数字钟电路的制作与调试

数字电路制作与调试-105-P4数字钟电路的制作与调试学习目标——会应用脉冲产生、整形电路。——会制作分频电路。——会用中规模集成电路制作出组合逻辑电路和时序逻辑电路。——能制作并调试数字钟电路。工作任务数字钟制作的具体要求如下：1．能进行正常的时、分、秒计时功能。使用6个七段发光二极管数码管显示时间。其中时位以24小时为计数周期。2．能进行手动校时。利用三个单刀双掷开关分别对时位、分位、秒位进行校正。3．会制作整点报时电路。4．能绘制数字钟电路的原理图和印制板布线图。5．列出数字钟电路的元器件明细清单。6．写出数字钟电路的安装与调试说明，并按步骤进行制作与调试。数字钟以其显示的直观性、走时准确稳定而受到人们的欢迎，广泛应用于家庭、车站、码头、剧场等场合，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来了极大的方便。该电路基本组成包含了数字电路的主要组成部分，能帮助同学们将以前所做项目有机的、系统地联系起来，培养综合分析、设计、制作和调试数字电路的能力。数字钟是一个将“时”、“分”、“秒”显示于人的视觉器官的计时装置。它的计时周期为24小时，显示满刻度为23时59分59秒，另外应有校时功能和报时功能。因此，一个基本的数字钟电路主要由五部分组成。其整机框图如图4-0-1所示。译码显示电路时计数器分计数器秒计数器校时电路报时电路振荡器分频器图4-0-1数字钟整体框图P4数字钟电路的制作与调试--106P4-M1555定时器组成的振荡器学习目标——能叙述555定时器逻辑功能、管脚功能，并能正确使用555定时器。——会用555定时器构成振荡器。工作任务学习555定时器逻辑功能、管脚功能和使用方法。用555定时器制作出1kHz方波信号的振荡电路。晶体振荡器的作用是产生时间标准信号。数字钟的精度，主要取决于时间标准信号的频率及其稳定度。因此，一般采用石英晶体振荡器经过分频后获得时间标准信号。也可采用由门电路或555定时器构成的多谐振荡器作为时间标准信号源。P4-M1.1认识555定时器读一读555定时器可以实现模拟和数字两项功能。1．可产生精确的时间延迟和振荡，内部有3个5kΩ的电阻分压器，故称555。2．电源电压电流范围宽，双极型：5～16V；CMOS：3～18V。3．可以提供与TTL及CMOS数字电路兼容的接口电平。4．可输出一定的功率，可驱动微电机、指示灯、扬声器等。5．应用：脉冲波形的产生与变换、仪器与仪表、测量与控制、家用电气与电子玩具等领域。6．TTL单定时器型号的最后3位数字为555，双定时器的为556；CMOS单定时器的最后4位数为7555，双定时器的为7556。它们的逻辑功能和外部引线排列完全相同。看一看555定时器的集成电路外形、引脚、内部结构如图4-1-1所示。(a)外引线排列图(b)内部结构图数字电路制作与调试-107-GND：接地端TR：低触发端OUT：输出端R：复位端CO：控制电压端TH：高触发端D：放电端VCC：电源端图4-1-1555定时器外引线排列及内部结构图做一做按图4-1-2所示连接实验电路，测试555定时器的输入、输出关系（也可以用仿真软件进行仿真）。图4-1-2555定时器的输入、输出关系测试图测试电路说明：(1)开关1打到2端时，4脚复位端R接电源，也就是接高电平。在表4-1-1和表4-1-2中用1表示；开关1打到1端时，4脚复位端R接地，也就是接低电平。在表4-1-1和表4-1-2中用0表示。(2)开关2打到2端时，5脚控制电压端CO接电源2，也就是接高电平。在表4-1-1和表4-1-2中用1表示；开关2打到1端时，5脚控制电压端CO悬空。在表4-1-1和表4-1-2中用0表示。(3)调整可调电阻RP1，控制2脚低触发端UTR的电压，其值可有电压表1读取；调整可调电阻RP2，控制5脚高触发端UTH的电压，其值可有电压表2读取。(4)发光二极管LED1亮说明输出端3脚UOUT输出高电平用UOH表示；发光二极管LED1灭说明输出端3脚UOUT输出低电平用UOL表示。(5)发光二极管LED2亮说明555定时器内部三极管T饱和，放电端7脚对地近视短路。用导通表示；发光二极管LED2灭说明555定时器内部三极管T截止，放电端7脚对地近视断路。用截止表示。P4数字钟电路的制作与调试--108参照上述条件，当电源1、电源2均为12V时，将测试结果记录到表4-1-1中。表4-1-1555定时器性能测试记录1RCOUTHUTRUOUTT的状态0101当电源1为9V、电源2为6V时，将测试结果记录到表4-1-2中。表4-1-2555定时器性能测试记录2RCOUTHUTRUOUTT的状态0101读一读经过测试，我们可以得出555定时器的输入、输出关系如表4-1-3所示。表4-1-3555定时器的输入、输出关系RCOUTHUTRUOUTT的状态00**UOL导通10CCV32CCV31UOL导通CCV32CCV31不变不变*CCV31UOH截止数字电路制作与调试-109-1VCOCOV21UOL导通VCOCOV21UOL不变*COV21不变截止想一想将前面555定时器的输入、输出关系测试记录表4-1-1和表4-1-2与表4-1-3进行比较，可以看出555定时器5脚的功能是什么？P4-M1.21kHz秒脉冲多谐振荡器看一看555定时器构成的多谐振荡器如图4-1-3所示。12345678U18555R454.7KR442KRP4.7KC20.01uFC10.1uFVCCOUT图4-1-3555定时器构成的1kHz秒脉冲多谐振荡器原理图做一做根据图4-1-3的原理图，画出图4-1-4所示的接线图，并在面包板上（或在印制板上）搭建实验电路，观察3脚输出电压uo和电容C1两端电压uc的波形（也可以用仿真软件仿真），。P4数字钟电路的制作与调试--110图4-1-4555定时器构成的1kHz秒脉冲多谐振荡器接线图表4-1-1555定时器构成的多谐振荡器电路制作元件清单序号品名型号/规格数量配件图号实测情况1集成电路NE5551U1821/4W电阻2k1R4431/4W电阻4.7k1R454可调电阻4.7k1RP5电容0.1uF1C16电容0.01uF1C2555集成电路的8脚、1脚分别接5V直流电源的正、负端。复位端接电源，为高电平，使电路处于非复位状态。5脚CO端通过小电容接地而不起作用。为了方便把可调电阻RP和电阻R44合称为R44，R44、R45、C1构成充电电路。7脚构成放电电路。5脚高触发端、2脚低触发端并接于冲放电电路中的R45和C1之间，控制输出端3脚的状态。用示波器观察3脚输出电压uo和电容C1两端电压uc的波形，并绘制到图4-1-5中。数字电路制作与调试-111-uo0ttuc0图4-1-5555定时器构成的1kHz秒脉冲多谐振荡器波形图调整R44，同时用频率计观察输出信号uo的频率变化规律，并使uo的频率固定为1kHz。再用万用表测出电阻R44的阻值为。读一读前面我们通过实验（或仿真）观察了555定时器构成的多谐振荡器的波形。该振荡器的工作原理是：接通VCC后，VCC经R44和R45对C1充电。当uc上升到CCV32时，uo=0，T导通，C1通过R45和T放电，uc下降。当uc下降到CCV31时，uo又由0变为1，T截止，VCC又经R44和R45对C1充电。如此重复上述过程，在输出端uo产生了连续的矩形脉冲。振荡频率和占空比的估算：1．电容C充电时间：145441)(7.0CRRtP2．电容C放电时间：14527.0CRtP3．电路谐振频率f的估算：振荡周期为：14544)2(7.0CRRT振荡频率为：1454414544)2(43.1)2(7.011CRRCRRTf4．占空比D：45444544145441454412)2(7.0)(7.0RRRRCRRCRRTtDp想一想1．图4-1-2(a)所示多谐振荡器中，R44=15kΩ，R45=10kΩ，C1=0.05µF，VCC=9V，估算振荡频率f和占空比D。P4数字钟电路的制作与调试--1122．图4-1-2(a)所示多谐振荡器中，输出频率f为1kHz和占空比D为67%的方波，则必须选R44=kΩ，R45=kΩ，C1=0.1µF的元件。读一读图4-1-6为555定时器构成叮咚门铃原理图。可以看出该电路就是前面555震荡电路的应用，就是有555震荡电路改进得来的。按钮S、R4、C1构成冲放电路。4脚的电压是冲放电路中C1的电压。图4-1-6叮咚门铃原理图做一做根据图4-1-6画出图4-1-7所示555定时器构成的叮咚门铃接线图，并细心装配。完成后，必须再仔细检查焊点和连线是否符合要求，元器件到位是否准确，电解电容器的极性是否与图纸一致，经检查无误后，将集成电路的④脚与电源直接相连，可听出扬声器中发出的声音。按下S，并调整R2、R3和C2的数值可改变声音的频率，可以听出C2越小频率声音的频率越。断开S，调整电阻R1的阻值，此时扬声器中发出的声音。图4-1-7叮咚门铃接线图数字电路制作与调试-113-表4-1-2叮咚门铃电路制作元件清单序号品名型号/规格数量配件图号实测情况1集成电路NE5551U121/4W电阻30kΩ1R131/4W电阻22kΩ1R2、R341/4W电阻47kΩ1R45数字集成电路10uF/10V1C16数码显示器0.033uF1C27按钮1S8二极管IN41482VD1、VD2读一读通过前面的做一做，我们知道图4-1-6所示电路能发出“叮咚”的声音。该电路实际上是用NE555集成电路接成的多谐振荡器。当按下S，电源经VD2对C1充电，当集成电路4脚（复位端）电压大于1V时，电路振荡，扬声器中发出“叮”声。松开按钮S，C1电容储存的电能经R4电阻放电，但集成电路④脚继续维持高电平而保持振荡，但这时因R1电阻也接入振荡电路，振荡频率变低，使扬声器发出“咚”声。当C1电容器上的电能释放一定时间后，集成电路4脚电压低于IV，此时电路将停止振荡。再按一次按钮，电路将重复上述过程。想一想1．断开S后要改变余音的长短，可调整电路中元件的数值。2．试估算扬声器发出“叮咚”声时，555定时器组成的振荡器的振荡频率分别是、。3．如果Rl开路，当按下S时，电路出现的现象是；当松下开关S时，电路出现的现象是。拓展性知识一、单稳态触发器1．单稳态触发器的特点单稳态触发器具有下列特点：第一，它有一个稳定状态和一个暂稳状态；第二，在外来触发脉冲作用下，能够由稳定状态翻转到暂稳状态；第三，暂稳状态维持一段时间后，将自动返回到稳定状态，而暂稳状态时间的长短，与触发脉冲无关，仅决定于电路本身的参数。P4数字钟电路的制作与调试--114CRui847365552510.01μFuo+VCCuiuotttP00(a)电路(b)工作波形uct02VCC/3图4-1-8555定时器构成的单稳态触发器CRui847365552510.01μFuo+VCCuiuotttP00(a)电路(b)工作波形uct02VCC/3图4-1-8555定时器构成的单稳态触发器(a)电路(b)工作波形图4-1-8555定时器构成的单稳态触发器2．555定时器构成的单稳态触发器的电路组成及其工作原理单稳态触发器的组成如图4-1-8所示。接通VCC后瞬间，VCC通过R对C充电，当uc上升到CCV32时，比较器C1输出为0，将触发器置0，uo＝0。这时Q=1，放电管T导通，C通过T放电，电路进入稳态。ui到来时，因为CCiVu31，使C2＝0，触发器置1，uo又由0变为1，电路进入暂稳态。由于此时Q=0，放电管T截止，VCC经R对C充电。虽然此时触发脉冲已消失，比较器C2的输出变为1，但充电继续进行，直到uc上升到CCV32时，比较器C1输出为0，将触发器置0，电路输出uo＝0，T导通，C放电，电路恢复到稳定状态。3．主要参数的估算(1)输出脉冲宽度：tP=1.1RC(2)恢复时间：tre=3~5RCES·C(3)最高工作频率：repttf1max二