数字电子种设计(数字电路集成芯片)

1、数字电子种设计一、设计目的1、了解计时器主体电路的组成及工作原理；2、掌握采用异步时序电路设计方法实现课题要求；3、熟悉集成电路及有关电子元器件的使用。二、设计任务及说明数字钟电路是一块独立构成的时钟集成电路专用芯片。它集成了计数器、比较器、振荡器、译码器和驱动等电路，能直接驱动显示时、分、秒、日、月，具有定时、报警等多种功能，被广泛应用于自动化控制、智能化仪表等领域。数字电子钟的电路组成方框图如图2-1所示。数字电子钟由石英晶体振荡器和分频器组成的秒脉冲发生器，校时电路，六十进制计数器及二十四进制计数器，以及秒、分、时的译码显示部分等组成。三、设计任务及要求1、根据数字电子钟的电路组成方框图

2、和指定器件，完成数字电子种主题电路设计及调试。2、设计一台能直接显示“时”“分”“秒”“日”十进制数字的石英数字电路。秒、分为0059六十进制计数器，以24小时为一天。周显示用七进制计数器，当计数器运行到23时59分59秒时，秒个位计数器再接收一个秒脉冲信号后，计数器自动显示为00时00分00秒。3、走时精度要求每天误差小于1S，任何时候可对数字种进行校准。4、在实验板上安装、调试出题目所要求的计数器。5、画出逻辑电路图、时序图，并写出设计报告。四、数字电子种的基本原理对照上方框图,根据设计任务和要求,完成部分模块化设计如下:1、秒脉冲发生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

3、再由分频器分成时间秒脉冲，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2-2所示。图中Rf为反馈电阻（10-100m）,目的是为CMOS反相器提供偏制，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2050PF。晶体振荡器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。采用32768HZ晶振，用n位二进制计数器进行分频，要得到1秒信号，则n=15。用CD4060十四位串行计数器/振荡

4、器来实现分频和振荡。在CD4060之前可加上非门起整形作用如图9-57所示，CD4060实现14级分频，外加一级分频，可用CD4013双D触发器来实现。 2、计数器设计秒、分、时、日分别为 60 、 60 、 24 和 7 进制计数器。秒、分均为六十进制 , 即显示 0059 秒 , 它们的个位为十进制 , 十位为六进制。时为二十四进制计数器 ,显示为 0023, 个位仍为十进制 , 但当十进位计到 2, 而个位计到 4 时清零 , 就为二十四进制了。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

5、“复位”脉冲将计数器清零 , 然后重新开始进行下一循环。周的显示为 " 日、 1 、 2 、3，4，5，6 ，所以设计成七进制计数器。（1）60 进制计数秒计数器由秒个位计数器 JSl 和秒十位计数器 JS2 组成。 JSl 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 , 用 CD4510( 四位十进制 计数器 )来设计。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“Q3Q2QlQ0=0110”, 用与门将Q2Ql 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2-3所示 , 采用 CD4510 设计的

6、60 进制计数器 , 可作为秒、分计数器用。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 计数的清零，请同学们自己考虑。（2）24 进制计数当个位计数状态为“Q3Q2QlQ0=0100 ”十位计数状态为“Q3Q2QlQ0=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 2-4 所示。（3）7 进制计数器一周为 7 天 , 可根据译码显示器的状态表设计电路 ,如表2-1（9-8） 所示。 根据60进制电路和 24 进制电路设计思路进行设计

7、。并完成符合表 9-8, 表2-2（9-9）的显示连接。表9-8 周状态表：Q1Q2Q3Q4显示1OOO日OOO11OO1O2OO113O1OO4O1O15O11O6（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 , 常用的是 CD4511(CC45l1), 它是四位线七段码 ( 带驱动 ) 的中规模集成电路。 CD4511 管脚图查有关资料。图 9-60 所示为一位 BCD 码显示电路和 LED 七段码的管脚图。表 9-9为CD4511(CC451l) 真值表。表9-9 CD4511 真值表：输入输出aSTBILTA3A2AlA0YaYb

8、YcYdYeYfYgf|glb××O×××××O××××OOOOOOOe|d icOOOOOOOOO11OOO1O11OOOO1O11OO1O11O11O12O11OO111111OO13O11O1OOO11OO114O11O1O11O11O115O11O11OOO111116O11O111111OOOO7O111OOO11111118O111OO1111OO119O111×1×OOOOOOOO1111××OOOOOOO111×

9、5;××11保持ST=0时的状态（5）校正电路图 9-61 所示的校时电路由 CMOS 电路和四只开关 (KlK4) 组成 , 分别实现对日、时、分、秒的校准。开关选择有“正常”和“校时”两挡。校 “日” 、 “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(0.5s) 信号 , 可方便快速校对。图中与非门电路可采用 CD401 l 实现。（6）整点报时当计数到整点的前6 S , 此时应该准备报时。图 9-62 中当分计到 59 分时 , 将分触发器 QH 置 1 。而等到秒计数 54

10、s 时 , 将秒触发器置1, 然后通过 Q, 与 QH 相“与”后再和ls 标准信号“与” 而去控制低音喇叭鸣叫 , 直至 59s 时产生一个复位信号 , 使 Q 清 0, 停止低音鸣叫 , 同时 59 秒信号的反相又和 Q 相“与”后去控制高音喇叭鸣叫。当计到分、秒从 59:59 00:00 时 , 鸣叫结束 , 完成整点报时。（7）鸣叫电路鸣叫电路由高、低两种频率通过或门去驱动一个三极管,带动喇叭鸣叫。 1KHZ 和 500Hz 从晶振分频器近似获得。如图中的 CD4060 分频器的输出端 Q5和Q6。Q5输出频率为1024Hz、Q6为512HZ。五、元器材选择（l）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）CD401l 四二输入与非门。（7） 晶振 32768Hz 。 （8）电阻，电容，导线，开关。六、数字钟原理参考电路