《数字逻辑要点.docx
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《数字逻辑要点
CHANGZHOUINSTITUTEOFTECHNOLOGY
《数字逻辑系统课程设计》报告
专业：
计算机科学与技术
班级：
14计二
学生姓名：
程明迪
学号：
14030206
计算机信息工程学院
2016年元月
目录
第1章课题的概述3
第2章系统的构成4
第3章原理图的设计7
3.1器件的选用7
3.2所选器件构成的单元工作原理图15
3.3实现课题要求的总原理图17
3.4元器件目录清单17
第4章设计小结及体会18
第1章课题的概述
1.1设计目的、意义
1.了解计时器主体电路的组成及工作原理；熟悉采用异步时序电路设计方法实现课题要求；熟悉集成电路及有关电子元器件的使用。
2.掌握异步时序电路设计方法，结合课题一完成整点报时电路设计，解决有关实际问题，锻炼综合应用能力。
1.2课设内容、要求、达到的性能指标，设计思路
1.2.1内容
设计一个具有秒、分、时显示的数字电子钟，能够做到校时、校分、校秒。
1.2.2设计要求
1.根据计时器的方框图和指定器件，完成计时器主体电路设计及实验；
2.利用异步时序电路的方法，设计一个24进制的时控电路，要求当计数器运行到23时59分59秒时，秒个位计数器再接收一个秒脉冲信号后，计数器自动显示为00时00分00秒，完成进制的计时要求；
3．具有校时、分、秒；
4．在实验板上安装、调试出课题所要求的计时器；
5．画出逻辑电路图、时序图，并写出设计报告。
1.2.3性能指标
1、设计信号发生器并产生1HZ频率的时钟脉冲信号；
2、实现精准的时、分、秒显示计时；
3、可以手动校正：
能分别进行分、时的校正。
只要将开关置于手动位置，可分别对分、时进行手动脉冲输入调整或连续脉冲输入的校正。
1.2.4设计思路
数字计时器一般由振荡器、分频器、计数器、译码器、显示器等几部分组成，各部分电路都是数字电路中应用最广的基本电路。
计时器主体框图如图1－1所示。
石英晶体振荡器产生的时标信号送到分频器，分频电路将时标信号分成每秒一次的方波作为秒信号。
秒信号送入计数器进行计数，并将累计结果以“时”、“分”、“秒”的数字显示出来。
“秒”显示由两级计数器和译码器组成的十进制电路实现。
“分”显示电路与“秒”相同；“时”显示电路由两级计数器和译码器组成的二十四进制计数电路来实现。
所有计时结果由六位LED七段显示器显示。
本次数字时钟电路设计使用了三片74LS161二进制计数器,三片74LS160十进制计数器和一片74LSOO二输入四与非门,采用异步连接设计构成数字电子钟。
分、秒均使用60进制循环计数，时使用24进制循环计数。
1.3设计应用的原理及理论
数字电子钟所采用的是十六进制计数器74LS161和十进制计数器74SL160，根据时分秒各个部分的的不同功能，设计成不同进制。
秒的个位，需要10进制计数器，十位需6进制计数器（计数到59时清零并进位）。
秒部分设计与分钟的设计完全相同；时部分的设计为当时钟计数到24时，使计数器的小时部分清零，从而实现整体循环计时的功能。
第2章系统的构成
2.1总体框图
2.2各模块框图
2.2.1石英晶体振荡器设计
石英晶体振荡器的作用是产生一个标准频率信号，然后再由分频器分成时间秒脉冲，因此振荡器振荡的精度与稳定度，决定了计时器的精度和质量。
振荡电路由石英晶体、微调电容、反相器构成，如图1－2所示。
图中Rf为反馈电阻（10~100MΩ），目的是为CMOS反相器提供偏置，使其工作在放大状态（而不是作反相器用）。
C1是频率微调电容取3/25PF，C2是温度特性校正用电容，一般取20~50PF。
非门2起整形作用。
晶体振荡器件目前多数采用石英电子手表用晶振32768HZ，32768是2的15次方，经过15级二分频即可得到1HZ（信号）。
从时钟精度考虑，晶振频率愈高，计时精度就愈高，但耗电将增大。
2.2.2石英晶体振荡器设计分频器设计
采用32768HZ晶振，用n位二进制计数器进行分频，可得1/2n频率信号，要得到1秒信号，则n=15。
根据以上分析，可用CD4060十四位串行计数器／振荡器来实现分频和振荡。
如图1－3所示，但由于CD4060只能实现14级分频，少了一级分频，所以必须外加一级分频，可用CD4013双D触发器来实现。
3.2.2.3计数器设计
来自分频器的秒信号，分别送到秒、分、时的十位和个位。
秒、分计数器为60进制，小时计数器为24进制。
这种计数器的设计可采用异步反馈置零法，先按二进制计数级联起来构成计数器，当计数状态达到所需的模值后，经门电路译码、反馈，产生“复位”脉冲将计数器清零，然后重新开始进行下一循环。
1．60进制计数
秒计数器由秒个位计数器JS1和秒十位计数器JS2组成。
JS1组成十进制计数，JS2组成六进制计数。
十进制计数用反馈归零法设计，在课本上介绍较多，这里不再多讲。
如果用CD4510（四位十进制计数器）来设计本课题，那么十进制计数设计更简单了。
六进制计数的反馈方法是当CP输入第六个脉冲时，输出状态“Q3Q2Q1Q0=0110”，用与门将Q2Q1取出，送到计数器CR清零端，使计数器归零，从而实现六进制计数。
如图所示采用CD4510设计的60进制计数器，可作为秒、分计数器用。
2．24进制计数
当个位计数状态为“Q3Q2Q1Q0=0100”，十位计数状态为“Q3Q2Q1Q0=0010”时，即24时，通过把个位Q2、十位Q1相与后的信号送到个位、十位清零端CR，使计数器复零，从而实现24进制计数。
如图所示。
2.2.4译码和显示电路
译码是把给定的代码进行翻译，变成相应的状态。
用来驱动LED七段码的译码器常用的有CD4511中规模集成电路，它具有四位输入码BCD码（带锁存）输出七段码（带驱动）的功能。
2.2.5校时电路
刚接通电源时，时钟都需要进行时间校准。
如图所示的校时电路由CMOS电路和三只开关（K1~K3）组成，分别实现对时、分、秒的校准。
开关选择有“正常”和“校时”两档。
校“时”、“分”的原理比较简单，当开关打在“校时”状态，秒脉冲时进入个位计数器，实现校对功能。
校“秒”时，送入2HZ（0.5秒）信号，可方便快速校对。
图中与非门电路可采用CD4011实现。
第3章原理图的设计
3.1器件的选用
3.1.1元器件
1．CD4510四位十进制同步加／减计数器
2．CD4511四位锁存／七段译码器／驱动器
4．七段LED共阴0.5数码管
5．CD4011四二输入与非门
6．D4069六反相器
7．CD4011四－二输入与非门
9.CD4081二输入与门
10．晶振32768HZ
11．电阻、电容、导线、开关
3.1.2仪器设备
1．数字逻辑实验箱一台
2．示波器一台
3．频率计一台
4．+12V稳压电源一台
5．提供实验箱一台或数字电子计时器组件一块
6．实验板一块
3.1.3各芯片引脚图，功能图
CD4510为一位十进制加/减可逆循环计数器，六个与非门与四个或非门构成了不循环控制电路。
由开关1S来选择计数器的“加”、“减”，当开关接高电平时为加，当开关接低电平时为减。
为防止电压过高，开关1S接上拉电阻6R到+5V，6R阻值定为10K。
表3-1CD4510逻辑功能表
CIN
U/
PE
R
工作状态
1
×
0
0
停止计数
0
1
0
0
加法计数
0
0
0
0
减法计数
×
×
1
0
预置数
×
×
×
1
复位
表3-1为CD4510的逻辑功能表，通过上表可以得到加减不循环控制的原理。
当Q0~Q3输出为“9”，U/
接高电平时，通过与非门和或非门的控制，INC反馈为高电平，此时停止加法计数。
同理，当Q0~Q3输出为“0”，U/
接低电平时，INC反馈为高电平，此时停止减法计数。
为防止CD4511输出的电流过大，在七段数码管的每个输入管脚上都接了一个小电阻作为保护，取值为300Ω。
CD4511是一个用于驱动共阴极LED（数码管）显示器的BCD码—七段码译码器，特点如下：
具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流；
可直接驱动LED显示器。
4511引脚图：
其功能介绍如下：
BI：
4脚是消隐输入控制端，当BI=0时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。
LT：
3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0时，译码输出全为1，不管输入DCBA状态如何，七段均发亮，显示“8”。
它主要用来检测数码管是否损坏。
LE：
锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。
LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。
A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。
CD4511的内部有上拉电阻，在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作。
1.CD4511的引脚
CD4511具有锁存、译码、消隐功能，通常以反相器作输出级，通常用以驱动LED。
其引脚图如3-2所示。
各引脚的名称：
其中7、1、2、6分别表示A、B、C、D；5、4、3分别表示LE、BI、LT；13、12、11、10、9、15、14分别表示a、b、c、d、e、f、g。
左边的引脚表示输入，右边表示输出，还有两个引脚8、16分别表示的是VDD、VSS。
2.CD4511的工作原理
CD4511的工作真值表如表3-2
锁存功能
译码器的锁存电路由传输门和反相器组成,传输门的导通或截止由控制端LE的电平状态。
当LE为“0”电平导通，TG2截止；当LE为“1”电平时，TG1截止，TG2导通，此时有锁存作用。
如图3-3
（3）译码
CD4511译码用两级或非门担任，为了简化线路，先用二输入端与非门对输入数
据B、C进行组合，得出、、、四项，然后将输入的数据A、D一起用或非门译码。
（4）消隐
BI为消隐功能端，该端施加某一电平后，迫使B端输出为低电平，字形消隐。
消隐控制电路如图3-4所示。
消隐输出J的电平为
J==（C+B）D+BI
如不考虑消隐BI项，便得J=（B+C）D
据上式，当输入BCD代码从1010---1111时，J端都为“1”电平，从而使显示器中的字形消隐。
8421BCD码对应的显示见下图：
选用共阴极数码管，对于CD4511，它与数码管的基本连接方式如下图：
4069引脚图如下：
CD4081引脚图如下:
3.2所选器件构成的单元工作原理图
3.2.1分，秒计时电路的设计
秒﹑分﹑为60﹑60进制计数器。
秒﹑分﹑均为60进制，即显示00—59，它们的各位为十进制，十位为六进制。
数字钟采用计数器使用的是CD4510加减计数器，数字钟采用的是加计数功能。
其连接图如图6。
整个系统由脉冲电流从CLK端输入，驱动计数器CD4510计数，CD4510以8421BCD码进行十进制计数，并接把结果传输给译码器CD4511，CD4511将其译码驱动共阴极数码管显示出数字。
其中秒的各位直接向十位进位，其进位信号直接输给十位的CLK端。
秒的十位为六进制计数器，只要将其输出的11.14角接入与门回送到RST端即可。
仅为连接图如图7分位其功能和秒位类似，在此就不一一列出了，不过，其各位的脉冲信号要接秒十位的进位信号，其他都一样。
3.2.2小时计时电路的设计
小时为24进制计数器。
小时为24进制，即显示00—23，它们的各位为十进制，十位为2进制。
数字钟采用计数器使用的是CD4510加减计数器，数字钟采用的是加计数功能。
其连接方法是十位的11角和个位的14角接入一个与门回送到十位和个位的RST端，其连接图如图8。
3.3实现课题要求的总原理图
3.4元器件目录清单
1．CD4510四位十进制同步加／减计数器
2．CD4511四位锁存／七段译码器／驱动器
4．七段LED共阴0.5数码管
5．CD4011四二输入与非门
6．D4069六反相器
7．CD4011四－二输入与非门
9.CD4081二输入与门
10．晶振32768HZ
11．电阻、电容、导线、开关
第4章设计小结及体会
这次数电的课程设计，我有努力的去完成。
这次课程设计只有3天的时间，时间还是很紧凑的。
一开始是画原理图，但是好多知识不懂，所以就先拿出数电书复习相关资料，比如七段译码显示器、计数器、振荡器，还有些逻辑电路图等等，然后再查询老师说的各种芯片的资料，一个一个仔细了解，知道各引脚的功能，然后一个片子一个片子地连图，连完后仿真出现问题就再进行修改，耗费的时间也挺长的，因为对数电的逻辑图不是那么了解，但是看着画好的电路图仿真出来的那一刻还是非常开心的，觉得这么多的时间花费值得。
接着就是要进实验室了，其实心里还是很紧张的，要把电路图在实物中连接出来没那么容易，而且总觉得电路图这么复杂要把实物连出来肯定很难，所以早上很早就去了实验室，老师先讲了一点注意点，然后就让我们开始做了，一开始根本不知道应该怎么做，只会按着原理图连线，什么都不懂，当然是遇到了很多问题，一开始数码管出现了数字，但却是倒着计时的，然后我们检查了线路，经调整后终于发现了问题，加以改正后终于对了，那时真的很开心。
接下来就是秒的个位到十位不进位，这又让我们头疼了，我们就不停检查电线，最后迫不得已把线全部拔掉重新连接，终于找到了出错的地方。
接下来就是分的设计，它和秒一样是六十进制，接法一样。
但接到时的时候，明明是二十四进制的，而我们显示器接到100才返回，找了很久的错误都没有找到错误，我们着急的好想拔掉重接，但我们从别人那得知原来是我们的原理图一处连接错误了，这一处改完了，我们的数字钟终于都正确了，那时真的很开心。
最后是校时、校分和校秒，这个步骤很快连好了，但是校对的不准确，秒跳得特别快，改哪都不对，后来仔细检查了原理图和连的线，和做好的同学比较之下，找到了原因。
最后全部弄完了，我们拍照留恋，看着自己把这么多线接正确，真的很有满足感。
我做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。
平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。
而且还可以记住很多东西。
比如一些芯片的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，通过动手实践让我们对各个元件映象深刻。
认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。
所以这个期末测试之后的课程设计对我们的作用是非常大的。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
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