數(shù)字電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告引言本課程是面向智能車制作的課程，但是主要講述的是一些關(guān)于智能車制作的一些最基本的基礎(chǔ)知識(shí)。比如說(shuō)一些單片機(jī)的知識(shí)和一些相應(yīng)數(shù)字電路的知識(shí)。故我在這里利用一些所學(xué)的知識(shí)來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字時(shí)鐘。該電路系統(tǒng)由秒信號(hào)發(fā)生器、“時(shí)、分、秒”計(jì)數(shù)器、顯示器組成。秒信號(hào)產(chǎn)生器是整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)基信號(hào)，它直接決定計(jì)時(shí)系統(tǒng)的精度，這里用多諧振蕩器來(lái)實(shí)現(xiàn)。將標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)送入“秒計(jì)數(shù)器”，“秒計(jì)數(shù)器”采用60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，每累計(jì)60秒發(fā)出一個(gè)“分脈沖”信號(hào)，該信號(hào)將作為“分計(jì)數(shù)器”的時(shí)鐘脈沖?！胺钟?jì)數(shù)器”也采用60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，每累計(jì)60分鐘，發(fā)出一個(gè)“時(shí)脈沖”信號(hào)，該信號(hào)將被送到“時(shí)計(jì)數(shù)器”?！皶r(shí)計(jì)數(shù)器”采用24進(jìn)制計(jì)時(shí)器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)一天24小時(shí)的累計(jì)。譯碼顯示電路將“時(shí)”、“分”、“秒”計(jì)數(shù)器的輸出狀態(tài)送到七段顯示譯碼器進(jìn)行譯碼，通過(guò)六個(gè)七段數(shù)碼管顯示出來(lái)。本作品的主要設(shè)計(jì)目的是熟練使用555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器的方法，掌握使用74LS160構(gòu)成60進(jìn)制計(jì)數(shù)器的方法以及使用74LS160構(gòu)成24進(jìn)制計(jì)數(shù)器的方法，理解在實(shí)際的設(shè)計(jì)電路中電壓電流關(guān)系對(duì)整個(gè)電路功能的實(shí)現(xiàn)所具有的重要性。關(guān)鍵詞：數(shù)字電子鐘；555定時(shí)器；60進(jìn)制計(jì)數(shù)器；24進(jìn)制計(jì)數(shù)器；共陽(yáng)極七段數(shù)碼管；74LS47譯碼器；第一章：設(shè)計(jì)方案的選擇數(shù)字電子技術(shù)的復(fù)雜性和靈活性決定了數(shù)字電子鐘的設(shè)計(jì)方案有多種，以下是本設(shè)計(jì)的方案選擇。1、信號(hào)源的選擇多諧振蕩器，信號(hào)發(fā)生器，脈沖芯片以及石英晶體振蕩器等方式都可以作為脈沖信號(hào)源，但是石英晶振產(chǎn)生的頻率較高，需要用到分頻器來(lái)對(duì)它進(jìn)行分頻處理，故在此我選擇的是用555定時(shí)器制作的多諧振蕩器，主要考慮的是它的易于制作和很好的穩(wěn)定性。2、計(jì)數(shù)器的選擇時(shí)分秒計(jì)數(shù)器的選擇在74系列里同樣有多種，74LS160和74LS161,74HC161，74LS191等等也都可以，考慮到其簡(jiǎn)單易用,在此我選擇的是74LS160。3、譯碼器的選擇譯碼器的選擇就只有兩大類，一類是驅(qū)動(dòng)共陽(yáng)極的數(shù)碼管，一類是驅(qū)動(dòng)共陰極的數(shù)碼管。在74系列里也有好幾種，在這里我選用74LS47來(lái)驅(qū)動(dòng)共陽(yáng)極數(shù)碼管。4、元器件清單74LS160（十進(jìn)制計(jì)數(shù)器）——6個(gè)，74LS47（譯碼器）——6個(gè)；74LS00（2輸入與非門）——3個(gè)；BCD數(shù)碼管——6個(gè)；NE555芯片一個(gè)，電阻，電容，滑動(dòng)變阻器。第二章、設(shè)計(jì)原理描述1、數(shù)字計(jì)時(shí)器的設(shè)計(jì)思想要想構(gòu)成數(shù)字鐘，首先應(yīng)選擇一個(gè)脈沖源——能自動(dòng)地產(chǎn)生穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖信號(hào)。而脈沖源產(chǎn)生的脈沖信號(hào)地頻率較高，因此，需要進(jìn)行分頻，使得高頻脈沖信號(hào)變成適合于計(jì)時(shí)的低頻脈沖信號(hào)，即“秒脈沖信號(hào)”（頻率為1Hz）。經(jīng)過(guò)分頻器輸出的秒脈沖信號(hào)到計(jì)數(shù)器中進(jìn)行計(jì)數(shù)。由于計(jì)時(shí)的規(guī)律是：60秒=1分，60分=1小時(shí)，24小時(shí)=1天，就需要分別設(shè)計(jì)60進(jìn)制，24進(jìn)制計(jì)數(shù)器，并發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。各計(jì)數(shù)器輸出信號(hào)經(jīng)譯碼器、驅(qū)動(dòng)器到數(shù)字顯示器，使“時(shí)”、“分”、“秒”得以數(shù)字顯示出來(lái)。我設(shè)計(jì)的數(shù)字時(shí)鐘就是用來(lái)計(jì)時(shí)的，厄并沒(méi)有增加那個(gè)什么其它的報(bào)時(shí)、校對(duì)的功能。2、設(shè)計(jì)框圖：電子鐘在邏輯功能上是有秒脈沖發(fā)生器、秒計(jì)數(shù)器、分計(jì)數(shù)器、時(shí)計(jì)數(shù)器、譯碼器、顯示器等組成。其原理框圖如下所示：秒脈沖計(jì)數(shù)器——>>秒計(jì)數(shù)器——>>分計(jì)數(shù)器——>>時(shí)計(jì)數(shù)器——>>譯碼器——>>顯示器3、時(shí)鐘信號(hào)的產(chǎn)生：用NE555芯片和兩個(gè)電阻以及兩個(gè)電容組成一個(gè)時(shí)鐘振蕩電路，用來(lái)產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)的。電阻R1、R2和電容C1構(gòu)成定時(shí)電路。定時(shí)電容C1上的電壓UC作為高觸發(fā)端TH（6腳）和低觸發(fā)端TL（2腳）的外觸發(fā)電壓。放電端D（7腳）接在R1和R2之間。電壓控制端K（5腳）不外接控制電壓而接入高頻干擾旁路電容C2（0.01uF）。直接復(fù)位端R（4腳）接高電平，使NE555處于非復(fù)位狀態(tài)，3腳用于輸出時(shí)鐘信號(hào)。由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器如圖(C)所示，其中R1、R2和電容C為外接元件。其工作波如圖(D)所示。圖2-3555定時(shí)器組成的多諧振蕩器及其工作波形圖設(shè)電容的初始電壓＝0，t＝0時(shí)接通電源，由于電容電壓不能突變，所以高、低觸發(fā)端＝＝0<ＶＣＣ，比較器Ａ1輸出為高電平，Ａ２輸出為低電平，即，（1表示高電位，0表示低電位），觸發(fā)器置1，定時(shí)器輸出此時(shí)，定時(shí)器內(nèi)部放電三極管截止，電源經(jīng)，向電容Ｃ充電，逐漸升高。當(dāng)上升到時(shí)，輸出由0翻轉(zhuǎn)為1，這時(shí)，觸發(fā)順保持狀態(tài)不變。所以0<t<期間，定時(shí)器輸出為高電平1。時(shí)刻，上升到，比較器的輸出由１變?yōu)?，這時(shí)，，觸發(fā)器復(fù)0，定時(shí)器輸出。期間，，放電三極管T導(dǎo)通，電容Ｃ通過(guò)放電。按指數(shù)規(guī)律下降，當(dāng)時(shí)比較器輸出由0變?yōu)?，Ｒ－Ｓ觸發(fā)器的，Ｑ的狀態(tài)不變，的狀態(tài)仍為低電平。時(shí)刻，下降到，比較器輸出由1變?yōu)?，R---S觸發(fā)器的1，0，觸發(fā)器處于1，定時(shí)器輸出。此時(shí)電源再次向電容C放電，重復(fù)上述過(guò)程。通過(guò)上述分析可知，電容充電時(shí)，定時(shí)器輸出，電容放電時(shí)，0，電容不斷地進(jìn)行充、放電，輸出端便獲得矩形波。多諧振蕩器無(wú)外部信號(hào)輸入，卻能輸出矩形波，其實(shí)質(zhì)是將直流形式的電能變?yōu)榫匦尾ㄐ问降碾娔?。多諧振蕩器的放電時(shí)間常數(shù)分別為tPH≈0.7×（R1+R2）×C1tPL≈0.7×R2×C1振蕩周期T和振蕩頻率f分別為T=tPH+tPL≈0.7×（R1+2R2）×C1f=1/T≈1/[0.7×（R1+2R2）×C1]根據(jù)以上兩個(gè)式子就可以根據(jù)所需要的頻率來(lái)確定電阻和電容的參數(shù)，但是為了頻率可調(diào)一般會(huì)在電路4和7中間接入一個(gè)滑動(dòng)變阻器。4、用兩個(gè)74LS160組成一個(gè)60進(jìn)制的計(jì)數(shù)器原理：74LS160本來(lái)是十進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，那么如何用兩個(gè)十進(jìn)制的計(jì)數(shù)器使它成為一個(gè)60進(jìn)制的計(jì)數(shù)器呢？不過(guò)僅僅用這兩個(gè)芯片是不可能的，還需要借助一個(gè)叫做74LS00的與非門芯片。74LS160的工作要滿足的條件有兩個(gè)：它的MR,PE,CEP,CET這四個(gè)端口要為高電平才可以為計(jì)數(shù)狀態(tài)；另一個(gè)條件就是CP端要有上升沿信號(hào)的輸入，才會(huì)進(jìn)入計(jì)數(shù)的狀態(tài)。當(dāng)MR為低電平的時(shí)候，無(wú)論74LS160的狀態(tài)如何，都會(huì)把數(shù)據(jù)進(jìn)行清零。那么在了解了這三個(gè)關(guān)于74LS160的基本的知識(shí)之后，那么就可以開(kāi)始設(shè)計(jì)60進(jìn)制的計(jì)數(shù)器了。原理圖如下:首先第一個(gè)160芯片的CP端接入到信號(hào)發(fā)生的那個(gè)端口上，其它的PE，CER，CET，MR都接到高電平上。在160的四個(gè)輸出端，把四個(gè)輸出端按照高低位的順序接入到74LS47的輸入端上。再把第一個(gè)芯片的TC（進(jìn)位輸出端）接到第二個(gè)芯片的CP端。接到第二個(gè)芯片的CP端是為了產(chǎn)生時(shí)鐘計(jì)數(shù)信號(hào)（也即秒鐘的個(gè)位計(jì)數(shù)信號(hào)）。第二個(gè)芯片的接法也是它的PE，CER，CET都接到高電平上，在160的四個(gè)輸出端上，一方面把13和12兩端的線接到第一個(gè)74LS00的輸入端，另一方面把四個(gè)輸出端按照高低位的順序接入到74LS47的輸入端上。再把74LS00的輸出端接到第二個(gè)芯片的MR端和第三個(gè)芯片的CP端。接到第二個(gè)芯片的MR端是為了對(duì)第二個(gè)芯片的計(jì)數(shù)進(jìn)行清零處理；而接到第三個(gè)芯片的CP端是為了產(chǎn)生時(shí)鐘計(jì)數(shù)信號(hào)（也即分鐘的個(gè)位計(jì)數(shù)信號(hào)）。那么下面解釋一下為什么是這么接線的：160是一個(gè)四位的計(jì)數(shù)器，從低位到高位的依次順序是（14、13、12、11）。當(dāng)74LS00的輸入信號(hào)全是高電平時(shí)，其輸出信號(hào)為低電平（但兩個(gè)輸入信號(hào)不全為高電平的時(shí)候，其輸出端一直為高電平），把第一個(gè)芯片的TC端接到第二個(gè)芯片的CP端，是因?yàn)?60具有自動(dòng)進(jìn)位的功能，每當(dāng)160從9變到0的時(shí)候，就會(huì)在TC端產(chǎn)生一個(gè)高電平脈沖信號(hào)，從而產(chǎn)生了一個(gè)上升沿，使得第二個(gè)芯片開(kāi)始計(jì)數(shù)。對(duì)于第二個(gè)芯片我們只要其當(dāng)計(jì)數(shù)到6就可以，但是又不能出現(xiàn)6，所以第二個(gè)芯片的輸出端的接法是把13、12兩個(gè)端口接到74LS00的輸入端，但第二個(gè)芯片從5變到6時(shí)（CP端會(huì)受到第一個(gè)芯片的影響，從而觸發(fā)第二個(gè)芯片從5變到6），此時(shí)端口輸出可表示為（0110），從而和第一個(gè)芯片引發(fā)類似的數(shù)據(jù)清零處理。在這個(gè)數(shù)字電路中是需要兩個(gè)60進(jìn)制的計(jì)數(shù)器的，但是分鐘的計(jì)數(shù)器和秒鐘是差不多的。5、用兩個(gè)74LS160組成24進(jìn)制計(jì)數(shù)器的原理：電路圖如下圖所示：組成24進(jìn)制的計(jì)數(shù)器的方法用點(diǎn)不同于60進(jìn)制計(jì)數(shù)器的連接方法。因?yàn)闀r(shí)鐘只能從0計(jì)時(shí)到24，但是有因?yàn)闀r(shí)鐘的個(gè)位數(shù)不是一個(gè)循環(huán)的計(jì)數(shù)，第二次計(jì)數(shù)時(shí)只要計(jì)到4變5的時(shí)候就要清零，而時(shí)鐘的十位數(shù)只要計(jì)到2變3的時(shí)候就要清零了，因此連接方法也就不同于之前的。第五個(gè)芯片的CP端也是接到第二個(gè)74LS00的輸出端口上，它的PE，CER，CET都接到高電平上。在160的四個(gè)輸出端上，一方面把12端（0010）的線接到第三個(gè)74LS00的輸入端，另一方面把四個(gè)輸出端按照高低位的順序接入到74LS47的輸入端上。而對(duì)于第六個(gè)芯片的輸出端中的13端（0100）接到第三個(gè)74LS00的輸入端，對(duì)于74LS00的輸出端分別接到第五個(gè)和第六個(gè)的MR端，這樣就可以實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘的清零了，不會(huì)出現(xiàn)24了。因?yàn)楫?dāng)?shù)谖鍌€(gè)芯片從3變成4的一瞬間，MR也在差不多同時(shí)進(jìn)行清零了。對(duì)于第五個(gè)的計(jì)數(shù)是一方面利用160自身的從9變0的功能。6、顯示電路：在設(shè)計(jì)我用74LS47譯碼器來(lái)驅(qū)動(dòng)共陽(yáng)極的一位數(shù)碼管，電路圖如下：第三章：數(shù)字電路的仿真設(shè)計(jì)在multisim中畫完電路之后，在進(jìn)行仿真，以用來(lái)檢驗(yàn)電路的正確性。完整的電路圖如下，在仿真的時(shí)候沒(méi)有接入ne555電路，而是用的函數(shù)發(fā)生器來(lái)充當(dāng)信號(hào)源。但是效果是一樣的。仿真的結(jié)果分析：經(jīng)測(cè)試，電路可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字鐘的基本功能，秒脈沖信號(hào)及60、24進(jìn)制計(jì)數(shù)器均可正常工作。所以，基于仿真結(jié)果可以認(rèn)定，此次數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)是成功的。第四章：心得體會(huì)通過(guò)這次對(duì)數(shù)字電子鐘的課程設(shè)計(jì)，把課本上學(xué)到的知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合。從中對(duì)學(xué)到的知識(shí)有了更進(jìn)一步的理解，而且更進(jìn)一步的熟悉了芯片的結(jié)構(gòu)及掌握了各芯片的工作原理和其具體的使用方法。也鍛煉了自己獨(dú)立思考問(wèn)題的能力和通過(guò)查看相關(guān)資料來(lái)解決問(wèn)題的習(xí)慣。厄，在一開(kāi)始的時(shí)候我查閱了智能車隊(duì)的里上傳的關(guān)于74系列的資料，在認(rèn)真閱讀完相應(yīng)的芯片的資料后，發(fā)現(xiàn)不是很懂。只知道74LS160是十進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，但是怎樣才能組成60進(jìn)制和24進(jìn)制的計(jì)數(shù)器呢，不得已只能上網(wǎng)查閱資料，但是一查卻發(fā)現(xiàn)許多是基于單片機(jī)的電子鐘設(shè)計(jì)，而不是純數(shù)字電路，后來(lái)找到一些資料和圖，卻發(fā)現(xiàn)不是很好理解。最后按照一個(gè)查到的關(guān)于60進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，在軟件上連了，卻發(fā)現(xiàn)沒(méi)用第二個(gè)數(shù)碼管根本不會(huì)計(jì)數(shù)，也即沒(méi)有上升沿的輸入。最后看了半天和百度，才發(fā)現(xiàn)那個(gè)電路圖是有問(wèn)題的了。74LS160雖然是十進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，但是它便不會(huì)計(jì)到10，而是在9以后就變?yōu)?了，所以把160的13和11兩端的線接到與非門上，根本就不會(huì)輸出低電平，一直保持的高電平輸出。最后在研究了一下160的幾個(gè)端口的功能之后，發(fā)現(xiàn)我完全可以把第一個(gè)160的TC端接到第二個(gè)芯片的CP端以用來(lái)產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。按照這種思路來(lái)設(shè)計(jì)電路的話，就可以只要用到三個(gè)74LS00與非門了，比一些用五個(gè)的就要更簡(jiǎn)便一些了。從這個(gè)查閱資料的過(guò)程中，我發(fā)現(xiàn)了有問(wèn)題可以找百度，但是卻不能依賴于百度，有時(shí)看書才是王道那。其實(shí)設(shè)計(jì)本身并不是有很重要的意義，而是在于我們對(duì)待問(wèn)題時(shí)的態(tài)度和處理事情的能力。各個(gè)芯片能夠完成什么樣的功能，使用芯片時(shí)應(yīng)該注意那些要點(diǎn)。同一個(gè)電路可以用那些芯片實(shí)現(xiàn)，各個(gè)芯片實(shí)現(xiàn)同一個(gè)功能的區(qū)別。另外，我還漸漸熟悉了multisim這個(gè)仿真軟件的各個(gè)功能，讓我體會(huì)到了其中的樂(lè)趣，而在用這個(gè)軟件的時(shí)候，還要學(xué)會(huì)如何去接線和安排這些元器件，用實(shí)現(xiàn)電路的簡(jiǎn)潔和直觀，盡量要少的線交叉在一起。熟練掌握了Multisim仿真軟件的使用，最重要的是提高了自己的動(dòng)手實(shí)踐能力，話說(shuō)熟練的掌握了這個(gè)軟件的一