Informe de diseño del curso de reloj digital
Título: Diseño y Fabricación de Relojes Digitales
Año Académico
Tiempo de Estudio:
Nivel del Curso Profesional :
Número de alumno: Apellido:
Docente y título profesional: Profesor
Horario:
Cargo:
Objetivos de diseño
Estar familiarizado con el pinout de los circuitos integrados.
Domina las funciones lógicas y el uso de cada chip.
Comprender la estructura de la placa de pruebas y sus métodos de cableado.
Comprender la composición y principio de funcionamiento de un reloj digital.
Estar familiarizado con el diseño y fabricación de relojes digitales.
Requisitos de diseño
1. Indicadores de diseño
El tiempo se basa en un ciclo de 24 horas;
Muestra horas, minutos y segundos. ;
Tiene una función de ajuste de tiempo, puede ajustar la hora y los minutos por separado para que sean correctos a la hora estándar;
El proceso de cronometraje tiene una función de informe de tiempo cuando el. el tiempo llega 5 segundos antes de la hora, sonará un zumbador. El oscilador indicará la hora;
Para garantizar la estabilidad y precisión de la sincronización, el oscilador de cristal debe proporcionar una señal de referencia de la hora del reloj.
2. Requisitos de diseño
Dibujar el esquema del circuito (o diagrama de circuito simulado);
Selección de componentes y parámetros;
Circuito. Simulación y depuración;
Generación e impresión de archivos PCB.
3. La producción requiere autoensamblaje y depuración, y la capacidad de encontrar y resolver problemas.
4. Redactar un informe de diseño, describir todo el proceso de diseño y producción, y adjuntar información y dibujos relevantes.
Principio de diseño y diagrama de bloques
1. Composición del reloj digital
El reloj digital es en realidad un circuito de conteo que cuenta la frecuencia estándar (1 HZ). Dado que la hora de inicio del conteo no puede ser consistente con la hora estándar (como la hora de Beijing), es necesario agregar un circuito de corrección de tiempo al circuito. La señal horaria estándar de 1 HZ debe ser precisa y estable. Normalmente, los relojes digitales constan de un circuito oscilador de cristal de cuarzo. La Figura 3-1 muestra la estructura general de un reloj digital.
Figura 3-1 Diagrama de bloques del reloj digital
(1) Circuito oscilador de cristal
El circuito oscilador de cristal proporciona una señal de onda cuadrada estable y precisa de 32768 Hz al Reloj digital, que puede garantizar la precisión y estabilidad del reloj digital. Los circuitos osciladores de cristal se utilizan en relojes electrónicos analógicos y relojes electrónicos con pantalla digital.
(2) Circuito divisor de frecuencia
El circuito divisor de frecuencia divide la señal de onda cuadrada de alta frecuencia de 32768 Hz por 32768() veces para obtener una señal de onda cuadrada de 1 Hz para el segundo conteo del contador. . El divisor es en realidad un mostrador.
(3) Circuito de conteo de tiempo
El circuito de conteo de tiempo consta de un contador binario de dos bits, un contador binario de dos bits y un contador decimal de tiempo de bits. el contador binario de dos bits, el contador binario de dos bits es un contador de 60 bases, y el contador decimal de tiempo y el contador decimal de tiempo son contadores de 12 dígitos según los requisitos de diseño.
(4) Circuito controlador de decodificación
El circuito controlador de decodificación convierte el código 8421BCD emitido por el contador al estado lógico requerido por el tubo digital y proporciona suficiente corriente operativa para garantizar la funcionamiento normal del tubo digital.
⑸Tubo digital
Los tubos digitales generalmente incluyen tubos digitales de diodos emisores de luz (LED) y tubos digitales de cristal líquido (LCD). Este diseño proporciona tubos digitales LED.
2. Principio de funcionamiento del reloj digital
1) Circuito oscilador de cristal
El oscilador de cristal es el núcleo del reloj digital y garantiza la precisión y estabilidad del reloj. .
El circuito que se muestra en la Figura 3-2 es un circuito oscilador de cristal digital con salida de onda cuadrada, compuesto por puertas CMOS NO. En este circuito, el inversor CMOS U1, el cristal, el condensador y la resistencia forman un circuito oscilador de cristal, y U2 implementa la función de conformación para convertir la salida de onda sinusoidal aproximada del oscilador en una onda cuadrada ideal. La resistencia de retroalimentación de salida R1 proporciona polarización para la puerta NOT, lo que permite que el circuito funcione en la región de amplificación.
Es decir, la puerta NOT funciona como un amplificador inversor de alta ganancia. Los condensadores C1 y C2 forman una red resonante con el cristal para controlar la frecuencia de oscilación y proporcionar un cambio de fase de 180 grados, de modo que la puerta NAND forma una red de retroalimentación positiva para realizar la función del oscilador. Dado que el cristal tiene estabilidad y precisión de alta frecuencia, la estabilidad y precisión de la frecuencia de salida están garantizadas.
La frecuencia del cristal XTAL es de 32768HZ. Este componente está especialmente diseñado para circuitos de reloj digital y su baja frecuencia es beneficiosa para reducir la cantidad de divisores de frecuencia.
En el manual correspondiente se puede encontrar que C1 y C2 son ambos de 30 pF. Cuando se requiere mayor precisión y estabilidad de frecuencia, se puede conectar un condensador de corrección y se pueden tomar medidas de compensación de temperatura.
Debido a la impedancia de entrada extremadamente alta del circuito CMOS, la resistencia de retroalimentación R1 se puede seleccionar para que sea de 10 mω. Una mayor resistencia a la retroalimentación es beneficiosa para mejorar la estabilidad de la frecuencia de oscilación.
74HC00 se puede utilizar como circuito de puerta NO.
Figura 3-2 Oscilador de cristal COMS
2) Circuito divisor de frecuencia
Normalmente, la frecuencia de salida del oscilador de cristal de un reloj digital es mayor. Para obtener una segunda entrada de señal de 1 Hz, la señal de salida del oscilador debe dividirse en frecuencia.
El circuito que suele implementar el divisor de frecuencia es un circuito contador, que generalmente se implementa con un contador binario multietapa. Por ejemplo, el múltiplo de división de frecuencia de la señal de oscilación de 32768 Hz a 1 hz es 32768 (215), es decir, el contador que implementa esta función de división de frecuencia equivale a 15 contadores binarios. Los contadores binarios de uso común incluyen 74HC393, etc.
Este experimento utiliza CD4060 para formar un circuito divisor de frecuencia. CD4060 puede lograr la división de frecuencia más alta en circuitos integrados digitales y también contiene la puerta NOT requerida para el circuito oscilador, lo que lo hace más cómodo de usar.
CD4060 es un contador binario con una cuenta de 14, que puede dividir la señal de 32768 HZ en 2 HZ. Su diagrama de bloques interno se muestra en la Figura 3-3. Como se puede ver en la figura, el extremo de entrada del reloj del CD4060 tiene dos puertas NOT conectadas en serie, por lo que las funciones de oscilación y división de frecuencia se pueden realizar directamente.
Figura 3-3 Diagrama de bloques interno del CD 4046
3) Dispositivo de cronometraje
Las unidades de cronometraje a veces incluyen conteos, conteos de minutos y conteos de segundos.
La unidad de conteo de horas es generalmente un contador binario de 12 bits, y su salida es en forma de un código 8421BCD de dos dígitos; las unidades de conteo de minutos y segundos son contadores hexadecimales y su salida; También es un código 8421BCD.
Generalmente, el contador de 10 bases 74HC390 se utiliza para realizar la función de conteo de la unidad de conteo de tiempo. Para reducir la cantidad de componentes, se selecciona 74HC390 y su diagrama de bloques lógico interno se muestra en la Figura 2.3. Este dispositivo es un contador asíncrono dual 2-5-10, cada contador está equipado con un terminal de compensación asíncrono (alto nivel activo).
Figura 3-4 Diagrama de bloques lógicos internos del 74hc 390(1/2)
La segunda unidad de conteo es un contador decimal de 10 dígitos, por lo que no hay necesidad de conversión decimal. Simplemente conecte QA con CPB (activo en flanco descendente). CPA (flanco descendente no válido) está conectado a la señal de entrada de 1 HZ, y Q3 se puede conectar al CPA de la unidad de conteo de diez dígitos como señal de transporte ascendente.
El segundo contador decimal es un contador hexadecimal y debe convertirse en un contador hexadecimal. El método de conexión del circuito para convertir un contador de 10 decimales en un contador hexadecimal se muestra en la Figura 3-5, en la que Q2 se puede conectar al CPA de la unidad de conteo como una señal de transporte ascendente, con varios bits.
Figura 3-5 Circuito de conversión de contador de 10 bases a 6 bases
Las estructuras del circuito de la unidad de conteo decimal y la unidad de conteo decimal son exactamente las mismas que las de dos bits. unidad de conteo y la unidad de conteo binaria, excepto que el Q3 de la unidad de conteo decimal debe conectarse al CPA de la unidad de conteo decimal como señal de acarreo ascendente, y el Q2 de la unidad de conteo decimal debe conectarse al CPA del actual unidad de conteo de bits como señal de acarreo ascendente.
La estructura del circuito de la unidad de conteo de horas sigue siendo la misma que la unidad de conteo de segundos o unidades, pero se requiere que toda la unidad de conteo de horas sea un contador binario de 12, en lugar de un múltiplo entero. de 10.
Por lo tanto, la unidad y la unidad de conteo decimal deben combinarse en una sola unidad para la conversión de 12. Utilice 1 pieza de 74HC390 para implementar 12 conteos binarios.
Además, en el circuito que se muestra en la Figura 3-6, la unidad de conteo binario restante se puede usar para convertir la señal de salida de 2 HZ del divisor de frecuencia en una señal de 1 HZ.
Figura 3-6 Circuito contador de 12 binarios
4) Controlador de decodificación y unidad de visualización
El contador realiza la acumulación de tiempo y lo genera en el formato del código 8421 BCD. El circuito de decodificación de pantalla se selecciona para convertir los números de salida del contador en la lógica de salida y una cierta corriente requerida por el dispositivo de visualización digital. El circuito de decodificación de pantalla utiliza CD4511 0 y el circuito de unidad de visualización utiliza tubos digitales LED.
5) Circuito de alimentación temporizado
Hay un error en el momento en el que es necesario volver a encender la alimentación o al caminar. La forma habitual de corregir el tiempo es primero cortar la ruta de conteo normal, luego activar manualmente el conteo o agregar una señal de onda cuadrada de mayor frecuencia al extremo de entrada de la unidad de conteo que necesita corregirse, y luego cambiar al modo normal. Estado de sincronización después de la corrección.
Según sea necesario, el reloj digital debe tener funciones de corrección de minutos y corrección de hora. Por lo tanto, se deben cortar los canales de conteo directo de minutos y horas y se debe utilizar un acceso al circuito que pueda conmutar entre señales de temporización normales y señales de corrección en cualquier momento. La Figura 3-7 muestra un circuito de corrección de tiempo con un flip-flop RS básico.
Figura 3-7 Circuito de corrección con circuito de eliminación de jitter
6) Circuito horario
Generalmente los relojes deben tener la función de un circuito de cronometraje, es decir , Un reloj digital marcará automáticamente la hora unos segundos antes como recordatorio. Su función es emitir ondas sonoras continuas o rítmicas. De manera más compleja, también puede ser un mensaje de voz en tiempo real.
De acuerdo con los requisitos, el circuito debe comenzar a sonar dentro de los 10 segundos antes de la hora, es decir, cuando el tiempo es de 59 minutos y 50 segundos a 59 minutos y 59 segundos, el circuito de timbre del tiempo debe informar la señal de control de tiempo. El circuito de cronometraje debe ser 74HC30 y el timbre debe ser un dispositivo electroacústico.
Ingredientes
1. Equipo necesario para el experimento
Fuente de alimentación de 5V.
Placa de pruebas 1.
Osciloscopio
Multímetro.
Pinzas 1.
Tijeras 1.
El cable de red es de 2 metros por persona.
* * *Seis tubos digitales de ocho segmentos.
CD4511 bloque integrado 6 piezas.
CD4060 bloque integrado 1 pieza.
El bloque integrado 74HC390 es de 3 piezas.
1 pieza de bloque integrado 74HC51.
El bloque integrado 74HC00 cuesta 5 yuanes.
1 pieza de bloque integrado 74HC30.
Cinco resistencias de 10mΩ.
Resistencia 500Ω 14.
Dos condensadores de 30p.
Cristal de reloj 32.768k 1.
Timbre
2. Diagrama de estructura interna del chip y diagrama de pines
Figura 4-1 Puerta NAND 7400 de cuatro y 2 entradas Figura 4-2 CD4511BCD de siete segmentos Decodificador/Controlador
Figura 4-3 CD4060BDFigura 4-4 74HC390D
Figura 4-5 74HC51DFigura 4-6 74HC30
Diagrama de estructura del interior de la placa de pruebas.
Hay cinco conjuntos de postes en el lado derecho de la placa de pruebas y cinco conjuntos en la parte inferior. En el lado izquierdo del tablero, hay cuatro grupos donde las columnas X e Y (0-15, 16-40, 41-55, ABCDE, FGHIJ y E y F) no están conectadas.
Diagrama de circuito de varios bloques funcionales
Conecte un CD4511 y un tubo digital LED para formar un circuito de accionamiento CD4511. El tubo digital puede mostrar de 0 a 9 para verificar el tubo digital. Bueno o malo, como se muestra en la Figura 5-1.
Figura 5-1 Circuito controlador 4511
Utilice un tubo digital LED y conecte un CD4511, un 74HC390 y un 74HC00 para formar un contador decimal.
Bajo la acción del oscilador de cristal, el tubo digital muestra de 0 a 9, como se muestra en la Figura 5-2.
Figura 5-2 Contador decimal 74390
Utilice un tubo digital LED, un CD4511, un 74HC390, un 74HC00 y un oscilador de cristal para conectarse y formar un contador hexadecimal. El tubo digital muestra del 0 al 6, como se muestra en la Figura 5-3.
Figura 5-3 Contador hexadecimal 74390
El circuito hexadecimal está conectado por un circuito hexadecimal y un circuito decimal. El circuito puede mostrar de 0 a 59, como se muestra en la Figura 5-4.
Figura 5-4 Circuito sexagesimal
Se utilizan dos circuitos sexagesimales para sintetizar un circuito sexagesimal doble. Existe un acarreo entre los dos circuitos sexagesimales, como se muestra en la Figura 5-5. .
Figura 5-5 Circuito sexagesimal doble
Utilizando CD4060, la resistencia y el oscilador de cristal se conectan al circuito del oscilador de cristal por división de frecuencia, como se muestra en la Figura 5-6.
Figura 5-6 Circuito oscilador de cristal divisor de frecuencia
Utilice resistencias para conectar 74HC51D y 74HC00 para formar un circuito de calibración de tiempo, como se muestra en la Figura 5-7.
Figura 5-7 Circuito de calibración de tiempo
Utilice 74HC30 y un zumbador para conectarse y formar un circuito de informe de tiempo. Consulte la figura adjunta 5-8.
Figura 5-8 Circuito de cronometraje de horas
La Figura 5-9 es un diagrama general de un circuito que utiliza dos números sexagesimales y un número decimal conectados para formar un circuito que puede llevar horas. , minutos y segundos.
Figura 5-9 Diagrama de conexión de transporte de horas, minutos y segundos
Consulte la figura 6-1 adjunta para ver la disposición de los componentes principales del cableado.
Consulte la Figura 7-1 para ver el diagrama de conexión del chip.
Ocho. Resumen
Problemas encontrados durante el proceso de diseño y sus soluciones.
Durante el proceso de prueba del estado de la placa de pruebas, no había ninguna conexión donde debería estar. Más tarde se descubrió que la punta del multímetro no tenía contacto vertical con el interior de la placa.
Durante la prueba del circuito controlador del CD4511, se descubrió que el tubo digital no podía mostrarse correctamente. Se descubrió que el problema principal era el contacto deficiente, incluido el contacto deficiente de los cables y el contacto deficiente del chip. Durante el experimento, aparecieron y desaparecieron varias secciones de diodos del tubo digital. El tubo digital se prueba con una fuente de alimentación de 5 V, con un extremo conectado a tierra y el otro extremo tocando cada sección del diodo. Si descubre que el diodo puede mostrarse normalmente, utilice el rango de ohmios del multímetro para verificar si cada cable está en buen contacto. Durante el proceso de prueba, descubrí que a veces se podían conectar algunos cables, pero otras no. Después de volver a conectar los cables con mal contacto, descubrí que la pantalla era normal. En segundo lugar, debido al problema del mal contacto del chip, utilicé la escala de ohmios del multímetro para detectar que varios pines que debían conectarse no estaban conectados, pero los cables detectados estaban en buenas condiciones. La solución es sacar el chip del CD4511, reajustar sus clavijas de acuerdo con los orificios de la placa y luego insertar el chip de manera uniforme en la placa. Más tarde descubrí que se puede mostrar normalmente. En este experimento, también encontramos un tubo digital LED defectuoso y dos CD 4511 defectuosos, que pueden mostrarse normalmente después del reemplazo.
Durante el proceso de conexión del oscilador de cristal, el oscilador de cristal no se puede iniciar. Después de eliminar el problema del mal contacto entre el cable y el chip, revisé nuevamente el diagrama del circuito y descubrí que el pin 12 no estaba conectado a tierra.
Durante el proceso de conexión hexadecimal, se encontró que el circuito solo podía saltar 4 y 5, pero luego se descubrió que era causado por un error en los pines conectados a la puerta NAND, y podría mostrarse normalmente después de la corrección.
Durante el proceso de conexión del circuito de corrección, la hora y los minutos se pueden corregir con normalidad, pero los segundos se ven afectados. Especialmente cuando el tiempo es un minuto, los segundos saltan de 40 a 59, y luego vuelven a 40, sin transferencia entre minutos y segundos. El circuito puede mostrar las horas, minutos y segundos normalmente mientras lo lleva, eliminando así el problema del mal contacto entre el chip y el cableado. Después de la comprobación, el cableado del circuito de corrección es correcto. Luego use el rango de voltaje de CC del multímetro para cargar los pines QA, QB, QC y QD durante 10 segundos. Se descubre que el pin QA tiene voltaje y el pin QA no tiene voltaje. Luego, el transporte finaliza de segundos a minutos. y minutos, y se descubre que los segundos a minutos no se retiraron.
Durante el proceso de hacer el circuito contador de tiempo, encontré que el timbre empezó a sonar la hora a los 57 minutos y 59 segundos.
Más tarde, se descubrió a través del circuito de detección que el chip 74HC30 estaba conectado como un chip de 16 pines, por lo que el cableado estaba fuera de lugar. Después de la reconexión, la hora se pudo informar normalmente.
Al conectar el circuito divisor de frecuencia, desconecte el pin QD de la manecilla de las horas y el pin 1 de la manecilla de las horas, luego conecte el pin 1 de la manecilla de las horas al pin 3 del oscilador de cristal, y Conecte los 3 pines de la manecilla de las horas al 1 pin del segundero. El diagrama del circuito conectado no funciona correctamente. Cuando el dígito de la hora salta de 0 a 9, el dígito de la hora solo puede mostrar un 0. Este circuito utiliza una división de frecuencia de 3 pines. Por lo tanto, se puede liberar un circuito lógico 74HC390 de conexión de 12 binarios para la división de frecuencia. Por lo tanto, los pines 12 y 6 del CD4511 de diez dígitos están conectados a tierra, el pin 7 está conectado al pin 5 del 74HC390, los pines 3 y 4 del 74HC390 están desconectados y luego el pin 4 está conectado al pin 9, de los cuales
2. Experiencia de diseño
Durante el proceso de diseño de este reloj digital, me familiaricé más con la estructura del chip y dominé los principios de funcionamiento y el uso específico de cada chip.
En la conexión de hexadecimal, decimal, acarreo hexadecimal y decimal, es necesario estar familiarizado con las funciones de los circuitos lógicos y los pines del chip, de modo que cuando el circuito falla, el error pueda descubrirse con precisión. Haga correcciones con prontitud.
Al diseñar un circuito, los diagramas físicos a menudo se conectan después de la simulación, pero a veces la simulación y las conexiones del circuito no son completamente consistentes. Por ejemplo, en el diagrama esquemático de conexión simulado, a menudo no hay pines de alto nivel 16 o 14 ni pines de bajo nivel 7 u 8, por lo que a menudo se pasan por alto fácilmente en la conexión del circuito real. Otro ejemplo es el chip 74HC390, que en sí mismo es un contador decimal y debe conectarse a un circuito analógico.
Las principales razones de los errores en el diseño de diagramas de conexión de circuitos son el mal contacto entre el cableado y el chip y los errores de cableado.
3. Sugerencias de diseño
El diseño de este reloj digital se centra en la simulación y el cableado. Aunque puedo conectarme al diagrama del circuito y visualizarlo normalmente, no estoy muy familiarizado con el principio del circuito en sí. En general, a través de este experimento diseñado, se mejoró aún más la capacidad práctica del experimento.