作息时间信号机_技术文档

1、课程设计报告 作息时间信号机(作息时间信号机的整体电路图见最后一页)一 设计目标本课题是在熟悉数字电路知识的基础上，根据设计要求来制订一简易作息时间信号机，该信号机能正常显示时间并能手动校时校分，且能在特定的时间打特定的铃；在设计的基础上掌握调试电路的基本方法。二 技术指标21 整体功能要求： 学校、机关和工厂企业为了维护正常的工作，学习和生活秩序，作息时间信号机是必不可少的，一年四季的作息时间是不同的，功能齐全的信号机应能根据季节的变更，自动调整作息时间。另外，任何时钟都有记时误差，数字钟也不例外，性能优良的信号机，应能根据广播及时的进行人工校时，本课题设计是简易作息时间信号机，作息时间按学

2、校规定的作息时间自动打铃，全年作息时间是规定不变（双休日照常运行），且只要求人工校时校分。22系统结果要求： 作息时间信号机的系统结构方框如图2.1-123 电气指标231规定的作息时间表如下：项目时间铃声类型起床6：30长早操6：40短早餐7：10长预备铃7：50短第一节课8：00-8：50间-短第二节课9：009：50间-短课间操10：00短第三节课10：1011：00间-短第四节课11：1012：00间-短午餐12：10长午休12：30长预备铃13：40短第五节课14：0014：50间短第六节课15：0015：50间短第七节课16：0016：50间短第八节课17：0017：50间短晚餐1

3、8：00长第九节课18：3019：20 间短第十节课19：3020：30间短晚自习结束22：00间熄灯22：30长232铃声分类根据铃声长短共分三类：长铃：12s; 短铃7s；间歇铃18s内响3s，停3s，共三个周期。这三种铃声分别应用于下列三种情况（已在上表中给出分类情况）；长铃：起床，早、中、晚餐，午休和熄灯。短铃：预备铃，下课，自习几课间操作结束。间歇铃：上课，晚自习结束。233采用24小时制三 电路设计31 工作原理及其流程图 该简易信号机的框图如图3.1-1所示，它由以下几个部分组成； 秒信号发生器：用来产生数字钟记时的标准脉冲信号数字钟：用以提供作息时间表中的各个具体时间译码电路：

4、将所有欲打铃的时间提取出来并分别构成三种铃声的控制信号定时电路：用以形成三种铃声所需的持续时间并汇集成一路信号送至多谐震荡器可控多谐振荡器及推动电路：在需要打铃的时间里，多谐振荡器从音频频率振荡并推动扬声器的发声以下我们将具体介绍个部分的电路及其工作过程。32 电路分析321秒信号发生器 秒信号发生器是数字钟的重要部分，它决定了数字钟的稳定度和精确度，在记时要求不高的场合，可以用环形门电路或555定时器产生。在记时要求准确的条件下，一般用石英晶体做振荡源，振荡器的频率越高，设计计时精度越高，所用的器件所用的器件就越多，本课题用32768Hz的晶体，经十五次的二分频可得到1s的标准脉冲信号，如图

5、.所示通过秒信号发生器可产生Hz、2Hz、1024Hz、2048Hz等脉冲信号，将其作为数字钟的CP输入，方便检验电路的准确性3.2.2数字钟数字钟即计数器，对秒信号计数，将累积结果用24进制显示时、分、秒，数字钟主要包括计数器、译码器及显示电路。（1）计数器主要应用于计数时、分、秒，于6片74161级联而成。计秒电路由2片74161通过异步级联实现模为60的计数并输出，第一片74161为模6的计数器，第二片74161为模10 的计数器，均采用预置“0”法，电路如下：该电路可从0 59 计数，Qa、Qb、 Qc、Qd可输出每一个数的二进制表示形式作为译码器的输入信号 。计分信号也由由2片741

6、61级联而成，电路图同（3.2-3），当计数到59时就会产生一个脉冲，作为计时电路的CP输入。计时电路；由于一天只有24小时，当计数达到23：59：59时，就需要清零以重新开始计时，计时电路由2片74161级联而成的模为24计数器，下图为计数器的电路图，并能实现置零然后将计时、计分电路、计秒电路级联起来，前一电路的置书数控制端的输入信号也作为下一电路CP的输入信号，当计时、计分、计秒计到满足模为59的终止状态时，将会产生置数控制信号，提供下一级电路的脉冲，当达到23：59：59的终止状态时，所有的级联电路全部置零，重复下一次的计数，计秒电路CP输入为标准脉冲信号,下图为每一个级联电路基本触发器

7、的Q端输出波形图：1计秒电路：、（个位） 2计秒电路（十位）3 计分电路（个，十位），计数电路个位与计数 电路相对应4 计时电路（十位）（2）译码器及其显示电路我们用74161的时分电路产生所需的序列信号，采用74153级联进制数据选择，通过7448和74138可将时间在四个数码管上动态显示出来，利用7474构成的控制开关，可使四位数字同时显示在四个数码管上，具体的电路图如下：1 数据选择电路注 ：（b）为计时电路的十位（）为计时电路的个位（）为计分电路的十位（）为计分电路的个位数据选择电路功能：将计数器的时分上的二进制数选择出来。通过译码电路再将数字在数码管上显示出来。译码电路及其显示电路图

8、注：（I）为左（II）为右上图为动态数码显示电路，它由一片译码器和四个数码管共同组成的，图.中芯片构成一个“”“”的交替开关，时分别由，号数码管将选择器中的选出来的数据在数码管上进行显示，当“”“”交替显示时，由于人眼的视觉暂留效应，时分上的四位数字就会同时显示在号数码管上。至此，数字钟显示电路已经完成，当Hz脉冲正常输入时，我们回看到显示器上的数字将会随着时间的推移而发生跳变，目的与结果吻合的相当好，调节秒电路的脉冲输入，如CP输入为Hz，我们会发现数码管上的数字将会连续快速的变化，并能实现小时制，数字钟显示的正确性在检测中将给出具体的分析；.校时校分电路可设两个校时、校分开关，当k时，正常

9、计时；当k时，校时；当k=10时，校分。在时分计数器的CP端，有一个控制信号控制正常计数或校时，校时时应加入一个校时脉冲，校时脉冲可选择1Hz信号，为加快校时的速度，可选择校时脉冲的频率如：2Hz，4Hz，8Hz，校时控制电路可用组合电路来实现，由于开关存在抖动，必须采用消除抖动电路。1校对小时电路开关在松动时有两端是相连的，在按下去时另两端是相连的，在选择开关时，必须将松开时相连的两端按电路图接好，这样保证校时开关接人电路时不影响正常计时，在调节开关时，直接对计时电路输入脉冲信号，实现手动调时。2校分电路： 校分电路的基本原理与校时电路相同在上述的两个电路中都包含了一个SRFF门，用以消除开

10、关在按下去时可能带来的震动，确保手动调时的准确性。3.2.4译码电路：该电路要将所有需要打零的时间检测出来，分为三类铃声：长铃、短铃、几间歇铃，如果用用集成电路来完成组合逻辑设计，电路是十分庞大的，甚至是无法实现的，如果与GAL来实现，电路是非常简单的。体现可编程器件的优越性。GAL芯片有8个输入缓冲器、8个输出缓冲器、8个输出反馈/输入缓冲，一个时钟输入缓冲器 和一个片选信号输入缓冲器，8个输出逻辑宏单元OLMC,与阵列中有8*8个门实现64个乘积项。在GAL16 v8中，最多有16个引脚作为输入端，而输出端最多有8个由于GAL的基本结构，使她实现复杂的逻辑功能的灵活性较大，它的输出宏单元O

11、LMC可配置成5种工作方式，各种模式对于输出逻辑表达式的要求不同，特别要注意的是宏单元OLMC的内部有一个8输入的或门，或门的每一个输入对应与1个乘积项，每个与门可达32个输入端，在宏单元配置成不同的工作模式时，或门最多只能8个乘积项相加，在实现组合逻辑电路工作在反馈组合输出方式时，第一个乘积项被三态选通信号占用，故或门只有7个输入端可用，既最多可有7 个乘积项相或。在编程时，只需要写出三种铃声的表达式，如果某种铃声的乘积项大于7时就需要设计一个中间变量，否则软件编辑时会出错。以下是GAL编程实现时间检测的具体程序：PARTNO； REV；DATE 2005-09-07；DE SIGHER；

12、COM PANY；ASSEMBLY；LOCATION；PIN2，3，4，5，6，7，8，9，12，13，18，19=Q6B，Q6A，Q5D，Q5C，Q5B，Q4C，Q4B，Q4A，Q3D，Q3C，Q3B，Q3APIN12，13，14，15，16，17，18=L，S，J，；L=!Q6B&Q6A&!Q5D&Q5B&Q5C&Q5A&!Q4C&Q4B&Q4A#!Q6B&!Q6A&!Q5D&Q5C&Q5B&Q5A&!Q4C&Q4B&Q4A#!Q6B&Q6A&!Q5D&!Q5C&Q5B&!Q5A&!Q4C&!Q4B&Q4A#!Q6B&Q6A&Q5D&!Q5C&!Q5B&!Q5A&!Q4C&!Q4B&!Q4

13、A#!Q6B&Q6A&!Q5D&Q5C&Q5B&!Q5A&!Q4C&Q4B&Q4A#Q6B&!Q6A&!Q5D&!Q5C&Q5B&!Q5A&!Q4C&Q4B&Q4A；=!Q6B&!Q6A&!Q5D&Q5C&Q5B&Q5A&Q4C&!Q4B&Q4A#!Q6B&Q6A&!Q5D&!Q5C&Q5B&Q5A&Q4C&!Q4B&!Q4A#!Q6B&!Q6A&Q5D&!Q5C&!Q5B&!Q5A&Q4C&!Q4B&Q4A#!Q6B&!Q6A&Q5D&!Q5C&!Q5B&Q5A&Q4C&!Q4B&Q4A#!Q6B&!Q6A&Q5D&Q5C&!Q5B&Q5A&!Q4C&!Q4B&!Q4A#!Q6B&Q6A&!

14、Q5D&!Q5C&Q5B&!Q5A&!Q4C&!Q4B&!Q4A；=!Q6B&!Q6A&!Q5D&Q5C&Q5B&Q5A&Q4C&!Q4B&Q4A#!Q6B&Q6A&!Q5D&!Q5C&Q5B&Q5A&Q4C&!Q4B&!Q4A#!Q6B&!Q6A&Q5D&!Q5C&!Q5B&!Q5A&Q4C&!Q4B&Q4A#!Q6B&!Q6A&Q5D&!Q5C&!Q5B&Q5A&Q4C&!Q4B&Q4A#!Q6B&!Q6A&Q5D&Q5C&!Q5B&Q5A&!Q4C&!Q4B&!Q4A#!Q6B&Q6A&!Q5D&!Q5C&Q5B&!Q5A&!Q4C&!Q4B&!Q4A；=!Q6B&Q6A&!Q5D&Q5

15、C&!Q5B&!Q5A&Q4C&!Q4B&Q4A#!Q6B&Q6A&!Q5D&Q5C&!Q5B&Q5A&Q4C&!Q4B&Q4A#!Q6B&Q6A&!Q5D&Q5C&Q5B&!Q5A&Q4C&!Q4B&Q4A#!Q6B&Q6A&!Q5D&Q5C&Q5B&Q5A&Q4C&!Q4B&Q4A#!Q6B&Q6A&!Q5D&!Q5C&Q5B&Q5A&!Q4C&Q4B&!Q4A#Q6B&!Q6A&!Q5D&!Q5C&!Q5B&!Q5A&!Q4C&Q4B&!Q4A#Q6B&!Q6A&!Q5D&!Q5C&Q5B&!Q5A&!Q4C&!Q4B&!Q4A；=!Q6B&!Q6A&Q5D&!Q5C&!Q5B&!Q5A

16、&!Q4C&!Q4B&!Q4A#!Q6B&!Q6A&Q5D&!Q5C&!Q5B&Q5A&!Q4C&!Q4B&!Q4A#!Q6B&Q6A&!Q5D&!Q5C&!Q5B&!Q5A&!Q4C&!Q4B&Q4A#!Q6B&!Q6A&!Q5D&!Q5C&!Q5B&Q5A&!Q4C&!Q4B&Q4A#!Q6B&Q6A&!Q5D&Q5C&Q5B&!Q5A&!Q4C&!Q4B&!Q4A#!Q6B&Q6A&!Q5D&Q5C&!Q5B&Q5A&!Q4C&!Q4B&!Q4A；=!Q6B&Q6A&!Q5D&Q5C&Q5B&!Q5A&!Q4C&!Q4B&!Q4A#!Q6B&Q6A&Q5D&Q5C&Q5B&Q5A&!Q4

17、C&!Q4B&!Q4A#!Q6B&Q6A&Q5D&!Q5C&!Q5B&!Q5A&!Q4C&Q4B&Q4A#!Q6B&Q6A&Q5D&!Q5C&!Q5B&Q5A&!Q4C&Q4B&Q4A；J=#；325定时电路 用长铃，短铃和间歇铃作为单稳态触发器的触发信号，再配以定时元件R，C，实现脉冲展宽至所需的时间，电路如图：该电路采用中规模集成单稳态74123，单稳态的脉冲宽度 由外接决定，在1000时，对LS型， 对标准型L型： K（HaT/）对型K0.28；对型,k=0.33通过计算可求得 长铃定时电路中的=100K，220短铃电路中的=74K，220间歇铃的=200K，220间歇铃声的形成，要求在

18、18s内响3s，停3s共三个周期，可移动寄存器74194附加门电路。实现111000序列信号发生器，实现电路如下：其波形图如下：最后，将长铃、短铃和间歇铃的输出端Q通过一个或门，接到蜂鸣器上，实现定点报时。综上所述，将所有电路组合起来，完整的电路图见附录。但在接线的过程中仍不可避免存在芯片与接触面的问题，电路调试的具体过程将在下面予以给出。四电路的调试电路的调试是整个电路设计的至关重要的部分，数字电路的测试目的有两类：一是功能测试；二是结构测试。功能测试的目的是验证被测电路的功能，而结构测试的目的是针对电路的硬件故障，通过测试确定电路中某节点的故障情况。数字电路中信号的频率和均匀性更多样化，示

19、波器则拥有观察这些多样化的能力，能否正确的使用示波器也是相当重要的。41 时间校正运用2Hz，4Hz，8Hz等快速测量，校正开关应用消抖动电路逐级测量和校正。411秒脉冲发生器的测试：在秒发生器中，7474芯片的5管脚与地线直接接入二级管，观察二极管的亮灭情况，通过计时一检测秒信号发生器电路的正确性，在组装电路的过程中，由于接触不良或者芯片的损害，使得无法产生标准的秒脉冲信号。两点间是否通路可通过万用表直接检测而的，秒脉冲信号在示波器上是无法产生均匀波形的，通过CD4060的管脚5和7可产生1024Hz和2048Hz的脉冲，触发信号为均匀波形，各点波形本身的高、低电平时分分别相等，都是均匀波形

20、图如下： 当出现上述波形以及二极管能正常1s闪亮一次时 ，说明该秒信号发生电路是正确的，在电路连接中，一些使能端和高电平，地线的正确性连接与否必须确定。412数字电路的检测 （1）选择电路的检测： 电路中出现的具体问题及相应的解决方案，如下： 1.1在时分电路中是采用异步级联的方式实现M=60的计数器，利用同步级联也可以实现M=60的计数器，电路图如下：但是上述的计庙电路存在很大的弊端，由于非门的存在会使的输入下一级74161的P、T信号延迟，从而使得CP与P、T计数不准，所以计时电路采用同步级联方式。12 断路故障断路故障是指连线造成的断路，现象一般显示出相关点无规律的电平，检测此类故障用“

21、0”“1”判断法，操作时可用万用表逻辑笔或者示波器从源头沿一定的路径逐段的检察，不难发现故障点。13路故障 短路故障是指连线或点短路造成电路出现异常的现象，排除方法同断路故障排除法一样的。14集成芯片故障该故障主要是指集成芯片的功能不正常，其主要的原因表现在以下几个方面： （a）集成电路烫手，可能由于正负级反向连接造成或短路造成的 （b）集成电路电源端的电压近似零伏（c）芯片的管脚折断或折弯而未能直接插入实验板。（e）芯片的输入端有规定的逻辑电平而没有规定的逻辑电平的输出。在检查上述的故障时，应首先检查时钟信号是否加上，以及是否满足电路对时钟的要求，如时钟脉冲的频率，高低电平，上升下降的时间等

22、；在查使能端，清零端，置位端是否按要求接好，然后按照电路的逻辑功能，分别检查各级电路的输入、输出引脚，看电压是否正常。在检查电路时，应按照上述的步骤对电路的逻辑功能进行推理分析，一步步缩小范围，最后找出故障，特别在74161级联时各个输出端的波形对电路正确性的检测尤为重要，为了能够较为清晰的观察波形图，将1024Hz作为第一片74161的CP输入，然后根据设计电路中给出的波形图，如果输出的波形图与假设不符，可以逐个写出信号的传输途径中各个门电路的输出端的真值表与示波器测量的各个点波形相比较，如不符则可判断故障的所在。（5）在74161级连构成模为24、60的电路中往往会忽视高低位，从而使的模值

23、不为设计的要求值，如芯片上，从最低位至高位管脚号分别为11，12，13，14但在一般电路中用，其中为高位，这会使得在清零时发生错误，避免地方案就是利用示波器观察四个管脚的输出波形，从而判断其高低位。有前面知，74161四个管脚的输出波形图为：当各片74161的输出波形与上述图形相同时说明该芯片是正常工作的。（注：实际产生的波形可能只为图中一部分，主要取决于模值）（2）校时电路的测试检测该部分电路有多种方法，主要是由于校时电路接法很多，若使用单脉冲校对时，按键开关必须用消抖动电路，即用SRFF电路实现。校时开关的原理是直接给计时计分电路提供信号，开关连接时中间引脚接地，把开关按电路图加入电路中，

24、在开关输出地方连接示波器，当出现下述波形时，说明开关连接反向。此时需将开关反向相连，直至当手动按下开关时示波器上才会产生一跳跃波形。（3）译码管的检测该部分电路产生故障主要包括以下两方面：1.数码显示器件损坏或连入数码管的引脚有误芯片7448的LT端是显示数码管或显示译码器的好坏的端口，在7448连入LED的引脚正确无误后，当LT=0时，ag均为高电平，七段数码管所有段均发光，成日字形。若有些段无法显示，说明有故障，应详细检查电路，2.显示器无数字显示或显示乱码在实验中常会出现右图所示的数字乱码等产生这种情况下，如果显示器正常的话，则74138，74153，7448或74161的引脚连接有误，

25、不妨先使得74138和74153中的=1，=0，则=(6), = (5), = (4), = (3),74138中的为低电平，那么在数码管2上将会有“5”在显示，如果非“5”显示的话，检查是否连入74153的引脚有误（顺序置反），并依次校正从输出的波形是否与相应从74161输出的波形一致，一致则说明芯片正常工作。4.1.3译码电路的检测1将需打铃的时间用CUPL语言经编程，写入GAL芯片，由于打铃的时间较多，在CUPL语言编辑时可能会出现资源不够的情况。主要是GAL芯片的生产厂家不同，输入输出的引脚定义有所不同，如有的15 、16管脚只能做输出不能做输入，而有的18、19脚只能做输出不能做输入

26、，发现这种情况要及时的调整，调整过程主要体现在程序编程过程中。4.1.4定时电路的检测1 响铃测试用校正时间的按键对要求响铃的时间进行逐一的测试，可能会出现响长铃的时间，短铃也响或间歇铃也响，或者出现不该响铃的时间也响铃，出现这些情况主要是由于时间的检测不对，或者在GAL编程时响铃的；逻辑表达式简化了，要特别主要响铃的表达式不能化简，各个乘积项仅代表唯一的时间段。在响铃测试的过程中，响铃的时间应分别是12s，7s，8s但在实验时往往时间长短有差异，产生这种现象的原因主要在于定时电路的电阻、电容选择不当，而每个74123型号不同，相同，对应的时间也是不同的，这些情况需要在实际操作中进行调节。2 在74194附加门电路产生111000序列信号时，有时仍会出现不产生间歇的情况，产生的原因也是相当的复杂的，需对电路进行实际的操作检查来排除故障。同样利用示波器仍可以检测上述铃声是否符合要求。长铃(12s)短铃(7s)间歇铃（响3s，停3s 共三个周期）上述的（1）（2）均为触发信号，即编译后的GAL芯片在特定的时间给特定的铃送去一个脉冲，使其打铃并持续一定的时间，74123 Q端输出波形如上