数电 简易数字计时时钟电路设计解析Word下载.docx
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2.5显示及其驱动电路8
2.6即时时间设置电路8
2.7报警选频电路10
2.8蜂鸣器驱动电路10
3.系统测试11
3.1电路的检查11
3.2电路板的调试及其问题11
3.3数据测量12
4.结论14
5.参考资料14
6.附录14
6.1元器件清单14
6.2仪器设备清单15
6.3原理图15
6.4PCB图16
6.5实物图17
1.设计任务
1.1设计目的
1.熟悉中、小规模数字集成电路的使用方法。
2.熟悉常用分频、计数、译码、显示等电路。
3.掌握数字电路设计、组装、调试方法。
1.2设计要求
1.具有“分”“秒”显示的计时电路（9分59秒）。
2.具有随时计时清零的功能。
3.秒信号产生、系统电源设计。
4.具有调整“分”“秒”的功能。
5.计时将满时具有声音提示功能：
9分51秒、53秒、55秒、57秒、59秒输出前4响低音，后1响高音鸣叫。
步长为1秒，最后1响结束时正好为整点。
（低音500Hz左右，高音1000Hz左右）。
7.用中小规模集成电路实现，画出系统框图、各单元逻辑电路图。
6.铺铜板板的大小（10cm*10cm）。
2.设计方案
2.1设计总框图
图2.1简易数字计时电路设计总框图
2.1.1设计思路
该系统包含有秒脉冲信号发生模块、分频模块、即时时间设置模块、报警选频模块、蜂鸣器驱动模块、显示及其驱动模块、电源模块。
由LM7805构成的交流转直流的直流稳压电源为系统供电。
秒脉冲及报警的频率产生选用CD4060构成的多分频模块，可以产生2HZ、512HZ、1024HZ等频率。
秒脉冲依次送入由CD4011与76LS161构成的2、10、6、10分频器，经过74LS48驱动数码管计时。
为实现简单的启动和停止控制，用自锁开关把晶振与电路分开。
闭合时晶振工作。
因为晶振的脉冲频率大大于按键抖动频率，所以设计在这个地方可以不用考虑由于按键抖动引起的多余计数脉冲发生。
为实现时间设置功能，采用积分电路与斯密特反相器构成的按键去抖电路。
清零模块选用上电及手动两种方式。
报警模块采用由IN4148构成的四输入或门和CD4011组成的控制选频电路，加上光耦及S9013构成的驱动电路来控制无源蜂鸣器变频鸣叫。
通过以上各个模块的组装和调试系统很好的实现了设计的需求。
2.2直流稳压电源电路
直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，经过变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成。
发光二极管可用于观察电源是否供电正常。
电源原理图如图2.2所示：
四个环节的工作原理如下：
（1）电源变压器：
降压变压器，它将电网220V、50HZ交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。
该电源设计输入交流电9V输出5V稳压。
（2）整流滤波电路：
整流电路将交流电压变换成脉动的直流电压。
再经滤波电路滤除较大的纹波成分，输出纹波较小的直流电压。
常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波等。
本设计采用全波整流。
整流二极管的选取：
选用1N4007（反向耐压1000V，正向最大电流1A）二极管，每个整流二极管平均电流等于0.5倍负载电流；
每个整流二极管反向耐压等于1.4U2（有效值）。
符合电源设计要求。
（3）滤波电路：
可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压各滤波电容C满足RL-C＝（3~5）T/2，或中T为输入交流信号周期，RL为整流滤波电路的等效负载电阻。
滤波电容的选择：
C1、C5是滤波电容，要求C5的容量小于C1的容量，以免掉电时C5通过LM7805向C1充放电，考虑到性价比，C1取470uF/25V、C5取220uF/25V。
（4）稳压电路：
稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。
常用的集成稳压器有固定式三端稳压器与可调式三端稳压器。
此设计采用固定式三端稳压器LM7805符合要求。
2.3秒脉冲信号发生器电路
方案一：
采用石英晶体振荡器、CD4060及74LS161构成秒脉冲信号发生器。
为了提高秒信号准确性和稳定性，利用石英晶体来构成振荡电路。
由于石英晶体的选频特性很好，只有在某一频率点的信号可以通过它，振荡信号的频率和振荡电路中的R、C元件的数值无关。
因此，这种振荡电路可以输出准确极高的信号。
然后再利用二分频电路，将其输出的信号转变为秒脉冲信号。
方案二：
用555构成多谢振荡器。
由555定时器和外接元件电阻电容构成多谐振荡器，电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路不用外加触发信号。
通过对电容的充放电原理，使电路产生振荡。
外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性，555定时器配以少量的元件既可以获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输出。
两种方案比较：
方案一中的振荡电路输出的是准确度极高的信号，然后再利用分频电路，将其输出信号转变为秒信号，石英晶体振荡器有频率精确、振荡稳定、温度系数小等特点，而且本系统需要的不仅仅是秒脉冲信号还需要512HZ和1024HZ的频率信号可以满足电子时钟的准确性要求。
而方案二中如果需要多种频率的信号就需要多加一些外电路相对来说比较复杂，计数稳定性容易受干扰。
因此该系统优先选用方案一。
秒脉冲发生器是数字时钟的核心部分，它的精度和稳定度决定了数字时钟的质量，通常用晶振振荡器发出的脉冲进行整形、分频获得1HZ的秒脉冲。
工作原理：
该系统采用32768HZ晶振和两个15PF瓷片电容组成的起振电路。
接入CD4060BM模块中通过15次二分频后可以获得2HZ的脉冲输出，接入由74LS161构成的二分频电路就可以得到秒脉冲信号。
同时可以从CD4060BM输出端四脚得到512HZ和输出端五脚1024HZ的频率，两种触发信号提供给报警模块。
如下图2.3。
2.4分频电路
74LS161原理：
这种同步可预置四位二进计数器是由四个D型触发器和若干个门电路构成，内部有超前进位，具有计数、置数、禁止、直接（异步）清零等功能。
对所有触发器同时加上时钟，使得当计数使能输入和内部门发出指令时输出变化彼此协调一致而实现同步工作。
这种工作方式消除了非同步（脉冲时钟）计数器中常有的输出计数尖峰。
缓冲时钟输入将在时钟输入上升沿触发四个触发器。
这种计数器是可全编程的，即输出可预置到任何电平。
当预置是同步时，在置数输入上将建立一低电平，禁止计数，并在下一个时钟之后不管使能输入是何电平，输出都与建立数据一致。
清除是异步的（直接清零），不管时钟输入、置数输入、使能输入为何电平，清除输入端的低电平把所有四个触发器的输出直接置为低电平。
有了超前进位电路后，无须另加门，即可级联出n位同步应用的计数器。
此高电平溢出进位脉冲可用来使能其后的各个串联级。
使能ENP和ENT输入的跳变不受时钟输入的影响。
电路有全独立的时钟电路。
改变工作模式的控制输入（使能ENP、ENT或清零）纵使发生变化，直到时钟发生为止，都没有什么影响。
计数器的功能（不管使能、不使能、置数或计数）完全由稳态建立时间和保持时间所要求的条件来决定。
分频电路原理：
系统采用由74LS161和CD4011构成的异步置数多级分频电路。
把U5（74LS161）接成二、六、十分频形式接法如下图。
给U5输入2HZ频率可以得到输出1HZ频率。
U5输出端（15脚）接下一级U4构成的十分频电路中信号输入端（2脚），可以从U4的9脚得到一个经过十分频后的信号a。
信号a接入下一级U3构成六分频电路中信号输入端（2脚），可以从U3的9脚得到一个经过六分频后的信号b。
信号b接入下一级U2构成十分频电路中信号输入端（2脚）。
如下图2.4。
2.5显示及其驱动电路
7段数码管管脚顺序及译码驱动集成电路74LS48。
7段数码管管脚顺序及译码驱动集成电路74LS48，这里介绍一下7段数码管见下图7段数码管又分共阴和共阳两种显示方式。
如果把7段数码管的每一段都等效成发光二极管的正负两
个极，那共阴就是把abcdefg这7个发光二极管的负极连接在一起并接地；
它们的7个正极接到7段译码驱动电路74LS48的相对应的驱动端上（abcdefg）。
无论共阴共阳7段显示电路，都需要加限流电阻，否则通电后就把7段译码管烧坏了！
限流电阻的选取是：
5V电源电压减去发光二极管的工作电压除上10mA到15mA得数即为限流电阻的值。
发光二极管的工作电压一般在1.8V--2.2V，为计算方便，通常选2V即可！
发光二极管的工作电流选取在10-20mA，电流选小了，7段数码管不太亮，选大了工作时间长了发光管易烧坏！
如图2.5。
2.6即时时间设置电路
时间设置模块主要思想是通过复位按键每按一次，会给一个脉冲送进脉冲信号输入端。
该系统采用积分电路和施密特反相器来构成三位时间设置模块。
按键防抖电路控制电路原理（如下图2.6）所示利用RC积分电路来达成杂波的滤除与波形修整的电路。
在K1断开的瞬间由于接触弹跳的关系，会使A点电压呈现高速的断续现象，再K1闭合时亦然，详（如图2.6.1），然而由于电容两端电压需由电压经电阻慢慢充电才会上升，使得B点电位缓步上升情形：
S1闭合时亦然，电容电压经R放电，使B点电压缓缓下降。
此一变化，经74LS14斯密特反相器修整后，可得一标准负脉波输出，如波形图C点所示。
2.7报警选频电路
该电路是由六个IN4148和两个下拉电阻构成的两个3输入或门。
通过采集各级分频电路输出端的信号相或而得到的两个开关端口。
当分位和秒十位计满而且秒个位遇到奇数（除9）时，A、B两点输入为低电平，C、D两点输入为高电平经过与非后得到低电平。
因此BJ1输出为低电平。
此时蜂鸣器选频为512HZ鸣叫，且鸣叫的间隔为一秒。
当分位和秒十位计满而且秒个位为9时，A、B、C三点输入为低电平时相或得BJ2输出为低电平。
此时蜂鸣器选频为1024HZ鸣叫，鸣叫的间隔为一秒，鸣叫结束，从9分59秒置数为0分00秒继续计时。
电路图如下2.8。
2.8蜂鸣器驱动电路
R8、R9电阻取值为470对输入信号进行限流，避免电流过大使TLP521光耦烧坏。
如果BJ1为低电平时512HZ输入有效。
U7光耦输出端控制S9013开关。
同理BJ2低电平时，U8光耦输出端控制S9013以1024HZ频率开关。
R10为偏置电阻提供S9013基极的偏置电压，使其进入饱和区。
3.系统测试
3.1电路的检查
（1）未上电前，用万用表欧姆档最大档测量系统的内阻，无短路断路现象。
检查是否有不安全跳线。
（2）先使用学生电源提供工作电压，从零开始加电压观察学生电源输出电流的变化如果发现不正常则应该立即关掉电源检查电路。
如若没有则继续加电压到稳定工作电压观察一段时间，电路板是否有冒烟、烧断、烧焦、跳火、发热等不正常现象。
如有发现，一定要先断电，再查线路。
如果电路稳定再检查没插芯片的插槽电源和地是否正常。
正常的情况下关掉电源按号入座插入芯片。
电源开启也从零加到稳定工作电压后，检查芯片是否发热，冒烟等不正常现象，观察数码管是否显示正常。
（3）检查所有芯片的电源脚和接地脚是否正确。
用万用表表笔检测各芯片的工作电压是否正常。
3.2电路板的调试及其问题
调试步骤：
（1）首先在电路板正常工作情况下，检查数码管是否每个位每个段都正常显示，这个只需要把数码显示的驱动芯片先拔掉，然后分别在插槽上找到各个位的abcdefgh输出口，给2V电压看看各个位的数码管的各个段的灯是否正常显示。
（2）插上驱动芯片74LS48观察数码管各个位是否正常计时。
（3）复位按键按下数码管显示是否是000。
（4）启动/停止键闭合，数码显示的计时是否停止。
键断开，数码管显示的计时是否开启。
而且停止与开启都不会改变显示的值。
（5）三个按键分、秒十位、秒个位时间设置在计时的同时，按一次键那一位是否会加一。
暂停计时，按一次键那一位是否会加一。
观察数码显示按键按下是否会影响其他位的计数。
计数溢出后是否会进位。
（6）当时间计时到9分51秒、9分53秒、9分54秒、9分55秒、9分57秒蜂鸣器是否会以512HZ鸣叫，且鸣叫间隔一秒。
当时间计时到9分59秒蜂鸣器是否会以1024HZ鸣叫，且鸣叫间隔一秒。
调试问题：
此次设计的电路在画好原理图和PCB后检查原理一切正常，但是板做出来后出现了挺多问题。
以下是遇到的问题：
1、由32768HZ晶振和15PF瓷片电容构成的起振电路，输出脉冲不正常，导致经过CD4060输出来2HZ、512HZ、1024HZ等频率不正常。
因为可以看到脉冲波形，所以先判断晶振可以正常使用，于是改变15PF瓷片电容，为30PF瓷片电容。
起振正常CD4060出来的频率也正常输出了。
2、启动/暂停自锁开关设置位置。
因为自锁开关也会出现开关时的抖动现象，一开始把它接在CD4060电源端，目的是断开时可以使CD4060不工作，也就是停止计时，但是问题出现了。
在按键闭合和断开时由于按键抖动的原因计时脉冲数会增多，导致计时不正常。
为体现课设的简易性，便修改电路把自锁开关接在晶振与CD4060之间。
因为抖动的脉冲频率小小于晶振的振荡频率所以在闭合和断开时不会引起计时不正常。
也可以加入用RC积分电路和施密特反相器构成的去抖电路依旧接在电源端使其正常使用。
3、在调试去抖电路时要合理搭配电阻电容，要不然按键有时候会不正常。
4、电源模块LM7805发热不多，因此去掉LM7805的散热片，让其贴板来促进散热。
3.3数据测量
根据图3.3.1秒脉冲信号波形可知因为清零电路，所以当信号为低电平时不会为零点。
波形没有变形，频率1.000HZ，周期1.000S，峰峰值为3.76V，占空比为50.00%。
综上该秒脉冲信号基本满足系统需求。
图3.3.22HZ脉冲信号波形
图3.3.2，图3.3.3，图3.3.4分别是CD4060输出端的不同频率方波。
分别为2HZ，512HZ,1024HZ。
由于振荡电路会收到外界影响所以其波形，频率，占空比会有所偏差。
不过基本上可以满足设计要求。
设计中报警模块所需的两种不同频率的脉冲信号，可以用510HZ和1020HZ来实现。
4.结论
通过上述分析讲解以及实际现象的验证，本系统基本实现了基础部分和发挥部分的功能要求，并达到各项参数指标，且在此基础上添加软启动，可以不用停止计时就可以进行时间设置。
本系统设计基本达到预期目标。
由于是自己设计的整体框架，所以会出现些不正常的现象，不过最后还是通过自己努力查查资料问问学长学姐解决掉这些问题。
自己学到了很多东西。
5.参考资料
[1]童诗白华成英模拟电子技术基础（第三版）[M]北京高等教育出版社2005年
[2]清华大学电子学研组编，阎石主编：
《数字电子技术基础》（第五版）[M]北京：
高等教育出版社，2006
[3]张华林周小方电子设计竞赛实训教程[M]北京北京航空航天大学出版社2007年
6.附录
6.1元器件清单
序号
器件名称
型号
数量
1
芯片
CD4060
6
瓷片电容
104
CD4011
30
2
74LS14
7
六脚自锁开关
74LS161
4
8
按钮开关
74LS48
3
9
蜂鸣器
无源
二极管
发光二级管
10
晶振
32.768KHz
IN4007
11
共阴数码管
IN4148
12
稳压管
LM7805
电解电容
10UF/16V
13
电阻
470
220VF/25V
640
21
470UF/25V
6K2
光耦
TLP521
20K
5
三极管
S9013
15M
6.2仪器设备清单
名称
备注
电源
无
自用变压器
万用表
GDM-8135
示波器
DS2102
6.3原理图
6.5实物图
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