微电子实习课程设计-数字时钟

微电子实习设计说明书设计题目：数字钟姓名：吴志强同组者：周会林学号：20110310110112指导老师：曹青松周继慧微电子实习2目录第一节系统概述------------------------------------------------------------------------31.1系统设计思路与总体方案--------------------------------------------------------------3第二节单元电路设计与分析--------------------------------------------------------52.1振荡器--------------------------------------------------------------------------------------52.1.1秒发生电路---------------------------------------------------------------------------52.1.2振荡器---------------------------------------------------------------------------------62.2计数器--------------------------------------------------------------------------------------72.2.1六十进制计数器--------------------------------------------------------------------72.2.2十二进制计数器--------------------------------------------------------------------92.3显示器-------------------------------------------------------------------------------------102.4校时电路----------------------------------------------------------------------------------112.5整点报时电路----------------------------------------------------------------------------11第三节电路的总体设计与调试------------------------------------------------133.1电路的总设计图------------------------------------------------------------------------133.2调试中遇到的问题---------------------------------------------------------------------14第四节设计总结----------------------------------------------------------------------16附录部分芯片及其控制元件功能参数表---------------------------------175.174LS90-----------------------------------------------------------------------------------------------185.2共阳极七段译码管-------------------------------------------------------------------------------205.3555定时器------------------------------------------------------------------------------------------215.474LS00------------------------------------------------------------------------------------------------245.574LS04------------------------------------------------------------------------------------------------255.674LS20------------------------------------------------------------------------------------------------265.774LS47------------------------------------------------------------------------------------------------275.8蜂鸣器(SOUNDER)--------------------------------------------------------------------------------285.9开关--------------------------------------------------------------------------------------------------29第六节数字钟设计任务书-----------------------------------------------------------------31参考文献------------------------------------------------------------------------------------------------32微电子实习3一系统概述数字电子钟是由多块数字集成电路构成的，其中有555定时器，校时电路，计数器，译码器和显示器六部分组成。通过改变555定时系统中的电容大小发出标准秒信号发生器，不同进制的计数器产生计数，译码器和显示器进行显示，通过校时电路实现对时，分的校准，通过整点报时电路实现整点报时。1.1统设计思路与总体方案数字时钟基本原理的逻辑框图如下所示：由上图可以看出，555定时器组成的多谐振荡器直接产生的信号秒脉冲，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。555定时器组成的多谐振荡脉冲电路构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译码器译码器译码器时计数器分计数器秒计数器校时电路图1.1系统方框图时显示分显示秒显示振荡器整点报时电路微电子实习4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12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；整点报时电路实现整点前十秒开始进行报时报时声音采用四高一低。第二节单元电路设计与分析由图1.1的系统图知其由555定时器组成的多谐振荡电路、计数器、译码器、显示器、校正电路、整点报时电路组成。2.1振荡器2.1.1秒发生电路秒发生电路---振荡器是计时器的核心，振荡器的稳定度和频率的精确度决定了计时器的准确度。一般来说，振荡器的频率越高，计时精度就越高，但耗电量将越大。所以，在设计电路时要根据需要而设计出最佳电路。在本设计中，采用的是精度不高的，由集成电路555与RC组成的多谐振荡器。其具体电路如下图2.1.1所示；由555组成的振荡器，最高工作频率可达300KHz，多谐振荡器也称无稳态触发器，它没有稳定的状态，同时毋需外加触发脉冲，就图2.1.1秒发生电路图微电子实习5能够输出一定频率的矩形脉冲（自激振荡）。因为矩形波含有丰富的谐波，故称为多谐振荡器。多谐振荡器是常用的一种矩形波发生器。触发器和时序电路中的时钟脉冲一般是由多谐振荡器产生的。图2.1.1所示是由CB555定时器组成的多谐振荡器。R1，R2和C是外接元件。接通电源Ucc后，它经R1和R2对电容C4充电，uc上升，当0＜uc＜1／3Ucc时，S=0，R=1时，将触发器置1，引脚3输出为高电平，当1／3Ucc＜uc＜2／3Ucc时，S=1，R=1时，触发器状态保持不变，3引脚输出的仍然是高电平。比较器C1的输出上升到大于2/3VCC时，触发器被复位，放电管T导通，此时v0为低电平，电容C1通过R2和T放电，使vC下降。当vC下降到小于1/3VCC时，触发器被置位，v0翻转为高电平。电容器C1放电结束,所需的时间为：当C1放电结束时，T截止，VCC将通过R1、R2向电容器C1充电，vC由1/3VCC上升到2/3VCC所需的时为：当vC上升到2/3VCC时，触发器又被复位发生翻转，如此周而复始，在输出端就得到一个周期性的方波，其频率为。本设计中，由电路图和f的公式可以算出，微调R3=47k左右，其输出的频率为f=1000Hz.2.1.2振荡器微电子实习6振荡器，除了可以由上一节介绍的除外，如果对精度有较高要求的话，还可以用石英晶体构成的振荡器。当需要高精度时，采用更精确的石英晶体振荡器，石英晶体振荡器发出的频率需要分频，所以需要使用分频电路。分频的功能主要有两个：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。在设计中，由于振荡器产生的信号频率太高，要得到标准的秒信号，就需要对所得的信号进行分频。所采用的分频。如10分电路图如下图2.1.2所示:图2.1.210分电路图从图2.1.2可以看出，由振荡器的1000Hz高频信号从U1的14端输入，经过3片74LS90的三级1/10分频，就能从U3的11端输出得到标准的秒脉冲信号。相应的如果输入的是100KHz时，就需要5片进行5级分频，电路图画法和上图4一样，同理依次类推。2.2计数器由图1.1的方框图可以清楚的看到，显示“时”、“分”、“秒”需要6片中规模计数器；其中“秒”、“分”各为60进制计数，“时”为微电子实习724进制计数。在本设计中均用74LS90来实现：2.2.1六十进制计数器“秒”计数器电路与“分”计数器电路都是六十进制，它由一级十进制计数器如图2.2.1所示和一级六进制计数器如图2.2.2连接构成，如图2.1.2所示，是采用两片中规模集成电路74LS90串接起来构成的“秒”，“分”计数器。图2.2.1十进制计数器图2.2.2秒分计数器由图2.2.1所示是十进制计数器，74LS90的CKA端输入标准秒脉冲信号，74LS90计数器是十进制异步计数器，进位信号的要求是在10个脉冲只产生下降沿，且与第10秒的下降沿对齐。只能从个位的输出端来提供，不可能从输入端来找。而计数器的输出端只能输出Q0、Q1、Q2、Q3四个信号，要么就是其中一个，要么就是他们之间逻辑运算的结果。把个位的四个输出波形画出来如图2.2.3所示。图2.2.374LS90接成个位计数器的时序图微电子实习8由于74LS90是在时钟的下降沿到来时计数的，所以Q3正好符合要求，在十秒内只给出一个下降沿且与第10秒的下降沿正好对齐。Q2也只产生一个下降沿，但产生的时刻不对。这样，个位和十位之间的进位信号就找到了，把个位的Q3（11端）接到十位的CKA端（14端）上。用异步清零法实现，即从0—5循环计数。用异步清零法，当6出现的瞬间即Q3Q2Q1Q0=0110时，同时给R0(1)和R1(1)高电平，使这个状态变为0000，由于6出现的时间，被0取代。60进制的实现，当秒计数到59时，希望回到00。此时个位数正好计数满十个数，不