Diseñar un reloj digital (diseño de un curso de tecnología electrónica)
1. Familiarizarse con la disposición de los pines de los circuitos integrados.
2. Domina las funciones lógicas y el uso de cada chip.
3. Comprender la estructura de la placa de pruebas y sus métodos de cableado.
4. Comprender la composición y principio de funcionamiento de un reloj digital.
5. Familiarizarse con el diseño y producción de relojes digitales. 2. Requisitos de diseño
1. El tiempo del índice de diseño se basa en un ciclo de 24 horas; muestra horas, minutos y segundos, tiene una función de ajuste de tiempo y el tiempo y los minutos se pueden ajustar por separado; para corregir la hora estándar; el proceso tiene una función de informe de tiempo cuando el tiempo llega a 5 segundos antes de la hora, el zumbador informará la hora para garantizar la estabilidad y precisión del tiempo, el oscilador de cristal debe; proporcionar una señal de referencia horaria del reloj. 2. Los requisitos de diseño incluyen dibujar el diagrama esquemático del circuito (o diagrama del circuito de simulación); selección de componentes y parámetros, simulación y depuración del circuito; generación e impresión de archivos de 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.
3. 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 circuitos osciladores de cristal de cuarzo se utilizan para formar relojes digitales. La Figura 3-1 muestra el diagrama de bloques 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 frecuencia estable y precisa de 32768 Hz para el Reloj digital. La señal de onda cuadrada puede garantizar la precisión y estabilidad del reloj digital. Los circuitos osciladores de cristal se utilizan en relojes electrónicos analógicos y digitales.
(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 contador de tiempo
El circuito contador de tiempo consta de un contador binario de dos dígitos, un contador decimal con un bit de dígito y un circuito contador de tiempo decimal con un dígito de tiempo, en el que el contador binario de dos dígitos, el contador decimal de dígitos El contador decimal es un contador de 12 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, CMOS NO la puerta 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 forma de onda sinusoidal del oscilador en una onda cuadrada ideal. La resistencia de retroalimentación de salida R1 proporciona una 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 selección de frecuencia del cristal XTAL es 32768HZ. Este componente está especialmente diseñado para circuitos de reloj digital y su frecuencia es baja, lo que resulta beneficioso para reducir el número de etapas del divisor 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, también 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 los relojes digitales es mayor para obtener 1. Hz de entrada de segunda señal, 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 una señal de oscilación de 32768 Hz a 1 Hz es 32768 (215), es decir, el contador que implementa esta función de división de frecuencia es equivalente a un contador binario de 15 polos. 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. CD4060 también contiene la puerta NOT requerida para el circuito oscilador, lo que lo hace más cómodo de usar.
El CD 4060 cuenta como un contador binario de 14 niveles, que puede dividir la señal de 32768 Hz en 2 Hz. Su diagrama de bloques interno se muestra en la Figura 3-3. Como puede verse en la figura, la entrada de reloj del CD 4060 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
La unidad de cronometraje a veces tiene varias partes, como conteo, conteo de minutos y Los segundos cuentan.
La unidad de conteo de horas es generalmente un contador decimal, y su salida es en forma de un código BCD 8421 de dos dígitos; las unidades de conteo de minutos y segundos son contadores hexadecimales, y su salida también es un 8421. Código BCD.
Generalmente, el contador de 10 décadas 74HC390 se utiliza para realizar la función de conteo de la unidad de conteo de tiempo. Para reducir la cantidad de dispositivos utilizados, se puede seleccionar 74hc390. Su diagrama de bloques lógico interno se muestra en la Figura 2.3. Este dispositivo es un contador asíncrono 2-5-10 de doble canal, cada contador proporciona un terminal de borrado asíncrono (activo alto).
Figura 3-4 Diagrama de bloques lógicos internos del 74hc 390(1/2)
La segunda unidad de conteo es un contador decimal. No es necesario realizar una conversión decimal. Simplemente conecte el control de calidad. y CPB (borde descendente válido) se pueden conectar. CPA (caída no válida) está conectado a la señal de entrada de 1 Hz segundos, y Q3 se puede conectar al CPA de la unidad de conteo decimal como señal de acarreo ascendente.
La segunda unidad de conteo decimal es un contador hexadecimal y requiere conversión decimal. El método de conexión del circuito para convertir un contador decimal en un contador hexadecimal se muestra en la Figura 3-5, en la que Q2 se puede utilizar como señal de transporte ascendente para conectarse al CPA de una unidad de conteo de bits múltiples.
Figura 3-5 Circuito de conversión de contador de base 10 base 6
La estructura del circuito de la unidad de conteo de bits fraccionarios y decimales fraccionarios es exactamente la misma que la de las unidades de conteo de bits fraccionarios y decimales fraccionarios. unidad de conteo decimal respectivamente, excepto que Q3 de la unidad de conteo fraccional debe conectarse al CPA de la unidad de conteo fraccional como una señal de transporte ascendente, y Q2 de la unidad de conteo fraccional debe conectarse al CPA de la unidad de conteo fraccional de tiempo. como señal de transporte ascendente.
La estructura del circuito de la unidad de conteo de horas sigue siendo la misma que la de la unidad de conteo de segundos o de horas, pero se requiere que toda la unidad de conteo de horas sea un contador decimal en lugar de un múltiplo entero de 10, por lo que la unidad de conteo de horas debe ser Y la unidad de conteo de decenas se combina en un todo para la conversión decimal. El circuito que utiliza un 74HC390 para implementar la función de conteo decimal se muestra en la Figura 3-6.
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 8421BCD. El circuito decodificador de pantalla seleccionado convierte 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 y el circuito de unidad de visualización utiliza tubos digitales LED.
5) Circuito de alimentación de temporización
El tiempo erróneo debe corregirse cuando se vuelve a encender la alimentación o al caminar. El método habitual para corregir el tiempo es: primero cortar el canal de conteo normal y 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 ser corregida, y luego transferirla al estado de sincronización normal.
Según sea necesario, el reloj digital debe tener funciones de corrección de minutos y corrección de hora. Por lo tanto, se debe cortar la ruta de conteo directo de los dígitos y bits de tiempo, y se debe utilizar un acceso al circuito que pueda conmutar entre la señal de temporización normal y la señal de corrección en cualquier momento. La Figura 3-7 muestra un circuito de corrección de temporización con un flip-flop RS básico.
Figura 3-7 Circuito de corrección con circuito de eliminación de jitter
6) Circuito de punto horario
En términos generales, el reloj debe tener la función de un circuito de cronometraje, es decir, el reloj digital sonará automáticamente unos segundos antes de la hora a modo de recordatorio. Su función es emitir ondas sonoras de audio continuas o rítmicas, y otras más complejas también pueden ser indicaciones 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 esté entre 59 minutos y 50 segundos y 59 minutos y 59 segundos, el circuito de timbre del tiempo envía una señal de control de timbre de tiempo. El circuito de cronometraje utiliza 74HC30 y el dispositivo electroacústico utiliza un timbre.
Cuarto, componentes
1. Equipo necesario para el experimento: fuente de alimentación de 5V. Placa de pruebas 1. Multímetro de osciloscopio. Pinzas 1. 1 Tijeras. 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 colector 74HC30. Cinco resistencias de 10 mΩ.
Resistencia 500ω 14. 2 condensadores 30p. 1 cristal de reloj de 32.768k. zumbador.
2. Diagrama de estructura interna del chip y diagrama de pines
Figura 4-1 Puerta NAND de cuatro y 2 entradas 7400 Figura 4-2 Decodificador/controlador de siete segmentos CD4511BCD
Figura 4-3 CD4060BDFigura 4-4 74HC390D
Figura 4-5 74HC51DFigura 4-6 74HC30
3.
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. En cada grupo, las columnas X e Y (0-15, 16-40, 41-55, ABCDE, FGHIJ y E y F) no están conectadas.
5. Diagrama de circuito del bloque de funciones
1. El CD4511 y el tubo digital LED están conectados para formar un circuito controlador CD4511. El tubo digital puede mostrar del 0 al 9 para verificar la calidad del tubo digital, como se muestra en la Figura 5-1. Figura 5-1 Circuito de accionamiento 4511 2. Un tubo digital LED, un CD4511, un 74HC390 y un 74HC00 están conectados para formar un contador decimal. El circuito utiliza un oscilador de cristal para mostrar del 0 al 9, como se muestra en la Figura 5.
Figura 5-2 Contador decimal 74390 3. El contador hexadecimal está conectado mediante un tubo digital LED, CD4511, 74HC390, 74HC00 y un oscilador de cristal. El tubo digital muestra del 0 al 6, como se muestra en la Figura 5-3. Figura 5-3 Contador hexadecimal 74390 4. Los circuitos hexadecimales se forman conectando circuitos hexadecimales y sistemas decimales. El circuito puede mostrar de 0 a 59, como se muestra en la Figura 5-4.
Figura 5-4 Circuito hexadecimal 5. Utilice dos circuitos de 60 bases para sintetizar un circuito doble de 60 bases, con el bit de acarreo entre los dos circuitos de 60 bases, como se muestra en la Figura 5-5.
Figura 5-5 Circuito doble sexagesimal 6. Conecte el CD4060, la resistencia y el oscilador de cristal para formar un circuito oscilador de cristal divisor de frecuencia, como se muestra en la Figura 5-6.
Figura 5-6 Circuito oscilador de cristal divisor de frecuencia 7. 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
8. Utilice 74HC30 y un zumbador para conectarse y formar un circuito de informe de tiempo. Consulte la figura adjunta 5-8.
Figura 5-Circuito de cronometraje de 8 horas
9. La Figura 5-9 es un diagrama general del circuito utilizando dos números sexagesimales y un número decimal conectados para formar horas, minutos y segundos. .
El "reloj digital de 24 horas" compuesto por circuitos integrados TTL tiene funciones de calibración de hora e informe de hora. Se conecta un temporizador 555 al multivibrador para producir una segunda señal de pulso, la segunda señal se puede calibrar ajustando rw. Los contadores 7416 i y ii forman un "segundo" circuito de conteo de 60 bases, iii y iv forman un circuito de conteo de "minutos" y V y vi forman una "hora" de 24 bases.
El circuito de calibración de tiempo utiliza un circuito de activación biestable compuesto por una puerta NAND 7400, que puede eliminar la influencia de la fluctuación de conmutación. El circuito de alarma horaria está compuesto por la puerta NAND 7430 y el flip-flop D 7474, que suena cada segundo hasta la hora.