数字电子技术课程设计实验报告Word下载.docx
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5.画出逻辑电路图、时序图,并写出设计报告。
2.2整点报时电路的设计要求如下:
1.计一个电路,当计时器每逢运行到整点时,皆要发出整点报时鸣叫声;
2.报时信号模拟上海人民广播电台的报时频率,前五响为低音(750HZ),后一响为高音(1000HZ);
3.开始鸣第一响,整点时鸣最后一响,共鸣叫六响;
4.每次鸣叫历时0.5秒;
5.画出有关时序图及原理图。
三.设计思路
3.1数字计时器的基本原理
数字计时器一般由振荡器、分频器、计数器、译码器、显示器等几部分组成,各部分电路都是数字电路中应用最广的基本电路。
计时器主体框图如图1-1所示。
石英晶体振荡器产生的时标信号送到分频器,分频电路将时标信号分成每秒一次的方波作为秒信号。
秒信号送入计数器进行计数,并将累计结果以“时”、“分”、“秒”的数字显示出来。
“秒”显
示由两级计数器和译码器组成的十进制电路实现。
“分”显示电路与“秒”相同;
“时”显示电路由两级计数器和译码器组成的二十四进制计数电路来实现。
所有计时结果由六位LED七段显示器显示。
现分别介绍如下:
图1-1计时器主体电路框图
3.1.1石英晶体振荡器设计
石英晶体振荡器的作用是产生一个标准频率信号,然后再由分频器分成时间秒脉冲,因此振荡器振荡的精度与稳定度,决定了计时器的精度和质量。
振荡电路由石英晶体、微调电容、反相器构成,如图1-2所示。
图中Rf为反馈电阻(10~100MΩ),目的是为CMOS反相器提供偏置,使其工作在放大状态(而不是作反相器用)。
C1是频率微调电容取3/25PF,C2是温度特性校正用电容,一般取20~50PF。
非门2起整形作用。
晶体振荡器件目前多数采用石英电子手表用晶振32768HZ,32768是2的15次方,经过15级二分频即可得到1HZ(信号)。
从时钟精度考虑,晶振频率愈高,计时精度就愈高,但耗电将增大。
图1—2晶体振荡电路
晶体振荡电路仿真图
3.1.2石英晶体振荡器设计分频器设计
采用32768HZ晶振,用n位二进制计数器进行分频,可得1/2n频率信号,要得到1秒信号,则n=15。
根据以上分析,可用CD4060十四位串行计数器/振荡器来实现分频和振荡。
如图1-3所示,但由于CD4060只能实现14级分频,少了一级分频,所以必须外加一级分频,可用CD4013双D触发器来实现。
图3-1秒脉冲信号发生器
3.1.3计数器设计
来自分频器的秒信号,分别送到秒、分、时的十位和个位。
秒、分计数器为60进制,小时计数器为24进制。
这种计数器的设计可采用异步反馈置零法,先按二进制计数级联起来构成计数器,当计数状态达到所需的模值后,经门电路译码、反馈,产生“复位”脉冲将计数器清零,然后重新开始进行下一循环。
1.60进制计数
秒计数器由秒个位计数器JS1和秒十位计数器JS2组成。
JS1组成十进制计数,JS2组成六进制计数。
十进制计数用反馈归零法设计,在课本上介绍较多,这里不再多讲。
如果用CD4510(四位十进制计数器)来设计本课题,那么十进制计数设计更简单了。
六进制计数的反馈方法是当CP输入第六个脉冲时,输出状态“Q3Q2Q1Q0=0110”,用与门将Q2Q1取出,送到计数器CR清零端,使计数器归零,从而实现六进制计数。
如图1-4采用CD4510设计的60进制计数器,可作为秒、分计数器用。
在图1-4中,“个位”向“十位”的进位通过“非门”进行,请同学们解释原理,还有其它更好的方法吗?
请同学们画出逻辑图。
图1-4采用CD4510组成的60进制计数器
如果采用CD4516(四位二进制计数器)来设计60进制计数器,那么必须考虑个位十进制计数的归零,请同学们自己考虑。
2.24进制计数
当个位计数状态为“Q3Q2Q1Q0=0100”,十位计数状态为“Q3Q2Q1Q0=0010”时,即24时,通过把个位Q2、十位Q1相与后的信号送到个位、十位清零端CR,使计数器复零,从而实现24进制计数。
如图1-5所示。
3.1.4译码和显示电路
译码是把给定的代码进行翻译,变成相应的状态。
用来驱动LED七段码的译码器常用的有CD4511中规模集成电路,它具有四位输入码BCD码(带锁存)输出七段码(带驱动)的功能。
请同学们查阅CD4511的引脚和真直表(功能表)的资料。
图1-6一位显示电路
图1-6为利用CD4511译码构成的一位LED七段码显示电路。
3.1.5校时电路
刚接通电源时,时钟都需要进行时间校准。
图1-7所示的校时电路由CMOS电路和三只开关(K1~K3)组成,分别实现对时、分、秒的校准。
开关选择有“正常”和“校时”两档。
校“时”、“分”的原理比较简单,当开关打在“校时”状态,秒脉冲时进入个位计数器,实现校对功能。
校“秒”时,送入2HZ(0.5秒)信号,可方便快速校对。
图中与非门电路可采用CD4011实现。
校时电路如下图:
3.1.6整点报时电路原理
当计时器运行到59分55秒时,要求控制电路每秒发出一个信号F1,连发5个信号去控制鸣叫电路,使喇叭连续鸣叫五响,鸣叫时间从某点59分55秒开始,鸣叫频率f1=750HZ低音。
当计时器运行到整点时,要求发出另一个信号F2去控制鸣叫电路,使喇叭鸣叫一响,频率f1=1000HZ(高音),每次鸣叫历时0.5秒。
图3-2识别电路
鸣叫声是每秒一次,而且每次鸣叫历时0.5秒。
所以可选秒脉冲信号作为控制电路输入信号X1。
另外必须有一个识别电路,能识别59分55秒和整点时间,如图2-1所示,当计时器59分55秒时,输出一个高电平,当计时器整点时,输出信号变为低电平,从而辨别出55秒~59秒和整点。
鸣叫电路可由两个振荡器分别产生750HZ和1000HZ信号,由F1、F2控制切换,推动讯响器工作。
3.1.7控制电路设计
根据以上分析,控制电路框图及时序如图2-2所示。
根据框图及时序设计如图2-3所示控制电路。
图2-2控制框图及时序
图2—3控制电路
3.1.8鸣叫电路
由与非门组成的多谐振荡器分别产生750HZ和1000HZ脉冲信号,频率f=1/2.2RC,改变R或C即可改变频率。
如图2-4示出了鸣叫电路原理图。
图2-4鸣叫电路
最后指出一点,在图2—3中,当电路刚接通电源时,由于X1=1,X2=0,会使F2=1,喇叭会鸣叫一次高音,历时0.5秒。
为消除这种现象,对图作了改进,如图2-3所示虚线部分,保证在开机几秒钟内F2=0,消除了鸣叫声的出现。
四.器件的选用
4.1器材
4.1.1元器件
1.CD4510四位十进制同步加/减计数器
2.CD4511四位锁存/七段译码器/驱动器
3.CD4060十四位串行计数/振荡器
4.CD4013双D触发器
5.七段LED共阴0.5数码管
6.CD4011四二输入与非门
7.晶振32768HZ
8.电阻、电容、导线、开关
9.4069六反相器
10.4081二输入与门
11.4082四输入与门
4.1.2仪器
1.数字逻辑实验箱一台
2.示波器一台
3.频率计一台
4.+12V稳压电源一台
4.2其他问题和原则
(1)为何选用CD4510?
答:
因为4510引脚的功能丰富,能够使电路的连接更加简便。
(2)所用芯片的引脚图,真值表等详细参数请见附件表。
(3)用其它芯片可以吗?
其他芯片可以使用。
(4)所选器件构成的单元工作原理图,分析工作过程。
见附件二。
(5)所用元器件目录清单(型号、数量)。
见附件三
5.如问用实验箱来实现课题,在实现课题时碰到了哪些实际问题?
如何处理?
如何提高工作效率?
在本次实现课题的过程中,遇到了许许多多的问题,首先我们在连第一个模块——秒计时模块的时候,发现计数器并没有按照预先设计好的顺序进行计数,经过仔细排查,调整了计数芯片的工作电压,从12伏调整为5伏,随后电路正常工作,从0到59进行计数,并且循环。
然后一路到计数器部分结束,没有再遇到任何问题。
然后开始在计数器的基础上加增蜂鸣电路。
在蜂鸣电路处屡次碰到问题,运行结果不正确,检查几次发现不了问题后,我们决定重连电路,最后,电路成功运行,没有出问题。
经过了这次课程设计,不仅对专业认知更进一步,而且对提高工作效率有了新的看法。
比如,在连接电路线的时候由于线路繁杂,我们采用不同的电路采用不同的颜色来区分,连接数码管的线用黄色,接地的线用黑色,等等等等。
6.通过本次课程设计,谈谈心得体会。
通过本次课程设计,我首先感觉到的是做这个课程设计首先需要的是细心,由于电路板上线路纷繁复杂,如果我们一不小心连错一根线,那么就会导致整个电路都不能正常地工作。
其次的就是对于各个芯片的功能要能够烂熟透心,做到连得时候能够行云流水,否则的话这对整个电路的完成进度会造成影响。
7.附件一:
各芯片资料
各芯片引脚图、功能图
1.4510BD_10V
CI
U/D
PE
R
状态
1
×
0
停止
加法计数
减法计数
×
预置数
复位
Q1,Q2,Q3,Q4为输出端口,P1,P2,P3,P4为预置数端口。
CO是进位输出端,PE是同步置零端,R是异步置零端。
CI是进位输入端。
U/D是控制加减法的端口,CLK是脉冲信号输入端。
2.4511BD_10V
BI
LT
LE
消隐,全熄灭
X
允许译码输出
译码输出全为1,全亮,显示为“8”
锁定状态
BI:
4脚是消隐输入控制端,当BI=0时,不管其他输入端状态如何,七段数码管均处于熄灭状态(消隐),不显示数字。
LT:
3脚是测试输入端,当BI=1,LT=0时,译码输出全为1,不管输入DCBA状态如何,七段均发亮,显示“8”,它主要是用来检测数码管是否损坏。
LE:
锁定控制端。
LE=0时,允许译码输出。
LE=1时,译码器是锁定状态,译码输出被保持在LE=0时的数值。
DA,DB,DC,DDSHI8421BCD码输入端。
OA,OB,OC,OD,OE,OF,OG是译码输出端,输出为高电平有效。
3.4060BT_10V
4060BD/BP/BT跟CD4060一样,只是封装形式不同,4060BD陶瓷双列直插;
4060BP塑料双列直插;
4060BT金属圆壳;
CD4060是“14位二进制串行计数器/分频器”,由一振荡器和14级二进制串行计数位组成。
振荡器的结构可以是RC或晶振电路。
通过外部简单的RC振荡器,F=1/(2.3RtCt),输出方波时间可选,有2的4次方,5次方,12次方,13次方,14次,MR为高电平时,计数器清零且振荡器停止工作。
所有的计数器均为主-从触发器,在时钟脉冲下降沿,计数器以二进制进行计数。
引出端功能符号说明
1O1112分频输出
2O1213分频输出
3O1314分频输出
4O56分频输出
5O45分频输出
6O67分频输出
7O34分频输出
8VSS接地
9CTC外接RC振荡定时电容
10RTC外接RC振荡定时电阻/或接晶振
11RS时钟输入/或接晶振
12MR复位端(高有效)
13O89分频输出
14O78分频输出
15O910分频输出
16VDD电源
4.4013双D触发器
8.附件二:
原理图、接线图等
(1)数字计时器
60进制计数器:
24进制计数器:
振荡电路:
输出脉冲
总仿真图:
连线实物图:
9.附件三:
元件清单表
CD4510四位十进制同步加/减计数器
6
CD4511四位锁存/七段译码器/驱动器
CD4060十四位串行计数/振荡器
1
CD4013双D触发器
七段LED共阴0.5数码管
CD4011四二输入与非门
2
晶振32768HZ
CD4069六反相器
电阻(10M欧姆)
电容
2*7排阻(180欧姆)
蜂鸣器
导线、开关
若干