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如何設(shè)計(jì)一個(gè)帶數(shù)字電子鐘的定時(shí)器控制邏輯電路

1:具有電子鐘功能,顯示為四位數(shù).2:可設(shè)定定時(shí)起動(dòng)(開(kāi)始)時(shí)間與定時(shí)結(jié)束(關(guān)斷)時(shí)間.3:定時(shí)開(kāi)始,指示燈亮,定時(shí)結(jié)束,指示燈滅.4:定時(shí)范圍可以選擇.: 問(wèn) 提問(wèn)者：網(wǎng)友 | 2017-10-08

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一、設(shè)計(jì)目的1. 熟悉集成電路的引腳安排。2. 掌握各芯片的邏輯功能及使用方法。3. 了解面包板結(jié)構(gòu)及其接線方法。4. 了解數(shù)字鐘的組成及工作原理。5. 熟悉數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)與制作。二、設(shè)計(jì)要求1.設(shè)計(jì)指標(biāo)時(shí)間以24小時(shí)為一個(gè)周期;顯示時(shí)、分、秒;有校時(shí)功能，可以分別對(duì)時(shí)及分進(jìn)行單獨(dú)校時(shí)，使其校正到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間;計(jì)時(shí)過(guò)程具有報(bào)時(shí)功能，當(dāng)時(shí)間到達(dá)整點(diǎn)前5秒進(jìn)行蜂鳴報(bào)時(shí);為了保證計(jì)時(shí)的穩(wěn)定及準(zhǔn)確須由晶體振蕩器提供表針時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)。2.設(shè)計(jì)要求畫(huà)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(wèn)題和解決問(wèn)題。4.編寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告寫(xiě)出設(shè)計(jì)與制作的全過(guò)程，附上有關(guān)資料和圖紙，有心得體會(huì)。三、設(shè)計(jì)原理及其框圖1.數(shù)字鐘的構(gòu)成數(shù)字鐘實(shí)際上是一個(gè)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率(1HZ)進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)電路。由于計(jì)數(shù)的起始時(shí)間不可能與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間(如北京時(shí)間)一致，故需要在電路上加一個(gè)校時(shí)電路，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)的1HZ時(shí)間信號(hào)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(gè)頻率穩(wěn)定準(zhǔn)確的32768Hz的方波信號(hào)，可保證數(shù)字鐘的走時(shí)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(hào)經(jīng)32768()次分頻后得到1Hz的方波信號(hào)供秒計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。分頻器實(shí)際上也就是計(jì)數(shù)器。⑶時(shí)間計(jì)數(shù)器電路時(shí)間計(jì)數(shù)電路由秒個(gè)位和秒十位計(jì)數(shù)器、分個(gè)位和分十位計(jì)數(shù)器及時(shí)個(gè)位和時(shí)十位計(jì)數(shù)器電路構(gòu)成，其中秒個(gè)位和秒十位計(jì)數(shù)器、分個(gè)位和分十位計(jì)數(shù)器為60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，而根據(jù)設(shè)計(jì)要求，時(shí)個(gè)位和時(shí)十位計(jì)數(shù)器為12進(jìn)制計(jì)數(shù)器。⑷譯碼驅(qū)動(dòng)電路譯碼驅(qū)動(dòng)電路將計(jì)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(jì)提供的為L(zhǎng)ED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(shí)鐘的核心，它保證了時(shí)鐘的走時(shí)準(zhǔn)確及穩(wěn)定。圖3-2所示電路通過(guò)CMOS非門(mén)構(gòu)成的輸出為方波的數(shù)字式晶體振蕩電路，這個(gè)電路中，CMOS非門(mén)U1與晶體、電容和電阻構(gòu)成晶體振蕩器電路，U2實(shí)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(mén)提供偏置，使電路工作于放大區(qū)域，即非門(mén)的功能近似于一個(gè)高增益的反相放大器。電容C1、C2與晶體構(gòu)成一個(gè)諧振型網(wǎng)絡(luò)，完成對(duì)振蕩頻率的控制功能，同時(shí)提供了一個(gè)180度相移，從而和非門(mén)構(gòu)成一個(gè)正反饋網(wǎng)絡(luò)，實(shí)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(jì)，其頻率較低，有利于減少分頻器級(jí)數(shù)。從有關(guān)手冊(cè)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(shí)，還可接入校正電容并采取溫度補(bǔ)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(mén)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(hào)輸入，需要對(duì)振蕩器的輸出信號(hào)進(jìn)行分頻。通常實(shí)現(xiàn)分頻器的電路是計(jì)數(shù)器電路，一般采用多級(jí)2進(jìn)制計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，將32768Hz的振蕩信號(hào)分頻為1HZ的分頻倍數(shù)為32768(215)，即實(shí)現(xiàn)該分頻功能的計(jì)數(shù)器相當(dāng)于15極2進(jìn)制計(jì)數(shù)器。常用的2進(jìn)制計(jì)數(shù)器有74HC393等。本實(shí)驗(yàn)中采用CD4060來(lái)構(gòu)成分頻電路。CD4060在數(shù)字集成電路中可實(shí)現(xiàn)的分頻次數(shù)最高，而且CD4060還包含振蕩電路所需的非門(mén)，使用更為方便。CD4060計(jì)數(shù)為14級(jí)2進(jìn)制計(jì)數(shù)器，可以將32768HZ的信號(hào)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(shí)鐘輸入端兩個(gè)串接的非門(mén)，因此可以直接實(shí)現(xiàn)振蕩和分頻的功能。圖3-3 CD4046內(nèi)部框圖3)時(shí)間計(jì)數(shù)單元時(shí)間計(jì)數(shù)單元有時(shí)計(jì)數(shù)、分計(jì)數(shù)和秒計(jì)數(shù)等幾個(gè)部分。時(shí)計(jì)數(shù)單元一般為12進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器，其輸出為兩位8421BCD碼形式;分計(jì)數(shù)和秒計(jì)數(shù)單元為60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其輸出也為8421BCD碼。一般采用10進(jìn)制計(jì)數(shù)器74HC390來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間計(jì)數(shù)單元的計(jì)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(jì)數(shù)器，并且每一計(jì)數(shù)器均提供一個(gè)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(gè)位計(jì)數(shù)單元為10進(jìn)制計(jì)數(shù)器，無(wú)需進(jìn)制轉(zhuǎn)換，只需將QA與CPB(下降沿有效)相連即可。CPA(下降沒(méi)效)與1HZ秒輸入信號(hào)相連，Q3可作為向上的進(jìn)位信號(hào)與十位計(jì)數(shù)單元的CPA相連。秒十位計(jì)數(shù)單元為6進(jìn)制計(jì)數(shù)器，需要進(jìn)制轉(zhuǎn)換。將10進(jìn)制計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)換為6進(jìn)制計(jì)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(jìn)位信號(hào)與分個(gè)位的計(jì)數(shù)單元的CPA相連。圖3-5 10進(jìn)制--6進(jìn)制計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)換電路分個(gè)位和分十位計(jì)數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)分別與秒個(gè)位和秒十位計(jì)數(shù)單元完全相同，只不過(guò)分個(gè)位計(jì)數(shù)單元的Q3作為向上的進(jìn)位信號(hào)應(yīng)與分十位計(jì)數(shù)單元的CPA相連，分十位計(jì)數(shù)單元的Q2作為向上的進(jìn)位信號(hào)應(yīng)與時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)單元的CPA相連。時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)仍與秒或個(gè)位計(jì)數(shù)單元相同，但是要求，整個(gè)時(shí)計(jì)數(shù)單元應(yīng)為12進(jìn)制計(jì)數(shù)器，不是10的整數(shù)倍，因此需將個(gè)位和十位計(jì)數(shù)單元合并為一個(gè)整體才能進(jìn)行12進(jìn)制轉(zhuǎn)換。利用1片74HC390實(shí)現(xiàn)12進(jìn)制計(jì)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(jìn)制計(jì)數(shù)單元，正好可作為分頻器2HZ輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化為1HZ信號(hào)之用。圖3-6 12進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路4)譯碼驅(qū)動(dòng)及顯示單元計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)了對(duì)時(shí)間的累計(jì)以8421BCD碼形式輸出，選用顯示譯碼電路將計(jì)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(shí)電源電路當(dāng)重新接通電源或走時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí)都需要對(duì)時(shí)間進(jìn)行校正。通常，校正時(shí)間的方法是:首先截?cái)嗾５挠?jì)數(shù)通路，然后再進(jìn)行人工出觸發(fā)計(jì)數(shù)或?qū)㈩l率較高的方波信號(hào)加到需要校正的計(jì)數(shù)單元的輸入端，校正好后，再轉(zhuǎn)入正常計(jì)時(shí)狀態(tài)即可。根據(jù)要求，數(shù)字鐘應(yīng)具有分校正和時(shí)校正功能，因此，應(yīng)截?cái)喾謧€(gè)位和時(shí)個(gè)位的直接計(jì)數(shù)通路，并采用正常計(jì)時(shí)信號(hào)與校正信號(hào)可以隨時(shí)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(shí)電路，圖3-7 帶有消抖動(dòng)電路的校正電路6)整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路一般時(shí)鐘都應(yīng)具備整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路功能，即在時(shí)間出現(xiàn)整點(diǎn)前數(shù)秒內(nèi)，數(shù)字鐘會(huì)自動(dòng)報(bào)時(shí)，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(shí)時(shí)語(yǔ)音提示。根據(jù)要求，電路應(yīng)在整點(diǎn)前10秒鐘內(nèi)開(kāi)始整點(diǎn)報(bào)時(shí)，即當(dāng)時(shí)間在59分50秒到59分59秒期間時(shí)，報(bào)時(shí)電路報(bào)時(shí)控制信號(hào)。報(bào)時(shí)電路選74HC30，選蜂鳴器為電聲器件。四、元器件1.實(shí)驗(yàn)中所需的器材5V電源。面包板1塊。示波器。萬(wàn)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(gè)。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(gè)。500Ω電阻14個(gè)。30p電容2個(gè)。32.768k時(shí)鐘晶體1個(gè)。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(mén) 圖4-2 CD4511BCD七段譯碼/驅(qū)動(dòng)器圖4-3 CD4060BD 圖4-4 74HC390D 圖4-5 74HC51D 圖4-6 74HC303.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。五、個(gè)功能塊電路圖1. 一個(gè)CD4511和一個(gè)LED數(shù)碼管連接成一個(gè)CD4511驅(qū)動(dòng)電路，數(shù)碼管可從0---9顯示，以次來(lái)檢查數(shù)碼管的好壞，見(jiàn)附圖5-1。圖5-1 4511驅(qū)動(dòng)電路2. 利用一個(gè)LED數(shù)碼管，一塊CD4511，一塊74HC390，一塊74HC00連接成一個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，電路在晶振的作用下數(shù)碼管從0-9顯示，見(jiàn)附圖5-2。圖5-2 74390十進(jìn)制計(jì)數(shù)器3. 利用一個(gè)LED數(shù)碼管，一塊CD4511，一塊74HC390，一塊74HC00和一個(gè)晶振連接成一個(gè)六進(jìn)制計(jì)數(shù)器，數(shù)碼管從0-6顯示，見(jiàn)附圖5-3。圖5-3 74390六進(jìn)制計(jì)數(shù)器4. 用一個(gè)六進(jìn)制電路和一個(gè)十進(jìn)制連接成一個(gè)六十進(jìn)制電路，電路可從0-59顯示，見(jiàn)附圖5-4圖5-4 六十進(jìn)制電路5. 利用兩個(gè)六十進(jìn)制的電路合成一個(gè)雙六十進(jìn)制電路，兩個(gè)六十進(jìn)制之間有進(jìn)位，見(jiàn)附圖5-5。圖5-5 雙六十進(jìn)制電路6. 利用CD4060、電阻及晶振連接成一個(gè)分頻--晶振電路，見(jiàn)附圖5-6。圖5-6 分頻-晶振電路7. 利用74HC51D和74HC00及電阻連接成一個(gè)校時(shí)電路，見(jiàn)附圖5-7。圖5-7 校時(shí)電路8. 利用74HC30和蜂鳴器連接成整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路。見(jiàn)附圖5-圖5-8 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路9. 利用兩個(gè)六十進(jìn)制和一個(gè)十二進(jìn)制連接成一個(gè)時(shí)、分、秒都會(huì)進(jìn)位的電路總圖，見(jiàn)附圖5-9。: 回答者：網(wǎng)友

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