电子电工22727.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流电子电工22727.精品文档.多功能数字计时器设计实验报告姓名 曹金灿学号 04301797专业 电子信息工程 院系 电子工程与光电技术学院指导教师 王川目录 一设计内容简介 3二设计要求 3三详细设计 31 整体设计22 秒脉冲发生电路53 报时电路64 校分电路 75 清零电路 76 动态显示电路 8四 电路仿真波形 9五 实验中所遇问题及解决方法 12六附录 14a) 参考文献 14b) 电路连接图 14c) 芯片引脚排列图 15数字钟的分析设计实验报告一设计内容简介：运用所学集成电路的工作原理和使用方法，学会在单元电路的基础上进行小型数字系统设计。要求设计一个数字计时器，可以完成0分00秒9分59秒的计时功能，并在控制电路的作用下具有开机清零、快速校分、整点报时功能，本设计采用中小规模集成电路实现，主要培养学生的分析问题解决问题的能力，提高学生设计电路、调试电路的实验技能。二 设计要求：设计分为两个部分，即基本设计和附加功能的设计。基本设计的要求为：1 设计一个脉冲发生电路，为计时器提供秒脉冲，为报时电路提供驱动蜂鸣器的脉冲信号。2 设计计时电路，完成0分00秒到9分59秒的计时功能。3 设计报时电路，完成从9分53秒，9分55秒，9分57秒发低音（频率1KHz），9分59秒发高音（频率2KHz）。4 设计较分电路，在任何时刻拨动较分开关，可进行快速较分。5 设计清零电路，具有开机自动清零功能，并且在任何时候，按动清零开关，可以进行计时器清零。6 系统级联调试，将以上的电路进行级联，完成计时器所有的功能。附加功能的设计要求为：实现数字计时器定时功能，电路的起停功能，动态显示等之一。三 设计原理一系统的整体设计原理：利用晶体震荡器加一些电路产生频率为1Hz的秒脉冲信号，送入到秒个位的CP脉冲输入端，那么秒个位就以一秒为时间间隔进行计数，提供了整个计时电路最基本的驱动信号。有了秒脉冲以后，后面的就很简单了。当秒个位达到9秒并且在新一个秒脉冲来到时，秒十位加一。我们可以在秒个位的四位二进制的最高位()和最低位()加一个与非门连接到秒十位的脉冲输入端。当秒个位到达9时，与非门的输出为低电平0，在下一个脉冲来到时，输出变为高电平1。由此产生了一个上升边沿的触发信号，使秒十位加一。再考虑到秒十位是六进制的，只有05六种状态。我们实际用的是74161芯片，利用它的置数功能，当秒十位为二进制0101，且下一个脉冲到来时实现置数0000，这样就实现了六进制的翻转。具体的做法是在秒十位的二进制输出的最低位（）和第三位()加一个与非门连接到74161的置数控制端（），实现置数功能(这里用的是全部置为零)。同样的，依照上面的进位思想，在秒个位为9，秒十位为5，且一个新的秒脉冲来到时产生分的进位信号。实际的做的方法是在74161输出端的和通过与非门接到分位的4518的脉冲输入端。整个系统的框架就这样了。我们可以用下面的系统框架图来形象表示设计的整个思路：系统的电路图为：二部分功能设计：1. 秒脉冲发生器在这个部件的核心就是一个石英晶振，它的振荡频率是32768Hz（Hz），通过4060芯片（实际上就是一个分频器）取其14端为输出端，得到的频率为2Hz，再通过一个二分频器件就得到了单位秒脉冲信号。电路图如下：2报时电路报时电路的设计要求是在9分53秒，9分55秒，9分57秒发低音，在9分59秒发高音。设计前已经给出了蜂鸣电路如下所示：其中或门的输入为脉冲信号。因为要求是在9分53秒，9分55秒，9分57秒发低音，即分位为1001，秒十位为0101，秒个位为0011，或0101，或0111。通过卡诺图化简如下：得到F=(+)。用所得到的F通过与门来控制输入信号的频率（1KHz），将与门输出接入到蜂鸣器的或门输入端，就可以实现发低音的要求。同样地，为了实现在9分59秒发高音的功能，在分位为1001，秒十位为0101，秒个位为1001时送入频率为2KHz的脉冲就可以实现发高音的功能。具体实现的电路图如下：为了简便起见，我们用1、1、1、1来表示秒秒个位的低位到高位；用2、2、2、2来表示秒十位低位到高位；用3、3、3、3来表示分位的低位到高位。3较分电路的设计较分电路的设计思想是在正常情况下，送入分位的是由秒十位送入的的脉冲信号；在拨动较分开关以后，送入2Hz的信号让分位快速跳动，进行快速较分。设计的电路如下：4. 清零电路的设计清零电路相对于其他电路来说要简单很多。具体的想法就是把所有的清零端都接在一起，需要时就可以随时清零。对于开机清零来说可以用电容来实现。电容在没有充电时相当于短路，在开机时实现清零功能。电路实现如下：三附加功能设计在附加功能中，我选择的是动态显示的功能。这个设计比较简单，设计的思想是利用数据选择器的选择置数功能，选择秒个位或秒十位或分位的输出。与此同时，利用数据选择器的地址来控制七段显示译码器的阴极，使得在某一时刻由同一个译码器送出的信号只能在一个显示译码器上显示出来。再由数据选择器的地址信号的快速循环变化（即由00. 01. 10构成的循环）。循环计数的实现可以通过十进制BCD码计数器4518来做。即利用4518的正常计数功能，当输出为0011时对其进行清零就行了。在4518的脉冲输入端的变化的频率大于42Hz时人眼就分辨不出来了，就此完成了动态显示功能。动态显示一共只用了一个译码器，在一个时刻只有一个显示管有用。具体的电路图如下：由于EWB中没有共阴的显示管，所以上图中的显示管接法是示意的。四 实验中的波形分析实验中，我在需要看波形的端口接上示波器，得到了如下的波形：1脉冲信号发生电路的Q14通过T触发器（二分频器）所得到的波形2在电路输出的秒个位，秒十位，分位的波形分别如下： 秒个位：秒十位：分位：校分的仿真波形：图中的1代表校分开关闭合的时刻；2代表校分开关断开的时刻。五实验中遇到的问题分析1进位信号的送出刚开始做实验之前，在电脑上用进行模拟时发现进位信号的送入总是出现问题，以秒个位向秒十位进位为例，我用的是二入与非门，与非门的输入是秒个位的二进制的最低位和最高位，输出接到秒十位的CP脉冲输入端。当最低位和最高位同时为时产生低电平，由变回时，产生一个上升边沿的CP脉冲，提供进位信号。不过在上进行模拟时，开机的瞬间就变为。分析其原因是开机之前，秒十位的脉冲端是低电平，开机后在与非门输出为。产生了上升边沿的脉冲，就变成了，后来想到了用触发器来解决，即当秒个位为且再来一个脉冲时，产生一个高电平送入到CP端，很有效解决问题。不过在实验中没有这么多D触发器，共要两个芯片。此时又想到了开机清零，开机清零实际上是把电阻和电容串联起来。清零端接到电容的两端。开机瞬间利用电容的电压不能突变的性质进行清零。在实际的电路中，高电平和低电平都是有一定的范围的，电容两端电压从低电平到高电平也是有一定的时间的，时间常数，和门的传输的延时（几纳秒）相比是很大的，不过也远小于秒。实际工作时，开机的一小段时间内（几十纳秒）秒十位是有一个进位信号，使秒十位由0到1。不过由于电容的清零作用使输入脉冲无效，从而保证了清零的成功。在EWB上我用了一个很小的电容和电阻串联，使时间常数远小于1ns，并且把所有的器件都是实际的，结果是清零不成功，秒十位在开机就变成了1，证实了我的猜想。2校分电路的设计问题在老师给出的校分电路中使用的D触发器中的D=,实际上构成了一个T触发器，也就是一个分频器。在实际用于仿真时，总要把开关拨动两次才能实现一次翻转。究其原因是，D触发器是上升边沿有效的，开关开一下，产生一个上升边沿的脉冲，T触发器翻转。在开关关掉时产生的是下降边沿的脉冲，对于D触发器是 无效的。只有在再次开关时才能实现翻转，很不方便。所以在做电路的时候我直接把防抖动开关的Q和直接连接到了两个与非门的输入端，这样做既节省了器件，又省去了校分需要拨两次开关的麻烦。电路如下所示：至此，整个实验的任务就完成了。我学到的不只是简单的搭一个电路，更重要的是学会了分析问题的方法。再也不会忘记在繁芜的导线中寻找错误的痛苦。最好的方法就是宁愿慢一点也要仔细一点，否则你会花更多的时间来找错误。 字数统计：3873附录：参考文献：1 蒋立平，数字电路，南京：南京理工大学出版社，2001；2 赵旦峰，数字电路实验与课程设计，哈尔滨工程大学出版社，2001；3 徐建仁，主编，数字集成电路应用与实验，长沙：国防科技大学出版社，1999；电路连接图如下：所用到的器件的管脚图如下：