多功能計(jì)時電路的設(shè)計(jì).doc
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研究生電類綜合實(shí)驗(yàn)(C1) 院 系: 材料科學(xué)與工程學(xué)院 姓 名: 張 雪 學(xué) 號: 515116002080 指導(dǎo)教師: 蔣 立 平 實(shí)驗(yàn)日期: 2016.3.15 電 話: 15601590138 成 績:____________________ 多功能計(jì)時電路的設(shè)計(jì)——數(shù)字鐘 1. 設(shè)計(jì)內(nèi)容簡介 要求大家運(yùn)用所學(xué)集成電路的工作原理和使用方法,學(xué)會在單元電路的基礎(chǔ)上進(jìn)行小型數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)。要求設(shè)計(jì)一個數(shù)字計(jì)時器,可以完成0分00秒—9分59秒的計(jì)時功能,并在控制電路的作用下具有開機(jī)清零、快速校分功能。采用中小規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn),培養(yǎng)大家分析問題解決問題的能力,提高大家設(shè)計(jì)電路、調(diào)試電路的實(shí)驗(yàn)技能。 設(shè)計(jì)制作一個0分00秒~9分59秒的多功能計(jì)時器,設(shè)計(jì)內(nèi)容如下: 1)設(shè)計(jì)一個脈沖發(fā)生電路,為計(jì)時器提供秒脈沖(1HZ)。 2)設(shè)計(jì)計(jì)時電路:完成0分00秒~9分59秒的計(jì)時、譯碼、顯示功能; 3)設(shè)計(jì)清零電路:具有開機(jī)自動清零功能,并且在任何時候,按動清零開關(guān),可以對計(jì)時器進(jìn)行手動清零。 4)設(shè)計(jì)校分電路:在任何時候,撥動校分開關(guān),可進(jìn)行快速校分。(選做) 5)系統(tǒng)級聯(lián)。將以上電路進(jìn)行級聯(lián)完成計(jì)時器的所有功能。 2. 總體電路連接圖 圖1.0總體電路連接圖 3.實(shí)驗(yàn)原理及框圖 圖1.1 三位計(jì)時器示意圖 計(jì)時電路示意圖如圖1.1所示,計(jì)時電路完成計(jì)時功能,并且將計(jì)時結(jié)果傳送至顯示電路,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)顯示功能。原理框圖如圖1.2所示,主要由計(jì)時電路,秒信號發(fā)生電路,清零電路和譯碼顯示電路組成。計(jì)時電路在秒信號的作用下,產(chǎn)生0:00~9:59的循環(huán)計(jì)時,清零電路控制計(jì)時電路的清零端,實(shí)現(xiàn)時鐘的清零,最終將計(jì)時電路的輸出送至譯碼顯示電路,實(shí)現(xiàn)時鐘的顯示。 圖1.2 數(shù)字鐘的原理框圖 4 單元電路設(shè)計(jì) 1. 秒信號發(fā)生電路 圖1.3 秒信號發(fā)生電路 秒信號發(fā)生電路為計(jì)時電路提供驅(qū)動信號,電路原理如圖1.3所示。為提供較為精確的秒信號,本設(shè)計(jì)中振蕩電路采用215Hz的石英晶體管為主體的晶振電路,并作為電路的秒信號源。由于振蕩電路產(chǎn)生的源信號為215Hz,而秒的基準(zhǔn)信號頻率為1Hz,則需要對215Hz信號進(jìn)行分頻,得到1Hz信號。分頻器采用CD4060和74LS74來實(shí)現(xiàn),CD4060為14位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器,各管腳功能如表1.1所示,功能表如表1.2所示。雖然CD4060內(nèi)部有14級由T觸發(fā)器構(gòu)成的二分頻器,但實(shí)際輸出端只有10個:Q4~Q10、Q12~Q14。Q1~Q3以及Q11并不引出。、、CP0為晶振電路的引出端,需接外部石英晶體。Cr為復(fù)零端,為高電平或正脈沖時振蕩器停振。從輸出功能看,CD4060能得到10種不同的分頻系數(shù),最小為24分頻,最大為214分頻,即將215Hz送入該芯片,最大分頻輸出Q14輸出信號頻率為2Hz。 由于CD4060最多能完成14級二分頻,所以還需要再加一級二分頻,才能把4060輸出的2Hz信號變成秒信號。外接二分頻器可采用D觸發(fā)器(74LS74)構(gòu)成的二分頻電路,74LS74管腳功能如表1.3所示,該芯片有上片和下片兩個D觸發(fā)器,2Hz信號經(jīng)過二分頻電路得到1Hz的秒脈沖信號,即將D觸發(fā)器的同相位輸出Q端與觸發(fā)信號D端連接在一起,復(fù)位端和控制端接電源,使該兩端口無效,則Q端的輸出信號即為1Hz的秒脈沖信號。 所用器件:215Hz晶體管1個、22MΩ電阻1個、20pF電容1個、10pF電容1個、CD4060(分頻器)1片、74LS74(D觸發(fā)器)1片。 表1.1 CD4060管腳功能 時鐘輸入端 時鐘輸出端 反相時鐘輸出端 Q4~Q10,Q12~Q14 計(jì)數(shù)器輸出端 表1.2 CD4060功能表 輸入 功能 CR x 1 清零 ↓ 0 計(jì)數(shù) ↑ 0 保持 表1.3 74LS74管腳功能 管腳號 引腳代碼 引腳功能 1 復(fù)位信號 2 1D 觸發(fā)信號 3 1CP 時鐘信號 4 控制 5 1Q 同相位輸出 6 反相位輸出 7 GND 地 8 反相位輸出 9 2Q 同相位輸出 10 控制 11 2CP 時鐘信號 12 2D 觸發(fā)信號 13 復(fù)位信號 14 VCC 電源 2. 計(jì)時電路 該電路是本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵部分,由分計(jì)數(shù)器、秒十位計(jì)數(shù)器和秒個位計(jì)數(shù)器構(gòu)成,電路均使用CD4518BCD碼計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)。CD4518管教如圖1.4所示,該計(jì)數(shù)器為雙十進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器,片子內(nèi)部封裝兩個相同且獨(dú)立的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器,每個計(jì)數(shù)器中都含有四位二進(jìn)制的技術(shù)單元,每個計(jì)數(shù)器含有兩個時鐘輸入端“CP”和“EN”,簡稱雙時鐘,可以根據(jù)使用要求來選擇不同的時鐘輸入,兩者所不同在于:“CP”端對時鐘的上升沿有效,“EN”端對時鐘的下降沿有效。該計(jì)數(shù)器功能表如表1.4所示。 圖1.4 CD4518管教圖 表1.4 CD4518功能表 功能 輸入 輸出 Cr CP EN 清零 1 x x 0 0 0 0 計(jì)數(shù) 0 ↑ 1 BCD碼加法計(jì)數(shù) 保持 0 x 0 保持 計(jì)數(shù) 0 0 ↓ BCD碼加法計(jì)數(shù) 保持 0 1 x 保持 計(jì)時整體電路如圖1.5所示,分位計(jì)數(shù)器和秒個位計(jì)數(shù)器均是從0~9循環(huán)計(jì)數(shù)(模10計(jì)數(shù)),可采用CD4518直接實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制計(jì)數(shù)功能;秒十位計(jì)數(shù)器為六進(jìn)制計(jì)數(shù)器,需要將CD4518的模10計(jì)數(shù)變換為一個從0~5循環(huán)的模六計(jì)數(shù):當(dāng)4518計(jì)數(shù)到6時,將QC,QB引到與門74LS21的輸入端,此時74LS21輸出一個高電壓,送回至4518的Cr端,實(shí)現(xiàn)復(fù)位(4518回0),由于4518的Cr端為異步復(fù)位,因此4518需要計(jì)數(shù)到6時才引出復(fù)位信號,并且6狀態(tài)非常短暫,顯示器并不顯示,所以實(shí)際效果還是0~5顯示。74LS21為四輸入與門,片子內(nèi)部封裝兩個相同且獨(dú)立的四輸入與門,該電路中只用到1個與門的2個輸入,因此需要將該與門的其他兩個輸入端接5V電源+極,不可懸空不接。 搭建電路時,首先將所有芯片電源端(VCC和GND端)分別連接至5V電源+、-極;對于秒個位計(jì)數(shù)器,將秒信號發(fā)生電路輸出的秒信號(1Hz信號)送入秒個位計(jì)數(shù)器的2CP端,同時2EN端接5V電源+極,2Cr端接5V電源-極(注意:當(dāng)清零電路搭建完成后,需將清零電路的輸出替換2Cr端的5V電源-極),秒個位計(jì)數(shù)器即可完成0~9循環(huán)計(jì)數(shù);對于秒十位計(jì)數(shù)器,將秒個位計(jì)數(shù)器的輸出2QD端送入秒十位計(jì)數(shù)器的2EN端,完成秒個位到秒十位的進(jìn)位(當(dāng)秒個位計(jì)數(shù)器從9跳至0時,2QD端得到0~9循環(huán)計(jì)數(shù)過程中唯一的下降沿,將此下降沿送至秒十位計(jì)數(shù)器的2EN端,即可實(shí)現(xiàn)秒十位計(jì)數(shù)器加1,實(shí)現(xiàn)進(jìn)位),同時2CP端接5V電源+極,秒十位計(jì)數(shù)器即可在進(jìn)位信號的驅(qū)動下完成0~5循環(huán)計(jì)數(shù)。對于分位計(jì)數(shù)器,將秒十位計(jì)數(shù)器的輸出2QC端送入分位計(jì)數(shù)器的2EN端,完成秒十位到分位的進(jìn)位(當(dāng)秒十位計(jì)數(shù)器從5跳至0時,2QC端得到0~5循環(huán)計(jì)數(shù)過程中唯一的下降沿,將此下降沿送至分位計(jì)數(shù)器的2EN端,即可實(shí)現(xiàn)分位計(jì)數(shù)器加1,實(shí)現(xiàn)進(jìn)位),同時2CP端接5V電源+極,2Cr端接5V電源-極(注意:當(dāng)清零電路搭建完成后,需將清零電路的輸出替換2Cr端的5V電源-極),分位計(jì)數(shù)器即可完成0~9循環(huán)計(jì)數(shù)。 所用器件:CD4518(計(jì)數(shù)器)3片、74LS21(與門)1片。 圖1.5 計(jì)時電路 3. 清零電路 該電路具有開機(jī)清零和手動清零功能。電路原理如圖1.6所示,將圖1.5計(jì)時電路的秒個位和分位的清零端即CD4518的管腳15(高電壓有效)原來的接5V電源-極導(dǎo)線拔開,將非門輸出送至2Cr端,而秒十位CD4518的清零端原來接74LS21的輸出,需要將此輸出和圖1.6中非門輸出送入一個或門,再將或門輸出送至秒十位CD4518的清零端,才能同時實(shí)現(xiàn)秒十位計(jì)數(shù)器的清零功能和模6計(jì)數(shù)功能。電路管腳連接如圖1.7所示,對于清零電路,電路正常工作時開關(guān)打開,剛開機(jī)時,由于電容上的電壓不能突變,電容兩端初始為低電壓,經(jīng)過一個非門輸出高電壓,送到CD4518的2Cr端,整個計(jì)時電路清零,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電路開機(jī)時清零,當(dāng)電容充滿電以后,非門的輸入端為高電壓,非門輸出低電壓,2Cr端無效,CD4518實(shí)現(xiàn)正常計(jì)數(shù),電路正常工作。 按下開關(guān)后,電容、電阻組成一個回路,電容放電,當(dāng)電容儲存電量放完后,電容兩端電壓為低電壓,即非門的輸入端為低電壓,非門輸出高電壓,送到CD4518的2Cr端,整個計(jì)時電路清零,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電路手動清零。 所用器件:CD4069(非門)1片、74LS32(或門)1片,1kΩ電阻2個、10μF電容1個、開關(guān)1個。 圖1.6 清零電路原理圖 圖1.7 清零電路管腳連接圖 4. 譯碼顯示電路 譯碼顯示電路采用三片CD4511顯示譯碼器和三個七段共陰數(shù)碼管,分位、秒十位和秒個位各采用一片CD4511和一個數(shù)碼管。CD4511的作用是將計(jì)數(shù)器QA~QD輸出的二進(jìn)制代碼譯成特定的輸出信號以供顯示器按代碼的原意顯示成數(shù)字,譯碼器采用CD4511七段字型譯碼器,由a~g各腳輸出段信號,以控制點(diǎn)亮LED數(shù)碼管的字型段,CD4511的輸入端ABCD依次接計(jì)數(shù)器的QA~QD,即8421(BCD)碼輸出,CD4511有三個使能管腳,功能如表1.5所示。 表1.5 CD4511使能管腳功能 引腳代碼 管腳功能 功能說明 燈測試端 該管腳低電壓(0)有效,送入0,CD4511輸出a~g全為1,數(shù)碼管亮。 消隱端 該管腳低電壓(0)有效,送入0,CD4511輸出a~g全為0,數(shù)碼管滅。 鎖存端 該管腳高電壓(1)有效,送入1,CD4511輸入鎖存原來數(shù)據(jù),輸出不變。 圖1.8所示為七段型發(fā)光二極管構(gòu)成的數(shù)碼顯示器,由于此二極管由高電壓驅(qū)動,陰極共用,所以為共陰極。 圖1.8 共陰極七段數(shù)碼顯示器 電路從0:00~9:59循環(huán)計(jì)時,譯碼電路分別進(jìn)行譯碼,采用共陰極七段LED數(shù)碼管進(jìn)行循環(huán)顯示。CD4511的輸入接到相應(yīng)計(jì)數(shù)器的輸出,而它的輸出端與數(shù)碼管的相應(yīng)端相連,數(shù)碼管通過300Ω的電阻接地,電路連接如圖1.9所示。 所用器件:CD4511(譯碼器)3片、300Ω電阻3個、LED數(shù)碼顯示管3個。 圖1.9 譯碼顯示電路 5 總結(jié)搭建和調(diào)試電路過程中遇到的問題,解決方案及處理結(jié)果。 遇到的問題有,中間計(jì)數(shù)器出現(xiàn)只能到2,無法繼續(xù)計(jì)數(shù),以及發(fā)生進(jìn)制方面的錯誤 電子電路的調(diào)試具體步驟: 1、 通電觀察:通電后不要急于測量電氣指標(biāo),而要觀察電路有無異?,F(xiàn)象,例如有無冒煙現(xiàn)象,有無異常氣味,手摸集成電路外封裝,是否發(fā)燙等。如果出現(xiàn)異?,F(xiàn)象,應(yīng)立即關(guān)斷電源,待排除故障后再通電。 2、靜態(tài)調(diào)試:靜態(tài)調(diào)試一般是指在不加輸入信號,或只加固定的電平信號的條件下所進(jìn)行的直流測試,可用萬用表測出電路中各點(diǎn)的電位,通過和理論估算值比較,結(jié)合電路原理的分析,判斷電路直流工作狀態(tài)是否正常,及時發(fā)現(xiàn)電路中已損壞或處于臨界工作狀態(tài)的元器件。通過更換器件或調(diào)整電路參數(shù),使電路直流工作狀態(tài)符合設(shè)計(jì)要求。 3、動態(tài)調(diào)試:動態(tài)調(diào)試是在靜態(tài)調(diào)試的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,在電路的輸入端加入合適的信號,按信號的流向,順序檢測各測試點(diǎn)的輸出信號,若發(fā)現(xiàn)不正?,F(xiàn)象,應(yīng)分析其原因,并排除故障,再進(jìn)行調(diào)試,直到滿足要求。 6實(shí)驗(yàn)完成后的收獲和感受 作為一名材料學(xué)院的學(xué)生,接觸到的課程以及實(shí)驗(yàn)可能與這個實(shí)驗(yàn)有比較大的區(qū)別,但是通過這個實(shí)驗(yàn),讓我對電路設(shè)計(jì)有了一定的了解,雖然在實(shí)驗(yàn)過程中遇到了許多問題,但通過老師的耐心指導(dǎo),加上自己耐心的分析連線,最終檢測成功。由于專業(yè)不是這 類的,所以很少接觸這類實(shí)驗(yàn),這次實(shí)驗(yàn)相對以前做的數(shù)電實(shí)驗(yàn)來說復(fù)雜了很多, 由于時間緊迫,在老師詳細(xì)的講解后,在老師的指導(dǎo)下找到了實(shí)驗(yàn)原理圖。這次 實(shí)驗(yàn)由于電路復(fù)雜,用到的元器件多,在連接的時候很容易出錯,所以在連接電 路的時候,分塊連接,計(jì)時和顯示電路、清零電路、計(jì)時啟停控制電路,這樣每 連好一小塊后,馬上進(jìn)行調(diào)試,糾正電路中的錯誤,直到實(shí)現(xiàn)該模塊的功能才進(jìn) 行下一小塊的連接。連線的時候,盡量橫平豎直,不要出現(xiàn)線線交叉,更不要使 導(dǎo)線跨過芯片連接,否則,當(dāng)芯片損壞時不易更換,而且,所有芯片應(yīng)該先把電 源和接地端連好。在實(shí)驗(yàn)中我們應(yīng)該學(xué)會用萬用表來檢測元器件的好壞,這樣更 容易幫助我們發(fā)現(xiàn)問題所在。 總的來說,這次實(shí)驗(yàn)完成地比較順利,雖然過程很繁瑣,由于為了不使導(dǎo)線 交叉,所以需要剪出大量的短導(dǎo)線來連接,這使得人頭昏眼花的,但是相對實(shí)驗(yàn) 成果來說,這是非常值得的,不管怎么說,付出的努力都有了回報。通過這幾天 的學(xué)習(xí),我感覺有很大的收獲:首先,通過學(xué)習(xí)使自己對課本上的知識可以應(yīng)用 于實(shí)際,使的理論與實(shí)際相結(jié)合,加深自己對課本知識的更好理解,同時實(shí)習(xí)也 段練了我個人的動手能力,對我們學(xué)生來說,理論與實(shí)際同樣重要,這是我們以 后在工作中說明自己能力的一個重要標(biāo)準(zhǔn);通過這次試驗(yàn),增加了許多專業(yè)以外 的知識。經(jīng)過這次實(shí)驗(yàn),我對數(shù)字電路有了更加深刻的理解,了解了數(shù)字電路在 實(shí)踐中的應(yīng)用。 這次實(shí)驗(yàn)增強(qiáng)了我的動手能力,同時也讓我更加體會到實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度的重要性。當(dāng)我收獲成功時,能夠?yàn)樽约涸?jīng)付出的汗水而感到欣慰。我相信這個實(shí)驗(yàn)經(jīng)歷對我自己以后的實(shí)驗(yàn)、學(xué)習(xí)或者工作都會有非常大的幫助。 7實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖- 1.請仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對于不預(yù)覽、不比對內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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