电力拖动与运动控制系统》课程设计.docx
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电力拖动与运动控制系统》课程设计
中国矿业大学徐海学院
电子技术综合设计
姓名:
祁洁学号:
22070790
专业:
理工
题目:
多功能数字钟
专题:
电子技术综合设计
指导教师:
毕文艳
设计地点:
电子电工实验室
成绩:
时间2009年12月
务书
学生姓名祁洁专业年级理工07-3学号22070790
设计日期:
2009年11月28日至2009年1月8日
设计题目:
电子技术综合设计
设计专题题目:
多功能数字钟
设计主要内容和要求:
1.主要内容:
①用CC4518双四位BCD同步加计数器设计60秒、60分、24小时归0的计数电路;
②用CC4511七段译码驱动/锁存器及LG5011AH共阴数码管设计译码及显示电路(数码管需加限流电阻);
③用脉冲开关设计校准功能;
④用32768Hz晶振构成秒脉冲信号发生器,(32768Hz脉冲需经过CD4060的14级分频得到2Hz脉冲,再经过CD4040的2分频得到秒脉冲。
2.整体电路原理图
60秒(60分)及24小时------计数、译码、显示
用8K复印纸手工画
3.EWB仿真图
60秒、60分、24小时------计数、译码、显示
4.设计原理图
用PROTEL99设计原理图并打印。
5.设计PCB版图
用PROTEL99设计PCB板并打印。
6.功能扩展要求
设计:
①整点报时功能②12小时归1计数电路
指导教师签字:
摘要
数字钟由秒信号发生器、“时、分、秒”计数器、译码器及显示器、校时电路组成。
“秒”信号产生器是整个系统的时基信号,振荡器和分频器组成,它直接决定计时系统的精度,一般用石英晶体振荡器加分频器来实现。
信号将被送到“时计数器”。
“时计数器”采用24进制计时器,可实现对一天24小时的累计。
译码显示电路将“时”、“分”、“秒”计数器的输出状态通过六位LED显示器显示出来。
关键词:
计数器;显示器;信号;时钟
目录
1设计原理1
2双BCD同步加计数器CC45182
2.1双BCD同步加计数器CC4518介绍2
2.2CC4518是双BCD同步加计数器工作过程2
2.2.1分钟六十进位和清零原理3
2.2.2小时24清零原理3
3CC4511译码器4
3.1CC4511译码器的介绍4
4LG5011AH共阴数码管7
4.1LG5011AH共阴数码管简单介绍7
4.2LG5011AH共阴数码管的连接7
5数字钟结构9
5.160进制计数器9
6秒脉冲信号发生器11
6.1脉冲信号发生器元件11
6.2秒脉冲信号发生器的工作原理11
7开关调节时间13
8校准电路14
9改进措施15
9.112归1计数器电路15
9.2整点报时功能15
10实验中遇到的问题及解决方法17
11总结18
参考文献19
附录20
附录120
附录221
附录322
附录423
附录524
1设计原理
数字钟是一个将“时”,“分”,“秒”显示于人,便于人观察时间的计时装置。
它的计时周期为24小时,显示满刻度为23时59分59秒,另外应有校时功能。
因此,一个基本的数字钟电路主要由译码显示器、“时”,“分”,“秒”计数器、校时电路和振荡器组成。
电路系统由秒信号发生器、“时、分、秒”计数器、译码器及显示器、校时电路组成。
秒信号产生器是整个系统的时基信号,振荡器和分频器组成,它直接决定计时系统的精度,一般用石英晶体振荡器加分频器来实现。
将标准秒信号送入“秒计数器”,“秒计数器”采用60进制计数器,每累计60秒发现胡一个“分脉冲”信号,该信号将作为“分计数器”的时钟脉冲。
“分计数器”也采用60进制计数器,每累计60分钟,发出一个“脉冲”信号,该信号将被送到“时计数器”。
“时计数器”采用24进制计时器,可实现对一天24小时的累计。
译码显示电路将“时”、“分”、“秒”计数器的输出状态通过六位LED显示器显示出来。
校时电路时用来对“时”、“分”、“秒”显示数字进行校对调整的。
图1-1工作流程图
2双BCD同步加计数器CC4518
2.1双BCD同步加计数器CC4518介绍
CC4518为双BCD加计数器,该器件由两个相同的同步4级计数器组成。
计数器级为D型触发器。
具有内部可交换CP和EN线,用于在时钟上升沿或下降沿加计数。
在单个单元运算中,EN输入保持高电平,且在CP上升沿进位。
CR线为高电平时,计数器清零。
计数器在脉动模式可级联,通过将Q3连接至下一计数器的EN输入端可实现级联。
同时后者的CP输入保持低电平。
CC4518提供了16引线多层陶瓷双列直插(D)、熔封陶瓷双列直插(J)、塑料双列直插(P)和陶瓷片状载体(C)4种封装形式。
图2-1CC4518管脚功能图
2.2CC4518是双BCD同步加计数器工作过程
2.2.1分钟六十进位和清零原理
CC4518是双BCD同步加计数器,分钟和秒钟的个位都是计数到九的下一位的时候进位清零,十位则是计数到五的下一位清零进位,根据同步计数器计数到N-1时同步清零有效,在来一个脉冲时清零.秒钟和分钟个位N=10的时候,秒钟和位N=6是进位清零。
我们所需要的就是在进位脉冲到达的时候同时介入下一个计数器的CP端,也介入本身的清零CR端。
2.2.2小时24清零原理
CC4518是双BCD同步加计数器,同样小时的个位同样是N=10是进位和清零,但是小时的十位不进位了,当小时的个位到达N=4和十位到达N=2时同时满足条件的时候计数器全部清零。
3CC4511译码器
3.1CC4511译码器的介绍
4511是一个用于驱动共阴极LED(数码管)显示器的BCD码—七段码译码器,具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。
可直接驱动LED显示器。
3.1.1引脚功能介绍如下:
图3-1CC4511引脚功能图
3.1.2CC4511真值表
图3-2CC4511真值表
图3-34511连接示意图
小结:
2和3由CC4518和CC4511可得到小时(24进制)分钟(60进制)秒与分钟工作方式相同图略。
可以得到如下:
图3-4小时分钟的工作示意图
4LG5011AH共阴数码管
4.1LG5011AH共阴数码管简单介绍
LED数码管中各段发光二极管的伏安特性和普通二极管类似,只是正向压降较大,正向电阻也较大。
在一定范围内,其正向电流与发光亮度成正比。
由于常规的数码管起辉电流只有1~2mA,最大极限电流也只有10~30mA(静态总电流 80mA(每段 10mA);动态平均电流 4-5mA,峰值电流100mA),所以它的输入端在5V电源或高于TTL高电平(3.5 V)的电路信号相接时,一定要串加限流电阻,以免损坏器件。
数码管的引脚排列,对于单个数码管来说,从它的正面看进去,左下角那个脚为1脚,以逆时针方向依次为1~10脚,左上角那个脚便是10脚了,上面两个图中的数字分别与这10个管脚一一对应。
注意,3脚和8脚是连通的,这两个都是公共脚。
图4-1LG5011AH共阴数码管示意图
4.2LG5011AH共阴数码管的连接
数码管的a、b、c、d、e、f、g管脚分别接CC4511的13、12、11、10、9、15、14管脚。
在PROTEL原理示意图中用网络标号表示其各个管脚的连接。
图4-2数码管示意图
5数字钟结构
5.160进制计数器
4518的60进制的功能:
由于要设计成60进制,所以要设计进位与高位且给计数从Q3A与Q0A引出两根线再接入CP0B可以实现当Q3与QO同为1时(即记了10个数)向高位输入一个脉冲,至此实现了十进制。
同理从高位Q2BQ1B引两根接与门可从高位清零,可实现满60进制清零从而实现60进制功能。
图5-160进制仿真图
5.224进制计数器
4518的24进制的功能:
原理同60进制,因为4518是10进制芯片,所以要设计满十进一,即从Q3A与QOA引进两根满十进一,即从Q3A与Q0A引出两根与门再接CP0B从而实现满十进一,Q2BQ3A引线接与门再接低位,高位片清零实现满24清零。
图5-224进制仿真图
6秒脉冲信号发生器
6.1脉冲信号发生器元件
秒脉冲信号发生器由由两个阻值分别为2.2K、1M的电阻,两个容值分别为33UF、0.01F的电容、一个32768HZ的晶振、一个CD4060芯片和一个CD4027芯片构成。
6.2秒脉冲信号发生器的工作原理
CD4060是数字集成电路,具有十四分频的功能,比如用晶振产生的32.768KHz的频率,经过它一四次分频之后可得到2Hz的频率,就是32768/(2^13)=2。
CD4060和32768的晶振构成32768hz的信号发生器,然后经过CD4060的14级分频分出2hz,再经过CD4040的2分频分出秒脉冲。
图6-1脉冲产生原理示意图
6.2.132768的晶振产生32768hz的信号的原理:
32768的晶振产生32768hz的信号的原理:
用LC回路的谐振现象来等效,则石英谐振器的等效电路。
图6-2石英谐振器等效电路图
L和C分别等效晶体振荡时具有的一定惯性和弹性,而R表示振动时内摩擦造成的损耗。
从等效电路图可以看出,石英晶体谐振器偶一个串联支路形成串联谐振频率
;还有一个由C0参与的并联谐振频率
;并联型晶体振荡电路。
图6-3并联型晶体振荡电路
由于C1和C2较大。
因此fo>fs而接近于fp。
电路中32768的晶振就是利用上述原理产生32768hz的信号,32768Hz脉冲经过CD4060的14分频得到2Hz脉冲,再经过CD4040的2分频得到秒脉冲。
7开关调节时间
在脉冲发生器的地方开关的作用是暂停的作用,即不给时钟电路信号,计数器将不工作,也就没计数功能。
开关的作用主要是断开电路的电源脉冲和进位脉冲,而是人为的给它一个脉冲让计数器实现计数,这样就可以人为的设定时间。
调节时间的时候开关断开进位或者是断开电源脉冲的时候,根据CC4518的功能表可知当输入脉冲位于低电平时候计数器处于保持状态,可以根据实际需要人为的调整时间。
8校准电路
当重新接通电源或走时出现误差时都需要对时间进行校正。
通常,校正时间的方法是:
首先截断正常的计数通路,然后再进行人工出触发计数或将频率较高的方波信号加到需要校正的计数单元的输入端,校正好后,再转入正常计数。
图8-1校准电路
9改进措施
由于EWB在进行软件模拟转换时,在初始时由于源脉冲稳会导致值为11计数,为了让它从00开始计数,从而到达改进芯片的目的,我们可以在脉冲上加D触发器,从而达到延时的作用,这样芯片就可以在初始状态下从00计数,改进方法如下:
Q0A与Q3A引出的进位脉冲接与门后,加一个D触发器后接高位CP端。
改进方法:
造成此现象的原因是软件本身存在的缺陷导致的,虽然在硬件中没有发生类似的现象,所以在实际应用中不需要加D触发器。
9.112归1计数器电路
由于4518是一片双十进制的计数器所用可以可以设计60进制的计数器给CP0A接脉冲,把CP1A接地时,有真值表可知,此时芯片理由上升沿计数器Q3AQ2AQ1AQ0A开始从0000向1001计数。
因为要设计成60进制,所以要设计进位与高位且给计数从Q3A与Q0A引出两根线再接入cpoB可以实现当Q3与QO同为1时(即记了10个数)向高位输入一个脉冲,至此实现了十进制。
同理从高位Q2BQ1B引两根接与门可从高位清零,可实现满60进制清零从而实现60进制功能。
因为4518时10进制的,要设计12进制的必须从低位到高位逐次计数。
线构成十进制后,从低位中Q0A和Q1A接与门,再从高位中引Q0B与Q0B与Q0A,Q1A的与在接与门,这样就完成了十二进制。
9.2整点报时功能
时钟一般都具有整点报时功能,即在时间出现整点前数秒内,数字钟会自动报时,以示提醒.其作用方式是发出连续的或有节奏的音频声波,较复杂的也可以是实时语音提示.电路应在整点前10秒钟内开始整点报时,即当时间在59分50秒到59分59秒期间时,报时电路报时控制信号.报时电路选74HC30,选蜂鸣器为电声器件。
图9-1整点报时电路图
10实验中遇到的问题及解决方法
在做仿真时遇到了要对电路进行上电消零的问题,经过我们几个小组的讨论,我们确定了使用JK触发器和D触发器两种电路消零,又经过方案比较反较、测试和验证,我们确定使用D触发器电路,这样具有电路简单和芯片管脚少的优点。
在制作原理图过程中也遇到了很多问题,像是对器件的封装不熟悉,还有芯片的引脚接线容易出错,另外器件一多标号也容易重复,所以需要细心。
元件库需要建好,还有数码管既要建原理图库,又要建PCB库。
在检测显示电路的过程中发现数码管有一位不能正常显示的状况,经过对这一位线路的追踪检查,发现主要是由于在焊接过程中使用吸锡器将其中一个焊盘与接线抽断的原因,用锡将焊盘与线路连接后,数码管显示正常。
在焊接过程中,要一定要注意由低到高焊元器件,这样焊起来容易;另外芯片座一定要看清缺口,正确摆放位置,不能着急,应当认真细心。
11总结
本文运用由石英晶体振荡器、分频器、计数器、译码器、LED显示器和校时电路组成。
本文介绍的简易电子钟具有时、分、秒的显示、调整功能,采用的时间制式为24小时制,时间显示格式为时(十位、个位)、分(十位、个位)、秒(十位、个位),它具有三种工作状态,即系统提示符状态、时钟运行状态和时钟调整状态。
由PROTEL绘制原理图,PCB图,走线图,运用EWB即虚拟电子实验平台,在微机上运行电路仿真软件来仿真,是进行硬件实验的平台。
它具有功能全、成本低、效率高、界面直观、操作方便等优点。
作为应用平台,完成数字电子技术应用课题设计。
数字电子钟是数字电路中基本的电路,也是在实际生活中随处可见的应用例子。
数字电子钟是一种用数字显示秒、分、时的计时装置,与传统的机械钟相比,它具有走时准确、显示直观、无机械传动装置等优点,因而得到了广泛的应用。
本文所用的芯片,计数器,译码器等。
只是可供选择的一种方案。
但是具有较强的实用性。
这次的数字钟设计实验过程中,我们进一步地熟悉了芯片的结构并掌握了各个芯片的工作原理及其具体的使用方法,而这些也是我们能够完整并成功地做完这个实验的前提条件。
例如,在连接六进制,十进制,六十进制的进位及十二进制的接法中,我们只有熟悉逻辑电路及其芯片各引脚的功能,才能在电路出错时便能准确地找出错误之所在并及时纠正。
在实验中,我们要弄清几个原理,其中包括晶体振荡器电路、分频器电路、时间计数单元、译码驱动及显示单元以及校时电源电路等。
在设计电路中,往往是先仿真后连接实物图,但有时候仿真和电路连接并不是完全一致的,例如仿真的连接示意图中,往往没有接高电平的16脚或14脚以及接低电平的7脚或8脚,因此在实际的电路连接中往往容易遗漏。
因此,仿真图和电路连接图还是有一定区别的。
参考文献
[1]曹国清.数字电路与逻辑设计.徐州:
中国矿业大学出版社,1998
[2]《数字电子技术实验》指导书。
中国矿业大学徐海学院,2007年05出版。
[3] 澄非主编.电路与数字逻辑设计实践[M].东南大学出版社.
[4]《数字电路与逻辑设计》中国矿业大学出版社,2003年07出版
[5]张宏富,龚一光主编。
数字电子技术实验指导书[M]成都信息工程学院。
附录
附录1
元件清单:
名称
参数
数量(个)
电阻
1/4W
470Ω
42
220Ω
2
220KΩ
5
1MΩ
4
二极管
IN4007
4
4148
6
晶振
32768
1
电容
独石
104
12
极性
100uF/16V
5
数码管
LG5011AH
6
三极管
PNP(1015)
1
微动开关
6*6*6
4
芯片座
16P
11
芯片
4040
1
4060
1
4518
3
4511
6
稳压电源座
Ø3.5空心座
1
电路板
1
附录2
EWB仿真图:
附录3
PROTEL原理图:
附录4
PCB版图:
附录5
PCB走线图:
- 配套讲稿:
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- 特殊限制:
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