现,因此选用555定时器,六片74LS90构成的计数器。
即方案三。
3.主体电路元件参数及分电路设计
3.1主体电路元件参数
3.1.1555定时器的组成和功能
555定时器(又称时基电路)是一个模拟与数字混合型的集成电路。
按其工艺分双极型和CMOS型两类,其应用非常广泛。
图3.1.1.1555定时器内部组成框图
图是555定时器内部组成框图。
它主要由两个高精度电压比较器A1、A2,一个RS触发器,一个放电三极管和三个5KΩ电阻的分压器而构成。
它的各个引脚功能如下:
1脚:
外接电源负端VSS或接地,一般情况下接地。
8脚:
外接电源VCC,双极型时基电路VCC的范围是4.5~16V,CMOS型时基电路VCC的范围为3~18V。
一般用5V。
3脚:
输出端Vo
2脚:
低触发端
6脚:
TH高触发端
4脚:
是直接清零端。
当端接低电平,则时基电路不工作,此时不论、TH处于何电平,时基电路输出为“0”,该端不用时应接高电平。
5脚:
VC为控制电压端。
若此端外接电压,则可改变内部两个比较器的基准电压,当该端不用时,应将该端串入一只0.01μF电容接地,以防引入干扰。
7脚:
放电端。
该端与放电管集电极相连,用做定时器时电容的放电。
在1脚接地,5脚未外接电压,两个比较器A1、A2基准电压分别为的情况下,555时基电路的功能表如。
图3.1.1.2555时基电路的功能表
3.1.2.集成异步计数器74LS90
74LS90是异步二—五—十进制加法计数器,它既可以作二进制加法计数器,又可以作五进制和十进制加法计数器。
图3.1.2.174LS90引脚排列
图3.1.2.274LS90功能表
通过不同的连接方式,74LS90可以实现四种不同的逻辑功能;而且还可借助R0
(1)、R0
(2)对计数器清零,借助S9
(1)、S9
(2)将计数器置9。
其具体功详述如下:
(1)计数脉冲从CP1输入,QA作为输出端,为二进制计数器。
(2)计数脉冲从CP2输入,QDQLQH作为输出端,为异步五进制加法计数器。
(3)若将CP2和QA相连,计数脉冲由CP1输入,QD、QC、QB、QA作为输出端,则构成异步8421码十进制加法计数器。
(4)若将CP1与QD相连,计数脉冲由CP2输入,QA、QD、QC、QB作为输出端,则构成异步5421码十进制加法计数器。
(5)清零、置9功能。
a)异步清零
当R0
(1)、R0
(2)均为“1”;S9
(1)、S9
(2)中有“0”时,实现异步清零功能,即QDQCQBQA=0000。
b)置9功能
当S9
(1)、S9
(2)均为“1”;R0
(1)、R0
(2)中有“0”时,实现置9功能,即QDQCQBQA=1001.
c)二分频。
令R0
(1)=R0
(2)=0S9
(1)=S9
(2)=0时,将手动单脉冲输出至CP1,按动轻触开关,观察计数过程。
d)五分频。
令R0
(1)=R0
(2)=0S9
(1)=S9
(2)=0时,将图手动单脉冲电路的输出接至CP2,按动轻触开关,观察计数过程。
e)十进制计数器。
令R0
(1)=R0
(2)=0S9
(1)=S9
(2)=0时,将手动
单脉冲电路的输出接至CP1,CP2接QA,按动轻触开关,观察计数过程。
然后CP1接连续脉冲(从信号发生器获得),用示波器分别观察QA、QB、QC、QD对应CP1的波形,并用示波器的存储功能将五个波形全部显示在屏幕上。
3.2分电路的设计
3.2.1.振荡器的设计
图3.2.1.1555多谐振荡器电路
接通电源后,假定是高电平,则T截止,电容C充电。
充电回路VCC—R1—R2—C—地,按指数规律上升,当上升到时(TH、端电平大于),输出翻转为低电平。
是低电平,T导通,C放电,放电回路为C—R2—T—地,按指数规律下降,当下降到时(TH、端电平小于),输出翻转为高电平,放电管T截止,电容再次充电,如此周而复始,产生振荡,输出脉冲信号为1000HZ。
3.2.2分频器设计
分频器的具体工作原理分频器的功能主要有两个:
一是产生标准秒脉冲信号;
二是提供功能扩展电路所需要的信号。
选用3片中规模集成电路计数器74LS90可以完成上述功能。
每片为10分频,级联可获得所需信号。
QA输出频率分别为100HZ,10HZ,1HZ.
图3.2.2.1分频器
3.2.3.时分秒计数器的设计
分和秒计数器都是模M=60的计数器,其计数规律为:
00-01-…-58-59-00…选74LS92作十位计数器,74LS90作个位计数器。
再将它们级联组成模数M=60的计数器。
时计数器是一个“12进制”的特殊进制计数器
3.2.3.160进制计数电路
IC1是十进制计数器,QD1作为十进制的进位信号,74LS90计数器是十进制异步计数器,用反馈归零方法实现十进制计数,IC2和与非门组成六进制计数。
74LS90是在CP信号的下降沿翻转计数,QA1和QC2相与0101的下降沿,作为“分”(“时”)计数器的输入信号,通过与非门和非门对下一级计数器送出一个高电平1(在此之前输出的一直是低电平0)。
QB2和QC2计数到0110,产生的高电平1分别送到计数器的清零R0
(1),R0
(2),74LS90内部的R0
(1)和R0
(2)与非后清零而使计数器归零,此时传给下一级计数器的输入信号又变为低电平0,从而给下一级计数器提供了一个下降沿,使下一级计数器翻转计数,在这里IC2完成了六进制计数。
由此可见IC1和IC2串联实现了六十进制计数。
其中:
74LS90——可二/五分频十进制计数器
74LS04——非门
74LS00——二输入与非门
图3.2.3.1六十进制计数器电路
3.2.3.212进制计数器
小时计数电路是由IC5和IC6组成的12进制计数电路,如图所示。
图3.2.3.2十二进制电路图
当“时”个位IC5计数输入端CP5来到第10个触发信号时,IC5计数器自动清零,进位端QD5向IC6“时”十位计数器输出进位信号,当第12个“时”(来自“分”计数器输出的进位信号)脉冲到达时,IC5计数器的状态为“0001”,IC6计数器的状态为“0001”,此时“时”个位计数器的QC5和“时”十位计数器的QB6输出为“1”。
把它们分别送到IC5和IC6计数器的清零端R0
(1)和R0
(2),通过7490内部的R0
(1)和R0
(2)与非后清零,从而完成12进制计数。
3.2.4译码与显示电路
3.2.4.1显示器原理(数码管)
数码管是数码显示器的俗称。
常用的数码显示器有半导体数码管,荧光数码管,辉光数码管和液晶显示器等。
本设计所选用的是半导体数码管,是用发光二极管(简称LED)组成的字形来显示数字,七个条形发光二极管排列成七段组合字形,便构成了半导体数码管。
半导体数码管有共阳极和共阴极两种类型。
共阳极数码管的七个发光二极管的阳极接在一起,而七个阴极则是独立的。
共阴极数码管与共阳极数码管相反,七个发光二极管的阴极接在一起,而阳极是独立的。
当共阳极数码管的某一阴极接低电平时,相应的二极管发光,可根据字形使某几段二极管发光,所以共阳极数码管需要输出低电平有效的译码器去驱动。
共阴极数码管则需输出高电平有效的译码器去驱动。
3.2.4.2译码器原理(74LS48)
译码为编码的逆过程。
它将编码时赋予代码的含义“翻译”过来。
实现译码的逻辑电路成为译码器。
译码器输出与输入代码有唯一的对应关系。
74LS48是输出低电平有效的七段字形译码器,在译码方面,我们采用的是74LS48译码器。
在74LS48七个输出端中,A,B,C,D四个端口和CD4029的四个相应端口Q0,Q1,Q2,Q3相连接,再把LT、RBI和BI\RBO接高电平,OA、OB、OC、OD、OE、OF、OG接入数码管。
图3.3.474LS74引脚图
译码器原理(74LS48)
(1) LT(——):
试灯输入,是为了检查数码管各段是否能正常发光而设置的。
当LT(——)=0时,无论输入A3 ,A2 ,A1 ,A0为何种状态,译码器输出均为低电平,若驱动的数码管正常,是显示8。
(2) BI(—):
灭灯输入,是为控制多位数码显示的灭灯所设置的。
BI(—)=0时。
不论LT(——)和输入A3 ,A2 ,A1,A0为何种状态,译码器输出均为低电平,使共阴极数码管熄灭。
(3) RBI(——-):
灭零输入,它是为使不希望显示的0熄灭而设定的。
当对每一位A3= A2 =A1 =A0=0时,本应显示0,但是在RBI(——-)=0作用下,使译码器输出全为低电平。
其结果和加入灭灯信号的结果一样,将0熄灭。
(4) RBO(———):
灭零输出,它和灭灯输入BI(—)共用一端,两者配合使用,可以实现多位数码显示的灭零控制。
3.2.5.校时电路
图3.3.5 校正电路电路图
校时电路的实现原理:
当电子钟接通电源或者计时发现误差时,均需要校正时间。
校时电路分别实现对时、分的校准,由于4个机械开关具有震颤现象,因此用RS触发器作为去抖动电路。
采用RS基本触发器及单刀双掷开关,闸刀常闭于2点,每搬动一次产生一个计数脉冲,实现校时功能,图为校“时”、校“分”电路。
接电容C1、C2可以缓解抖动。
必要时还应将其改为去抖动开关电路。
3.2.6.总体电路及仿真结果
图3.2.6.1总体电路
(1)555定时器构成多谐振荡器;
(2)3片74LS90构成分频器、与非门、非门、开关构成校正电路;
(3)六片74LS90构成12、60进制计数器;
(4)74LS48及数码管构成显示电路。
图3.2.6.2仿真结果
4.扩展电路的设计
4.1定时控制电路的设计
数字钟在指定的时刻发出信号,或驱动音响电路“闹时”;或对某装置的电源进行接通或断开“控制”。
不管是闹时还是控制,都要求时间准确,即信号的开始时刻与持续时间必须满足规定的要求。
图4.1定时电路电路图
4.2仿电台报时电路
仿广播电台正点报时电路的功能要求是:
每当数字钟计时快要到正点时发出声响,通常按照4低音1高音的顺序发出间断声响,以最后一声高音结束的时刻为正点时刻。
图4.2仿电台整点报时电路图
5.设计体会
在此次的数字钟设计过程中,更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法.
在连接六进制,十进制,六十进制的进位及十二进制的接法中,要求熟悉逻辑电路及其芯片各引脚的功能,那么在电路出错时便能准确地找出错误所在并及时纠正了.
在设计电路中,往往是先仿真后连接实物图,但有时候仿真和电路连接并不是完全一致的。
在设计电路的连接图中出错的主要原因都是接线和芯片的接触不良以及接线的错误所引起的.接线的时候一定要细心,不要接错
对自己的设计图要仔细考虑,是否可行,尤其是进位输出,着重看看进位的CP脉冲是否正确。
在连接校正电路的过程中,出现时和分都能正常校正时,但秒却受到影响,特别时一较分钟的时候秒乱跳,而不校时的时候,秒从40跳到59,然后又跳回40,分和秒之间无进位,电路在时,分,秒进位过程中能正常显示,故可排除芯片和连线的接触不良的问题.经检查,校正电路的连线没有错误,后用万用表的直流电压档带电检测秒十位的QA,QB,QC和QD脚,发现QA脚时有电压时而无电压,再检测秒到分和分到时的进位端,发现是由于秒到分的进位未拔掉所至.
本次课设最大的障碍是方案确定在图书馆所查的电路图有一处错误,即在校正电路中多了一个非门,导致逢四进一。
最后经过多次的检查,终于找出了错误之处,并进行改正。
在EWB软件中得到绘制出原理图。
每一部分电路完成后就对其进行功能检测,以便及时发现问题进行改正。
扩展电路是在主体电路的基础上加上一部分功能实现电路,以实现定时、整点报时等功能。
并附带原理阐述。
通过这次课程设计学习,让我对各种电路都有了大概的了解,也学会了常用绘图软件及仿真软件的应用。
所以说,坐而言不如立而行,对于这些电路还是应该自己动手实际操作才会有深刻理解,才会有收获。
6.元件清单
1
十进制计数器
74LS90
十一片
2
七段译码器
74LS48
六片
3
四—2输入与非门
74LS00
六片
4
六反相器
74LS04
两片
5
数码显示管
BS201A
六个
6
定时器
CB555
一片
7
可变电阻
10K
一个
8
电阻
5.1K,2K,3.3K
各一个
9
电容
0.1uF
一个
10
电容
0.01uF
三个
表1元件清单
参考文献
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高等教育出版社,2000.3
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