一、数字电子钟1.设计目得(1)培养数字电路得设计能力。

(2)掌握数字电子钟得设计、组装与调试方法。

2.设计内容及要求(1)设计一个数字电子钟电路。

要求:①按24小时制直接显示“时”、“分”、“秒”。

②当电路发生走时误差时具有校时功能。

③具有整点报时功能,报时音响为4低1高,即在59分51秒、53秒、55秒、57秒输出500Hz信号,在59分59秒时输出1000 Hz信号,音响持续时间为1秒,最后一响结束时刻正好为整点。

(2)用中小规模集成电路组成电子钟,并在实验仪上进行组装、调试。

(3)画出各单元电路图、整机逻辑框图与逻辑电路图,写出设计、实验总结报告。

(4)选作部分:①闹钟系统。

②日历系统。

3.数字电子钟基本原理及设计方法数字电子钟得逻辑框图如图1411所示。

它由振荡器、分频器、计数器、译码器、显示器、校时电路与整点报时电路组成。

振荡器产生得脉冲信号经过分频器作为秒脉冲,秒脉冲送入计数器计数,计数结果通过“时”、“分”、“秒”译码器显示时间。

有得数字电子钟还加有定时响铃、日历显示等其它功能,需增加相应得辅助电路。

图1411 数字电子钟得基本逻辑框图(1)振荡分频电路振荡器就是数字电子钟内部用来产生时间标准“秒”信号得电路。

构成振荡器得电路很多,图1412(a)就是RC环形多谐振荡器,其振荡周期T≈2、2RC。

作为时钟,最主要得就是走时准确,这就要求振荡器得频率稳定。

要得到频率稳定得信号,需要采用石英晶体振荡器。

石英晶体振荡器电路如图1412(b)所示,这种电路得振荡频率只取决于石英晶体本身得固有频率。

图1412 振荡器(a)RC环形多谐振荡器 (b)石英晶体多谐振荡器由于石英晶体振荡器产生得频率很高,要得到秒信号,需采用分频电路。

例如,振荡器输出4 MHz信号,先经过4分频变成1 MHz,再经过6次10分频计数器,便可得到1Hz得方波信号作为秒脉冲。

(2)计数器把秒脉冲信号送入秒计数器个位得CP输入端,经过6级计数器,分别得到“秒”个位、十位,“分”个位、十位,以及“时”个位、十位得计时。

“秒”、“分”计数器为60进制,“时”计数器为24进制。

24进制计数器如图1413所示。

当“时”个位计数器输入端CP来到第10个触发脉冲时,该计数器归零,进位端Q D5向“时”十位计数器输出进位信号。

当第24个“时”脉冲(来自“分”计数器输出得进位信号)到来时,十位计数器得状态为0010,个位计数器得状态位0100,此时“时”十位计数器得Q B6与“时”个位计数器得Q C5输出为1。

两者相与后送到两计数器得清零端R0A与R0B,通过74LS90内部得R0A与R0B与非后清零,完成24进制计数。

同理可构成60进制计数器。

CP来自分计数器的进位信号图1413 24进制计数器(3)译码显示电路译码驱动器采用8421 BCD码七段译码驱动器74LS48,显示器采用共阴极数七段数码显示器,有关74LS48与七段显示器得使用方法前面已经作了介绍,这里不再赘述。

(4)校时电路当数字电子钟出现走时误差时,需要对时间进行校准。

实现校时电路得方法很多,如图1414所示电路即可作为时计数器或分计数器得校时电路。

图1414 校时电路现设用该电路作为分计数器得校时电路,图中采用RS触发器作为无抖动开关。

通过开关K得接入位置,可以选择就是将“1 Hz信号”还就是将“来自秒计数器得进位信号”送至分计数器得CP端。

当开关K置于B端时,RS触发器得输出、,“来自秒计数器得进位信号”被送至分计数器得CP端,分计数器正常工作;需要校正分计数器时,将开关K置于A端,这时RS触发器得输出、,“1 Hz信号”被送至分计数器得CP端,分计数器在“1Hz信号”得作用下快速计数,直至正确得时间,再将开关K置于B端,达到了校准时间得目得。

(5)整点报时电路电路得设计要求在差10 s为整点时开始每隔1 s鸣叫一次,每次持续时间为1 s,共鸣叫5次,前4次为低音500 Hz,最后一次为高音1 kHz。

因为分计数器与秒计数器从59分51秒计数到59分59秒得过程中,只有秒个位计数器计数,分十位、分个位、秒十位计数器得状态不变,分别为Q D4Q C4Q B4Q A4＝0101,Q D3Q C3Q B3Q A3＝1001,Q D2Q C2Q B2Q A2＝0101,所以Q C4＝Q A4＝Q D3＝Q A3＝Q C2＝Q A2＝1不变。

设Y1＝Q C4Q A4Q D3Q A3Q C2Q A2,又因为在51、53、55、57秒时Q A1＝1,Q D1＝0,输出500Hz信号f2;59秒时Q A1＝1,Q D1＝1,输出1kHz信号f1,由此可写出整点报时电路得逻辑表达式为:用与非门实现,则整点报时电路如图1415所示。

图中音响电路采用射极输出器,推动8Ω得喇叭。

三极管基极串接1 kΩ限流电阻,就是为了防止电流过大损坏喇叭,在集电极也串接51Ω限流电阻。

三极管选用高频小功率管即可。

4.组装与调试要点在实验箱上组装电子钟,组装时应严格按图连接引脚,注意走线整齐,布局合理,器件得悬空端、清0端、置1端要正确处理。

调试步骤与方法如下:(1)用数字频率计测量晶体振荡器输出频率,用示波器观察波形。

晶体振荡器输出频率应为4 MHz,同时波形为矩形波。

(2)将频率为4 MHz得信号送入分频器各输入端,并用示波器检查各级分频器得输出频率就是否符合设计要求。

(3)将1 s信号分别送入“时”、“分”、“秒”计数器,检查各级计数器得工作情况。

若不正常,则可依次检查显示器、译码驱动器、计数器及计数器得反馈归零电路。

(4)观察校时电路得功能就是否满足校时要求。

(5)将时间调整到59分50秒,观察报时电路能否准确报时。

(6)整机联调,使数字电子钟正常工作。

Q图1415 整点报时电路5.供参考选择得元器件(1)集成电路:74LS90 12片,74LS48 6片,74LS00 6片,74LS20 2片。

(2)电阻:1 kΩ 3个,10 kΩ 4个,51 Ω 1个。

(3)电容:0、01μF 2个。

(4)三极管:3DG12 1个。

(5)其它:共阴极显示器 6个,4 MHz石英晶振 1片,8Ω扬声器 1个。

二、交通信号灯1.设计目得(1)培养数字电路得设计能力。

(2)掌握交通信号灯控制电路得设计、组装与调试方法。

2.设计内容及要求(1)设计一个交通信号灯控制电路。

要求:①主干道与支干道交替放行,主干道每次放行30 s,支干道每次放行20 s。

②每次绿灯变红灯时,黄灯先亮5 s钟,此时原红灯不变。

③用十进制数字显示放行及等待时间。

(2)用中、小规模集成电路组成交通信号灯电路,并在实验仪上进行组装、调试。

(3)画出各单元电路图、整机逻辑框图与逻辑电路图,写出设计、实验总结报告。

(4)选作部分:采用倒计时得方式显示放行及等待时间。

3.交通信号灯基本原理及设计方法十字路口得红绿灯指挥着行人与各种车辆得安全通行。

有一个主干道与一个支干道得十字路口如图1421所示。

每边都设置了红、绿、黄色信号灯。

红灯亮表示禁止通行,绿灯亮表示可以通行,在绿灯变红灯时先要求黄灯亮几秒钟,以便让停车线以外得车辆停止运行。

因为主干道上得车辆多,所以主干道放行得时间要长。

要实现上述交通信号灯得自动控制,则要求控制电路由时钟信号发生器、计数器、主控制器、信号灯译码驱动电路与数字显示译码驱动电路几部分组成,整机电路得原理框图如图1422所示。

绿黄红红黄绿支干道主干道图1421 十字路口图图1422 交通信号灯控制电路框图(1)主控制器十字路口车辆运行情况只有4种可能:①设开始时主干道通行,支干道不通行,这种情况下主绿灯与支红灯亮,持续时间为30 s。

②30 s后,主干道停车,支干道仍不通行,这种情况下主黄灯与支红灯亮,持续时间为5 s。

③5 s后,主干道不通行,支干道通行,这种情况下主红灯与支绿灯亮,持续时间为20 s。

④20 s 后,主干道仍不通行,支干道停车,这种情况下主红灯与支黄灯亮,持续时间为5 s。

5 s后又回到第一种情况,如此循环反复。

因此,要求主控制器电路也有4种状态,设这4种状态依次为:S0、S1、S2、S3。

状态转换图如图1423所示。

后5 sX X图1423 主控制器得状态图图1424 主控制器得逻辑图设S0＝00,S1＝01,S2＝10,S3＝11。

实现这4个状态得电路,可用两个触发器构成,也可用一个二十进制计数器或二进制计数器构成。

如用二十进制计数器74LS90实现,采用反馈归零法构成4进制计数器,即可从输出端Q B Q A 得到所要求得4个状态。

逻辑图如图1424所示。

为以后叙述方便,设X 1＝Q B ,X 0＝Q A 。

(2)计数器计数器得作用有二:一就是根据主干道与支干道车辆运行时间以及黄灯切换时间得要求,进行30 s 、20 s 、5 s3种方式得计数;二就是向主控制器发出状态转换信号,主控制器根据状态转换信号进行状态转换。

计数器除需要秒脉冲作时钟信号外,还应受主控制器得状态控制。

计数器得工作情况为:计数器在主控制器进入状态S 0时开始30 s 计数;30 s 后产生归零脉冲,并向主控制器发出状态转换信号,使计数器归零,主控制器进入状态S 1,计数器开始5 s 计数;5 s 后又产生归零脉冲,并向主控制器发出状态转换信号,使计数器归零,主控制器进入状态S 2,计数器开始20 s 计数;20 s 后也产生归零脉冲,并向主控制器发出状态转换信号,使计数器归零,主控制器进入状态S 3,计数器又开始5 s 计数;5 s 后同样产生归零脉冲,并向主控制器发出状态转换信号,使计数器归零,主控制器回到状态S 0,开始新一轮循环。

根据以上分析,设30 s 、20 s 、5 s 计数得归零信号分别为A 、B 、C ,则计数器得归零信号L 为:其中:⎪⎩⎪⎨⎧=+=+=====1A 1C 01A 1C 011A C1012A 2B 32A 2B 12B 012B 22A 2B 012A 2B 0Q Q X Q Q X X Q Q X X Q Q S Q Q SC Q X X Q S B Q Q X X Q Q S A 考虑到主控制器得状态转换为下降沿触发,将L 取反后送到主控制器得CP 端作为主控制器得状态转换信号。

计数器得逻辑图如图1425所示。

CP图1425 计数器(3)控制信号灯得译码电路主控制器得4种状态分别要控制主、支干道红、黄、绿灯得亮与灭。

设灯亮为1,灯灭为0,则控制信号灯得译码电路得真值表如表1421所示。

表1421 控制信号灯得译码电路得真值表由真值表可分别写出各个灯得逻辑表达式:译码电路得逻辑图如图1426所示。

X1X0图1426 控制信号灯得译码电路4.组装与调试要点在实验箱上按各单元电路分别搭接主控制器、计数器、信号灯译码器、数字显示译码器与秒脉冲信号发生器。