多功能計(jì)時(shí)電路的設(shè)計(jì).doc

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研究生電類(lèi)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(hào)： 515116002080 指導(dǎo)教師： 蔣 立 平 實(shí)驗(yàn)日期： 2016.3.15 電 話： 15601590138 成 績(jī)：____________________ 多功能計(jì)時(shí)電路的設(shè)計(jì)——數(shù)字鐘 1. 設(shè)計(jì)內(nèi)容簡(jiǎn)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(huì)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(gè)數(shù)字計(jì)時(shí)器，可以完成0分00秒—9分59秒的計(jì)時(shí)功能，并在控制電路的作用下具有開(kāi)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(wèn)題解決問(wèn)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(gè)0分00秒～9分59秒的多功能計(jì)時(shí)器，設(shè)計(jì)內(nèi)容如下： 1)設(shè)計(jì)一個(gè)脈沖發(fā)生電路，為計(jì)時(shí)器提供秒脈沖（1HZ）。 2)設(shè)計(jì)計(jì)時(shí)電路：完成0分00秒～9分59秒的計(jì)時(shí)、譯碼、顯示功能； 3)設(shè)計(jì)清零電路：具有開(kāi)機(jī)自動(dòng)清零功能，并且在任何時(shí)候，按動(dòng)清零開(kāi)關(guān)，可以對(duì)計(jì)時(shí)器進(jìn)行手動(dòng)清零。 4)設(shè)計(jì)校分電路：在任何時(shí)候，撥動(dòng)校分開(kāi)關(guān)，可進(jìn)行快速校分。（選做） 5)系統(tǒng)級(jí)聯(lián)。將以上電路進(jìn)行級(jí)聯(lián)完成計(jì)時(shí)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(shí)器示意圖 計(jì)時(shí)電路示意圖如圖1.1所示，計(jì)時(shí)電路完成計(jì)時(shí)功能，并且將計(jì)時(shí)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(shí)電路，秒信號(hào)發(fā)生電路，清零電路和譯碼顯示電路組成。計(jì)時(shí)電路在秒信號(hào)的作用下，產(chǎn)生0:00~9:59的循環(huán)計(jì)時(shí)，清零電路控制計(jì)時(shí)電路的清零端，實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘的清零，最終將計(jì)時(shí)電路的輸出送至譯碼顯示電路，實(shí)現(xiàn)時(shí)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(hào)發(fā)生電路 圖1.3 秒信號(hào)發(fā)生電路 秒信號(hào)發(fā)生電路為計(jì)時(shí)電路提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)，電路原理如圖1.3所示。為提供較為精確的秒信號(hào)，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(hào)源。由于振蕩電路產(chǎn)生的源信號(hào)為215Hz，而秒的基準(zhǔn)信號(hào)頻率為1Hz，則需要對(duì)215Hz信號(hào)進(jìn)行分頻，得到1Hz信號(hào)。分頻器采用CD4060和74LS74來(lái)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(jí)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(gè)：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(shí)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(hào)頻率為2Hz。 由于CD4060最多能完成14級(jí)二分頻，所以還需要再加一級(jí)二分頻，才能把4060輸出的2Hz信號(hào)變成秒信號(hào)。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(gè)D觸發(fā)器，2Hz信號(hào)經(jīng)過(guò)二分頻電路得到1Hz的秒脈沖信號(hào)，即將D觸發(fā)器的同相位輸出Q端與觸發(fā)信號(hào)D端連接在一起，復(fù)位端和控制端接電源，使該兩端口無(wú)效，則Q端的輸出信號(hào)即為1Hz的秒脈沖信號(hào)。 所用器件：215Hz晶體管1個(gè)、22MΩ電阻1個(gè)、20pF電容1個(gè)、10pF電容1個(gè)、CD4060（分頻器）1片、74LS74（D觸發(fā)器）1片。 表1.1 CD4060管腳功能 時(shí)鐘輸入端 時(shí)鐘輸出端 反相時(shí)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(hào) 引腳代碼 引腳功能 1 復(fù)位信號(hào) 2 1D 觸發(fā)信號(hào) 3 1CP 時(shí)鐘信號(hào) 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(shí)鐘信號(hào) 12 2D 觸發(fā)信號(hào) 13 復(fù)位信號(hào) 14 VCC 電源 2． 計(jì)時(shí)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(gè)位計(jì)數(shù)器構(gòu)成，電路均使用CD4518BCD碼計(jì)數(shù)器來(lái)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(gè)相同且獨(dú)立的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，每個(gè)計(jì)數(shù)器中都含有四位二進(jìn)制的技術(shù)單元，每個(gè)計(jì)數(shù)器含有兩個(gè)時(shí)鐘輸入端“CP”和“EN”，簡(jiǎn)稱(chēng)雙時(shí)鐘，可以根據(jù)使用要求來(lái)選擇不同的時(shí)鐘輸入，兩者所不同在于：“CP”端對(duì)時(shí)鐘的上升沿有效，“EN”端對(duì)時(shí)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(shí)整體電路如圖1.5所示，分位計(jì)數(shù)器和秒個(gè)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(gè)從0～5循環(huán)的模六計(jì)數(shù)：當(dāng)4518計(jì)數(shù)到6時(shí)，將QC，QB引到與門(mén)74LS21的輸入端，此時(shí)74LS21輸出一個(gè)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(shí)才引出復(fù)位信號(hào)，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(mén)，片子內(nèi)部封裝兩個(gè)相同且獨(dú)立的四輸入與門(mén)，該電路中只用到1個(gè)與門(mén)的2個(gè)輸入，因此需要將該與門(mén)的其他兩個(gè)輸入端接5V電源+極，不可懸空不接。 搭建電路時(shí)，首先將所有芯片電源端（VCC和GND端）分別連接至5V電源+、-極；對(duì)于秒個(gè)位計(jì)數(shù)器，將秒信號(hào)發(fā)生電路輸出的秒信號(hào)(1Hz信號(hào))送入秒個(gè)位計(jì)數(shù)器的2CP端，同時(shí)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(gè)位計(jì)數(shù)器即可完成0~9循環(huán)計(jì)數(shù)；對(duì)于秒十位計(jì)數(shù)器，將秒個(gè)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(gè)位到秒十位的進(jìn)位（當(dāng)秒個(gè)位計(jì)數(shù)器從9跳至0時(shí)，2QD端得到0~9循環(huán)計(jì)數(shù)過(guò)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(shí)2CP端接5V電源+極，秒十位計(jì)數(shù)器即可在進(jìn)位信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下完成0~5循環(huán)計(jì)數(shù)。對(duì)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(shí)，2QC端得到0~5循環(huán)計(jì)數(shù)過(guò)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(shí)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(mén)）1片。 圖1.5 計(jì)時(shí)電路 3． 清零電路 該電路具有開(kāi)機(jī)清零和手動(dòng)清零功能。電路原理如圖1.6所示，將圖1.5計(jì)時(shí)電路的秒個(gè)位和分位的清零端即CD4518的管腳15（高電壓有效）原來(lái)的接5V電源-極導(dǎo)線拔開(kāi)，將非門(mén)輸出送至2Cr端，而秒十位CD4518的清零端原來(lái)接74LS21的輸出，需要將此輸出和圖1.6中非門(mén)輸出送入一個(gè)或門(mén)，再將或門(mén)輸出送至秒十位CD4518的清零端，才能同時(shí)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(duì)于清零電路，電路正常工作時(shí)開(kāi)關(guān)打開(kāi)，剛開(kāi)機(jī)時(shí)，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(guò)一個(gè)非門(mén)輸出高電壓，送到CD4518的2Cr端，整個(gè)計(jì)時(shí)電路清零，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電路開(kāi)機(jī)時(shí)清零，當(dāng)電容充滿電以后，非門(mén)的輸入端為高電壓，非門(mén)輸出低電壓，2Cr端無(wú)效，CD4518實(shí)現(xiàn)正常計(jì)數(shù)，電路正常工作。 按下開(kāi)關(guān)后，電容、電阻組成一個(gè)回路，電容放電，當(dāng)電容儲(chǔ)存電量放完后，電容兩端電壓為低電壓，即非門(mén)的輸入端為低電壓，非門(mén)輸出高電壓，送到CD4518的2Cr端，整個(gè)計(jì)時(shí)電路清零，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電路手動(dòng)清零。 所用器件：CD4069（非門(mén)）1片、74LS32（或門(mén)）1片，1kΩ電阻2個(gè)、10μF電容1個(gè)、開(kāi)關(guān)1個(gè)。 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(gè)七段共陰數(shù)碼管，分位、秒十位和秒個(gè)位各采用一片CD4511和一個(gè)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(hào)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(hào)，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(gè)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(shuō)明 燈測(cè)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(lái)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(dòng)，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(shí)，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(guò)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(gè)、LED數(shù)碼顯示管3個(gè)。 圖1.9 譯碼顯示電路 5 總結(jié)搭建和調(diào)試電路過(guò)程中遇到的問(wèn)題，解決方案及處理結(jié)果。 遇到的問(wèn)題有，中間計(jì)數(shù)器出現(xiàn)只能到2，無(wú)法繼續(xù)計(jì)數(shù)，以及發(fā)生進(jìn)制方面的錯(cuò)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(cè)量電氣指標(biāo)，而要觀察電路有無(wú)異?，F(xiàn)象，例如有無(wú)冒煙現(xiàn)象，有無(wú)異常氣味，手摸集成電路外封裝，是否發(fā)燙等。如果出現(xiàn)異常現(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(hào)，或只加固定的電平信號(hào)的條件下所進(jìn)行的直流測(cè)試，可用萬(wàn)用表測(cè)出電路中各點(diǎn)的電位，通過(guò)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(shí)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(guò)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(dòng)態(tài)調(diào)試：動(dòng)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(hào)，按信號(hào)的流向，順序檢測(cè)各測(cè)試點(diǎn)的輸出信號(hào)，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(gè)實(shí)驗(yàn)有比較大的區(qū)別，但是通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，讓我對(duì)電路設(shè)計(jì)有了一定的了解，雖然在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到了許多問(wèn)題，但通過(guò)老師的耐心指導(dǎo)，加上自己耐心的分析連線，最終檢測(cè)成功。由于專(zhuān)業(yè)不是這 類(lèi)的，所以很少接觸這類(lèi)實(shí)驗(yàn)，這次實(shí)驗(yàn)相對(duì)以前做的數(shù)電實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)復(fù)雜了很多， 由于時(shí)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(shí)候很容易出錯(cuò)，所以在連接電 路的時(shí)候，分塊連接，計(jì)時(shí)和顯示電路、清零電路、計(jì)時(shí)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(cuò)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(shí)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(guò)芯片連接，否則，當(dāng)芯片損壞時(shí)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(huì)用萬(wàn)用表來(lái)檢測(cè)元器件的好壞，這樣更 容易幫助我們發(fā)現(xiàn)問(wèn)題所在。 總的來(lái)說(shuō)，這次實(shí)驗(yàn)完成地比較順利，雖然過(guò)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(lái)連接，這使得人頭昏眼花的，但是相對(duì)實(shí)驗(yàn) 成果來(lái)說(shuō)，這是非常值得的，不管怎么說(shuō)，付出的努力都有了回報(bào)。通過(guò)這幾天 的學(xué)習(xí)，我感覺(jué)有很大的收獲：首先，通過(guò)學(xué)習(xí)使自己對(duì)課本上的知識(shí)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(duì)課本知識(shí)的更好理解，同時(shí)實(shí)習(xí)也 段練了我個(gè)人的動(dòng)手能力，對(duì)我們學(xué)生來(lái)說(shuō)，理論與實(shí)際同樣重要，這是我們以 后在工作中說(shuō)明自己能力的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)；通過(guò)這次試驗(yàn)，增加了許多專(zhuān)業(yè)以外 的知識(shí)。經(jīng)過(guò)這次實(shí)驗(yàn)，我對(duì)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(dòng)手能力，同時(shí)也讓我更加體會(huì)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(shí)，能夠?yàn)樽约涸?jīng)付出的汗水而感到欣慰。我相信這個(gè)實(shí)驗(yàn)經(jīng)歷對(duì)我自己以后的實(shí)驗(yàn)、學(xué)習(xí)或者工作都會(huì)有非常大的幫助。 7實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖