課_程_設(shè)_計(電子數(shù)字計時器的設(shè)計)

1、課 程 設(shè) 計 指 導(dǎo) 書黃建農(nóng) 編武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院電信系電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗中心電子數(shù)字計時器的設(shè)計在學(xué)完數(shù)字電路課程后，為了鞏固同學(xué)們所學(xué)的基礎(chǔ)知識和基礎(chǔ)知識的應(yīng)用，提高獨立思考問題；分析問題和解決今后工作中的實際問題的能力，為了把同學(xué)們培養(yǎng)成為既有理論知識又有實際動手能力的良好素質(zhì)人才，特針對數(shù)字電路課程，編寫了這本數(shù)字計時器的設(shè)計以及制作實習(xí)指導(dǎo)書。其目的是通過設(shè)計、制作、幫助同學(xué)們掌握簡單數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計和制作方法，讓同學(xué)們學(xué)會查閱有關(guān)資料，使他們將學(xué)過的知識融會貫通。1、數(shù)字計時器的設(shè)計思想：要想構(gòu)成數(shù)字鐘，首先應(yīng)選擇一個脈沖源能自動地產(chǎn)生穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)時間脈沖信號。而脈沖源產(chǎn)生的脈沖信號的

2、頻率較高，因此，需要進(jìn)行分頻，使高頻脈沖信號變成適合于計時的低頻脈沖信號，即“秒脈沖信號”（頻率為1HZ）。經(jīng)過分頻器輸出的秒脈沖信號到計數(shù)器中進(jìn)行計數(shù)。由于計時的規(guī)律是：60秒=1分，60分=1小時，24小時=1天，就需要分別設(shè)計60進(jìn)制，24進(jìn)制計數(shù)器，并發(fā)出驅(qū)動AM，PM標(biāo)志信號。各計數(shù)器輸出信號經(jīng)譯碼器、驅(qū)動器到數(shù)字顯示器，使“時”、“分”、“秒”得以數(shù)字顯示出來。值得注意的是：任何計時裝置都有誤差，因此應(yīng)考慮校準(zhǔn)時間電路。校時電路一般采用自動快速調(diào)整和手動調(diào)整，“自動快速調(diào)整”可利用分頻器輸出的不同頻率的脈沖使顯示時間自動迅速調(diào)整時間?！笆謩诱{(diào)整”可利用手動的節(jié)拍調(diào)準(zhǔn)顯示時間。2、數(shù)

3、字鐘的原理框圖。（見圖1）3、數(shù)字計時器的設(shè)計方法：根據(jù)設(shè)計思想及原理框圖，運(yùn)用已學(xué)過的知識，選擇所需要的電路及元器件，然后依據(jù)各單元的輸入輸出信號相互匹配，加入必要的其他電路（校時電路）等，組成數(shù)字計時器的電路總圖，這就是設(shè)計的全過程。（1）設(shè)計脈沖源：脈沖源是數(shù)字計時器的心臟，它能自動不停地產(chǎn)生脈沖信號，以供計時之用，它的穩(wěn)定和準(zhǔn)確對計時器起著至關(guān)重要的作用。我們曾學(xué)過一些自激式的振蕩器，如：自激多諧振蕩器，自激間歇振蕩器等。但為了脈沖源的穩(wěn)定度，準(zhǔn)確度，常用石英晶體振蕩器。一般情況下，晶振蕩頻率愈高，準(zhǔn)確度愈高，但所用分頻級數(shù)愈多，耗電量愈大，成本也就愈高。在選擇晶振器時，應(yīng)綜合考慮。其

4、電路原理如圖（2）：R.C為時間元件,改變C的值可調(diào)整晶振器的輸出頻率,石英晶體的振蕩頻率為32768HZ。（2）設(shè)計整形電路：由于晶振器輸出的脈沖波形是正弦或不規(guī)則的矩形波，要得到有規(guī)則的矩形波，須經(jīng)整形電路整形。我們已學(xué)過的脈沖整形電路有多種，如：削波器、門電路、單穩(wěn)態(tài)電路、雙穩(wěn)態(tài)電路、施密特觸發(fā)器等。門G1，G2構(gòu)成基本RS觸發(fā)器，G3為非門。二極管起電平轉(zhuǎn)移作用，用來產(chǎn)生回差。其工作原理參見陳傳虞脈沖與數(shù)字電路課本，這里不再序述。（3）設(shè)計分頻器：分頻器能將高頻率脈沖變換為低頻脈沖，可由觸發(fā)器及計數(shù)器承擔(dān)。我們知道，一個觸發(fā)器就是一個二分頻器，N個觸發(fā)器就是2×2×

5、2分頻器，而用計數(shù)分頻，則按計數(shù)進(jìn)制進(jìn)行分頻，如十進(jìn)制計算器就是十分頻器，M進(jìn)制計數(shù)器為M分頻器。若用晶振頻率為32768HZ的石英晶體振蕩器，要產(chǎn)生1HZ的秒脈沖，就需要JK觸發(fā)器（或計數(shù)觸發(fā)器）的個數(shù)為2n=32768HZ，n=15。若要用不同進(jìn)制的計數(shù)器串接組成分頻器，它的串接規(guī)律為：各計數(shù)器的進(jìn)制等于晶振頻率數(shù)：即M1×M2M=32768，如已知其中幾個進(jìn)制數(shù)的計數(shù)器，則可求另一個進(jìn)制的計數(shù)器。因此分頻器的設(shè)計，既可選用單個觸發(fā)器串接組成，見圖（4），又可設(shè)計為不同進(jìn)制計數(shù)器串接組成，見圖（5）?？勺罱K分頻結(jié)果為1HZ的秒脈沖，不得為其它頻率信號，本次實習(xí)JK觸發(fā)器見圖（6）

6、。（4）設(shè)計計數(shù)器：分頻器產(chǎn)生了1HZ的秒脈沖后，根據(jù)計時規(guī)律：60秒=1分，60分=1小時，24小時=1天。考慮到人們的計數(shù)習(xí)慣，一個位采用十進(jìn)制，十位采用進(jìn)制來設(shè)計。設(shè)計計數(shù)器的方法，以觸發(fā)器為單元電路，根據(jù)進(jìn)制按有權(quán)碼或無權(quán)碼來編碼，采用有條件反饋原理來構(gòu)成。例如六十進(jìn)制計數(shù)器，可分為：十進(jìn)制計數(shù)器和六進(jìn)制計數(shù)器。這樣設(shè)計不僅適合人們的計數(shù)習(xí)慣，而且有利于顯示相同的數(shù)字。同理也可以設(shè)計二十四小時制（或十二進(jìn)制）計數(shù)器。注意當(dāng)“小時”數(shù)的十位為2，個位為3時，只要“分”數(shù)位進(jìn)位時，就應(yīng)使“小時”數(shù)位歸零，因此二十四進(jìn)制計數(shù)器采用有條件反饋來設(shè)計（十二進(jìn)制計數(shù)器也同理）。但應(yīng)在回零時，發(fā)出驅(qū)

7、動AM，PM標(biāo)志的信號?？刹殚営嘘P(guān)資料，選用不同進(jìn)制 計數(shù)器電路。如選用模6的計數(shù)器電路，模十的計算器電路，模十二的計數(shù)器的電路。（5）設(shè)計數(shù)碼顯示，譯碼器/驅(qū)動器：電子數(shù)字計時器多選用七段筆劃式數(shù)碼顯示器，圖7（a）為發(fā)亮段，依發(fā)亮段不同，可顯示09十個數(shù)字。由于數(shù)字顯示器件的種類很多，有熒光管，輝光管，發(fā)光二極管，液晶管等顯示器，同學(xué)們可根據(jù)實際用途來選擇數(shù)字顯示器。以發(fā)光二極管LED顯示器為例，它的優(yōu)點是亮度強(qiáng)，清晰，電壓低（1.5v，3v)，有紅、綠、黃等顏色。缺點是工作電流大，因此需要驅(qū)動器來點亮，可選用門電路來構(gòu)成，LED的結(jié)構(gòu)見圖7（b）。圖中R為限流電阻，當(dāng)譯碼器輸出為高電平時

8、，LED發(fā)亮，為了減少顯示器的功耗，常常采用間歇掃描，即利用人們的眼睛的視覺暫留現(xiàn)象，不是長時間的總亮應(yīng)亮的段，而是使應(yīng)亮段按一定的速率間歇掃描點亮，而使人們能看到不變動的數(shù)字或圖像。LED發(fā)光二極管顯示屏，有兩種驅(qū)動方式：一種是共陰極，各顯示段為陽極，要求譯碼器/驅(qū)動器輸出高電平，才使應(yīng)顯示的段亮；另一種是共陽極，各顯示段為陰極，要求譯碼器/驅(qū)動器輸出為低電平。（6）設(shè)計校時電路：校時電路是計時器中不可少的部分，因為當(dāng)即時間與計時器時間不相等時，就需要校時電路予以校正。校準(zhǔn)時間電路，有兩方案，同學(xué)們可根據(jù)實際需要選擇使用。 第一，校時用的脈沖可以選用頻率較高的不等的幾種脈沖，從計數(shù)器的總輸入

9、端（秒計數(shù)器的第一級輸入端）送入，見圖（8）。第二，校時用的脈沖，分別將秒脈沖送到“計時”的計數(shù)器的輸入端，“計分”的計數(shù)器輸入端，但校時，校分時應(yīng)將原計數(shù)回路關(guān)閉或斷開。校秒時可采取關(guān)閉或斷開秒計數(shù)器的脈沖信號輸入端，使其停止計時。見圖（9）4、繪制總體電路圖根據(jù)電子數(shù)字計時器設(shè)計或選定各單元電路，按原理的順序組合起來組成總電路圖，在繪制電路時應(yīng)注意以下幾點：（1）各單元電路的電源，地線公共連接在一起，各電路的電源電壓值應(yīng)按要求值接入相應(yīng)的接線端上；（2）各單元電路的輸入，輸出脈沖信號應(yīng)按要求首尾相接，且應(yīng)符合匹配關(guān)系，如不符合，應(yīng)加導(dǎo)線引出電路；（3）需要控制信號的端，應(yīng)對應(yīng)開頭元器件（含開關(guān)電路）；（4）集成電路或其它元器件多余的功能端不用時，可不畫出，以保持電路總圖的簡捷清晰；（5）不得采用大規(guī)模集成電路，分頻