數(shù)字鐘電路的基本組成框架圖如圖一所示,它主要由多諧振蕩器、計(jì)數(shù)器、譯碼器和數(shù)碼顯示器4個(gè)部分組成。
圖一 數(shù)字鐘電路的基本組成(方框圖)
2、設(shè)計(jì)方案數(shù)字鐘是一個(gè)將“時(shí)”,“分”,“秒”顯示于人的視覺器官的計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)裝置。他的計(jì)時(shí)周期為24小時(shí),顯示滿刻度為23時(shí)59分59秒。因此,一個(gè)基本的數(shù)字鐘電路主要由譯碼顯示器、“時(shí)”,“分”,“秒”,計(jì)數(shù)器、校時(shí)電路和振蕩器組成。數(shù)字鐘實(shí)際上是一個(gè)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)電路,由于計(jì)數(shù)的起始時(shí)間不可能與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間一致,故需要在電路上加一個(gè)校時(shí)電路,同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)的1HZ時(shí)間信號(hào)必須做到準(zhǔn)確穩(wěn)定,通常使用石英晶體振蕩器電路。
三、單元電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算1、單元電路的設(shè)計(jì)1.1時(shí)鐘模塊
考慮到數(shù)字鐘對(duì)精度要求較高,故時(shí)鐘模塊是由555計(jì)時(shí)器組成的振蕩電路,其在電路中直接產(chǎn)生頻率為1HZ的脈沖信號(hào)。圖3.1.1為由555計(jì)時(shí)器所構(gòu)成的。
圖3.1.1時(shí)鐘模塊
1.2分頻計(jì)數(shù)器
設(shè)計(jì)的60和24進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器都大于一個(gè)74LS160N的計(jì)數(shù)范圍,所以需要級(jí)聯(lián)。當(dāng)且僅當(dāng)秒的個(gè)位計(jì)數(shù)到10的瞬間,即輸出為1010時(shí),向本位發(fā)送一個(gè)清零信號(hào),并同時(shí)向十位發(fā)送一個(gè)進(jìn)位脈沖。但由于74LS160N的清零方式為異步清零,這種清零方式會(huì)導(dǎo)致清零的不可靠。所以必須要把脈沖調(diào)整到一個(gè)較低的周期,才會(huì)產(chǎn)生有效地清零和進(jìn)位信號(hào)。兩片74LS160N的預(yù)置是同步的,利用預(yù)置端的ABCD四個(gè)端口來實(shí)現(xiàn)清零。把A-D接地后,當(dāng)置入控制器LOAD為低電平時(shí),在CLK上升沿作用下,輸出端QA-QD會(huì)與數(shù)據(jù)輸入端A-D相一致。通過采用預(yù)置的方式,可以確保清零的穩(wěn)定。但為了使清零和進(jìn)位同步進(jìn)行,在清零的輸出端需要引出一根線,加上非門引入下一級(jí)計(jì)數(shù)器的輸入端。這種可以實(shí)現(xiàn)多重清零的方式,也可以實(shí)現(xiàn)24進(jìn)制用10進(jìn)制顯示,而且清零和進(jìn)位的可靠性與同步性得到了極大地提高。
1.3秒計(jì)數(shù)器
由于時(shí)鐘模塊分頻后可直接產(chǎn)生1Hz的標(biāo)準(zhǔn)脈沖時(shí)鐘信號(hào),所以可以直接把所得的1Hz信號(hào)作為秒位計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)。使用兩片同步加法計(jì)數(shù)器74LS160N構(gòu)成60進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器作為秒計(jì)時(shí)器,同時(shí)在設(shè)計(jì)的時(shí)候,也應(yīng)用到了74LS20N這個(gè)雙4輸入與非門集成電路,其在電路中充當(dāng)與非門的作用。在秒的個(gè)位計(jì)數(shù)到10的瞬間,向十位發(fā)送一個(gè)進(jìn)位脈沖。秒的十位加法計(jì)數(shù)器在計(jì)數(shù)到6的瞬間,向74LS20N發(fā)送清零信號(hào)。這樣就構(gòu)成了一個(gè)級(jí)聯(lián)而形成的60進(jìn)制帶進(jìn)位與清零的加法計(jì)數(shù)器。圖3.1.3為秒計(jì)時(shí)器的電路圖。
圖3.1.3秒計(jì)數(shù)器
1.4分計(jì)數(shù)器
按照同樣的方法,可以構(gòu)成分位的計(jì)數(shù)器。圖3.1.4為秒計(jì)時(shí)器的電路圖。
圖3.1.4分計(jì)數(shù)器
1.5時(shí)計(jì)數(shù)器
秒分頻計(jì)數(shù)器采用兩片74LS160和一片74LS20組成,74LS160是十進(jìn)制計(jì)數(shù)器,也就是說只能記住十個(gè)數(shù)字,計(jì)數(shù)完成后自動(dòng)清零,同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)位信號(hào),而74LS20內(nèi)部由兩組4輸入與非門組成;秒分頻計(jì)數(shù)器是60進(jìn)制的計(jì)數(shù)器當(dāng)?shù)臀坏?img id="aimg_dRcu6" onclick="zoom(this, this.src, 0, 0, 0)" class="zoom" width="105" height="31" src="http://c.51hei.com/a/huq/a/a/g/160/160.004.jpg" border="0" alt="" />變?yōu)?011的同時(shí)高位的變?yōu)?010時(shí),將高位和低位各置1的引腳接入到74LS20的一組四輸入與非門中,此時(shí)74LS20輸出低電平,將其接入兩片74LS160的置零端從而完成兩片計(jì)數(shù)器的同步置零。
圖3.1.5為秒計(jì)時(shí)器的電路圖。
圖3.1.5時(shí)計(jì)數(shù)器
1.6校時(shí)電路
當(dāng)數(shù)字鐘走時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí),需要校正時(shí)間。校時(shí)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)“時(shí)”“分”“秒”的校準(zhǔn)。在電路中設(shè)有正常計(jì)時(shí)和校對(duì)位置。本實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)“時(shí)”“分”“秒”的校對(duì)。
對(duì)校時(shí)的要求是,在小時(shí)校正時(shí)不影響分和秒的正常計(jì)數(shù);在分校正時(shí)不影響秒和小時(shí)的正常計(jì)數(shù),在秒校正時(shí)不影響分和小時(shí)的正常計(jì)數(shù)。圖3.1.6為校時(shí)電路。
圖3.1.6校時(shí)電路
1.7顯示模塊
現(xiàn)在的許多電器設(shè)備上都有顯示十進(jìn)制字符的字符顯示器,以直觀的顯示出電器設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)。目前廣泛使用的字符顯示器是七段字符顯示器,或稱七段數(shù)碼管。常見的七段數(shù)碼管有液晶顯示數(shù)碼管和半導(dǎo)體數(shù)碼管兩種。 半導(dǎo)體數(shù)碼管是由七段發(fā)光二極管(Light Emitting Diode)組成,簡(jiǎn)稱LED。圖3.1.7是
LED的引腳及其等效電路。
圖3.1.7LED的引腳及其等效電路
顯示計(jì)數(shù)結(jié)果需要用到顯示譯碼器DCD_ HEX,如圖3.1.7.1
圖3.1.7顯示譯碼器DCD_ HEX
2、元件參數(shù)的計(jì)算2.1時(shí)鐘模塊
555定時(shí)器的內(nèi)部電路由分壓器、電壓比較器和
、簡(jiǎn)單SR鎖存器、放電三極管T以及緩沖器G組成,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3.2.1所示。
圖3.2.1 555定時(shí)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
555定時(shí)器的功能表如下表所示
555定時(shí)器功能表
用555定時(shí)器組成多諧振蕩器時(shí),在接通電源后,電容C被充電,當(dāng)上升到
時(shí),使
為低電平,同時(shí)放電三極管
導(dǎo)通,此時(shí)電容C通過
和
放電,
下降!‘(dāng)
下降到
時(shí),
翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器C放電所需的時(shí)間為
當(dāng)放電結(jié)束時(shí),T截止,將通過
、
向電容器C充電,
由
上升到
所需要的時(shí)間為
當(dāng)上升到
時(shí),電路又翻轉(zhuǎn)為低電平。如此周而復(fù)始,于是,在電路的輸出端就得到一個(gè)周期性的矩形波。其振蕩頻率為
當(dāng)我們要在電路中由555振蕩電路直接產(chǎn)生頻率為1Hz的脈沖信號(hào)時(shí),555振蕩器的參數(shù)確定:T=0.7(R1+R2)C=500ms,f=1/t=2HZ,所以參數(shù)可以確定為:C1=47uF,C2=10nF,R1=10KΩ,R2=10KΩ。
2.2秒計(jì)數(shù)器
秒分頻計(jì)數(shù)器采用兩片74LS160和一片74LS20組成,74LS160是十進(jìn)制計(jì)數(shù)器,也就是說只能記住十個(gè)數(shù)字,計(jì)數(shù)完成后自動(dòng)清零,同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)位信號(hào),而74LS20內(nèi)部由兩組4輸入與非門組成;秒分頻計(jì)數(shù)器是60進(jìn)制的計(jì)數(shù)器當(dāng)?shù)臀坏?img id="aimg_nssSV" onclick="zoom(this, this.src, 0, 0, 0)" class="zoom" width="105" height="31" src="http://c.51hei.com/a/huq/a/a/g/160/160.004.jpg" border="0" alt="" />變?yōu)?010的同時(shí)高位的變?yōu)?101時(shí),將高位和低位各置1的引腳接入到74LS20的一組四輸入與非門中,此時(shí)74LS20輸出低電平,將其接入兩片74LS160的置零端從而完成兩片計(jì)數(shù)器的同步置零。
2.3分計(jì)數(shù)器
分的個(gè)位和十位計(jì)數(shù)單元的狀態(tài)轉(zhuǎn)換和秒的是一樣的,只是它要把進(jìn)位信號(hào)傳輸給時(shí)的個(gè)位計(jì)數(shù)單元。
2.3時(shí)計(jì)數(shù)器
秒分頻計(jì)數(shù)器采用兩片74LS160和一片74LS20組成,74LS160是十進(jìn)制計(jì)數(shù)器,也就是說只能記住十個(gè)數(shù)字,計(jì)數(shù)完成后自動(dòng)清零,同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)位信號(hào),而74LS20內(nèi)部由兩組4輸入與非門組成;秒分頻計(jì)數(shù)器是60進(jìn)制的計(jì)數(shù)器當(dāng)?shù)臀坏?img id="aimg_qYSs3" onclick="zoom(this, this.src, 0, 0, 0)" class="zoom" width="105" height="31" src="http://c.51hei.com/a/huq/a/a/g/160/160.004.jpg" border="0" alt="" />變?yōu)?011的同時(shí)高位的變?yōu)?010時(shí),將高位和低位各置1的引腳接入到74LS20的一組四輸入與非門中,此時(shí)74LS20輸出低電平,將其接入兩片74LS160的置零端從而完成兩片計(jì)數(shù)器的同步置零。
2.4校時(shí)電路
剛接通電源或走時(shí)不準(zhǔn)時(shí),都需要進(jìn)行時(shí)間校準(zhǔn)。理論上校時(shí)電路是可以通過直接與脈沖源相接而獲得脈沖頻率。但是因?yàn)閷?shí)物電路的硬件緣故。在按下和彈開按鈕的瞬間,數(shù)碼管的數(shù)字會(huì)因?yàn)榘粹o的接觸原因而抖動(dòng)。這就導(dǎo)致了在較好之間后想結(jié)束校時(shí),因?yàn)榘粹o抖動(dòng)的原因,時(shí)間又改變了。相當(dāng)于無校時(shí)功能。實(shí)現(xiàn)校時(shí)電路的方法有很多,采用基本R-S觸發(fā)器構(gòu)成單脈沖發(fā)生器是其中的一種。RS觸發(fā)器具有置位、復(fù)位和保持(記憶)的功能,可以消除抖動(dòng),所以決定用這個(gè)比較簡(jiǎn)單的校時(shí)電路。
4、總原理圖1. 總原理圖總原理圖如圖4.1所示
圖4.1總原理圖
2. 總原理圖分析1.1總體仿真電路1
1.2總體仿真電路2
2.1秒計(jì)數(shù)器仿真分析
圖5.2.1為秒計(jì)數(shù)器仿真分析
圖5.2.1秒計(jì)數(shù)器仿真分析
分析結(jié)果為秒計(jì)數(shù)器的功能能夠正常實(shí)現(xiàn)。
2.2分計(jì)數(shù)器仿真分析
圖5.2.2為分計(jì)數(shù)器仿真分析
圖5.2.2分計(jì)數(shù)器仿真分析
分析結(jié)果為分計(jì)數(shù)器的功能能夠正常實(shí)現(xiàn)。
2.3時(shí)計(jì)數(shù)器仿真分析
圖5.2.3為時(shí)計(jì)數(shù)器仿真分析
圖5.2.3時(shí)計(jì)數(shù)器仿真分析
分析結(jié)果為時(shí)計(jì)數(shù)器的功能能夠正常實(shí)現(xiàn)。
2.4555振蕩器仿真分析
圖5.2.4為555振蕩器仿真分析
圖5.2.4 555振蕩器仿真分析
分析結(jié)果為555振蕩器的功能能夠正常實(shí)現(xiàn)。
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