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如何設(shè)計一個帶數(shù)字電子鐘的定時器控制邏輯電路

1:具有電子鐘功能,顯示為四位數(shù).2:可設(shè)定定時起動(開始)時間與定時結(jié)束(關(guān)斷)時間.3:定時開始,指示燈亮,定時結(jié)束,指示燈滅.4:定時范圍可以選擇.: 問提問者：網(wǎng)友 | 2017-10-08

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一、設(shè)計目的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)計與制作。二、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。三、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)最高，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。四、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 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、個功能塊電路圖1. 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2. 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3. 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4. 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5. 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6. 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7. 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8. 利用74HC30和蜂鳴器連接成整點報時電路。見附圖5-圖5-8 整點報時電路9. 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。: 回答者：網(wǎng)友

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