Informe de Diseño del Curso de Tecnología Electrónica Digital
Título: Diseño y Producción de Reloj Digital
Año Académico
Semestre:
Clase profesional:
Número de estudiante: Nombre:
Instructor y título: Profesor
Hora:
Ubicación: p>
Propósito del diseño
Familiarizarse con la disposición de los pines de los circuitos integrados.
Dominar las funciones lógicas y el uso de cada chip.
Comprender la estructura de la placa de pruebas y su método de cableado.
Comprender la composición y el principio de funcionamiento de los relojes digitales.
Estar familiarizado con el diseño y la producción 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
<; p> Hay una función de corrección de tiempo, que se puede ajustar por separado. Las horas y los minutos se calibran de forma independiente a la hora estándar;El proceso de cronometraje tiene una función de informe de tiempo. Cuando la hora llega a la hora, a. El timbre sonará 5 segundos antes de la hora;
Para garantizar la estabilidad y precisión de la sincronización, el oscilador de cristal debe proporcionarla como señal de referencia de tiempo manual.
2. Diseño requisitos
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 ser capaz de encontrar y resolver problemas.
4. Redactar un informe de diseño y anotar el. todo el proceso de diseño y producción, adjuntar información y dibujos relevantes y tener ideas.
Principios de diseño y su diagrama de bloques
1. La 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 la misma que la hora estándar (como la hora de Beijing), es necesario un circuito de corrección de tiempo. Se agrega al circuito, y la señal horaria estándar de 1 HZ debe ser precisa y estable. Generalmente se usa un circuito oscilador de cristal de cuarzo para formar un reloj digital. La Figura 3-1 muestra el diagrama de bloques general de un reloj digital. p>
Figura 3-1 Diagrama de bloques de un reloj digital
⑴Circuito oscilador de cristal
El circuito oscilador de cristal proporciona a un reloj digital La señal de onda cuadrada con estabilidad y La frecuencia precisa de 32768 Hz puede garantizar la precisión y estabilidad del reloj digital, ya sea un reloj electrónico analógico o un reloj electrónico con pantalla digital, se utiliza un circuito oscilador de cristal.
⑵ Circuito divisor de frecuencia de puntos
El circuito divisor de frecuencia divide la señal de onda cuadrada de alta frecuencia de 32768 Hz 32768() veces para obtener una señal de onda cuadrada de 1 Hz para contar con el segundo contador. El divisor de frecuencia es en realidad un contador. p> ⑶Circuito contador de tiempo
El circuito contador de tiempo se compone de contadores de unidades de segundos y decenas de segundos, contadores de unidades de minutos y decenas de minutos, y circuitos contadores de unidades de tiempo y decenas de horas, entre los que se encuentran los de segundos y dígitos. Los contadores de dígitos de las decenas de segundos, los dígitos de los minutos y los contadores de los dígitos de las decenas son contadores hexadecimales y, de acuerdo con los requisitos de diseño, los contadores de los dígitos de las horas y de las decenas de las horas son contadores hexadecimales.
⑷Circuito de accionamiento 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 el funcionamiento normal del tubo digital.
⑸ Digital tubo
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. Digital El principio de funcionamiento. del reloj
1) Circuito oscilador de cristal
El oscilador de cristal es el núcleo del reloj digital, lo que 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 una salida de onda cuadrada formada por una puerta CMOS NOT. En este circuito, la puerta CMOS NOT U1, un cristal, un condensador y una resistencia forman un cristal.
El circuito oscilador U2 implementa la función de conformación, convirtiendo la forma de onda de salida del oscilador que es similar a una onda sinusoidal en una onda cuadrada más ideal. La resistencia de retroalimentación de salida R1 proporciona una polarización para la puerta NOT, de modo que el circuito funcione en la forma. área de amplificación, es decir, la puerta NOT La función es similar a un amplificador inversor de alta ganancia. Los condensadores C1, C2 y el cristal forman una red resonante para completar la función de control de la frecuencia de oscilación y proporcionar un cambio de fase de 180 grados. de modo que la puerta AND forme una red de retroalimentación positiva. Se realiza la función del oscilador. Dado que el cristal tiene estabilidad y precisión de alta frecuencia, se garantiza la estabilidad y precisión de la frecuencia de salida.
La frecuencia de. el cristal XTAL se selecciona como 32768HZ. Este componente está especialmente diseñado para circuitos de reloj digitales, su frecuencia es baja, lo que favorece la reducción del número de etapas del divisor de frecuencia.
Según el manual correspondiente. Se puede encontrar que C1 y C2 son ambos de 30 pF. Cuando se requiere que la precisión y la estabilidad de la frecuencia sean mayores. Cuando la resistencia es alta, también se puede conectar un condensador de corrección y se pueden tomar medidas de compensación de temperatura.
Dado que la impedancia de entrada del circuito CMOS es extremadamente alta, la resistencia de retroalimentación R1 se puede seleccionar como 10 MΩ. Una resistencia de retroalimentación más alta favorece el aumento de la frecuencia de oscilación.
El circuito de puerta NOT puede ser. opcionalmente 74HC00.
Figura 3-2 Oscilador de cristal COMS
2) Circuito divisor de frecuencia
Generalmente, la frecuencia de salida del oscilador de cristal de un reloj digital es relativamente alto para obtener una segunda señal de entrada de 1 Hz, la señal de salida del oscilador debe dividirse.
El circuito que generalmente implementa el divisor de frecuencia es el Los circuitos contadores generalmente se implementan utilizando binarios de múltiples etapas. Por ejemplo, el múltiplo de división de frecuencia para dividir una señal de oscilación de 32768 Hz en 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. incluya 74HC393, etc.
En este experimento, CD4060 se utiliza para formar un circuito divisor de frecuencia. CD4060 tiene el mayor número de divisiones de frecuencia entre los circuitos integrados digitales, y CD4060 también contiene un circuito de oscilación. La puerta NOT requerida. es más conveniente de usar.
CD4060 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. En la figura, el extremo de entrada de reloj del CD4060 tiene dos puertas NOT conectadas en serie, por lo que puede realizar directamente las funciones de oscilación y división de frecuencia.
Figura 3-3 Diagrama de bloques interno del CD4046
3) Unidad de conteo de tiempo
La unidad de conteo de tiempo tiene varias partes, como conteo de tiempo, conteo de minutos y conteo de segundos.
La unidad de conteo de tiempo es generalmente un contador hexadecimal y su salida es un formato de código 8421BCD de dos dígitos; las unidades de conteo de minutos y segundos son contadores hexadecimales, y sus salidas también son códigos 8421BCD.
Generalmente, el contador decimal 74HC390 se utiliza para realizar la función de conteo del 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. El dispositivo es un contador asíncrono dual 2-5-10 y cada contador proporciona un contador asíncrono. terminal de compensación (nivel alto activo).
Figura 3-4 Diagrama de bloques lógicos internos del 74HC390 (1/2)
La segunda unidad de conteo es un contador decimal, no necesita decimales. conversión, solo QA y CPB (flanco descendente) son válidos). CPA (caída no válida) está conectado a la segunda señal de entrada de 1 HZ. Q3 se puede utilizar como señal de transporte ascendente para conectarse al CPA de la unidad de conteo de decenas.
La segunda unidad de conteo de decenas es un contador de 6. Un contador del sistema requiere conversión de base. El método de conexión del circuito para convertir un contador decimal a un contador hexadecimal se muestra en la Figura 3-5, en la que Q2 se puede utilizar como un. señal de transporte ascendente que se conectará al CPA de la unidad de conteo de unidades
Figura 3-5 Circuito de conversión de contador de decimal a hexadecimal
La estructura del circuito de las unidades de conteo de unidades y decenas es. respectivamente relacionado con el conteo de unidades y decenas de segundos Las unidades son exactamente las mismas, excepto que Q3 de la unidad de conteo de unidades debe conectarse al CPA de la unidad de conteo de decenas como una señal de acarreo ascendente, y Q2 de la unidad de conteo de decenas. debe conectarse al CPA de la unidad de conteo de unidades como una señal de transporte ascendente conectada.
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 unidades, pero. requiere que toda la unidad de conteo de horas
La unidad debe ser un contador hexadecimal, no un múltiplo entero de 10, por lo que las unidades de conteo de unidades y decenas deben fusionarse en un todo para realizar la conversión hexadecimal. El circuito que utiliza una pieza de 74HC390 para realizar la función de conteo hexadecimal se muestra en la figura. Se muestra la Figura 3-6.
Además, en el circuito que se muestra en la Figura 3-6, todavía hay una unidad de conteo binario, que se puede usar como divisor de frecuencia para convertir la señal de salida de 2 HZ en una señal de 1 HZ.
p>Figura 3-6 Circuito contador decimal
4) Controlador de decodificación y unidad de visualización
El contador realiza la acumulación de tiempo y salidas. en forma de código 8421BCD. Seleccione El circuito de decodificación de pantalla convierte los números de salida del contador en la lógica de salida y se selecciona una cierta corriente requerida por el dispositivo de visualización digital CD4511 como circuito de decodificación de pantalla, y el tubo digital LED. seleccionado como circuito de la unidad de visualización.
5) Circuito de alimentación de corrección de tiempo
Cuando se vuelve a encender la alimentación o cuando se produce un error en el tiempo de viaje, es necesario corregir el tiempo. Por lo general, el método para corregir el tiempo es: primero cortar la ruta de conteo normal y luego realizar el conteo de activación manual o agregar una señal de onda cuadrada con una frecuencia más alta al extremo de entrada de la unidad de conteo que necesita ser corregida. una vez completada la corrección, se puede transferir al estado de sincronización normal.
De acuerdo con los requisitos, el reloj digital debe tener una corrección de rama y la función de corrección de tiempo, por lo tanto, debe cortar la ruta de conteo directo. del dígito de las unidades y el dígito de las unidades de tiempo, y use un circuito que pueda cambiar entre la señal de sincronización normal y la señal de corrección en cualquier momento para conectarlo. La Figura 3-7 muestra un disparador RS básico. El circuito de corrección de tiempo del dispositivo.
Figura 3-7 Circuito de corrección con circuito anti-jitter
6) Circuito de reloj horario
Los relojes generales deben tener La función del circuito de timbre horario. Es que unos segundos antes de que llegue la hora, el reloj digital marcará automáticamente la hora como recordatorio. Su función es emitir ondas de sonido de audio continuas o rítmicas, y las más complejas también pueden ser indicaciones de voz en tiempo real.
Según los requisitos, el circuito debe comenzar a sonar la hora dentro de los 10 segundos anteriores a la hora, es decir, cuando el tiempo esté entre 59 minutos y 50 segundos a 59 minutos y 59 segundos, el circuito de sonería sonará la señal de control de tiempo Selección del circuito de timbre de tiempo 74HC30, seleccione el zumbador como dispositivo electroacústico.
Componentes
1. Equipo necesario para el experimento
Fuente de alimentación de 5V.
1 protoboard.
Osciloscopio.
Multímetro.
1 par de pinzas.
1 par de tijeras.
Cable de red 2 metros/persona.
6 ***tubos digitales de ocho segmentos.
6 bloques integrados CD4511.
CD4060 1 bloque integrado.
3 bloques integrados para 74HC390.
1 bloque integrado para 74HC51.
5 bloques integrados para 74HC00.
1 pieza de colector 74HC30.
5 resistencias de 10MΩ.
14 resistencias de 500Ω.
2 condensadores de 30p.
32. 1 cristal de reloj de 768k.
Zumbador.
2. Diagrama de estructura interna del chip y diagrama de pines
Figura 4-1 7400 cuatro 2 entradas Puerta NAND Figura 4-2 CD4511BCD decodificador/controlador de siete segmentos
Figura 4-3 CD4060BD Figura 4-4 74HC390D
Figura 4-5 74HC51D Figura 4-6 74HC30
3. Diagrama de estructura interna de la placa de pruebas
Los cinco grupos verticales superiores de la columna derecha de la placa de pruebas están conectados y los cinco grupos verticales inferiores están conectados en el lado izquierdo de la placa de pruebas. dividido en cuatro grupos, con X en cada grupo, la columna Y (0-15 está conectada, 16-40 está conectada, 41-55 está conectada, ABCDE está conectada, FGHIJ está conectada, E y F no están conectadas.
Diagrama de circuito del bloque de funciones
Un CD4511 y un tubo digital LED están conectados para formar un circuito de accionamiento CD4511. El tubo digital puede mostrar de 0 a 9. Para verificar la calidad del tubo digital. , consulte la figura adjunta 5-1.
Figura 5-1 Circuito de accionamiento 4511
Usando un tubo digital LED, un CD4511, un 74HC390 y un 74HC00 se conectan para formar un contador decimal. Bajo la acción del oscilador de cristal, el circuito muestra el tubo digital 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 formar un contador hexadecimal. El tubo digital muestra desde. 0-6, consulte la imagen adjunta 5-3.
Figura 5-3 Contador hexadecimal 74390
Un circuito hexadecimal y un decimal están conectados para formar un circuito sexagesimal. El circuito puede mostrarse. de 0 a 59, consulte la Figura 5-4.
Figura 5-4 Circuito sexagesimal
Se utilizan dos circuitos sexagesimales para sintetizar un circuito sexagesimal doble. Hay un acarreo entre los dos. sexagesimales Consulte la figura 5-5 adjunta.
Figura 5-5 Circuito sexagesimal dual
Usando CD4060, las resistencias y los osciladores de cristal se conectan para formar un circuito oscilador de cristal por división de frecuencia, consulte. Figura 5-6 adjunta.
Figura 5-6 División de frecuencia: circuito oscilador de cristal
Utilice 74HC51D y 74HC00 y resistencias para conectarse a un circuito de temporización; consulte la figura 5-7 adjunta.
Figura 5-7 Circuito de corrección de tiempo
Utilice 74HC30 y un timbre para conectarse al circuito de timbre horario. Consulte la figura 5-8 adjunta.
Figura 5. -8 Circuito de timbre horario
Utilice dos números sexagesimales y un número hexadecimal para conectarse y formar un circuito que transmita horas, minutos y segundos. Consulte la figura adjunta 5-9.
Figura. 5-9 Llevar diagrama de conexión para horas, minutos y segundos
Para ver un diagrama de diseño simplificado de los componentes principales del cableado, consulte la Figura 6-1 adjunta
Para obtener un diagrama de conexión del chip, consulte el adjunto Figura 7-1
8. Resumen
Problemas encontrados durante el proceso de diseño y sus soluciones.
Durante el proceso de detección del estado de la placa de pruebas, hay Había lugares que debían estar conectados pero no lo estaban. Después de la inspección, se encontró que la punta del multímetro no estaba en contacto vertical con el interior de la placa.
Durante la inspección del circuito de accionamiento CD4511, Se descubrió que el tubo digital no podía mostrarse normalmente. Después de la inspección, se descubrió que la razón principal se debía a que el problema del mal contacto incluye un mal contacto del cable y un mal contacto del chip. Durante el experimento, varias secciones de diodos en el digital. El tubo apareció y desapareció, y a veces desaparecieron. Utilice una fuente de alimentación de 5 V para probar el tubo digital y conecte un extremo a tierra y el otro. Toque un extremo de cada sección del diodo y descubra que el diodo puede mostrarse normalmente. use la configuración de ohmios del multímetro para verificar si cada cable está en buen contacto. Durante el proceso de detección, se descubre que algunos cables a veces se pueden conectar y otras no, lo que indica que el contacto no es bueno después de volver a conectar los cables. , se encontró que la pantalla era normal. En segundo lugar, debido al problema del mal contacto del chip, utilicé la configuración de ohmios del multímetro para detectar que varios pines no estaban conectados donde deberían estar conectados. Sin embargo, los cables probados estaban en su lugar. buen estado La solución es la siguiente: Saque el chip CD4511, reajuste sus clavijas de acuerdo con la condición del orificio de la placa, colóquelo frente al orificio y luego inserte el chip en la placa de manera uniforme. la pantalla puede ser normal en este experimento, un trozo del tubo digital LED roto y dos CD4511 rotos pueden mostrarse normalmente después de ser reemplazados.
Durante el proceso de conexión del oscilador de cristal, el oscilador de cristal no puede iniciarse. Después de eliminar el problema del mal contacto entre el cable y el chip, inténtelo de nuevo. Después de comparar el diagrama del circuito, se descubrió que el problema se debía a que el pin 12 no estaba conectado a tierra.
Durante. Durante el proceso de conexión del sistema hexadecimal, se descubrió que el circuito solo podía saltar en 4 y 5. Posteriormente, se descubrió que se debía a la conexión a la puerta NAND. Incluso si uno de los pines está conectado incorrectamente. se puede mostrar normalmente después de la corrección.
Durante el proceso de conexión del circuito de corrección, las horas y los minutos se pueden corregir normalmente, pero los segundos se ven afectados, especialmente la hora. Cuando los minutos son más altos, el. Los segundos saltan aleatoriamente, pero cuando no se corrige el tiempo, los segundos saltan de 40 a 59 y luego vuelven a 40. No hay transferencia entre minutos y segundos. El circuito puede mostrar normalmente durante el proceso de transferencia de horas, minutos, y segundos, por lo tanto, se puede eliminar el problema del mal contacto entre el chip y el cableado. Después de verificar, el cableado del circuito de corrección es correcto y luego se utiliza el rango de voltaje CC del multímetro para detectar QA, QB,. Pines QC y QD del dígito de diez segundos cuando se encuentra el pin QA. Hay voltaje pero a veces no hay voltaje, y luego se detectan los terminales de transporte de segundos a minutos y minutos, y se encuentra que el terminal de transporte de segundos. a minutos no está desconectado.
En el proceso de hacer el circuito de cronometraje, descubrí que el timbre comenzó a sonar a los 57 minutos y 59 segundos. Después de probar el circuito, descubrí que la razón era que el chip 74HC30 estaba conectado como un chip de 16 pines. de modo que el cableado se perdió. Después de volver a cablear, puede decir la hora normalmente.
Al conectar el circuito divisor de frecuencia, desconecte el QD del dígito de las unidades de la hora y el pin 1 del dígito de las decenas. la hora, luego conecte el pin 1 del dígito de las decenas de la hora al pin 3 del oscilador de cristal, y luego conecte el pin 1 del dígito de las decenas de la hora. El pin 3 está conectado al pin 1 del dígito de los segundos. El diagrama del circuito conectado no funciona correctamente. El dígito de las decenas de hora salta de 0 a 9 y el dígito de las unidades de hora solo puede mostrar un 0. En este circuito, se utiliza la división de frecuencia del pin 3, por lo que no se puede utilizar dos veces. se muestra normalmente, por lo que es necesario liberar un circuito lógico conectado al 74HC390 en formato hexadecimal para la división de frecuencia. Por lo tanto, los pines 12 y 6 del CD4511 de diez dígitos están conectados a tierra y el pin 7 está conectado al 74HC390. El pin 5 de 74HC390, los pines 3 y 4 de 74HC390 se desconectan y luego el pin 4 se conecta al pin 9. El pin libre 3 de 74HC390 se puede usar para una división de frecuencia de 2 Hz. Después de la división de frecuencia, se convierte en 1 Hz y todo el circuito. está aquí. Cuenta para un reloj digital normal.
2. Experiencia de diseño
Durante este proceso de diseño de reloj digital, me familiaricé más con la estructura del chip y dominé el trabajo de. cada chip. Principio y su uso específico.
En el método de conexión de hexadecimal, decimal, acarreo hexadecimal y hexadecimal, se requiere estar familiarizado con el circuito lógico y las funciones de cada pin del chip. , luego, en Cuando ocurre un error en el circuito, el error se puede encontrar con precisión y corregir a tiempo.
Al diseñar un circuito, a menudo se simula primero y luego se conecta al diagrama físico, pero a veces la simulación y La conexión del circuito no es completamente consistente. Por ejemplo, en el diagrama de conexión simulado, los pines 16 o 14 a menudo no están conectados al nivel alto y los pines 7 u 8 están conectados al nivel bajo, por lo que a menudo se pasa por alto fácilmente en la conexión del circuito real. Otro ejemplo es el chip 74HC390, que en sí mismo debe conectarse un contador decimal a la línea de retroalimentación en el circuito de simulación para una visualización normal, pero no es necesario conectarlo en el circuito real, por lo que todavía hay una cierta diferencia entre el diagrama de simulación y el diagrama de conexión del circuito.
Conexiones en el circuito de diseño Las razones principales de los errores en la figura son el mal contacto entre el cableado y el chip y los errores de cableado.
3. Sugerencias para el diseño
Esta vez el diseño del reloj digital se centra en la simulación y el cableado, aunque puedo conectar el diagrama del circuito y mostrarlo normalmente, no estoy muy familiarizado con el principio del circuito en sí. A través de este experimento de diseño, se ha mejorado aún más la capacidad práctica del experimento.