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  深*色zcf 2011-01-04 00:00:00

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  wxq1218 2011-01-07 00:00:00

  設(shè)計目的 熟悉集成電路的引腳安排. 掌握各芯片的邏輯功能及使用方法. 了解面包板結(jié)構(gòu)及其接線方法. 了解數(shù)字鐘的組成及工作原理. 熟悉數(shù)字鐘的設(shè)計與制作. 設(shè)計要求 1.設(shè)計指標(biāo) 時間以24小時為一個周期; 顯示時，分，秒; 有校時功能，可以分別對時及分進行單獨校時，使其校正到標(biāo)準(zhǔn)時間; 計時過程具有報時功能，當(dāng)時間到達整點前5秒進行蜂鳴報時; 為了保證計時的穩(wěn)定及準(zhǔn)確須由晶體振蕩器提供表針時間基準(zhǔn)信號. 2.設(shè)計要求 畫出電路原理圖(或仿真電路圖); 元器件及參數(shù)選擇; 電路仿真與調(diào)試; PCB文件生成與打印輸出. 3.制作要求 自行裝配和調(diào)試，并能發(fā)現(xiàn)問題和解決問題. 4.編寫設(shè)計報告 寫出設(shè)計與制作的全過程，附上有關(guān)資料和圖紙，有心得體會. 設(shè)計原理及其框圖 1.數(shù)字鐘的構(gòu)成 數(shù)字鐘實際上是一個對標(biāo)準(zhǔn)頻率(1HZ)進行計數(shù)的計數(shù)電路.由于計數(shù)的起始時間不可能與標(biāo)準(zhǔn)時間(如北京時間)一致，故需要在電路上加一個校時電路，同時標(biāo)準(zhǔn)的1HZ時間信號必須做到準(zhǔn)確穩(wěn)定.通常使用石英晶體振蕩器電路構(gòu)成數(shù)字鐘.圖 3-1所示為數(shù)字鐘的一般構(gòu)成框圖. 圖3-1 數(shù)字鐘的組成框圖 ⑴晶體振蕩器電路 晶體振蕩器電路給數(shù)字鐘提供一個頻率穩(wěn)定準(zhǔn)確的32768Hz的方波信號，可保證數(shù)字鐘的走時準(zhǔn)確及穩(wěn)定.不管是指針式的電子鐘還是數(shù)字顯示的電子鐘都使用了晶體振蕩器電路. ⑵分頻器電路 分頻器電路將32768Hz的高頻方波信號經(jīng)32768()次分頻后得到1Hz的方波信號供秒計數(shù)器進行計數(shù).分頻器實際上也就是計數(shù)器. ⑶時間計數(shù)器電路 時間計數(shù)電路由秒個位和秒十位計數(shù)器，分個位和分十位計數(shù)器及時個位和時十位計數(shù)器電路構(gòu)成，其中秒個位和秒十位計數(shù)器，分個位和分十位計數(shù)器為60進制計數(shù)器，而根據(jù)設(shè)計要求，時個位和時十位計數(shù)器為12進制計數(shù)器. ⑷譯碼驅(qū)動電路 譯碼驅(qū)動電路將計數(shù)器輸出的8421BCD碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管需要的邏輯狀態(tài)，并且為保證數(shù)碼管正常工作提供足夠的工作電流. ⑸數(shù)碼管 數(shù)碼管通常有發(fā)光二極管(LED)數(shù)碼管和液晶(LCD)數(shù)碼管，本設(shè)計提供的為LED數(shù)碼管. 2.數(shù)字鐘的工作原理 1)晶體振蕩器電路 晶體振蕩器是構(gòu)成數(shù)字式時鐘的核心，它保證了時鐘的走時準(zhǔn)確及穩(wěn)定. 圖3-2所示電路通過CMOS非門構(gòu)成的輸出為方波的數(shù)字式晶體振蕩電路，這個電路中，CMOS非門U1與晶體，電容和電阻構(gòu)成晶體振蕩器電路，U2實現(xiàn)整形功能，將振蕩器輸出的近似于正弦波的波形轉(zhuǎn)換為較理想的方波.輸出反饋電 阻R1為非門提供偏置，使電路工作于放大區(qū)域，即非門的功能近似于一個高增益的反相放大器.電容C1，C2與晶體構(gòu)成一個諧振型網(wǎng)絡(luò)，完成對振蕩頻率的控制功能，同時提供了一個180度相移，從而和非門構(gòu)成一個正反饋網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了振蕩器的功能.由于晶體具有較高的頻率穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性，從而保證了輸出頻率的穩(wěn)定和準(zhǔn)確. 晶體XTAL的頻率選為32768HZ.該元件專為數(shù)字鐘電路而設(shè)計，其頻率較低，有利于減少分頻器級數(shù). 從有關(guān)手冊中，可查得C1，C2均為30pF.當(dāng)要求頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度更高時，還可接入校正電容并采取溫度補償措施. 由于CMOS電路的輸入阻抗極高，因此反饋電阻R1可選為10MΩ.較高的反饋電阻有利于提高振蕩頻率的穩(wěn)定性. 非門電路可選74HC00. 圖3-2 COMS晶體振蕩器 2)分頻器電路 通常，數(shù)字鐘的晶體振蕩器輸出頻率較高，為了得到1Hz的秒信號輸入，需要對振蕩器的輸出信號進行分頻. 通常實現(xiàn)分頻器的電路是計數(shù)器電路，一般采用多級2進制計數(shù)器來實現(xiàn).例如，將32768Hz的振蕩信號分頻為1HZ的分頻倍數(shù)為32768(215)，即實現(xiàn)該分頻功能的計數(shù)器相當(dāng)于15極2進制計數(shù)器.常用的2進制計數(shù)器有74HC393等. 本實驗中采用CD4060來構(gòu)成分頻電路.CD4060在數(shù)字集成電路中可實現(xiàn)的分頻次數(shù)Z高，而且CD4060還包含振蕩電路所需的非門，使用更為方便. CD4060計數(shù)為14級2進制計數(shù)器，可以將32768HZ的信號分頻為2HZ，其內(nèi)部框圖如圖3-3所示，從圖中可以看出，CD4060的時鐘輸入端兩個串接的非門，因此可以直接實現(xiàn)振蕩和分頻的功能. 圖3-3 CD4046內(nèi)部框圖 3)時間計數(shù)單元 時間計數(shù)單元有時計數(shù)，分計數(shù)和秒計數(shù)等幾個部分. 時計數(shù)單元一般為12進制計數(shù)器計數(shù)器，其輸出為兩位8421BCD碼形式;分計數(shù)和秒計數(shù)單元為60進制計數(shù)器，其輸出也為8421BCD碼. 一般采用10進制計數(shù)器74HC390來實現(xiàn)時間計數(shù)單元的計數(shù)功能.為減少器件使用數(shù)量，可選74HC390，其內(nèi)部邏輯框圖如圖 2.3所示.該器件為雙2—5-10異步計數(shù)器，并且每一計數(shù)器均提供一個異步清零端(高電平有效). 圖3-4 74HC390(1/2)內(nèi)部邏輯框圖 秒個位計數(shù)單元為10進制計數(shù)器，無需進制轉(zhuǎn)換，只需將QA與CPB(下降沿有效)相連即可.CPA(下降沒效)與1HZ秒輸入信號相連，Q3可作為向上的進位信號與十位計數(shù)單元的CPA相連. 秒十位計數(shù)單元為6進制計數(shù)器，需要進制轉(zhuǎn)換.將10進制計數(shù)器轉(zhuǎn)換為6進制計數(shù)器的電路連接方法如圖3-5所示，其中Q2可作為向上的進位信號與分個位的計數(shù)單元的CPA相連. 圖3-5 10進制——6進制計數(shù)器轉(zhuǎn)換電路 分個位和分十位計數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)分別與秒個位和秒十位計數(shù)單元完全相同，只不過分個位計數(shù)單元的Q3作為向上的進位信號應(yīng)與分十位計數(shù)單元的CPA相連，分十位計數(shù)單元的Q2作為向上的進位信號應(yīng)與時個位計數(shù)單元的CPA相連. 時個位計數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)仍與秒或個位計數(shù)單元相同，但是要求，整個時計數(shù)單元應(yīng)為12進制計數(shù)器，不是10的整數(shù)倍，因此需將個位和十位計數(shù)單元合并為一個整體才能進行12進制轉(zhuǎn)換.利用1片74HC390實現(xiàn)12進制計數(shù)功能的電路如圖3-6所示. 另外，圖3-6所示電路中，尚余-2進制計數(shù)單元，正好可作為分頻器2HZ輸出信號轉(zhuǎn)化為1HZ信號之用. 圖3-6 12進制計數(shù)器電路 4)譯碼驅(qū)動及顯示單元 計數(shù)器實現(xiàn)了對時間的累計以8421BCD碼形式輸出，選用顯示譯碼電路將計數(shù)器的輸出數(shù)碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼顯示器件所需要的輸出邏輯和一定的電流，選用CD4511作為顯示譯碼電路，選用LED數(shù)碼管作為顯示單元電路. 5)校時電源電路 當(dāng)重新接通電源或走時出現(xiàn)誤差時都需要對時間進行校正.通常，校正時間的方法是:首先截斷正常的計數(shù)通路，然后再進行人工出觸發(fā)計數(shù)或?qū)㈩l率較高的方波信號加到需要校正的計數(shù)單元的輸入端，校正好后，再轉(zhuǎn)入正常計時狀態(tài)即可. 根據(jù)要求，數(shù)字鐘應(yīng)具有分校正和時校正功能，因此，應(yīng)截斷分個位和時個位的直接計數(shù)通路，并采用正常計時信號與校正信號可以隨時切換的電路接入其中.圖3-7所示即為帶有基本RS觸發(fā)器的校時電路， 圖3-7 帶有消抖動電路的校正電路 6)整點報時電路 一般時鐘都應(yīng)具備整點報時電路功能，即在時間出現(xiàn)整點前數(shù)秒內(nèi)，數(shù)字鐘會自動報時，以示提醒.其作用方式是發(fā)出連續(xù)的或有節(jié)奏的音頻聲波，較復(fù)雜的也可以是實時語音提示. 根據(jù)要求，電路應(yīng)在整點前10秒鐘內(nèi)開始整點報時，即當(dāng)時間在59分50秒到59分59秒期間時，報時電路報時控制信號.報時電路選74HC30，選蜂鳴器為電聲器件. 元器件 1.實驗中所需的器材 5V電源. 面包板1塊. 示波器. 萬用表. 鑷子1把. 剪刀1把. 網(wǎng)絡(luò)線2米/人. 共陰八段數(shù)碼管6個. CD4511集成塊6塊. CD4060集成塊1塊. 74HC390集成塊3塊. 74HC51集成塊1塊. 74HC00集成塊5塊. 74HC30集成塊1塊. 10MΩ電阻5個. 500Ω電阻14個. 30p電容2個. 32.768k時鐘晶體1個. 蜂鳴器. 2.芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及引腳圖 圖4-1 7400 四2輸入與非門 圖4-2 CD4511BCD七段譯碼/驅(qū)動器 圖4-3 CD4060BD 圖4-4 74HC390D 圖4-5 74HC51D 圖4-6 74HC30 3.面包板內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 面包板右邊一列上五組豎的相通，下五組豎的相通，面包板的左邊上下分四組，每組中X，Y列(0-15相通，16-40相通，41-55相通，ABCDE相通，F(xiàn)GHIJ相通，E和F之間不相通. 個功能塊電路圖 一個CD4511和一個LED數(shù)碼管連接成一個CD4511驅(qū)動電路，數(shù)碼管可從0---9顯示，以次來檢查數(shù)碼管的好壞，見附圖5-1. 圖5-1 4511驅(qū)動電路 利用一個LED數(shù)碼管，一塊CD4511，一塊74HC390，一塊74HC00連接成一個十進制計數(shù)器，電路在晶振的作用下數(shù)碼管從0—9顯示，見附圖5-2. 圖5-2 74390十進制計數(shù)器 利用一個LED數(shù)碼管，一塊CD4511，一塊74HC390，一塊74HC00和一個晶振連接成一個六進制計數(shù)器，數(shù)碼管從0—6顯示，見附圖5-3. 圖5-3 74390六進制計數(shù)器 利用一個六進制電路和一個十進制連接成一個六十進制電路，電路可從0—59顯示，見附圖5-4. 圖5-4 六十進制電路 利用兩個六十進制的電路合成一個雙六十進制電路，兩個六十進制之間有進位，見附圖5-5. 圖5-5 雙六十進制電路 利用CD4060，電阻及晶振連接成一個分頻——晶振電路，見附圖5-6. 圖5-6 分頻—晶振電路 利用74HC51D和74HC00及電阻連接成一個校時電路，見附圖5-7. 圖5-7 校時電路 利用74HC30和蜂鳴器連接成整點報時電路.見附圖5-8. 圖5-8 整點報時電路 利用兩個六十進制和一個十二進制連接成一個時，分，秒都會進位的電路總圖，見附圖5-9. 圖5-9 時，分，秒的進位連接圖 總接線元件布局簡圖，見附圖6-1 芯片連接圖見附圖7-1 八，總結(jié) 設(shè)計過程中遇到的問題及其解決方法. 在檢測面包板狀況的過程中，出現(xiàn)本該相通的地方卻未通的狀況，后經(jīng)檢驗發(fā)現(xiàn)是由于萬用表筆尖未與面包板內(nèi)部垂直接觸所至. 在檢測CD4511驅(qū)動電路的過程中發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管不能正常顯示的狀況，經(jīng)檢驗發(fā)現(xiàn)主要是由于接觸不良的問題，其中包括線的接觸不良和芯片的接觸不良，在實驗過程中，數(shù)碼管有幾段二極管時隱時現(xiàn)，有時會消失.用5V電源對數(shù)碼管進行檢測，一端接地，另一端接觸每一段二極管，發(fā)現(xiàn)二極管能正常顯示的，再用萬用表歐姆檔檢測每一根線是否接觸良好，在檢測過程中發(fā)現(xiàn)有幾根線有時能接通，有時不能接通，把接觸不好的線重新接過后發(fā)現(xiàn)能正常顯示了.其次是由于芯片接觸不良的問題，用萬用表歐姆檔檢測有幾個引腳本該相通的地方卻未通，而檢測的導(dǎo)線狀況良好，其解決方法為把CD4511的芯片拔出，根據(jù)面包板孔的的狀況重新調(diào)整其引腳，使其正對于孔，再用力均勻地將芯片插入面包板中，此后發(fā)現(xiàn)能正常顯示，本次實驗中還發(fā)現(xiàn)一塊壞的LED數(shù)碼管和兩塊壞的CD4511，經(jīng)更換后均能正常顯示. 在連接晶振的過程中，晶振無法起振.在排除線與芯片的接觸不良問題后重新對照電路圖，發(fā)現(xiàn)是由于12腳未接地所至. 在連接六進制的過程中，發(fā)現(xiàn)電路只能4，5的跳動，后經(jīng)發(fā)現(xiàn)是由于接到與非門的引腳接錯一根所至，經(jīng)糾正后能正常顯示. 在連接校正電路的過程中，出現(xiàn)時和分都能正常校正時，但秒?yún)s受到影響，特別時一較分鐘的時候秒亂跳，而不校時的時候，秒從40跳到59，然后又跳回40，分和秒之間無進位，電路在時，分，秒進位過程中能正常顯示，故可排除芯片和連線的接觸不良的問題.經(jīng)檢查，校正電路的連線沒有錯誤，后用萬用表的直流電壓檔帶電檢測秒十位的QA，QB，QC和QD腳，發(fā)現(xiàn)QA腳時有電壓時而無電壓，再檢測秒到分和分到時的進位端，發(fā)現(xiàn)是由于秒到分的進位未拔掉所至. 在制作報時電路的過程中，發(fā)現(xiàn)蜂鳴器在57分59秒的時候就開始報時，后經(jīng)檢測電路發(fā)現(xiàn)是由于把74HC30芯片當(dāng)16引腳的芯片來接，以至接線都錯位，重新接線后能正常報時. 連接分頻電路時，把時個位的QD和時十位的1腳斷開，然后時十位的1腳接到晶振的3腳，時十位的3腳接到秒個位的1腳，所連接的電路圖無法正常工作，時十位從0-9的跳，時個位只能顯示一個0，在這個電路中3腳的分頻用到兩次，故無法正常顯示，因此要把12進制接到74HC390的一個邏輯電路空出來用于分頻即可，因此把時十位的CD4511的12，6腳接地，7腳改為接74HC390的5腳，74HC390的3，4腳斷開，然后4腳接9腳即可，其中空出的74HC390的3腳就可用于2Hz的分頻，分頻后變?yōu)?Hz，整個電路也到此為正常的數(shù)字鐘計數(shù). 2.設(shè)計體會 在此次的數(shù)字鐘設(shè)計過程中，更進一步地熟悉了芯片的結(jié)構(gòu)及掌握了各芯片的工作原理和其具體的使用方法. 在連接六進制，十進制，六十進制的進位及十二進制的接法中，要求熟悉邏輯電路及其芯片各引腳的功能，那么在電路出錯時便能準(zhǔn)確地找出錯誤所在并及時糾正了. 在設(shè)計電路中，往往是先仿真后連接實物圖，但有時候仿真和電路連接并不是完全一致的，例如仿真的連接示意圖中，往往沒有接高電平的16腳或14腳以及接低電平的7腳或8腳，因此在實際的電路連接中往往容易遺漏.又例如74HC390芯片，其本身就是一個十進制計數(shù)器，在仿真電路中必須連接反饋線才能正常顯示，而在實際電路中無需再連接，因此仿真圖和電路連接圖還是有一定區(qū)別的. 在設(shè)計電路的連接圖中出錯的主要原因都是接線和芯片的接觸不良以及接線的錯誤所引起的. 3.對該設(shè)計的建議 此次的數(shù)字鐘設(shè)計重在于仿真和接線，雖然能把電路圖接出來，并能正常顯示，但對于電路本身的原理并不是十分熟悉.總的來說，通過這次的設(shè)計實驗更進一步地增強了實驗的動手能力.

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