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Informe de diseño del curso de tecnología electrónica digital

1. Propósito del diseño

Un reloj digital es un dispositivo que utiliza tecnología de circuitos digitales para calcular horas, minutos y segundos. En comparación con los relojes mecánicos, son más precisos e intuitivos, no tienen dispositivos mecánicos y tienen una vida útil más larga, por lo que se utilizan ampliamente.

En principio, un reloj digital es un circuito digital típico, que incluye circuitos lógicos combinacionales y circuitos secuenciales.

Por lo tanto, el propósito de nuestro diseño y producción de relojes digitales esta vez es comprender los principios de los relojes digitales y aprender a fabricar relojes digitales. Y a través de la producción de relojes digitales, podemos comprender mejor los diversos. Relojes pequeños y medianos utilizados en la producción. El papel y los métodos prácticos de los circuitos integrados a gran escala. Y debido a que los relojes digitales incluyen circuitos lógicos combinacionales y circuitos secuenciales, puede aprender y dominar aún más los principios y métodos de uso de varios circuitos lógicos combinacionales. y circuitos secuenciales.

2. Requisitos de diseño

(1) Indicadores de diseño

① El tiempo se basa en 12 horas como ciclo

③ Tiene una función de corrección de tiempo, que puede ajustar las horas y los minutos por separado a la hora estándar.

④ El proceso de cronometraje tiene; una función de informe de tiempo cuando el tiempo llega a 10 segundos antes de la hora, informe de tiempo del zumbador;

⑤ Para garantizar la estabilidad y precisión de la sincronización, el oscilador de cristal debe proporcionar la señal de referencia de tiempo manual.

(2) Requisitos de diseño

① Dibujar el diagrama esquemático del circuito (o diagrama del circuito de simulación)

② Selección de componentes y parámetros

③ Simulación y depuración de circuitos;

④ 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 proporcione información.

3. Diagrama de bloques del principio

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.

(a) Diagrama de bloques del reloj digital

2. Circuito 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 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. Generalmente, hay dos tipos de circuitos osciladores de cristal digitales con salida de onda cuadrada. Un tipo está compuesto por circuitos de puerta TTL; el otro es un circuito compuesto por puertas CMOS, NO. Como se muestra en la Figura (b), un circuito oscilador de cristal está compuesto por un inversor CMOS U1, un cristal, un condensador y una resistencia U2 que implementa la función de conformación y convierte 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 forme una red de retroalimentación positiva y realice 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.

(b) Oscilador de cristal CMOS (circuito de simulación)

3. Circuito de conteo de tiempo

Generalmente, los contadores decimales como 74HC290, 74HC390, etc. se utilizan para realizar la función de conteo de la unidad de conteo de tiempo. En este diseño se seleccionó el 74HC390. Se puede ver en su diagrama de bloques lógico interno que es un contador asíncrono dual 2-5-10, y cada contador tiene un terminal de compensación asíncrono (nivel alto activo).

La segunda unidad de conteo de unidades es un contador decimal, no es necesario realizar conversión de base, simplemente conecte QA a CPB (borde descendente válido). CPA (caída no válida) 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 diez dígitos es un contador hexadecimal y requiere conversión hexadecimal. El método de conexión del circuito para convertir un contador decimal en un contador hexadecimal se muestra en la Figura 2.4, en la que Q2 se puede utilizar como señal de acarreo ascendente para conectarse al CPA de la unidad de conteo de unidades.

Circuito de conversión de decimal a hexadecimal

La estructura del circuito de las unidades de conteo de unidades y decenas es exactamente la misma que la de las unidades de conteo de unidades y decenas respectivamente, excepto que Q3 del bit La unidad de conteo 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 (d).

(d) Circuito dodecimal

Además, en el circuito que se muestra en la Figura (d), todavía hay una unidad de conteo binaria, que se puede usar como divisor de frecuencia de salida de 2 HZ. Conversión de señal Para fines de señal de 1HZ.

4. Controlador de decodificación y circuito de unidad de visualización

Seleccione CD4511 como circuito de decodificación de pantalla; seleccione el tubo digital LED como circuito de unidad de visualización. La señal binaria de entrada se traduce a números decimales mediante el CD4511 y luego se muestra en el tubo digital. Los tubos digitales LED aquí se conectan mediante el método positivo y negativo.

El contador detecta la acumulación de tiempo y la transmite al chip CD4511 en forma de código 8421BCD. Luego, el chip 4511 convierte el código BCD en un número decimal y lo envía al tubo digital para su visualización.

5. Circuito de corrección de tiempo

El reloj digital debe tener funciones de corrección de rama y de tiempo. 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 cambiar entre los dos. Se debe utilizar la señal de sincronización normal y la señal de corrección en cualquier momento. Es un circuito de tiempo o de rama implementado mediante puertas COMS NOR. El terminal In1 está conectado a la señal de transporte de bits bajos; el terminal In2 está conectado a la señal de corrección. La señal de corrección se puede tomar directamente de 1 HZ o 2 HZ. por la señal del divisor de frecuencia (ni demasiado alta ni demasiado baja); el terminal de salida está conectado al terminal de entrada de sincronización de unidades de minutos o horas; Cuando el interruptor está hacia abajo, debido a que la salida de la suma de fases de la señal de corrección y 0 es 0, y el otro extremo del interruptor está conectado a un nivel alto, la señal de entrada normal puede pasar a través de la puerta AND o sin problemas, por lo que el circuito de sincronización está en un estado de sincronización normal; cuando el interruptor se gira hacia arriba, la situación es justo opuesta a la anterior y el circuito de ajuste de tiempo está en el estado de ajuste de tiempo.

En el uso real, debido a que el interruptor del circuito tiene un problema de fluctuación, generalmente se conecta un flip-flop RS para formar un circuito antirrebote del interruptor, por lo que todo el circuito es como se muestra en la Figura (f).

(f) Circuito de corrección con circuito anti-rebote

6. Circuito de timbre horario

El circuito debe iniciar el timbre horario dentro de los 10 segundos antes de la hora, es decir, cuando el tiempo esté entre 59 minutos y 50 segundos y 59 minutos y 59 segundos, el circuito de timbre horario suena la señal de control de tiempo.

Cuando el tiempo oscila entre 59 minutos y 50 segundos y 59 minutos y 59 segundos, los dígitos de minutos y decenas, unidades de minutos y segundos permanecen sin cambios, que son 5, 9 y 5 respectivamente, por lo que los minutos se puede cambiar El QC y QA de los dígitos de las decenas del contador, el QD y QA de los dígitos de las unidades y el QC y QA de los dígitos de las decenas del contador de segundos se combinan en fases para generar una señal de control de cronometraje.

El circuito de reporte horario puede estar compuesto por 74HC30. El 74HC30 es una puerta NAND de 8 entradas.

4. Componentes

1. 1 pieza de tabla de cuatro pruebas (No. A45)

2. 1 par de pinzas

3. 1 par de tijeras

4. ***6 tubos digitales negativos de ocho segmentos

5. Cable de red 2 metros/persona

6. 6 piezas de bloques integrados CD4511

7. CD4060 bloque integrado 1 pieza

8. 74HC390 bloque integrado 3 piezas

9. 74HC51 bloque integrado 1 pieza

10. >

11. 1 pieza de colector 74HC30

12. 5 piezas de resistencias de 10 MΩ

13. de condensadores de 30p

15 1 cristal de reloj de 32.768k

16. 10 zumbadores (por turno)

1) Diagrama de conexión del chip

1)74HC00D 2)CD4511

3)74HC390D 4)74HC51D

2. Introducción a la placa de pruebas

Una placa de pruebas se compone de cinco partes, una vertical y cuatro horizontales. La placa de pruebas en sí es una placa sin soldadura.

El estilo de la placa de pruebas es:

Notas sobre la placa de pruebas:

1. Por lo general, hay enchufes tipo banana al lado de la placa para voltaje de entrada, señales y conexión a tierra.

2． Las líneas negras conectadas en la imagen de arriba indican que las tomas están conectadas.

3. Al tirar de los cables, intente mantenerlos lo más cerca posible de la placa de pruebas y manténgalos en ángulo recto para evitar cruzar o cruzar componentes.

4. Después de haber utilizado la placa durante mucho tiempo, los cables de cobre que conectan los conectores pueden a veces caerse. En este caso, marque la fila de conectores. y ya no se usa.

5. Diagrama de circuito de cada bloque funcional

En principio, un reloj digital es un circuito digital típico que puede estar compuesto por muchos circuitos integrados de tamaño pequeño y mediano, por lo que puede dividirse en muchos circuitos independientes.

(1) Circuito hexadecimal

Está compuesto por 74HC390, 7400, tubo digital y 4511. El circuito se muestra en la Figura 1.

(2) Circuito decimal

Está compuesto por 74HC390, 7400, tubo digital y 4511. El circuito se muestra en la Figura 2.

(3) Circuito sexagesimal

Consta de dos válvulas digitales, dos 4511, un 74HC390 y un chip 7400. El circuito se muestra en la Figura 3.

(4) Circuito sexagesimal doble

Está compuesto por dos sexagesimales. Conecta la señal de entrada de las unidades con el Qc de las decenas de segundos para generar un acarreo. El diagrama del circuito se muestra en la Figura 4.

(5) Circuito de conteo de tiempo

Consta de 1 circuito de doce dígitos y 2 circuitos de seis dígitos. Como ya tiene un circuito doble sesenta, simplemente combínelo. con el circuito de doce dígitos Simplemente conecte el circuito. Consulte la Figura 5 para ver el circuito detallado.

(6) Circuito de corrección

Está compuesto por 74CH51D, 74HC00D y resistencias. El circuito de corrección tiene dos partes: subcorrección y corrección de tiempo. El circuito se muestra en la Figura 6. .

(7) Circuito oscilador de cristal

Consta de un cristal, dos condensadores de 30 pF, un 4060 y una resistencia de 10 M. El pin 3 del chip emite una señal de onda cuadrada de 2 Hz. El circuito como se muestra en la Figura 7.

(8) Circuito de timbre horario

Está compuesto por 74HC30D y timbre. Cuando el tiempo sea de 59:50 a 59:59, el timbre sonará la hora. El circuito se muestra en la Figura 8.

6. Disposición simplificada de los componentes principales del cableado

Todo el reloj digital se compone de un circuito de conteo de tiempo, un circuito oscilador de cristal, un circuito de corrección y un circuito de cronometraje horario.

El circuito de corrección se utiliza para reemplazar el acarreo entre horas, minutos y segundos en el circuito de conteo de tiempo. Cuando el circuito de corrección de tiempo está en la señal de entrada normal, el circuito de conteo de tiempo sincronizará normalmente, pero cuando. se corrige, no se genera un acarreo de tiempo, y la corrección de los minutos y la hora es separada, y el circuito de corrección también es un circuito independiente.

La señal de entrada del circuito es generada por el circuito oscilador de cristal y ingresa a cada circuito.

El diagrama simplificado se muestra en la Figura 9.

7. Diagrama general de conexión del chip

Debido a la diferencia entre la simulación y los componentes reales, sobre la base del diagrama original, este diagrama se dibujó de acuerdo con el diseño real del Chip real. El diagrama de cableado del diseño se muestra en la Figura 10.

8. Resumen

1. Problemas encontrados durante el experimento y sus soluciones

① Prueba de placa de pruebas

Prueba si los contactos de la placa de pruebas están conectados.

② Medición de la pantalla de siete segmentos y el decodificador de siete segmentos

Conecte la pantalla al CD4511 Al conectarse por primera vez, el tubo digital no mostró ningún número. Después de la inspección, se descubrió que era digital. Después de probar con un multímetro, se descubrió que era causado. por un mal contacto entre los pines del chip, por lo que es muy importante confirmar si el chip está en buen contacto.

③ Conexión y prueba del circuito de conteo de tiempo

No hay gran problema con los sistemas hexadecimal y decimal. Es solo un viejo problema con los pines del chip. Se puede resolver re. -insertar el chip. Pero en el sistema sexagesimal, después del cableado según el diagrama, se encontró que los números en la pantalla siempre estaban en el sistema base 100, no en el sistema sexagesimal. Después de las pruebas, se encontró que no había ningún problema con la conexión del circuito o. el contacto del chip. Finalmente, al volver a conectar el cableado, descubrí que se debía a una conexión de clavija incorrecta. Después de corregir el problema, la pantalla volvió a la normalidad.

④ Circuito de corrección

Dado que el proceso anterior causó errores debido a conexiones de pines incorrectas, el circuito de corrección se conecta completamente de acuerdo con el diagrama de simulación. Durante la prueba, se inicia la calibración de tiempo. , no ocurrió ningún problema, pero cuando llegó a la rama, se descubrió que el segundo circuito del circuito de conteo comenzó a saltar aleatoriamente y cometió errores. Por lo tanto, debe haber algún problema con el circuito. Después de repetidas comparaciones, se descubrió que se debió a que se olvidó de eliminar la conexión entre las decenas de segundos y las unidades de minutos al conectarse al circuito de corrección. cableado, asegúrese de eliminar hilos innecesarios innecesarios.

2． Experiencia en diseño

A través de este diseño y producción de un reloj digital, aprendí sobre los procedimientos para diseñar circuitos. También me permitió comprender los principios y conceptos de diseño de los relojes digitales. primero El cableado real se realiza solo después de que la simulación sea exitosa. Sin embargo, es posible que el producto final no sea exactamente igual a la simulación, porque existen varias condiciones que restringen el cableado real. Además, las conexiones de circuitos que no pueden tener éxito en la simulación pueden tener éxito en la realidad debido a las características del propio chip. Por lo tanto, se deben considerar las diferencias entre los dos durante el diseño para encontrar el método de diseño más adecuado.

A través de este estudio, tengo una comprensión general de varios circuitos. Por lo tanto, es mejor caminar que sentarme y hablar sobre estos circuitos, de hecho debería operarlos yo mismo para tener una comprensión profunda.

3. Sugerencias sobre diseño

Espero que el profesor nos cuente alguna información y principios sobre el circuito antes de empezar a realizarlo, así como cómo detectar el circuito y cómo detectar el chip. Esto nos ayudará a entrar más en la situación y completar el diseño.