1、案例5.1 設(shè)計(jì)帶有校時(shí)功能的數(shù)字鬧鐘本案例通過一個(gè)帶有校時(shí)功能的數(shù)字鬧鐘的設(shè)計(jì)過程的分析，對(duì)考生能否將已學(xué)過的知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際中去，是否初步了解設(shè)計(jì)的要求和步驟，是否熟悉集成電路的使用方法和各種芯片的功能等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。一、設(shè)計(jì)要求：本案例要求設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字鐘，基本要求為：(1)有“時(shí)”、“分”的十進(jìn)制數(shù)顯示“秒”信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管成為將“時(shí)”、“分”顯示隔開的小數(shù)點(diǎn)。顯示情況如圖29-1所示。(2)計(jì)時(shí)以1晝夜24h為1個(gè)周期。(3)具有校時(shí)電路(即有預(yù)置數(shù)功能)。任何時(shí)候可對(duì)數(shù)字鬧鐘進(jìn)行校準(zhǔn)，將其撥至標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間或其他需要的時(shí)間。(4)計(jì)時(shí)過程中的任意“時(shí)”、“分”，均能按需要起鬧，鬧鐘每次起鬧

2、時(shí)間為35s，并允許用戶在此范圍內(nèi)調(diào)整。本數(shù)字鐘電路的設(shè)計(jì)主要是采用TTL集成電路實(shí)現(xiàn)組合邏輯與時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)，數(shù)字鐘電路的基本工作原理是采用50Hz的220V交流市電作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間源，經(jīng)整形后產(chǎn)生的穩(wěn)定的脈沖信號(hào)，作為數(shù)字鐘的時(shí)間基準(zhǔn)，再經(jīng)分頻器輸出標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖。秒計(jì)數(shù)器計(jì)滿60后向分計(jì)數(shù)器進(jìn)位，分計(jì)數(shù)器計(jì)滿60后向小時(shí)計(jì)數(shù)器進(jìn)位，小時(shí)計(jì)數(shù)器計(jì)滿24后，各計(jì)數(shù)器清零，重新計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器的輸出經(jīng)譯碼器送顯示器。二、總體設(shè)計(jì)方案根據(jù)對(duì)設(shè)計(jì)要求的分析，數(shù)字鬧鐘的總體結(jié)構(gòu)應(yīng)由以下各部分組成：(1)數(shù)字鬧鐘計(jì)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)應(yīng)是頻率相當(dāng)穩(wěn)定的IHz秒脈沖，所以要設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間源。(2)數(shù)字鬧鐘計(jì)時(shí)周期為24h

3、，因此必須設(shè)置24h計(jì)數(shù)器，它應(yīng)由模為60的秒計(jì)數(shù)器和分計(jì)數(shù)器及模為24的時(shí)計(jì)數(shù)器組成。秒顯示由發(fā)光二極管的亮、暗示意，時(shí)和分由七段數(shù)碼管顯示。(3)為使數(shù)字鬧鐘的走時(shí)與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間一致，校時(shí)電路是必不可少的，本例采用開關(guān)控制校時(shí)方法，直接用秒脈沖先后對(duì)“時(shí)”、“分”、“秒”計(jì)數(shù)器進(jìn)行校時(shí)操作。(4)為使數(shù)字鬧鐘能按用戶需要，在特定時(shí)間起鬧，應(yīng)設(shè)置有控制作用的電路及確定何時(shí)起鬧的時(shí)、分譯碼電路和選擇開關(guān)，由用戶自行決定起鬧時(shí)、分。鬧鐘的時(shí)間每次為35s，通過調(diào)節(jié)電路元件參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)上述分析，數(shù)字鬧鐘的總體方案已經(jīng)明確，可畫出如圖29-2所示的方案框圖。三、電路的組成1. 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間源本部分電路確

4、定時(shí)鐘的時(shí)間基準(zhǔn)。本實(shí)例是實(shí)驗(yàn)性的課題，為簡(jiǎn)便起見，由以下方案來完成：采用50Hz的220V交流市電作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間源，其頻率穩(wěn)定度可達(dá)10-224h。其參考電路如圖29-3所示。圖中衰減器可用小型降壓變壓器完成；整形電路由與非門構(gòu)成的施密特電路完成；而兩級(jí)分頻電路由74LS90完成。這樣就得到了驅(qū)動(dòng)TTL電路的秒脈沖信號(hào)源。74LS90是一種中規(guī)模的二一五十進(jìn)制異步計(jì)數(shù)器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是一個(gè)二分頻和一個(gè)五分頻電路，可以獨(dú)立地作為二進(jìn)制和五進(jìn)制計(jì)數(shù)器使用，同時(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪B接又可以構(gòu)成十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。74LS90管腳引線如圖29-4，功能表如表29-1所示。表29-1 74LS90功能表復(fù)位輸入R0（1

5、）R0（2）置位輸入R9（1） R9（2）時(shí) 鐘CP輸 出QD QC QB QA工作模式1 11 10 ×× 0××0 0 0 00 0 0 0異步清零0 ×× 01 11 1××1 0 0 11 0 0 1異步置數(shù)0 ×0 ×× 0× 00 ×× 00 ×× 0計(jì) 數(shù)計(jì) 數(shù)計(jì) 數(shù)計(jì) 數(shù)加法計(jì)數(shù)74LS90內(nèi)部邏輯電路圖如圖29-5所示，它由四個(gè)主從JK觸發(fā)器和一些附加門電路組成，整個(gè)電路可分兩部分，其中FA觸發(fā)器構(gòu)成一位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器；

6、FD、FC、FB構(gòu)成異步五進(jìn)制計(jì)數(shù)器。在74LS90計(jì)數(shù)器電路中，設(shè)有專用置“0”端R01、R02和置“9”端R91、R92，其中置“9”端R91、R92是供BCD 9的補(bǔ)碼應(yīng)用設(shè)置的。74LS90具有如下的五種基本工作方式：（1）五分頻：即由FD、FC、和FB組成的異步五進(jìn)制計(jì)數(shù)器工作方式。（2）十分頻（8421碼）：將QA與輸入B聯(lián)接，可構(gòu)成8421碼十分頻電路。（3）十分頻（5421碼）：將五進(jìn)制計(jì)數(shù)器的輸出端QD接二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的脈沖輸入端A，即可構(gòu)成5421碼十分頻工作方式。（4）六分頻：在十分頻（8421碼）的基礎(chǔ)上，將QB端接R01，QC端接R02。其計(jì)數(shù)順序?yàn)?00101，當(dāng)?shù)诹?/p>

7、個(gè)脈沖作用后，出現(xiàn)狀態(tài)QCQBQA=110，利用QBQC=11反饋到R01和R02的方式使電路置“0”。（5）九分頻：QAR1、QDR2，構(gòu)成原理同六分頻。此外，據(jù)功能表可知，構(gòu)成上述五種工作方式時(shí)，R91、R92端最少應(yīng)有一端接地；R01、R02端亦必須有一端接地。根據(jù)上述關(guān)于74LS90芯片的使用說明，可設(shè)計(jì)出5分頻和10分頻的電路，它們的計(jì)數(shù)輸出狀態(tài)變化如圖29-6所示。將5分頻和10分頻的電路串接起來，就構(gòu)成了50分頻的電路，可將從整形電路輸出的50Hz脈沖信號(hào)變換為1Hz的秒脈沖信號(hào)，作為數(shù)字鬧鐘的計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。分頻電路的電路圖如圖29-7所示。2.計(jì)數(shù)、譯碼、顯示電路（1）時(shí)、分、

8、秒計(jì)數(shù)器單元電路本實(shí)例主要設(shè)計(jì)三個(gè)計(jì)數(shù)器，分別對(duì)應(yīng)與時(shí)、分、秒的控制。分計(jì)數(shù)器和秒計(jì)數(shù)器為60進(jìn)制，時(shí)計(jì)數(shù)器為24進(jìn)制，這三個(gè)計(jì)數(shù)器都采用74LS160芯片組成。秒和分計(jì)數(shù)器分別用2位加法計(jì)數(shù)器串接而成。它們的個(gè)位為十進(jìn)制，十位為六進(jìn)制計(jì)數(shù)器，個(gè)位信號(hào)送至十位計(jì)數(shù)器，計(jì)到60時(shí)自動(dòng)復(fù)零。時(shí)計(jì)數(shù)器也是2位加計(jì)數(shù)器，其模為24。當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)到24h時(shí)，時(shí)、分、秒全部清零。74LS160的引腳接線圖如圖29-8所示，功能如表29-2所示。該芯片為可預(yù)置的十進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器。表29-2 74LS160功能表輸 入輸出狀態(tài)PTCPD0D1D2D3Q0Q1Q2Q3L×××

9、5;××××LLLLHL××d0d1d2d3d0d1d2d3HHHH××××計(jì)數(shù)HHLH×××××保持（包括CO）HH×L×××××保持（CO=0）表中：H-高電平；L-低電平；×-任意；-上跳變；（d0 d3）-（ D0 D3）的穩(wěn)態(tài)輸入電平。根據(jù)74LS160的功能表和對(duì)芯片引腳功能的說明，可設(shè)計(jì)出秒、分、時(shí)計(jì)數(shù)器電路如圖29-9所示（2）譯碼、顯示電路在圖29-9中，還畫

10、出了譯碼、顯示電路譯碼器由4片74LS49組成，每1片74LS49驅(qū)動(dòng)1只數(shù)碼管，顯示時(shí)和分。74LS49為集電極開路輸出的BCD七段譯碼器、驅(qū)動(dòng)器，輸出端（ag）為高電平有效，可驅(qū)動(dòng)燈緩沖器或共陰極的LED數(shù)碼管。74LS49的引腳和邏輯符號(hào)如圖29-10所示，功能表如表29-3所示。表29-3 74LS49功能表十進(jìn)數(shù)或功能輸 入輸 出DCBABIabcdefg0LLLLHHHHHHHL1LLLHHLHHLLLL2LLHLHHHLHHLH3LLHHHHHHHLLH4LHLLHLHHLLHH5LHLHHHLHHLHH6LHHLHLLHHHHH7LHHHHHHHLLLL8HLLLHHHHHHH

11、H9HLLHHHHHLLHH10HLHLHLLLHHLH11HLHHHLLHHLLH12HHLLHLHLLLHH13HHLHHHLLHLHH14HHHLHLLLHHHH15HHHHHLLLLLLLBI××××LLLLLLLL當(dāng)為低電平時(shí)，不管其它輸入端狀態(tài)如何，ag均為低電平。當(dāng)要求輸出015時(shí)，消隱輸入端（)應(yīng)為高電平或開路。ag7段輸出與數(shù)碼管顯示字符的關(guān)系如圖29-11所示。3.數(shù)字鬧鐘的時(shí)、分快速校驗(yàn)電路校時(shí)功能是數(shù)字鐘必備的基本功能，為電路簡(jiǎn)單，本例中只進(jìn)行時(shí)和分的校時(shí)。帶校時(shí)功能的計(jì)數(shù)電路如圖29-13所示。4.起鬧電路數(shù)字鬧鐘的起鬧電路，可

12、由3個(gè)部分組成。它包括起鬧控制電路、起鬧定時(shí)電路和起鬧可控振蕩器。（1） 起鬧控制電路起鬧控制電路要在時(shí)、分規(guī)定的時(shí)間起鬧，主要是設(shè)置譯碼電路翻譯出所需的起鬧時(shí)間。譯碼器的地址輸入是時(shí)、分計(jì)數(shù)器的有關(guān)狀態(tài)輸出，而譯碼器的輸出經(jīng)開關(guān)S1、S2、S3、S4可選擇時(shí)和分。當(dāng)鬧鐘的實(shí)際計(jì)時(shí)時(shí)間符合所選擇的起鬧時(shí)間時(shí)產(chǎn)生-個(gè)起鬧控制信號(hào)（高電平）。起鬧控制電路原理圖如圖29-14所示。起鬧控制電路中的譯碼器根據(jù)時(shí)、分計(jì)數(shù)器個(gè)位和十位的計(jì)數(shù)范圍不同，分別選用不同的譯碼電路。時(shí)、分計(jì)數(shù)器的十位計(jì)數(shù)范圍分別是02或05，因此可選用3-8譯碼器74LS138；而時(shí)、分計(jì)數(shù)器的個(gè)位都是十進(jìn)制，要選用4-16譯碼器

13、或BCD-十進(jìn)制譯碼器，本實(shí)例中選用的是BCD-十進(jìn)制譯碼器74LS42。74LS42的引腳接線圖和功能表如圖29-15所示。74LS138的引腳接線圖和功能表如圖29-16所示。（2） 起鬧定時(shí)電路起鬧定時(shí)電路根據(jù)每次起鬧時(shí)間在35s范圍內(nèi)可調(diào)這一要求，選用中規(guī)模集成電路的單穩(wěn)態(tài)電路SN74121來實(shí)現(xiàn)。其定時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短可由元件參數(shù)的改變來實(shí)現(xiàn)。SN74121為具有施密特觸發(fā)器輸入的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，可由正跳變觸發(fā)，也可由負(fù)跳變觸發(fā)。其正觸發(fā)輸入端（TR+)采用了施密特觸發(fā)器，因此，有較高的抗擾度。又由于內(nèi)部有鎖存電路，故對(duì)電源Vcc也有較高的抗擾度。SN74121的引腳圖、功能表如圖29-17所示，引出端符號(hào)說明如表29-4所示。表29-4 SN74121引出端符號(hào)說明符號(hào)說明符號(hào)說明Q正脈沖輸出端Rext/Cext外接電阻/電容端負(fù)脈沖輸出端Rint內(nèi)電阻端TR+正觸發(fā)輸入端Cext外接電容端（正）TR-(A),TR-(B)負(fù)觸發(fā)輸入端NC空端以SN74121設(shè)計(jì)的起鬧定時(shí)電路如圖29-18所示。圖中開關(guān)S7用于選擇是否需要起鬧。(3)