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研究生電類綜合實驗（C1） 院 系： 材料科學與工程學院 姓 名： 張 雪 學 號： 515116002080 指導教師： 蔣 立 平 實驗日期： 2016.3.15 電 話： 15601590138 成 績：____________________ 多功能計時電路的設計——數(shù)字鐘 1. 設計內(nèi)容簡介 要求大家運用所學集成電路的工作原理和使用方法，學會在單元電路的基礎上進行小型數(shù)字系統(tǒng)設計。要求設計一個數(shù)字計時器，可以完成0分00秒—9分59秒的計時功能，并在控制電路的作用下具有開機清零、快速校分功能。采用中小規(guī)模集成電路實現(xiàn)，培養(yǎng)大家分析問題解決問題的能力，提高大家設計電路、調(diào)試電路的實驗技能。 設計制作一個0分00秒～9分59秒的多功能計時器，設計內(nèi)容如下： 1)設計一個脈沖發(fā)生電路，為計時器提供秒脈沖（1HZ）。 2)設計計時電路：完成0分00秒～9分59秒的計時、譯碼、顯示功能； 3)設計清零電路：具有開機自動清零功能，并且在任何時候，按動清零開關，可以對計時器進行手動清零。 4)設計校分電路：在任何時候，撥動校分開關，可進行快速校分。（選做） 5)系統(tǒng)級聯(lián)。將以上電路進行級聯(lián)完成計時器的所有功能。 2. 總體電路連接圖 圖1.0總體電路連接圖 3.實驗原理及框圖 圖1.1 三位計時器示意圖 計時電路示意圖如圖1.1所示，計時電路完成計時功能，并且將計時結(jié)果傳送至顯示電路，進而實現(xiàn)顯示功能。原理框圖如圖1.2所示，主要由計時電路，秒信號發(fā)生電路，清零電路和譯碼顯示電路組成。計時電路在秒信號的作用下，產(chǎn)生0:00~9:59的循環(huán)計時，清零電路控制計時電路的清零端，實現(xiàn)時鐘的清零，最終將計時電路的輸出送至譯碼顯示電路，實現(xiàn)時鐘的顯示。 圖1.2 數(shù)字鐘的原理框圖 4 單元電路設計 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，本設計中振蕩電路采用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，而秒的基準信號頻率為1Hz，則需要對215Hz信號進行分頻，得到1Hz信號。分頻器采用CD4060和74LS74來實現(xiàn)，CD4060為14位二進制串行計數(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 計數(shù)器輸出端 表1.2 CD4060功能表 輸入 功能 CR x 1 清零 ↓ 0 計數(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 復位信號 14 VCC 電源 2． 計時電路 該電路是本實驗的關鍵部分，由分計數(shù)器、秒十位計數(shù)器和秒個位計數(shù)器構(gòu)成，電路均使用CD4518BCD碼計數(shù)器來實現(xiàn)。CD4518管教如圖1.4所示，該計數(shù)器為雙十進制同步加法計數(shù)器，片子內(nèi)部封裝兩個相同且獨立的十進制計數(shù)器，每個計數(shù)器中都含有四位二進制的技術單元，每個計數(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 計數(shù) 0 ↑ 1 BCD碼加法計數(shù) 保持 0 x 0 保持 計數(shù) 0 0 ↓ BCD碼加法計數(shù) 保持 0 1 x 保持 計時整體電路如圖1.5所示，分位計數(shù)器和秒個位計數(shù)器均是從0~9循環(huán)計數(shù)（模10計數(shù)），可采用CD4518直接實現(xiàn)十進制計數(shù)功能；秒十位計數(shù)器為六進制計數(shù)器，需要將CD4518的模10計數(shù)變換為一個從0～5循環(huán)的模六計數(shù)：當4518計數(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，實現(xiàn)復位（4518回0），由于4518的Cr端為異步復位，因此4518需要計數(shù)到6時才引出復位信號，并且6狀態(tài)非常短暫，顯示器并不顯示，所以實際效果還是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），秒個位計數(shù)器即可完成0~9循環(huán)計數(shù)；對于秒十位計數(shù)器，將秒個位計數(shù)器的輸出2QD端送入秒十位計數(shù)器的2EN端，完成秒個位到秒十位的進位（當秒個位計數(shù)器從9跳至0時，2QD端得到0~9循環(huán)計數(shù)過程中唯一的下降沿，將此下降沿送至秒十位計數(shù)器的2EN端，即可實現(xiàn)秒十位計數(shù)器加1，實現(xiàn)進位），同時2CP端接5V電源+極，秒十位計數(shù)器即可在進位信號的驅(qū)動下完成0~5循環(huán)計數(shù)。對于分位計數(shù)器，將秒十位計數(shù)器的輸出2QC端送入分位計數(shù)器的2EN端，完成秒十位到分位的進位（當秒十位計數(shù)器從5跳至0時，2QC端得到0~5循環(huán)計數(shù)過程中唯一的下降沿，將此下降沿送至分位計數(shù)器的2EN端，即可實現(xiàn)分位計數(shù)器加1，實現(xiàn)進位），同時2CP端接5V電源+極，2Cr端接5V電源-極（注意：當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），分位計數(shù)器即可完成0~9循環(huán)計數(shù)。 所用器件：CD4518（計數(shù)器）3片、74LS21（與門）1片。 圖1.5 計時電路 3． 清零電路 該電路具有開機清零和手動清零功能。電路原理如圖1.6所示，將圖1.5計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，才能同時實現(xiàn)秒十位計數(shù)器的清零功能和模6計數(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打開，剛開機時，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，整個計時電路清零，進而實現(xiàn)電路開機時清零，當電容充滿電以后，非門的輸入端為高電壓，非門輸出低電壓，2Cr端無效，CD4518實現(xiàn)正常計數(shù)，電路正常工作。 按下開關后，電容、電阻組成一個回路，電容放電，當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，整個計時電路清零，進而實現(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的作用是將計數(shù)器QA~QD輸出的二進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，以控制點亮LED數(shù)碼管的字型段，CD4511的輸入端ABCD依次接計數(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)計時，譯碼電路分別進行譯碼，采用共陰極七段LED數(shù)碼管進行循環(huán)顯示。CD4511的輸入接到相應計數(shù)器的輸出，而它的輸出端與數(shù)碼管的相應端相連，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，中間計數(shù)器出現(xiàn)只能到2，無法繼續(xù)計數(shù)，以及發(fā)生進制方面的錯誤 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，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)異常現(xiàn)象，應立即關斷電源，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行的直流測試，可用萬用表測出電路中各點的電位，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)符合設計要求。 3、動態(tài)調(diào)試：動態(tài)調(diào)試是在靜態(tài)調(diào)試的基礎上進行的，在電路的輸入端加入合適的信號，按信號的流向，順序檢測各測試點的輸出信號，若發(fā)現(xiàn)不正?，F(xiàn)象，應分析其原因，并排除故障，再進行調(diào)試，直到滿足要求。 6實驗完成后的收獲和感受 作為一名材料學院的學生，接觸到的課程以及實驗可能與這個實驗有比較大的區(qū)別，但是通過這個實驗，讓我對電路設計有了一定的了解，雖然在實驗過程中遇到了許多問題，但通過老師的耐心指導，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驗，這次實驗相對以前做的數(shù)電實驗來說復雜了很多， 由于時間緊迫，在老師詳細的講解后，在老師的指導下找到了實驗原理圖。這次 實驗由于電路復雜，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，計時和顯示電路、清零電路、計時啟?？刂齐娐?，這樣每 連好一小塊后，馬上進行調(diào)試，糾正電路中的錯誤，直到實現(xiàn)該模塊的功能才進 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 導線跨過芯片連接，否則，當芯片損壞時不易更換，而且，所有芯片應該先把電 源和接地端連好。在實驗中我們應該學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，這次實驗完成地比較順利，雖然過程很繁瑣，由于為了不使導線 交叉，所以需要剪出大量的短導線來連接，這使得人頭昏眼花的，但是相對實驗 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 的學習，我感覺有很大的收獲：首先，通過學習使自己對課本上的知識可以應用 于實際，使的理論與實際相結(jié)合，加深自己對課本知識的更好理解，同時實習也 段練了我個人的動手能力，對我們學生來說，理論與實際同樣重要，這是我們以 后在工作中說明自己能力的一個重要標準；通過這次試驗，增加了許多專業(yè)以外 的知識。經(jīng)過這次實驗，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 實踐中的應用。 這次實驗增強了我的動手能力，同時也讓我更加體會到實驗的嚴謹態(tài)度的重要性。當我收獲成功時，能夠為自己曾經(jīng)付出的汗水而感到欣慰。我相信這個實驗經(jīng)歷對我自己以后的實驗、學習或者工作都會有非常大的幫助。 7實驗結(jié)果圖