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1、第八讲 多功能数字钟电路设计,学习要求 掌握数字电路系统的设计方法、装调技术及数字钟的功能扩展电路的设计,一、数字钟的功能要求,基本功能 准确计时，以数字形式显示时、分、秒的时间 小时的计时要求为“12翻1”，分和秒的计时要求为60进位 校正时间 扩展功能 定时控制 仿广播电台正点报时 报整点时数 触摸报整点时数,二、数字钟电路系统的组成框图,振荡器产生的稳定的高频脉冲信号，作为数字钟的时间基准，再经分频器输出标准秒脉冲,秒计数器计满60后向分计数器进位,分计数器计满60后向小时计数器进位,小时计数器按照“12翻1”规律计数,计时出现误差时可以用校时电路进行校时、校分、校秒,扩展电路必须在主体
2、电路正常运行的情况下才能进行功能扩展,三、主体电路的设计与装调,主体电路是由功能部件或单元电路组成的。在设计这些电路或选择部件时，尽量选用同类型的器件，如所有功能部件都采用TTL集成电路或都采用CMOS集成电路。整个系统所用的器件种类应尽可能少。下面介绍各功能部件与单元电路的设计。,1.振荡器的设计,振荡器是数字钟的核心。振荡器的稳定度及频率的精确度决定了数字钟计时的准确程度，通常选用石英晶体构成振荡器电路。一般来说，振荡器的频率越高，计时精度越高。,如图所示为电子手表集成电路（如5C702）中的晶体振荡器电路，常取晶振的频率为32768Hz，因其内部有15级2分频集成电路，所以输出端正好可得
3、到1Hz的标准脉冲,1.振荡器的设计,如果精度要求不高也可以采用第二章介绍的由集成逻辑门与RC组成的时钟源振荡器或由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器。这里设振荡频率fo=103Hz,2.分频器的设计,分频器的功能主要有两个 产生标准秒脉冲信号 提供功能扩展电路所需要的信号，如仿电台报时用的1kHz的高音频信号和500Hz的低音频信号等,选用3片中规模集成电路计数器74LS90可以完成上述功能因每片为1/10分频，3片级联则可获得所需要的频率信号 即第1片的Q0端输出频率为500Hz，第2片的Q3端输出为10Hz，第3片的Q3端输出为1Hz,3.时分秒计数器的设计,分和秒计数器都是模M
4、=60的计数器 其计数规律为0001585900 选74LS92作十位计数器，74LS90作个位计数器，再将它们级联组成模数M=60的计数器 时计数器是一个“12翻1”的特殊进制计数器 即当数字钟运行到12时59分59秒时，秒的个位计数器再输入一个秒脉冲时，数字钟应自动显示为01时00分00秒，实现日常生活中习惯用的计时规律 选用74LS191和74LS74，其电路见本章第三节,4.校时电路的设计,当数字钟接通电源或者计时出现误差时，需要校正时间（或称校时）校时是数字钟应具备的基本功能。一般电子手表都具有时、分、秒等校时功能 为使电路简单，这里只进行分和小时的校时,对校时电路的要求是 在小时校
5、正时不影响分和秒的正常计数在分校正时不影响秒和小时的正常计数 校时方式有“快校时”和“慢校时”两种“快校时”是，通过开关控制，使计数器对1Hz的校时脉冲计数“慢校时”是用手动产生单脉冲作校时脉冲,S1为校“分”用的控制开关,S2为校“时”用的控制开关,校时脉冲采用分频器输出的1Hz脉冲,如果校时脉冲由单次脉冲产生器（见第二章第四、五节）提供，则可以进行“慢校时”,需要注意的是，校时电路是由与非门构成的组合逻辑电路，开关S1或S2为“0”或“1”时，可能会产生抖动，接电容C1、C2可以缓解抖动。必要时还应将其改为去抖动开关电路（见第二章第三节）,5.主体电路的装调,由数字钟系统组成框图按照信号的
6、流向分级安装，逐级级联，这里的每一级是指组成数字钟的各功能电路,级联时如果出现时序配合不同步，或尖峰脉冲干扰，引起逻辑混乱，可以增加多级逻辑门来延时,如果显示字符变化很快，模糊不清，可能是由于电源电流的跳变引起的，可在集成电路器件的电源端VCC加退耦滤波电容。通常用几十微法的大电容与0.01F的小电容相并联,经过联调并纠正设计方案中的错误和不足之处后，再测试电路的逻辑功能是否满足设计要求。最后画出满足设计要求的总体逻辑电路图，如图所示,如果因实验器材有限，则其中秒计数器的个位和时计数器的十位可以采用发光二极管指示，因而可以省去2片译码器和2片数码显示器,除了振荡和译码显示部分外，其它各功能都可
7、以用GAL16V8来实现。,四、功能扩展电路的设计,定时控制电路的设计 仿广播电台正点报时电路的设计 报整点时数电路的设计 触摸报整点时数电路的设计,定时控制电路的设计,仿广播电台正点报时电路的设计,报整点时数电路的设计,触摸报整点时数电路的设计,1.定时控制电路的设计,数字钟在指定的时刻发出信号，或驱动音响电路“闹时”；或对某装置的电源进行接通或断开“控制”。不管是闹时还是控制，都要求时间准确，即信号的开始时刻与持续时间必须满足规定的要求。,例 要求上午7时59分发出闹时信号，持续时间为1分钟。解 7时59分对应数字钟的时个位计数器的状态为(Q3Q 2Q 1Q 0)H1=0111，分十位计数
8、器的状态为(Q3Q2Q1Q0)M2=0101，分个位计数器的状态为(Q3Q2Q1Q0)M1=1001。若将上述计数器输出为“1”的所有输出端经过与门电路去控制音响电路，可以使音响电路正好在7点59分响，持续1分钟后（即8点时）停响。,1.定时控制电路的设计,如果用与非门实现上式所表示的逻辑功能，则可以将Z进行布尔代数变换，即,由图可见上午7点59分时,音响电路的晶体管导通,则扬声器发出1kHz的声音。持续1分钟到8点整晶体管因输入端为“0”而截止,电路停闹。,2.仿广播电台正点报时电路的设计,仿广播电台正点报时电路的功能要求是：每当数字钟计时快要到正点时发出声响;通常按照4低音1高音的顺序发出
9、间断声响;以最后一声高音结束的时刻为正点时刻。,设4声低音（约500Hz）分别发生在59分51秒、53秒、55秒及57秒，最后一声高音（约1kHz）发生在59分59秒，它们的持续时间均为1秒。由表可得,2.仿广播电台正点报时电路的设计,这里采用的都是TTL与非门，如果用其它器件，则报时电路还会简单一些。,3.报整点时数电路的设计,报整点时数电路的功能是：每当数字钟计时到整点时发出音响，且几点响几声。实现这一功能的电路主要由以下几部分组成：,减法计数器 完成几点响几声的功能。即从小时计数器的整点开始进行减法计数，直到零为止。,编码器将小时计数器的5个输出端Q4、Q3、Q2、Q1、Q0按照“12翻
10、1”的编码要求转换为减法计数器的4个输入端D3、D2、D1、D0所需的BCD码。,逻辑控制电路 控制减法计数器的清“0”与置数。控制音响电路的输入信号。,3.报整点时数电路-减法计数器,减法计数器选用74LS191，各控制端的作用如下:,CPA为减法计数脉冲，兼作音响电路的控制脉冲。,3.报整点时数电路-编码器,编码器是由与非门实现的组合逻辑电路，其输出端的逻辑表达式由5变量的卡诺图可得：,3.报整点时数电路-逻辑控制电路,逻辑控制电路由D触发器74LS74与多级与非门组成,如果出现某些整点数不准确，其主要原因是逻辑控制电路中的与非门延时时间不够，产生了竞争冒险现象，可以适当增加与非门的级数或
11、接入小电容进行滤波。,4.触摸报整点时数电路的设计,在有些场合（如夜间），不便于直接看显示时间，希望数字钟有触摸报时功能。即触摸数字钟的某端，能够报当时的整点时数。,根据功能要求，不难设想在图所示电路的基础上，增加一触发脉冲控制电路，或将图所示的电路的自动报时改为触摸报时电路即可。,产生触摸控制脉冲的电路有单次脉冲产生器，555集成电路定时器，单稳态触发器等，这些电路已在第二章中介绍过。,五、设计任务,给定的主要器件 74LS00 4片，74LS90 2片，74LS03（OC）2片，74LS92 2片，74LS04 2片，74LS93 2片，74LS20 2片，74LS191 2片，74LS4
12、8 4片，发光二极管 4只，74LS74 2片，数码显示器BS202 4只，555 2片。可编程逻辑器件-GAL16V8 3片。,功能要求,基本功能 以数字形式显示时、分、秒的时间，为节省器件，其中秒的个位和小时的十位均用发光二极管指示，灯亮为“1”，灯灭为“0”。小时计数器的计时要求为“12翻1”，但不要直接采用图所示的电路，应采用其它方案设计“12翻1”电路。要求手动快校时、快校分或慢校时、慢校分。,扩展功能（其电路尽可能不与前述电路相同）定时控制，其时间自定；仿广播电台正点报时，触摸报整点时数或自动报整点时数。,第4周任务：1000Hz振荡和分频出1Hz信号。,五、设计任务-设计步骤与要
13、求,拟定数字钟电路的组成框图，要求电路的基本功能与扩展功能同时实现，使用的器件少，成本低；,设计并安装各单元电路，要求布线整齐、美观，便于级联与调试；,测试数字钟系统的逻辑功能，同时满足基本功能与扩展功能的要求；,画出数字钟系统的整机逻辑电路图；,写出设计性实验报告。,实验与思考题,5.5.1 你所设计的数字钟电路：标准秒脉冲信号是怎样产生的？振荡器的稳定度为多少？校时电路在校时开关合上或断开时，是否出现过干扰脉冲？若出现应如何清除。在电路调试中，是否出现过“竞争冒险”现象？如何采取措施消除的？5.5.2 图所示的闹时电路中，为什么采用OC门？驱动音响电路的与非门为什么要用2级？,5.5.3
14、若用OC门实现图所示报时电路功能，应如何设计电路？5.5.4 在图所示报整点时数电路中，两级反相器G3与G4有何作用？不接这两级反相器会出现什么现象？为什么？5.5.5 如果小时计数器为24进制计数器，电路应如何设计？画出设计的电路图。5.5.6 设计一个利用收音机自动校时电路，其要求是：当数字钟计时接近整点时，自动接通收音机电源，校时结束时自动切断电源，假定电台发出的低音是500Hz，高音是1kHz。,5.5.7 为什么数字电路的布线可以平行走线？5.5.8 数字电路系统中，有哪些因素会产生脉冲干扰？其现象为何？结合数字钟的实验现象举例说明。5.5.9 数字钟的扩展功能还有哪些？举例说明，并设计电路。5.5.10 数字钟的应用还有哪些方面？举出几例说明，并画出设计的总体逻辑电路图。,
