課_程_設(shè)_計(jì)(電子數(shù)字計(jì)時(shí)器的設(shè)計(jì))

1、課 程 設(shè) 計(jì) 指 導(dǎo) 書(shū)黃建農(nóng) 編武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院電信系電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心電子數(shù)字計(jì)時(shí)器的設(shè)計(jì)在學(xué)完數(shù)字電路課程后，為了鞏固同學(xué)們所學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)和基礎(chǔ)知識(shí)的應(yīng)用，提高獨(dú)立思考問(wèn)題；分析問(wèn)題和解決今后工作中的實(shí)際問(wèn)題的能力，為了把同學(xué)們培養(yǎng)成為既有理論知識(shí)又有實(shí)際動(dòng)手能力的良好素質(zhì)人才，特針對(duì)數(shù)字電路課程，編寫(xiě)了這本數(shù)字計(jì)時(shí)器的設(shè)計(jì)以及制作實(shí)習(xí)指導(dǎo)書(shū)。其目的是通過(guò)設(shè)計(jì)、制作、幫助同學(xué)們掌握簡(jiǎn)單數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制作方法，讓同學(xué)們學(xué)會(huì)查閱有關(guān)資料，使他們將學(xué)過(guò)的知識(shí)融會(huì)貫通。1、數(shù)字計(jì)時(shí)器的設(shè)計(jì)思想：要想構(gòu)成數(shù)字鐘，首先應(yīng)選擇一個(gè)脈沖源能自動(dòng)地產(chǎn)生穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖信號(hào)。而脈沖源產(chǎn)生的脈沖信號(hào)的

2、頻率較高，因此，需要進(jìn)行分頻，使高頻脈沖信號(hào)變成適合于計(jì)時(shí)的低頻脈沖信號(hào)，即“秒脈沖信號(hào)”（頻率為1HZ）。經(jīng)過(guò)分頻器輸出的秒脈沖信號(hào)到計(jì)數(shù)器中進(jìn)行計(jì)數(shù)。由于計(jì)時(shí)的規(guī)律是：60秒=1分，60分=1小時(shí)，24小時(shí)=1天，就需要分別設(shè)計(jì)60進(jìn)制，24進(jìn)制計(jì)數(shù)器，并發(fā)出驅(qū)動(dòng)AM，PM標(biāo)志信號(hào)。各計(jì)數(shù)器輸出信號(hào)經(jīng)譯碼器、驅(qū)動(dòng)器到數(shù)字顯示器，使“時(shí)”、“分”、“秒”得以數(shù)字顯示出來(lái)。值得注意的是：任何計(jì)時(shí)裝置都有誤差，因此應(yīng)考慮校準(zhǔn)時(shí)間電路。校時(shí)電路一般采用自動(dòng)快速調(diào)整和手動(dòng)調(diào)整，“自動(dòng)快速調(diào)整”可利用分頻器輸出的不同頻率的脈沖使顯示時(shí)間自動(dòng)迅速調(diào)整時(shí)間?！笆謩?dòng)調(diào)整”可利用手動(dòng)的節(jié)拍調(diào)準(zhǔn)顯示時(shí)間。2、數(shù)

3、字鐘的原理框圖。（見(jiàn)圖1）3、數(shù)字計(jì)時(shí)器的設(shè)計(jì)方法：根據(jù)設(shè)計(jì)思想及原理框圖，運(yùn)用已學(xué)過(guò)的知識(shí)，選擇所需要的電路及元器件，然后依據(jù)各單元的輸入輸出信號(hào)相互匹配，加入必要的其他電路（校時(shí)電路）等，組成數(shù)字計(jì)時(shí)器的電路總圖，這就是設(shè)計(jì)的全過(guò)程。（1）設(shè)計(jì)脈沖源：脈沖源是數(shù)字計(jì)時(shí)器的心臟，它能自動(dòng)不停地產(chǎn)生脈沖信號(hào)，以供計(jì)時(shí)之用，它的穩(wěn)定和準(zhǔn)確對(duì)計(jì)時(shí)器起著至關(guān)重要的作用。我們?cè)鴮W(xué)過(guò)一些自激式的振蕩器，如：自激多諧振蕩器，自激間歇振蕩器等。但為了脈沖源的穩(wěn)定度，準(zhǔn)確度，常用石英晶體振蕩器。一般情況下，晶振蕩頻率愈高，準(zhǔn)確度愈高，但所用分頻級(jí)數(shù)愈多，耗電量愈大，成本也就愈高。在選擇晶振器時(shí)，應(yīng)綜合考慮。其

4、電路原理如圖（2）：R.C為時(shí)間元件,改變C的值可調(diào)整晶振器的輸出頻率,石英晶體的振蕩頻率為32768HZ。（2）設(shè)計(jì)整形電路：由于晶振器輸出的脈沖波形是正弦或不規(guī)則的矩形波，要得到有規(guī)則的矩形波，須經(jīng)整形電路整形。我們已學(xué)過(guò)的脈沖整形電路有多種，如：削波器、門電路、單穩(wěn)態(tài)電路、雙穩(wěn)態(tài)電路、施密特觸發(fā)器等。門G1，G2構(gòu)成基本RS觸發(fā)器，G3為非門。二極管起電平轉(zhuǎn)移作用，用來(lái)產(chǎn)生回差。其工作原理參見(jiàn)陳傳虞脈沖與數(shù)字電路課本，這里不再序述。（3）設(shè)計(jì)分頻器：分頻器能將高頻率脈沖變換為低頻脈沖，可由觸發(fā)器及計(jì)數(shù)器承擔(dān)。我們知道，一個(gè)觸發(fā)器就是一個(gè)二分頻器，N個(gè)觸發(fā)器就是2×2×

5、2分頻器，而用計(jì)數(shù)分頻，則按計(jì)數(shù)進(jìn)制進(jìn)行分頻，如十進(jìn)制計(jì)算器就是十分頻器，M進(jìn)制計(jì)數(shù)器為M分頻器。若用晶振頻率為32768HZ的石英晶體振蕩器，要產(chǎn)生1HZ的秒脈沖，就需要JK觸發(fā)器（或計(jì)數(shù)觸發(fā)器）的個(gè)數(shù)為2n=32768HZ，n=15。若要用不同進(jìn)制的計(jì)數(shù)器串接組成分頻器，它的串接規(guī)律為：各計(jì)數(shù)器的進(jìn)制等于晶振頻率數(shù)：即M1×M2M=32768，如已知其中幾個(gè)進(jìn)制數(shù)的計(jì)數(shù)器，則可求另一個(gè)進(jìn)制的計(jì)數(shù)器。因此分頻器的設(shè)計(jì)，既可選用單個(gè)觸發(fā)器串接組成，見(jiàn)圖（4），又可設(shè)計(jì)為不同進(jìn)制計(jì)數(shù)器串接組成，見(jiàn)圖（5）?？勺罱K分頻結(jié)果為1HZ的秒脈沖，不得為其它頻率信號(hào)，本次實(shí)習(xí)JK觸發(fā)器見(jiàn)圖（6）

6、。（4）設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)器：分頻器產(chǎn)生了1HZ的秒脈沖后，根據(jù)計(jì)時(shí)規(guī)律：60秒=1分，60分=1小時(shí)，24小時(shí)=1天?？紤]到人們的計(jì)數(shù)習(xí)慣，一個(gè)位采用十進(jìn)制，十位采用進(jìn)制來(lái)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)器的方法，以觸發(fā)器為單元電路，根據(jù)進(jìn)制按有權(quán)碼或無(wú)權(quán)碼來(lái)編碼，采用有條件反饋原理來(lái)構(gòu)成。例如六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，可分為：十進(jìn)制計(jì)數(shù)器和六進(jìn)制計(jì)數(shù)器。這樣設(shè)計(jì)不僅適合人們的計(jì)數(shù)習(xí)慣，而且有利于顯示相同的數(shù)字。同理也可以設(shè)計(jì)二十四小時(shí)制（或十二進(jìn)制）計(jì)數(shù)器。注意當(dāng)“小時(shí)”數(shù)的十位為2，個(gè)位為3時(shí)，只要“分”數(shù)位進(jìn)位時(shí)，就應(yīng)使“小時(shí)”數(shù)位歸零，因此二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器采用有條件反饋來(lái)設(shè)計(jì)（十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器也同理）。但應(yīng)在回零時(shí)，發(fā)出驅(qū)

7、動(dòng)AM，PM標(biāo)志的信號(hào)?？刹殚営嘘P(guān)資料，選用不同進(jìn)制 計(jì)數(shù)器電路。如選用模6的計(jì)數(shù)器電路，模十的計(jì)算器電路，模十二的計(jì)數(shù)器的電路。（5）設(shè)計(jì)數(shù)碼顯示，譯碼器/驅(qū)動(dòng)器：電子數(shù)字計(jì)時(shí)器多選用七段筆劃式數(shù)碼顯示器，圖7（a）為發(fā)亮段，依發(fā)亮段不同，可顯示09十個(gè)數(shù)字。由于數(shù)字顯示器件的種類很多，有熒光管，輝光管，發(fā)光二極管，液晶管等顯示器，同學(xué)們可根據(jù)實(shí)際用途來(lái)選擇數(shù)字顯示器。以發(fā)光二極管LED顯示器為例，它的優(yōu)點(diǎn)是亮度強(qiáng)，清晰，電壓低（1.5v，3v)，有紅、綠、黃等顏色。缺點(diǎn)是工作電流大，因此需要驅(qū)動(dòng)器來(lái)點(diǎn)亮，可選用門電路來(lái)構(gòu)成，LED的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7（b）。圖中R為限流電阻，當(dāng)譯碼器輸出為高電平時(shí)

8、，LED發(fā)亮，為了減少顯示器的功耗，常常采用間歇掃描，即利用人們的眼睛的視覺(jué)暫留現(xiàn)象，不是長(zhǎng)時(shí)間的總亮應(yīng)亮的段，而是使應(yīng)亮段按一定的速率間歇掃描點(diǎn)亮，而使人們能看到不變動(dòng)的數(shù)字或圖像。LED發(fā)光二極管顯示屏，有兩種驅(qū)動(dòng)方式：一種是共陰極，各顯示段為陽(yáng)極，要求譯碼器/驅(qū)動(dòng)器輸出高電平，才使應(yīng)顯示的段亮；另一種是共陽(yáng)極，各顯示段為陰極，要求譯碼器/驅(qū)動(dòng)器輸出為低電平。（6）設(shè)計(jì)校時(shí)電路：校時(shí)電路是計(jì)時(shí)器中不可少的部分，因?yàn)楫?dāng)即時(shí)間與計(jì)時(shí)器時(shí)間不相等時(shí)，就需要校時(shí)電路予以校正。校準(zhǔn)時(shí)間電路，有兩方案，同學(xué)們可根據(jù)實(shí)際需要選擇使用。 第一，校時(shí)用的脈沖可以選用頻率較高的不等的幾種脈沖，從計(jì)數(shù)器的總輸入

9、端（秒計(jì)數(shù)器的第一級(jí)輸入端）送入，見(jiàn)圖（8）。第二，校時(shí)用的脈沖，分別將秒脈沖送到“計(jì)時(shí)”的計(jì)數(shù)器的輸入端，“計(jì)分”的計(jì)數(shù)器輸入端，但校時(shí)，校分時(shí)應(yīng)將原計(jì)數(shù)回路關(guān)閉或斷開(kāi)。校秒時(shí)可采取關(guān)閉或斷開(kāi)秒計(jì)數(shù)器的脈沖信號(hào)輸入端，使其停止計(jì)時(shí)。見(jiàn)圖（9）4、繪制總體電路圖根據(jù)電子數(shù)字計(jì)時(shí)器設(shè)計(jì)或選定各單元電路，按原理的順序組合起來(lái)組成總電路圖，在繪制電路時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）各單元電路的電源，地線公共連接在一起，各電路的電源電壓值應(yīng)按要求值接入相應(yīng)的接線端上；（2）各單元電路的輸入，輸出脈沖信號(hào)應(yīng)按要求首尾相接，且應(yīng)符合匹配關(guān)系，如不符合，應(yīng)加導(dǎo)線引出電路；（3）需要控制信號(hào)的端，應(yīng)對(duì)應(yīng)開(kāi)頭元器件（含開(kāi)關(guān)電路）；（4）集成電路或其它元器件多余的功能端不用時(shí)，可不畫(huà)出，以保持電路總圖的簡(jiǎn)捷清晰；（5）不得采用大規(guī)模集成電路，分頻