Diseño de reloj digital con timbre automático basado en lenguaje VHDL

1. Introducción

(1) Introducción

A finales del siglo XX, la tecnología electrónica se desarrolló rápidamente. Impulsados ​​por él, los productos electrónicos modernos han penetrado en casi todos los campos de la sociedad, promoviendo efectivamente el desarrollo de la productividad social y la mejora del nivel de informatización social. Al mismo tiempo, el rendimiento de los productos electrónicos modernos ha mejorado aún más y el ritmo de actualización de los productos es cada vez más rápido.

El tiempo siempre es muy valioso para las personas. El ajetreo y la complejidad del trabajo pueden hacer que las personas olviden fácilmente el tiempo actual. Olvidarse de hacer algo es inofensivo cuando no es muy importante. Sin embargo, una vez que sucede algo importante, un momento de retraso puede conducir al desastre. Por ejemplo, muchos incendios son causados ​​por personas que se olvidan de cerrar el gas o del tiempo de carga. Especialmente en los hospitales, las enfermeras realizan pruebas cutáneas a los pacientes cada vez para detectar si son alérgicos a los medicamentos. Después de la inyección, normalmente hay que esperar 5 minutos. Una vez transcurrido el tiempo, la prueba cutánea ya no es efectiva. Por supuesto, los relojes son una buena opción, pero a medida que aumenta el número de personas que realizan pruebas cutáneas, resulta difícil saber de quién es la piel que se ha examinado. Por lo tanto, deberíamos desarrollar un sistema de cronometraje. Recuerda siempre a aquellos que olvidan el tiempo.

La digitalización de los relojes ha aportado una gran comodidad a la producción y la vida de las personas y ha ampliado enormemente la función original de información horaria de los relojes. Tales como alarma automática temporizada, timbre automático temporizado, control automático de programa temporizado, transmisión temporizada, circuito de interruptor temporizado, horno con interruptor temporizado, equipo de suministro de energía conmutado e incluso el inicio automático de varios tipos de electricidad temporizados, etc. , todo ello basado en la digitalización de los relojes. Por tanto, es de gran importancia práctica estudiar los relojes digitales y ampliar sus aplicaciones.

(2) El contenido de la investigación y la disposición estructural del artículo.

El sistema consta de un oscilador de cristal de cuarzo, divisor de frecuencia, contador, display y circuito de corrección de tiempo. La señal de salida del decodificador se muestra mediante un tubo digital LED. Utilizando chips integrados pequeños y medianos de la serie 74LS. Un circuito de calibración de tiempo mediante flip-flops RS. El diseño del esquema general consta de dos partes: el circuito principal y el circuito de expansión. El circuito principal completa las funciones básicas del reloj digital y el circuito de expansión completa las funciones ampliadas del reloj digital. Este artículo está organizado de la siguiente manera:

1. La introducción explica la importancia práctica del estudio de los relojes electrónicos.

2. El contenido del diseño y el plan de diseño analizan el plan de diseño específico y los requisitos de diseño del reloj electrónico.

3. El diseño, principio y selección del dispositivo del circuito unitario explica principalmente el principio de diseño y la selección del dispositivo del reloj electrónico desde cinco aspectos: oscilador de cristal de cuarzo, divisor de frecuencia, contador, visualización y circuito de corrección de tiempo. .

4. Dibujar el diagrama esquemático de la máquina completa. Se ha completado el diseño, instalación y depuración del sistema.

2. Contenido del diseño y plan de diseño

(1) Requisitos del contenido del diseño

1. Diseñar un diseño con "horas", "minutos" y "segundos". "(23 horas, 59 minutos y 59 segundos) reloj electrónico con funciones de visualización y ajuste de hora.

2. El reloj electrónico está compuesto por circuitos integrados de tamaño pequeño y mediano y se ensambla y depura en la caja experimental.

3. Dibujar diagramas de bloques y diagramas de circuitos lógicos.

4. Ampliación de funciones:

(1) Sistema de despertador

(2) Indicación de la hora. La señal de audio de 750 Hz se emite a los 59 minutos, 51 segundos, 53 segundos, 55 segundos y 57 segundos, la señal de 1000 Hz se emite a los 59 minutos y 59 segundos, la duración del audiovisual es de 1 segundo y el final audiovisual de 1000 Hz el tiempo es la hora.

(3) Sistema de calendario.

(2) Esquema de diseño y principio de funcionamiento

El diagrama de bloques lógico del reloj electrónico digital se muestra en la Figura 1. Consta de un oscilador de cristal de cuarzo, un divisor de frecuencia, un contador, una pantalla de decodificación y un circuito de corrección de sincronización. El oscilador genera una señal de pulso estable de alta frecuencia como base de tiempo del reloj digital y luego emite un segundo pulso estándar a través del divisor de frecuencia. Cuando el contador de segundos llega a 60, se traslada al contador de minutos. Cuando el contador de minutos llega a 60, se traslada al contador de horas y cuenta según la regla "24 a 1". Las salidas de los contadores se envían respectivamente al display a través del decodificador. El circuito de cronometraje se puede utilizar para calibrar la hora y los minutos cuando se producen errores.

Figura 1 Diagrama de bloques lógicos de un reloj electrónico digital

3. Diseño del circuito unitario, principio y selección de dispositivo

(1) Oscilador de cristal de cuarzo

1. Explicación de conceptos importantes

(1) Retroalimentación: Parte o toda la salida del circuito amplificador se envía de regreso al extremo de entrada del circuito amplificador de cierta manera.

(2) Acoplamiento: se refiere al proceso de transmisión de señal del primer nivel al segundo nivel.

2. El principio de funcionamiento específico del oscilador de cristal de cuarzo.

Las características del oscilador de cristal de cuarzo son una frecuencia de oscilación precisa, una estructura de circuito simple y un ajuste de frecuencia fácil. Es ampliamente utilizado en diversos circuitos de oscilación, como televisores en color, computadoras, controles remotos, etc. También tiene un efecto piezoeléctrico: cuando se aplica un campo eléctrico en una determinada dirección del cristal, el cristal sufrirá una deformación mecánica, por el contrario, si se aplica presión mecánica en ambos lados de la oblea, se generará un campo eléctrico; en la dirección correspondiente de la oblea, que es la llamada presión El fenómeno físico de los efectos eléctricos. Aquí agregamos un campo eléctrico en una determinada dirección del cristal para producir vibración mecánica en una dirección perpendicular a esta dirección. Con la vibración mecánica, se generará un campo eléctrico en el plano vertical correspondiente, de modo que la vibración mecánica y el campo eléctrico son causa y efecto uno del otro. Este proceso cíclico continúa hasta que la resistencia mecánica del cristal alcanza su límite y finalmente se estabiliza.

La frecuencia de esta resonancia piezoeléctrica es la frecuencia natural del oscilador de cristal.

El circuito oscilador compuesto por un inversor y un cristal de temporización se muestra en la Figura 2. La autorretroalimentación de las dos puertas NOT G1 y G2 se utiliza para hacerlas funcionar en un estado lineal, y luego se utiliza un oscilador de cristal oportuno para controlar la frecuencia de oscilación. Al mismo tiempo, el condensador C1 sirve como acoplamiento entre las dos puertas NOT, y las resistencias R1 y R2 conectadas en paralelo entre la entrada y la salida de las dos puertas NOT sirven como elementos de retroalimentación negativa. Dado que la resistencia de retroalimentación es muy pequeña, las caídas de voltaje de salida y entrada de la puerta NOT pueden considerarse aproximadamente iguales. El condensador C2 se utiliza para evitar oscilaciones espurias. Por ejemplo, si la frecuencia de oscilación del cristal del reloj en el circuito es de 4MHz, la frecuencia de salida del circuito es de 4MHz.

Figura 2 Circuito oscilador de cristal sensible al tiempo

(2) Divisor de frecuencia

1, sistema de código 8421, sistema de código 5421.

Se utilizan como códigos dieciséis combinaciones de códigos binarios de cuatro dígitos, y se toman diez combinaciones para representar los diez símbolos digitales del 0 al 9. Por lo general, se utilizan cuatro dígitos binarios para representar un número decimal, lo que se denomina codificación binario-decimal, también llamado código BCD, como se muestra en la Tabla 1.

Tabla 1

Código 8421 Código 5421

0 0000 0000

1 0001 0001

2 0010 0010

3 0011 0011

4 0100 0100

5 0101 1000

6 0110 1001

7 0111 1010

8 1000 1011

9 1001 1100

2. El principio de funcionamiento específico del divisor de frecuencia.

Debido a que la frecuencia generada por el oscilador de cristal de cuarzo es muy alta, se requiere un circuito divisor de frecuencia para obtener segundos pulsos. Por ejemplo, un oscilador emite una señal de 4MHz, que se divide por 4 mediante un flip-flop D (74ls 74) en 1MHz, y luego se envía a un contador dividido por 10 (74LS90, que se puede dividir por el código 8421 o Código 5421) seis veces. (Ver Figura 3)

Figura 3 Circuito de división de frecuencia

3 El significado de las marcas en la figura

Señal de pulso de entrada CP

Señal de transporte C0

señal de pulso de salida q

(3) Contador

La segunda señal de pulso pasa por seis contadores para obtener el "segundo" dígito , dígito de las decenas, sincronización de los "minutos" y las decenas y las "horas" y las decenas. Los contadores de "segundos" y "minutos" están en hexadecimal y las horas están en hexadecimal.

1, Contador hexadecimal

(1) Los contadores se clasifican según el modo de activación.

Un contador es un componente lógico que acumula el número de pulsos de reloj. Los contadores se utilizan no sólo para contar los pulsos del reloj, sino también para cronometrar, dividir la frecuencia, generar pulsos y operaciones digitales. El contador es uno de los componentes lógicos más utilizados. Según el modo de activación, los contadores se dividen en contadores síncronos y contadores asíncronos. Para los contadores síncronos, los flip-flops se voltean simultáneamente cuando se ingresa un pulso de reloj, mientras que los flip-flops de los contadores asíncronos no se voltean.

(2) Principio de funcionamiento del contador hexadecimal.

El circuito de conteo "segundo" y el circuito de conteo "minutos" son ambos hexadecimales y constan de un contador de 10 decimales de primer nivel y un contador hexadecimal de primer nivel. Como se muestra en la Figura 4, los contadores de "segundos" y "minutos" constan de dos circuitos integrados de tamaño mediano 74LS90 conectados en serie.

Figura 4 Circuito de conteo de 60 bases

IC1 es un contador decimal, QD1 es una señal de acarreo decimal y el contador 74LS90 es un contador asíncrono decimal. El conteo decimal se implementa mediante la puesta a cero de retroalimentación, y IC2 y la puerta NAND forman el conteo hexadecimal. 74LS90 es el flanco descendente de la señal CP. El flanco descendente de la fase 0101 de Q A1 y Q C2 se utiliza como señal de entrada del contador de "minutos" ("horas") a través de la puerta NAND y la puerta NAND (la salida). El nivel siempre es nivel bajo 0) envía un nivel alto 1 al siguiente contador. Q B2 y Q C2 cuentan hasta 0110, y el nivel alto 1 generado se envía al reinicio R0(1), R0(2), R0(1), R0(2) en el 74LS90 respectivamente para restablecer el contador a cero. y luego enviar al contador del siguiente nivel. Se puede ver que IC1 e IC2 están conectados en serie para implementar el conteo hexadecimal.

Entre ellos: 74LS90 - un contador decimal divisible por 2/5.

74LS04 - no es una puerta

74LS00 - puerta NAND de dos entradas

Contador de 2, 24 decimales

El circuito de conteo de horas es El circuito de conteo de 24 bits compuesto por IC5 e IC6 se muestra en la Figura 5.

Cuando la décima señal de disparo proviene del terminal de entrada de conteo CP5 del bit de tiempo IC5, el contador IC5 se borra automáticamente y el terminal de acarreo QD5 emite una señal de acarreo al contador de bits de tiempo IC6. Cuando llega el pulso de 24 horas (señal de transporte del contador de minutos), el estado del contador IC5 es "0100". Se envían a los terminales de borrado R0(1) y R0(2) de los contadores IC5 e IC6 respectivamente, y luego se borran mediante el NOR de R0(1) y R0(2) en el 7490 para completar el conteo de 24 bits.

Figura 5 Circuito de conteo de 24 dígitos

(4) Circuito de decodificación y visualización

1 Principio de visualización (tubo nixie)

Tubo Nixie es el nombre común para pantalla digital. Las pantallas digitales de uso común incluyen tubos digitales semiconductores, tubos digitales fluorescentes, tubos digitales luminosos y pantallas de cristal líquido.

Este diseño utiliza tubos digitales semiconductores, que se componen de diodos emisores de luz (LED para abreviar) en glifos para mostrar números. Siete diodos emisores de luz en forma de tira están dispuestos en un glifo combinado de siete segmentos. para formar un tubo digital semiconductor. Hay dos tipos de tubos digitales semiconductores: ánodo y cátodo. * * * Los ánodos de los siete diodos emisores de luz del tubo digital anódico están conectados entre sí, mientras que los siete cátodos son independientes. El tubo digital del cátodo * * * está opuesto al tubo digital del ánodo * * *. Los cátodos de los siete LED están conectados entre sí, pero los ánodos son independientes.

Cuando un cátodo del tubo digital de ánodo se conecta a un nivel bajo, el diodo correspondiente emite luz, lo que puede hacer que una determinada sección de diodos se ilumine según la fuente, por lo que el tubo digital de ánodo necesita genera un decodificador activo de bajo nivel para controlarlo. * * * El tubo digital de cátodo necesita generar un decodificador activo de alto nivel para funcionar.

2. Principio del decodificador (74LS47)

La decodificación es el proceso inverso a la codificación. "Traduce" el significado dado al código cuando se codifica. El circuito lógico que implementa la decodificación se convierte en un decodificador. La salida del decodificador tiene una correspondencia única con el código de entrada. 74LS47 es un decodificador de fuentes de siete segmentos con salida de bajo nivel, que se utiliza aquí con un tubo digital. La Tabla 2 enumera la tabla de verdad de 74LS47, mostrando su relación con el tubo digital.

Tabla 2

Símbolos numéricos de visualización de entrada y salida

LT(——)RBI(——-)A3 A2 a 1 A0 BI(——) / RBO(——)

a(—) b(—) c(—) d(—) e(—) f(—) g(—)

1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0

1 X 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1

1 X 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 2

1 X 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 3

1 1 0 0 4

1 X 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 5

1

1 X 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 7

1p>1

1000001 1 1 1 1 1 1 está fuera.

0 X X X X Cuando lt (-) = 0, independientemente del estado de las entradas A3, A2, A1 y A0, la salida del decodificador es baja, y si el tubo digital accionado es normal, se muestra 8.

(2) Bi (-): Entrada de apagado de luces, utilizada para controlar el apagado de luces de una pantalla de varios dígitos. Cuando bi(-) = 0. No importa en qué estado estén LT(——) y las entradas A3, A2, A1, A0, la salida del decodificador es de nivel alto y el tubo digital del ánodo está apagado.

(3) RBI (——): entrada cero, configurada para eliminar ceros innecesarios. Cuando cada bit A3= A2 =A1 =A0=0, debería mostrar 0, pero bajo la acción de RBI (-) = 0, la salida del decodificador es de nivel alto. El resultado es el mismo que agregar la señal de apagado de la luz, se apagará 0.

(4) RBO (——): Salida de puesta a cero, conectada con Bi (——) * * como entrada de luz, utilizada en conjunto para lograr el control de salida a cero de la pantalla digital de varios dígitos.

3. Uso del decodificador y la visualización juntos

La decodificación consiste en traducir el código dado. Este diseño consiste en traducir la salida del código binario de cuatro dígitos del contador de horas, minutos y segundos al número decimal correspondiente y mostrarlo en la pantalla. Normalmente, se utilizan juntos un monitor y un decodificador. El controlador decodificador de siete segmentos (74LS47) y el tubo digital (LED) que seleccionamos son * * * conexiones de ánodo (controladores decodificadores que requieren salida de bajo nivel). El circuito de visualización de decodificación se muestra en la Figura 6.

Figura 6 Circuito de visualización de decodificación

(5) Circuito de temporización

1, flip-flop RS (ver Figura 7)

Figura 7 Flip-flop RS básico

R(—) S(—)

Q Q(—)

Habla claro

0 1

1 0

1 1

0 0 0

1

0 o 1

1 1

1 o 0

1 se establece en 0

Establecer 1

Déjalo como está

Estado anormal, después de que desaparece la señal 0, el estado del disparador es incierto.

2. Sin fluctuaciones en el circuito de conmutación

Principio del circuito de conmutación sin fluctuaciones: (consulte la Figura 8) Cuando el interruptor K se coloca en 1, S(—)=0, R (—) =1, el disparador se establece en 1. Cuando el terminal S (-) se conecta a tierra de forma intermitente varias veces debido a la vibración del interruptor K, no hay ningún efecto. Una vez que el activador se establece en 1, el estado de 1 permanece sin cambios. Debido a que el temblor K solo hace que el terminal S (-) abandone el suelo, pero no el terminal R (-), el flip-flop se establece de manera confiable en 1.

Cuando se tira del interruptor K desde el terminal S (-) al terminal R (-), tiene el mismo efecto y el flip-flop se establece de manera confiable en 0. La acción del interruptor se refleja desde el terminal Q o el terminal Q (-) y el nivel de salida es estable.

3. Principio de implementación del circuito de calibración de tiempo.

Cuando se enciende el reloj electrónico o se descubre un error de sincronización, es necesario corregirlo. El circuito de calibración de tiempo realiza la calibración de tiempo y minutos respectivamente. Dado que los cuatro interruptores mecánicos tienen fluctuación, se utiliza un flip-flop RS como circuito antirrebote. Utilizando el disparador básico RS y el interruptor unipolar de doble tiro, la cuchilla normalmente se cierra a las 2 en punto y genera un pulso de conteo cada vez que se mueve para realizar la función de ajuste de tiempo. El circuito se muestra en la Figura 8.

Circuito de sincronización figura 8

(6) Depuración

Bi et al. Experimento de tecnología electrónica y diseño de cursos. Beijing: Industria de Maquinaria.

Empresa editorial, 1995.131 ~ 132

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