数字电压源设计及数字钟的设计

第第页目录TOC\o"1-3"\u1.前言 22.总方案设计 32.1方案一 32.2方案二 42.3方案比较、论证及选择 53.单元模块的设计 63.1特殊器件的介绍 63.1.1桥式整流管 63.1.2三端稳压器LM7805 63.1.3三端稳压器LM317 73.1.4A/D转换器ICL7135 83.1.57447译码驱动器 103.1.6数码显示器 113.2电路参数的计算及元器件的选择 123.2.1整流滤波原理 133.2.2桥式整流电路参数计算 133.2.3外特性 133.3各单元模块的功能介绍及电路设计 143.3.1±5V直流电压源的设计 143.3.2可调直流稳压电源的设计 153.3.3数字显示部分的设计 154.各单元模块的调试 164.1直流电压源部分的调试 164.1.1±5V直流电压源的调试 164.1.2可调稳压电源电路的调试: 184.2数字显示部分的调试 195.设计总结 195.1设计小结 195.2收获体会 205.3建议和意见 20参考文献 211.前言随着半导体工艺和电子信息技术的发展，稳压电路也制成了集成器件，而且各种各样地电子产品不断涌现，由于集成稳压器具有体积小，外接线路简单、使用方便、工作可靠和通用性等优点，因此在各种设备中的应用越来越广，基本上代替了传统上由分立元件构成的稳压电路，并朝着便携和小型轻量化的趋势发展，这也使得更多的电气化产品采用基于电池的供电系统。目前，较多使用的电池有镍镉、镍氢、铅蓄电池和锂电池，由于它们各自的优缺点使得直流稳压电源有了发展发展的空间。直流稳压电源是电子技术常用的设备之一,广泛的应用于教学、科研等领域。传统的多功能直流稳压电源功能简单、难控制、可靠性低、干扰大、精度低且体积大、复杂度高。普通直流稳压电源品种很多,但均存在以下问题:1、输出电压是通过粗调及细调来调节。这样,当输出电压需要精确输出,或需要在一个小范围内改变时,困难就较大。另外,随着使用时间的增加,波段开关及电位器难免接触不良,对输出会有影响。2、稳压方式均是采用串联型稳压电路,对过载进行限流或截流型保护,电路构成复杂,稳压精度也不高。在电子电路中，通常都需要电压稳定的直流电源供电。小功率稳压电源的组成可以用四部分，它分别是电源变压器，整流，滤波，和稳压电路。电源变压器是将交流电网220V的电压变为所需要的电压值，然后通过整流电压将交流电压变成脉动的直流电压。由于此脉动的直流还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压但这样的电压还有随电网波动负载和温度的变化而变化。因而在整流，滤波电路之后，还需要接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动，负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定当负载要求功率较大，效率高时，常采用开关稳压电源，此处不考虑此情况。我们要做的是一个实用、经济的数字可调稳压电源，输出电压范围为1.25到30V，最大输电流不小于1A，对于这一点，我们采用三端稳压器作为调压核心部分，在此基础上设计数字显示电路，将三端稳压器的输出电压用数字显示出来。在此次设计中，由于经济和实用，我们采用分立元器件构成稳压电路。因为它的调压范围为1.25V～31.3V，正好符合我们的要求。另外，在数字显示部分我们采用A/D转换器、译码器和七段数码显示管进行电压的转换和显示。2.总方案设计2.1方案一D/AD/A转换器调整输出三端稳压提供基准电压桥式整流电容滤波变压器输出电压值的数字输入220V交流电源数字显示图2.1方案一框图在方案一采用数字量到模拟量转换的思想，主要靠调节D/A转换器输入端数字信号的高低电平来控制输出端模拟量的大小。2.2方案二变压器变压器220交流电源译码器数码显示可调三端稳压输出桥式整流固定三端稳压得到相应的基准电压电容滤波A/D转换器桥式整流电容滤波图2.2方案二框图方案二采用模拟量直接输出的办法，主要靠调节三端稳压器对地端电阻的大小来改变输出端直流电压的大小。2.3方案比较、论证及选择表2.1方案优点缺点方案一材料逻辑性强，便于联接；按钮设置，使得操作简便；受D/A转换器位数的限制而使得转换的精度受到限制；显示级与输出级间有较多过渡电路，容易引起较大误差；方案二能够连续调节，调节简便且输出电压精度相对较高；电路元件种类相对较少；线路连接的逻辑性相对较差；通过以上方案的比较，我选择方案二，主要因为：①直接在输出级将模拟信号转换为数字信号，使得它的输出电压比较准确；②选材相对经济；3.单元模块的设计3.1特殊器件的介绍3.1.1桥式整流管其内部结构和管脚如图3.1所示：图3.1桥式整流管2、3脚接交流电源，1、4脚间接滤波电容和负载；它的作用是将交流电网电压变转换成整流电路要求的交流电压。在整流过程中，二极管D1、D3和D2、D4是两两轮流导通的。3.1.2三端稳压器LM7805图3.2LM7805只要在输入端加3～18V的电压，在输出端就能得到+5V的直流电压，所以它对电容滤波的效果要求不是很高，根据调试我们知道只要输入端的电压不小于8V,则输出端就能得到5V的直流电压，而且精度挺高。3.1.3三端稳压器LM317图3.3LM317LM317是可调三端稳压器，在输出电压范围为1.25伏到37伏时能够提供超过不小于1安的电流。此稳压器非常易于使用，只需要两个外部电阻来设置输出电压。LM317的1脚和3脚分别为输入和输出端。2脚为调整端。在2、3脚之间接上电阻R1后，可以得到1.25V的基准电压，并且该基准电压是不变的。R2取值一般为120Ω～240Ω，本设计中R2采用240Ω。假如2脚接地（即滑线变阻器的阻值为0的时候），3脚输出电压便是1.25V。如果要得到高于1.25V的输出电压，只要在1脚与地之间接上滑线变阻器，并改变滑线变阻器的阻值，便可改变3脚输出电压的大小，得到所需要的电压。LM317的输出电压Vo决定于R1与R2的比值，即Vo=1.25×（1＋R1/R2）。图1中选定的R1与R2的大小，是为了输出电压范围大小而设计的。通过在调整点和输出之间接一个电阻，LM317可用作一种精密稳压器，其功能简介如下：(1)、输出电流超过1.5安(2)、输出在1.2伏和37伏之间可调节(3)、内部热过载保护(4)、不随温度变化的内部短路电流限制(5)、输出晶体管安全工作区补偿(6)、对高压应用孚空工作(7)、表面贴装DPAK形式，和标准3引脚晶体管封装(8)、避免置备多种固定电压3.1.4A/D转换器ICL7135图3.4ICL7135ICL7135精度高、抗干扰性能好、价格低,应用十分广泛。本文介绍ICL7135的引脚定义、主要特性及其与单片机的接口。

１、ICL7135的引脚功能

ICL7135是双斜积分式４位半单片A/D转换器,28脚DIP封装。其引脚功能如下：{1}脚（V-）-5V电源端;{2}脚（VREF）基准电压输入端;{3}脚（AGND）模拟地;{4}脚（INT）积分器输入端,接积分电容;{5}脚（AZ）积分器和比较器反相输入端,接自零电容;{6}脚（BUF）缓冲器输出端,接积分电阻;{7}脚（CREF+）基准电容正端;{8}脚（CREF-）基准电容负端;{9}脚（IN-）被测信号负输入端;{10}脚（IN+）被测信号正输入端;{11}脚（V+）+5V电源端;{12}、{17}～{20}脚（D4~D1）位扫描输出端;{13}～{16}脚（B1~B4）BCD码输出端;{21}脚（BUSY）忙状态输出端;{22}脚（CLK）时钟信号输入端;{23}脚（POL）负极性信号输出端;{24}脚（DGND）数字地端;{25}脚（R/H）运行/读数控制端;{26}脚（STR）数据选通输出端;{27}脚（OR）超量程状态输出端;{28}脚（UR）欠量程状态输出端。2、ICL7135的主要性能特点为：A：输入阻抗达１０９Ω以上,对被测电路几乎没有影响；B：自动校零；C：有精确的差分输入电路；D：自动判别信号极性；E：有超、欠压输出信号；F：采用位扫描与ＢＣＤ码输出。3、ICL7135与单片机的接口(1)电路原理图图3.1.4涉及到ICL7135与单片机的接口电路。图中C1、R2是积分元件,C2是自零电容,C3是基准电容；R3、C5组成标准输入滤波网络；R4、C9、D1、D2组成输入过压保护电路；RP1为基准电压调整电位器,可根据要显示的满度值选择基准电压的大小,这里设计为1.0000V,它们的关系是：满度值为基准电压的两倍。IC4为六反相器,两个反相器组成振荡电路为ICL7135提供时钟信号,振荡频率ｆ＝0.45/(R6×C4)。ICL7135要求每秒钟至少进行３次A/D转换,每次转换需要40000个时钟脉冲,因此时钟频率应大于120kHz,这里取f=125kHz。STR为选通脉冲输出端。一次A/D转换结束后,在该端连续输出５个负脉冲,分别对应５组BCD码数据。74LS244是三态缓冲器,1G\2G分别选通两组信号：1G=0、2G=1时,选通第一组信号：1G=1、2G=0时,选通第二组信号。单片机的P3.1接1G,当P3.1为０时接通显示数码管；P3.7接2G,当P3.7为０时接通ICL7135的B1~B4。(2)ICL7135STR端时序图图2为ICL7135STR端输出时序图。ＳＴＲ端在1秒内输出3次,每次5个、共15个负脉冲,每次输出时间约333ms,连续负脉冲间的时间差远小于65ms。程序中设定T1中断时间间隔至少65ms,因而可准确检测出STR发出的5个连续的负脉冲,分别接收4位半A/D转换器输出的5个BCD码数据。(3)A/D转换相关软件工作原理STR的负脉冲1号~5号、6号～10号、11号~15号,分别对应于数据1、数据2、数据3的BCD码的低位到高位……。ICL7135的STR接89C2051的P3.2。IDTB为取数中断（外中断IETO）程序。每次进入取数中断程序,接通74LS244第二组数据输入开关,读P1.3~P1.0口,送到以13H单元为指针的单元中（初始化时13H单元内容为1CH）,然后13H单元数据指针减1。待5个BCD码取完,置位转换成功标志20H．6将13H单元送1CH,调用子程序DTB将18H~1CH的BCD码数据转换为两个8位二进制数送6EH、6FH（高位存6EH单元）。IET1为T1中断程序,T1工作于方式1,不送入时间常数（即初始值为0000H）,若晶振为12MHz,则每次中断的时间间隔为65.536ms。进入IET1中断时,如果20H.0=1,表示正在测量周期或频率；如果20H.0=1,且13H单元内容不为1CH、20H.7=0,表示是在连续取数过程中第一次进入IET1；如果20.H.0=1,且13H单元内容不为1CH、20H.7=0,表示第二次进入IET1,在这两次进入IET1之间IDTB没有取过数据,则将13H单元送1CH,以便IDTB将低位BCD送入1CH单元。例如：由于干扰使第4个STR脉冲的对应的数据送入1CH,第5个STR脉冲对应的数据送入1BH,则第5个脉冲过后到第6个脉冲到来时,已过了大约333ms,已进入过五次T1中断,在第二次进入IET1时已将13H单元的内容置为1CH,这样,在STR第6个~第10个脉冲到来时,IDTB将对应的BCD码分别送入1CH~18H,使本次A/D转换成功,自动纠正了错误的脉冲。3.1.57447译码驱动器译码器一般是一个多输入、多输出的组合逻辑电路，它能把给定的一组组代码译成一个个相应的输出，能完成这种功能的电路称为译码器。7447是其中的典型代表，它是BCD码七段译码器兼驱动器。图3.574473.1.6数码显示器LED数码显示器：LED数码显示器是一种由LED发光二极管组合显示字符的显示器件。它使用了8个LED发光二极管，其中7个用于显示字符，1个用于显示小数点。其导电性质与普通二极管类似。它在单片机系统中应用非常普遍。LED数码显示器有两种连接方法:(1）共阴极接法：把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极，使用时公共阴极接地。每个发光二极管的阳极通过电阻与输入端相连。当阳极端输入高电平时，段发光二极管就导通点亮，而输入低电平时则不点亮。U1AU1ABCDEFGCKH图3.6共阴极的数码（2）共阳极接法把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极，使用时公共阳极接+5V，每个发光二极管的阴极通过电阻与输入端相连。U2U2ABCDEFGCAH图3.7共阳极数码管3.2电路参数的计算及元器件的选择在电路图中，电源变压器的作用是将交流电网的电压变成整流要求的交流电压，是要求直流供电的负载电阻，C为滤波总电容，为220V交流电压，为整流交流源，为负载两端的电压，四只整流二极管接成电桥的形式，两两轮流导通的。3.2.1整流滤波原理当波形处于正半周，二极管D1、D3导通，变压器次端电压给电容器C充电。此时C相当于并联在上，所以输出波形同v2，是正弦波。当到达t=/2时，开始下降。先假设二极管关断，电容C就要以指数规律向负载ＲL放电。指数放电起始点的放电速率很大。在刚过t=/2时，正弦曲线下降的速率很慢。所以刚过t=/2时二极管仍然导通。在超过t=/2后的某个点，正弦曲线下降的速率越来越快，当刚超过指数曲线起始放电速率时，二极管关断。二极管导电，Ｃ充电，Vi=Vo按正弦规律变化；二极管关断时刻，放电时间常数为RLC。3.2.2桥式整流电路参数计算（1）输出电压平均值UO（AV）：（2）输出电流平均值IO（AV）：（3）二极管的平均电流ID（AV）等于负载电流的平均值IO（AV）一半：（4）二极管所承受的最大反向电压URMAX：：（5）电容的计算一般常采用以下近似估算法：RLC=（35）的条件下，近似认为UO=1.2U23.2.3外特性整流滤波电路中，输出直流电压UO随负载电流IO的变化关系如下：表3.1名称VO(空载)VO(带载)二极管反向最大电压每管平均电流半波整流IO全波整流、电容滤波1.2V2*0.5IO桥式整流、电容滤波1.2V2*0.5IO桥式整流、电感滤波0.9V20.5IO3.3各单元模块的功能介绍及电路设计由于设计中受到元件限制，很难直接用相应的变压器仿真，为了不影响实验结果但又可以方便准确地仿真，针对这一点变压部分我直接采50Hz的相应大小的交流电压源予以代替，而在实际设计时则采用同时具有不同变的变压器代替。3.3.1±5V直流电压源的设计根据显示部分的需要，设计一个直流稳压电源，使输入为220V的交流电，输出为+5V和-5V的直流稳定电压，为后级显示电路的集成块提供直流电源。变压器中的一个固定的档位为后级数字集成电路电源的交流输入端，通过固定稳压三端稳压器将这部分交流电转换为数字电路所需要的基准电压。其实+5V和-5V电源电路的设计基本上都一样,唯一的区别是地(GND)的接法,从后面的电路图中我们可以看出这一点来:±5V电源的电路图如图图3.8所示：图3.8±5V电源的电路图3.3.2可调直流稳压电源的设计电路图如图3.9所示：输出端输出端图3.9可调直流稳压电源电路根据需要，调节滑动变阻器R1的阻值大小就可以在输出端得到相应的电压值。3.3.3数字显示部分的设计在电压的数字显示部分，我们要采用数字电路中经常用到的A/D转换器，将电压信号由模拟量转换成数字量并用数码管显示出来。根据需要，在此次设计中我们采用A/D转换器为ICL7135，然后再采用译码器7447将二进制的数字信号的大小在数码管上显示出来。如图3.10图3.10数字显示电路4.各单元模块的调试4.1直流电压源部分的调试4.1.1±5V直流电压源的调试加上220V/50Hz交流电以后,在输出端就可以分别得到±5V的直流电压:图4.1±5V电源电路的调试在这部分的运行和调试中，我们发现固定三段稳压器LM7805和LM7905对输入电压的要求比较低，对纹波的要求比较低而且稳压效果相当好，只要输入端的电压差不小于8V，在输出端就可以得到稳定的直流电压。根据上述要求，我们选择了一个较小的普通电容和较大的电解电容并联的方式来组成初级滤波回路，这样可以将电压稳定在8V以上。从稳压器的输出端输出的电压纹波很小，不过为了进一步滤除纹波达到更精确，我们在输出级也适当地进行了滤波。4.1.2可调稳压电源电路的调试:图4.2可调稳压电源电路的调试如图5.1.21所示当滑动变阻器R4的触头滑到最低端时:此时的管脚5相当于接地，此时输出电压应该为1.25V，从上图的调试中，我们可以看出这一点。图4.3可调稳压电源电路的调试当滑动变阻器触头滑到最顶端时,能够达到31.328V,也达到了设计的要求范围.电压在最大值与最小值之间能够连续可调.图4.4可调稳压电源电路的调试当R4的阻值达到一半时的运行情况如图4.5所示,符合参数计算时所得的线形变化规律。4.2数字显示部分的调试受软件的限制,数字部分的电路图不能被仿真出来,看不到运行效果。5.设计总结5.1设计小结通过此次课程设计，使我基本上掌握了一种稳压电源的设计方法，从中总结了一些要点：电源变压器过整流电路将交流变为脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤波，从而得到平滑的直流电压。电源变压器的作用是将交流220V的电压变为所需的电压值，然而电压还随电网电压波动、负载和温度的变化而变化。因而在整流、滤波电路之后，还需接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动、负载何温度变化时，维持输出直流电压稳定。整流电路直流电路的任务是将交流点变为直流电。完成这一任务主要是靠二极管的单向导电作用。因此二极管是整流电路的关键元件。本设计采用单相桥式整流电路。滤波电路滤波电路用于滤去输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成。由于电抗元件在电路中有储能作用，并联的电容C在电源供给的电压升高时，能把部分能量存储起来，而当电压降低时，就能把能量释放出来，使负载电压比较平滑，即C具有平波作用。稳压电路在稳压电路中我采用了三端稳压器LM317使得调压变得简单快捷而且还比较准确。可以说，它大大节省了我们的精力，提高了工作效率。5.2收获体会这次设计让我们将自己的所学运用到了实际设计当中，让我们从另个角度了结了知识。此外，这次课程设计培养了我们的思维构建能力和团队的合作精神，毕竟一个人的力量是有限的，大家相互学习相互探讨才是最好的学习方法。5.3建议和意见由于是初次设计，很多方面都做的不完美，比如设计中出现的精度问题：三端稳压器的输出电压仍然存在较大的纹波；还有，受位A/D转换器位数的限制，设计的显示部分也存在一定的且较大的误差，而且在实际设计中出现的误差会更大.可调三端稳压输出是电路的核心组成部分，根据要求，稳压输出的范围为在1.25～30V连续可调，可见电压的调节范围比较大，如果采用固定匝数的变压器势必要求变压器整流后的输出在30V左右，而稳压的最小输出为1.25V，这与变压器的输出相差较大，即三端稳压器的输入和输出之间的电压差比较大，稳压器LM317的输入输出级最大压差是40V，最小是3V，这只是理论数值，实际中，若在输出端输出一个较小的电压（比如5V），这样三端稳压器的发热功率就比较大，容易引起电路的不稳定，使输出电压的纹波较大，而且极易引起烧管，针对这个问题，我采用能够连续换档的变压器，不同的档位对应不同的变比，不同的变比对应不同的输入电压，不同的输入电压又对应不同的输出档位，这样就可以保证三端稳压器的输入输出压差在较小的范围内，使其能够更稳定地工作。所以说我们还应该继续努力，争取学到更多的相关知识，提高设计的质量。另外,从这次设计中我了解到只有亲自实践后才能更好的了解和掌握专业知识。所以我希望学院能够多给我们这样的设计题目让我们充分发挥自己的能力，为将来步入社会打基础。参考文献[1]西华大学《电子技术实验指导书》；[2]康定华主编高等教育出版社出版《模拟电子技术基础》；[3]康定华主编高等教育出版社出版《数字电子技术基础》；附：可调稳压电源的总电路图:注：由于本设计的输出电压范围为1.25V～30V，需要考虑器件的耗散功率和工作状态。这里主要考虑可调部分的核心LM317：当它的输入端与输出端的压差小于5V时工作相对较稳定，所以输出波动就比较小，为了大到这一点我将变压器的输出分为6个档位，这样就可以适应不同调节范围的需求，达到较好的输出效果。淮海工学院课程设计报告书课程名称：数电技术课程设计题目：数字钟的设计系（院）：电子工程学院学期：专业班级：姓名：学号：评语：成绩：签名：日期：1绪论现在我国的电子业发展非常快速，电子业的发展有利于钟表业的发展。在中国钟表发展史上，国产机芯研制的失败已经成为过去，“组装业”作为新兴钟表工业的起步阶段也已成为过去。一支新的充满智慧的钟表精英在成长。我们相信在科技高速发展的今天，钟表业运用当今材料工业、电子工业和其他领域的最新技术，一定会生产出代表中国科学水平的产品。我们希望钟表业的精英们在提高制造技术水平中不断创新，培育出拥有自主知识产权的品牌。这正是中国钟表业发展的希望。数字钟被广泛用于个人家庭,车站,码头、办公室等公共场所,成为人们日常生活中的必需品。由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,使得数字钟的精度,运用超过老式钟表,钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。2设计目的1、巩固加深对数字电子技术基础知识的理解，提高综合运用所学知识的能力，熟悉集成电路的使用方法。2、通过查找资料、选方案、设计电路、仿真或调试、写报告等环节的训练，培养学生独立分析问题、解决问题能力。3、了解电子线路设计的工程、工艺技术规范，学会书写设计说明书。4、了解与掌握常用电子仪器的使用方法，及简单的制版、焊接、组装、调试工艺过程。5、培养学生严肃、认真的科学态度和工作作风。6、掌握数字钟的设计、组装与调试方法。3设计内容及要求1、设计一个具有“时”、“分”、“秒”显示的电子钟（23小时59分59秒）。应具有校时功能。2、用中小规模集成电路组成电子钟，并在实验箱上进行组装、调试。3、画出框图和逻辑电路图，写出设计、实验总结报告。4系统框图振荡器产生的信号经过分频器作为产生秒脉冲，秒脉冲送入计数器，计数结果经过“时”、“分”、“秒”，译码器，显示器显示时间。其中振荡器和分频器组成标准秒脉冲信号发生器，由不同进制的计数器，译码器和显示电路组成计时系统。秒信号送入计数器进行计数，把累计的结果以“时”，“分”、“秒”的数字显示出来。“时”显示由二十四进制计数器，译码器，显示器构成；“分”、“秒”显示分别由六十进制的计数器，译码器，显示器构成；校时电路实现对时，分的校准。数字时钟基本原理的逻辑框图如下所示：图1数字时钟基本原理的逻辑框图5单元电路设计、参数计算和器件选择由图1的数字时钟基本原理的逻辑框图知其由振荡器、分频器、计数器、译码器、显示器、校正电路组成。5.1振荡器4MHz的石英晶体构成振荡器。74LS160构成分频器，对石英晶体振荡器分频。74LS160分别组成六十进制的秒计数器、六十进制分计数器、二十四进制时计数器。用74LS00及74LS04芯片构成时间校准电路。使用由4MHz的石英晶体振荡器和由74LS160构成的分频器构成的产生震荡周期为一秒的标准秒脉冲，把振荡周期为一秒的标准秒脉冲输入秒计数中，把秒计数器地进位输出作为分计数器的CP脉冲，分计数器的进位输出作为时计数器的CP脉冲。由于4MHz石英晶体振荡器产生的频率为4MHz，造成分频电路复杂，整个电路分频较困难，信号发生电路比较复杂。而555定时器构成的多谐振荡器的震荡频率输出信号频率为100Hz，分频电路比较容易实现。整体信号发生电路简单。555定时器（又称时基电路）是一个模拟与数字混合型的集成电路。555定时器是一种应用极为广泛的中规模集成电路。该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器。因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。

目前生产的定时器有双极型和CMOS两种类型，其型号分别有NE555(或5G555)和C7555等多种。它们的结构及工作原理基本相同。通常，双极型定时器具有较大的驱动能力，而CMOS定时器具有低功耗、输入阻抗高等优点。555定时器工作的电源电压很宽，并可承受较大的负载电流。双极型定时器电源电压范围为5～16V，最大负载电流可达200mA；CMOS定时器电源电压范围为3～18V，最大负载电流在4mA以下。采用集成电路555定时器与RC组成多谐振荡器，如图2所示。图2集成电路555定时器与RC组成多谐振荡器图3555多谐振荡器仿真结果555定时器组成多谐振荡器，多谐振荡器产生OUT的信号频率。电阻、电容参数值计算如下：C2为电路的滤波电容，提高电路的稳定性，一般选取0.01F.因为信号发生电路频率为1Hz，所以其3脚输出的信号周期为0.01s.555定时器组成的多谐振荡器频率计算公式：选取以上的电阻、电容，多谐振荡器产生100Hz信号。表1555定时器的功能表清零端RET高触发端THR低触发端TRIQn+1放电管T功能00导通直接清零10导通置011截止置11Qn不变保持5.2分频器分频器的功能主要有两个：一个是产生标准秒脉冲信号；二是提供功能扩展电路所需要的信号，如仿电台报时用的1000Hz的高音频信号和500Hz的低音频信号等。在本设计过程中将多次用到74LS160，这里对它的引脚图以及功能做一下介绍（如表2、表3、表4）。表2设计过程中所画的图中74LS160的引脚介绍74LS160逻辑符号各引脚端名称ABCD置数端QAQBQCQD输出端ENTENP工作状态控制端CLK信号输入端LOAD预置数控制端CLR异步置零（复位）端RCO进位输出端表374LS160的功能表74LS160的功能表CLKCLRLOADENPENT工作状态×0×××置零↑10××预置数×1101保持×11×0保持（RCO=0）↑1111计数表474LS160的真值表74LS160的真值表CLKQDQCQBQA00000100012001030011401005010160110701118100091001100000通过对74LS160的功能表（表2）的观察可知，使用74LS160实现十进制计数器的功能时，ENP端和ENT端均要接1，CLK端和ROAD端不用的要接1。振荡器产生的时间标准信号通常频率很高，要使它变成能用来计时的“秒”信号，需要用分频器来完成。分频器的级数和每级的分频次数要根据振荡频率及时基频率来决定。若选用的时基频率为100Hz，因此分频器采用了2级74LS160作分频器。图4分频器及逻辑分析仪分析使用Multisim11软件进行分析，采用1KHz的信号进行模拟分析，可看到频率被逐级分频。当信号通过第一级分频器时，信号变为100Hz，到第二级时，信号变为10Hz。（第一行为第一级仿真信号，第二行为第二级仿真信号）本次课程设计使用555定时器所构成的谐振电路，可直接产生1Hz电路，故不使用分频器。即通过调整R3阻值变化或者调整C2电容值来完成。5.3译码器与显示器74LS247是驱动共阳极数码管的显示译码器。图5为74LS247的逻辑符号及引脚排列图。LED数码显示器是一种七段显示器，它由七个发光二级管装封而成，如图所示，七段的不同组合能显示出十个阿拉伯数字。图5LED和译码器本次课程设计采用将LED和译码器集成好的DCD_HEX，如图6所示。图6DCD_HEX5.4计数器5.4.160进制数因为秒计时，和分计时都是六十进制计数，所以在此将它们归在一起。秒计时电路使用原理为六十进制计数，当计数器记到59时，再来一个计数脉冲，计数器进位输出变为1，送到更高一级的计数电路中去，同时自身置0。下面是六十进制计数器具体工作原理：选用2片74LS160来实现60进制同步递增计数器，其中个位数计数器接成十进制计数器。十位计数器选用QC与QB做反馈端，经与非门74LS00输出控制端控制清零端，接成六进制形式。其中分个位、秒个位及时个位是十进制，分十位和秒十位是六进制现。十位只能显示0,1,2,3,4,5数字。XFG1为信号发生器，来提供脉冲信号进行仿真。60时进制电路结构如图7所示：图760进制显示电路原理图图8逻辑分析仪分析60进制电路波形图6，7，8，9，2，3，4，5端分别接到各位计数器QA,QB,QC,QD和十进制计数器QA,QB,QC,QD端完成仿真。从图8逻辑分析仪分析60进制电路波形图可以看出各位计数器和十位计数器QDQCQBQA的变化符合表474LS160的真值表变化，各位计数器QDQCQBQA从0000到1001到1000。十位计数器QDQCQBQA从0000到0110到0000。5.4.224进制计数选用2片74LS160能实现二十四进制同步递增计数器，图中个位与十位计数器均接成十进制技术形式，采用同步级联复位方式。选择十位计数器的输出端QB和个位数出端QC通过与非门74LS00控制两片计数器的清零段，当计数器输出状态为00100100时，立即反馈清零。其中时十位只能显示0、1、2三个数字。24时进制电路结构图如图9所示：图924进制显示电路原理图图10逻辑分析仪分析24进制电路波形图6，7，8，9，2，3，4，5端分别接到各位计数器QA,QB,QC,QD和十进制计数器QA,QB,QC,QD端完成仿真。从图10逻辑分析仪分析24进制电路波形图可以看出各位计数器和十位计数器QDQCQBQA的变化符合表474LS160的真值表变化，各位计数器QDQCQBQA从0000到1001到1000。十位计数器QDQCQBQA从0000到0010到0000。5.5校时电路秒、分、时计数器之间采用同步级连方式。敲击【S1】和【S2】键，可控制开关【S1】和【S2】将秒脉冲直接引入分、时计数器，实现分计数器和时计数器的校时，如图11所示。校时的功能是通过芯片的ENT为0或为1，来控制电路的变化。当电路正常计时时，ENT端接到Co端，其中时和分的Co端是由十位QA,QC和各位RCO输出端经与门来实现。当QA,QC,RCO均为1时，ENT为1，电路实行计数功能。否者电路进行保持。ENT接到1时，电路工作进行校时。图11分时、时时校正电路6完整电路图及工作原理图12数字钟电路图由图12可以清楚得看出整个数字时钟的总体工作原理和整个工作过程：由两个60进制计数器同步递增计数器分别构成秒钟计时器和分时计数器，由24进制同步递增实现小时计数。由555和RC构成的振荡器产生的1Hz的秒脉冲信号，计数器进入60进制的“秒”计时，“秒”的分位进入60进制的“分”计时，最后，由分的“时”进位进入24进制的“时”计时。在电路中，还有由门电路和开关构成的校时电路对电路的“时”，“分”进行校时，得到正确的时间。图2-图10各个部分功能的电路和图12的总体数字时钟的电路均在电子电路计算机仿真软件Multisim11中