Diseño del curso de electrónica digital

Diseño de reloj electrónico digital (compuesto por IC digital)

1. Propósito del diseño

1. Familiarizarse con la disposición de los pines de los circuitos integrados.

2. Comprender 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. Indicadores de diseño

El tiempo se basa en un ciclo de 24 horas; muestra horas, minutos y segundos; tiene una función de corrección de tiempo, que puede corregir horas y minutos de forma independiente para corregirlos según el tiempo estándar; el proceso de cronometraje tiene función de informe de tiempo, sonará un zumbador 5 segundos antes de que llegue la hora; para garantizar la estabilidad y precisión del cronometraje, el oscilador de cristal debe proporcionar la señal de referencia de tiempo manual.

2． Requisitos de diseño

Dibujar el diagrama esquemático del circuito (o diagrama de circuito simulado); seleccionar componentes y parámetros; simulación y depuración del circuito; generación e impresión de archivos de PCB.

3. Requisitos de producción Autoensamblaje y depuración, y capacidad para encontrar y resolver problemas.

4. Escriba un informe de diseño. Escriba todo el proceso de diseño y producción, adjunte información y dibujos relevantes y brinde información.

3. Principios de diseño y diagrama de bloques

1. La composición de un reloj digital

El reloj digital es en realidad un circuito contador que cuenta la frecuencia estándar (1HZ). 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. Al mismo tiempo, la señal de tiempo estándar de 1 HZ debe ser precisa y estable. Los relojes digitales suelen construirse utilizando circuitos osciladores de cristal de cuarzo. La Figura 3-1 muestra el diagrama de bloques general de un reloj digital. Figura 3-1 Diagrama de bloques de un reloj digital

⑴Circuito oscilador de cristal

El circuito oscilador de cristal proporciona al reloj digital una señal de onda cuadrada estable y precisa de 32768 Hz, lo que garantiza el funcionamiento digital del reloj. el tiempo es preciso y estable. 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

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 que la cuente el segundo contador. El divisor de frecuencia es en realidad un contador.

⑶Circuito contador de tiempo

El circuito de conteo de tiempo se compone de contadores de unidades de segundo y decenas de segundos, contadores de unidades de minutos y contadores de decenas de minutos, y circuitos contadores de unidades de tiempo y decenas de tiempo. los contadores de segundos dígitos de unidades y segundos dígitos de decenas, los contadores de dígitos de minutos y decenas de minutos son contadores hexadecimales y, de acuerdo con los requisitos de diseño, los contadores de dígitos de horas y decenas de horas son contadores hexadecimales.

⑷Circuito 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 el funcionamiento normal del el 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． El principio de funcionamiento del reloj digital

1) Circuito oscilador de cristal

El oscilador de cristal es el núcleo del reloj digital, que garantiza la precisión y estabilidad del reloj.

El circuito que se muestra en la Figura 3-2 utiliza una puerta CMOS NOT para formar un circuito oscilador de cristal digital con una salida de onda cuadrada. En este circuito, la puerta CMOS NOT U1, un cristal, un condensador y un. Una resistencia forma un circuito oscilador de cristal, 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, lo que permite que el circuito funcione en la región de amplificación, es decir, la función de la puerta NOT es similar a la de 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 forma una red de retroalimentación positiva y realiza la función del oscilador.

Debido a que el cristal tiene estabilidad y precisión de alta frecuencia, se garantiza que la frecuencia de salida será estable y precisa.

La frecuencia del cristal XTAL se selecciona como 32768HZ. Este componente está especialmente diseñado para circuitos de reloj digital. Su frecuencia es más 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 pueden conectar condensadores 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 mayor resistencia a la retroalimentación es beneficiosa para mejorar la estabilidad de la frecuencia de oscilación.

74HC00 es opcional para el circuito NOT gate.

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 In. Para obtener una segunda entrada de señal de 1 Hz, la señal de salida del oscilador debe dividirse en frecuencia.

Normalmente el circuito que implementa el divisor de frecuencia es un circuito contador, que generalmente se implementa mediante un contador binario multietapa. Por ejemplo, el múltiplo de división de frecuencia de dividir la señal de oscilación de 32768 Hz en 1 HZ es 32768 (215), es decir, el contador que implementa la función de división de frecuencia es equivalente a un contador binario de 15 polos. Los contadores binarios de uso común incluyen 74HC393, etc.

En este experimento, se utiliza CD4060 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 la puerta NOT requerida para el circuito de oscilación, lo que lo hace más cómodo de usar.

El 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. Como se puede ver en la figura, la entrada del reloj. terminal del CD4060 Dos puertas NOT conectadas en serie pueden 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. cálculo.

La unidad de conteo de horas es generalmente un contador decimal, 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 está en el forma de código 8421BCD.

Generalmente, el contador decimal 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, cuyo diagrama de bloques lógico interno se muestra en la Figura 2.3. Este dispositivo es un contador asíncrono dual 2-5-10 y cada contador proporciona un terminal de compensación asíncrono (nivel alto activo).

Figura 3-4 Diagrama de bloques lógicos internos del 74HC390(1/2)

La segunda unidad de conteo de unidades es un contador decimal, no es necesario realizar conversión decimal, solo QA y CPB (válido en el flanco descendente) se puede conectar. CPA (caída inactiva) está conectado a la segunda señal de entrada de 1 HZ, y Q3 se puede utilizar como señal de acarreo ascendente para conectarse al CPA de la unidad de conteo de decenas.

La segunda unidad de conteo de decenas de dígitos es un contador hexadecimal y requiere conversión de base. 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 acarreo ascendente para conectarse al CPA de la unidad de conteo de unidades y dígitos.

Figura 3-5 El circuito de conversión de contador de decimal a hexadecimal se divide en dígitos de unidades y dígitos de decenas. La estructura del circuito es exactamente la misma que los dígitos de unidades en segundos y los dígitos de decenas en segundos, excepto que las unidades. se dividen en unidades y decenas. 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 acarreo ascendente.

La estructura del circuito de la unidad de conteo de horas sigue siendo la misma que la de los segundos o la unidad de conteo de unidades, pero se requiere que toda la unidad de conteo de horas sea un contador decimal, no un múltiplo entero. de 10, por lo que los dígitos de las unidades y Sólo cuando la unidad de conteo de diez dígitos se combina en un todo se puede realizar la conversión hexadecimal. El circuito que utiliza una pieza de 74HC390 para realizar la función de conteo hexadecimal se muestra en la Figura 3-6.

Además, en el circuito que se muestra en la Figura 3-6, la unidad de conteo binaria restante se puede usar como divisor de frecuencia para convertir la señal de salida de 2 HZ en una señal de 1 HZ. Figura 3-6 Circuito contador decimal

4) Controlador de decodificación y unidad de visualización

El contador realiza la acumulación de tiempo y lo genera en forma de código 8421BCD. El circuito de decodificación de pantalla es. seleccionado para La salida digital del contador se convierte 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 se selecciona como circuito de 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 un conteo de activación manual o agregar una señal de onda cuadrada de mayor frecuencia al extremo de entrada de la unidad de conteo que necesita corregirse. Después de la corrección, cambie. al estado de sincronización normal es suficiente.

De acuerdo con los requisitos, el reloj digital debe tener funciones de corrección de rama y de hora. Por lo tanto, se debe cortar la ruta de conteo directo del dígito de las unidades y el dígito de las unidades de tiempo, y se debe instalar un circuito que pueda conmutar. entre la señal de sincronización normal y la señal de corrección en cualquier momento debe usarse. La Figura 3-7 muestra el circuito de corrección de tiempo con un flip-flop RS básico.

Figura 3-7 Circuito de corrección con circuito anti-jitter

6) Circuito de informe de tiempo horario

Los relojes generales deben tener la función de un circuito de timbre horario, es decir, unos segundos antes de que ocurra la hora, el reloj digital sonará automáticamente la hora como recordatorio. Su modo de acción es emitir ondas sonoras de audio continuas o rítmicas, y otras más complejas también pueden ser indicaciones de voz en tiempo real.

Según los requisitos, el circuito debe empezar 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 y 59 minutos y 59 segundos, el timbre del tiempo El circuito sonará la señal de control de tiempo. Elija 74HC30 para el circuito de cronometraje y elija el zumbador como dispositivo electroacústico.

4. Componentes

1. Equipo necesario para el experimento:

Fuente de alimentación de 5V. 1 placa de pruebas. Osciloscopio. multímetro. 1 par de pinzas. 1 par de tijeras. El cable de red es de 2 metros por persona.

***6 tubos digitales negativos de ocho segmentos. CD4511 bloque integrado 6 piezas. CD4060 bloque integrado 1 pieza. 74HC390 bloque integrado 3 piezas.

1 pieza de bloque integrado 74HC51. 74HC00 bloque integrado 5 piezas. 1 pieza de colector 74HC30. 5 resistencias de 10MΩ.

14 resistencias de 500Ω. 2 condensadores de 30p. Cristal de reloj de 32.768k 1 pieza. zumbador. Para obtener más información, visite /index.asp?i=kjf888