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1、一、数字电子钟1设计目的（1）培养数字电路的设计能力。（2）掌握数字电子钟的设计、组装和调试方法。2设计内容及要求（1）设计一个数字电子钟电路。要求：按24小时制直接显示“时”、“分”、“秒”。当电路发生走时误差时具有校时功能。具有整点报时功能，报时音响为4低1高，即在59分51秒、53秒、55秒、57秒输出500Hz信号，在59分59秒时输出1000 Hz信号，音响持续时间为1秒，最后一响结束时刻正好为整点。（2）用中小规模集成电路组成电子钟，并在实验仪上进行组装、调试。（3）画出各单元电路图、整机逻辑框图和逻辑电路图，写出设计、实验总结报告。（4）选作部分：闹钟系统。日历系统。3数字电子钟
2、基本原理及设计方法数字电子钟的逻辑框图如图14-1-1所示。它由振荡器、分频器、计数器、译码器、显示器、校时电路和整点报时电路组成。振荡器产生的脉冲信号经过分频器作为秒脉冲，秒脉冲送入计数器计数，计数结果通过“时”、“分”、“秒”译码器显示时间。有的数字电子钟还加有定时响铃、日历显示等其它功能，需增加相应的辅助电路。图14-1-1 数字电子钟的基本逻辑框图（1）振荡分频电路振荡器是数字电子钟内部用来产生时间标准“秒”信号的电路。构成振荡器的电路很多，图14-1-2（a）是RC环形多谐振荡器，其振荡周期T2.2RC。作为时钟，最主要的是走时准确，这就要求振荡器的频率稳定。要得到频率稳定的信号，需
3、要采用石英晶体振荡器。石英晶体振荡器电路如图14-1-2（b）所示，这种电路的振荡频率只取决于石英晶体本身的固有频率。图14-1-2 振荡器（a）RC环形多谐振荡器 （b）石英晶体多谐振荡器由于石英晶体振荡器产生的频率很高，要得到秒信号，需采用分频电路。例如，振荡器输出4 MHz信号，先经过4分频变成1 MHz，再经过6次10分频计数器，便可得到1Hz的方波信号作为秒脉冲。（2）计数器把秒脉冲信号送入秒计数器个位的CP输入端，经过6级计数器，分别得到“秒”个位、十位，“分”个位、十位，以及“时”个位、十位的计时。“秒”、“分”计数器为60进制，“时”计数器为24进制。24进制计数器如图14-1
4、-3所示。当“时”个位计数器输入端CP来到第10个触发脉冲时，该计数器归零，进位端QD5向“时”十位计数器输出进位信号。当第24个“时”脉冲（来自“分”计数器输出的进位信号）到来时，十位计数器的状态为0010，个位计数器的状态位0100，此时“时”十位计数器的QB6和“时”个位计数器的QC5输出为1。两者相与后送到两计数器的清零端R0A和R0B，通过74LS90内部的R0A和R0B与非后清零，完成24进制计数。同理可构成60进制计数器。图14-1-3 24进制计数器（3）译码显示电路译码驱动器采用8421 BCD码七段译码驱动器74LS48，显示器采用共阴极数七段数码显示器，有关74LS48和
5、七段显示器的使用方法前面已经作了介绍，这里不再赘述。（4）校时电路当数字电子钟出现走时误差时，需要对时间进行校准。实现校时电路的方法很多，如图14-1-4所示电路即可作为时计数器或分计数器的校时电路。图14-1-4 校时电路现设用该电路作为分计数器的校时电路，图中采用RS触发器作为无抖动开关。通过开关K的接入位置，可以选择是将“1 Hz信号”还是将“来自秒计数器的进位信号”送至分计数器的CP端。当开关K置于B端时，RS触发器的输出、，“来自秒计数器的进位信号”被送至分计数器的CP端，分计数器正常工作；需要校正分计数器时，将开关K置于A端，这时RS触发器的输出、，“1 Hz信号”被送至分计数器的
6、CP端，分计数器在“1Hz信号”的作用下快速计数，直至正确的时间，再将开关K置于B端，达到了校准时间的目的。（5）整点报时电路电路的设计要求在差10 s为整点时开始每隔1 s鸣叫一次，每次持续时间为1 s，共鸣叫5次，前4次为低音500 Hz，最后一次为高音1 kHz。因为分计数器和秒计数器从59分51秒计数到59分59秒的过程中，只有秒个位计数器计数，分十位、分个位、秒十位计数器的状态不变，分别为QD4QC4QB4QA40101，QD3QC3QB3QA31001，QD2QC2QB2QA20101，所以QC4QA4QD3QA3QC2QA21不变。设Y1 QC4QA4QD3QA3QC2QA2，又
7、因为在51、53、55、57秒时QA11，QD10，输出500Hz信号f2；59秒时QA11，QD11，输出1kHz信号f1，由此可写出整点报时电路的逻辑表达式为：用与非门实现，则整点报时电路如图14-1-5所示。图中音响电路采用射极输出器，推动8的喇叭。三极管基极串接1 k限流电阻，是为了防止电流过大损坏喇叭，在集电极也串接51限流电阻。三极管选用高频小功率管即可。4组装和调试要点在实验箱上组装电子钟，组装时应严格按图连接引脚，注意走线整齐，布局合理，器件的悬空端、清0端、置1端要正确处理。调试步骤和方法如下：（1）用数字频率计测量晶体振荡器输出频率，用示波器观察波形。晶体振荡器输出频率应为
8、4 MHz，同时波形为矩形波。（2）将频率为4 MHz的信号送入分频器各输入端，并用示波器检查各级分频器的输出频率是否符合设计要求。（3）将1 s信号分别送入“时”、“分”、“秒”计数器，检查各级计数器的工作情况。若不正常，则可依次检查显示器、译码驱动器、计数器及计数器的反馈归零电路。（4）观察校时电路的功能是否满足校时要求。（5）将时间调整到59分50秒，观察报时电路能否准确报时。（6）整机联调，使数字电子钟正常工作。图14-1-5 整点报时电路5供参考选择的元器件（1）集成电路：74LS90 12片，74LS48 6片，74LS00 6片，74LS20 2片。（2）电阻：1 k 3个，10
9、 k 4个，51 1个。（3）电容：0.01F 2个。（4）三极管：3DG12 1个。（5）其它：共阴极显示器 6个，4 MHz石英晶振 1片，8扬声器 1个。二、 交通信号灯1设计目的（1）培养数字电路的设计能力。（2）掌握交通信号灯控制电路的设计、组装和调试方法。2设计内容及要求（1）设计一个交通信号灯控制电路。要求：主干道和支干道交替放行，主干道每次放行30 s，支干道每次放行20 s。每次绿灯变红灯时，黄灯先亮5 s钟，此时原红灯不变。用十进制数字显示放行及等待时间。（2）用中、小规模集成电路组成交通信号灯电路，并在实验仪上进行组装、调试。（3）画出各单元电路图、整机逻辑框图和逻辑电路
10、图，写出设计、实验总结报告。（4）选作部分：采用倒计时的方式显示放行及等待时间。3交通信号灯基本原理及设计方法十字路口的红绿灯指挥着行人和各种车辆的安全通行。有一个主干道和一个支干道的十字路口如图14-2-1所示。每边都设置了红、绿、黄色信号灯。红灯亮表示禁止通行，绿灯亮表示可以通行，在绿灯变红灯时先要求黄灯亮几秒钟，以便让停车线以外的车辆停止运行。因为主干道上的车辆多，所以主干道放行的时间要长。要实现上述交通信号灯的自动控制，则要求控制电路由时钟信号发生器、计数器、主控制器、信号灯译码驱动电路和数字显示译码驱动电路几部分组成，整机电路的原理框图如图14-2-2所示。图14-2-1 十字路口图
11、 图14-2-2 交通信号灯控制电路框图（1）主控制器十字路口车辆运行情况只有4种可能：设开始时主干道通行，支干道不通行，这种情况下主绿灯和支红灯亮，持续时间为30 s。30 s后，主干道停车，支干道仍不通行，这种情况下主黄灯和支红灯亮，持续时间为5 s。5 s后，主干道不通行，支干道通行，这种情况下主红灯和支绿灯亮，持续时间为20 s。20 s后，主干道仍不通行，支干道停车，这种情况下主红灯和支黄灯亮，持续时间为5 s。5 s后又回到第一种情况，如此循环反复。因此，要求主控制器电路也有4种状态，设这4种状态依次为：S0、S1、S2、S3。状态转换图如图14-2-3所示。 图14-2-3 主控
12、制器的状态图 图14-2-4 主控制器的逻辑图设S000，S101，S210，S311。实现这4个状态的电路，可用两个触发器构成，也可用一个二-十进制计数器或二进制计数器构成。如用二-十进制计数器74LS90实现，采用反馈归零法构成4进制计数器，即可从输出端QBQA得到所要求的4个状态。逻辑图如图14-2-4所示。为以后叙述方便，设X1QB，X0QA。（2）计数器计数器的作用有二：一是根据主干道和支干道车辆运行时间以及黄灯切换时间的要求，进行30 s、20 s、5 s3种方式的计数；二是向主控制器发出状态转换信号，主控制器根据状态转换信号进行状态转换。计数器除需要秒脉冲作时钟信号外，还应受主控
13、制器的状态控制。计数器的工作情况为：计数器在主控制器进入状态S0时开始30 s计数；30 s后产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器进入状态S1，计数器开始5 s计数；5 s后又产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器进入状态S2，计数器开始20 s计数；20 s后也产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器进入状态S3，计数器又开始5 s计数；5 s后同样产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器回到状态S0，开始新一轮循环。根据以上分析，设30 s、20 s、5 s计数的归零信号分别为A、
14、B、C，则计数器的归零信号L为：其中：考虑到主控制器的状态转换为下降沿触发，将L取反后送到主控制器的CP端作为主控制器的状态转换信号。计数器的逻辑图如图14-2-5所示。图14-2-5 计数器（3）控制信号灯的译码电路主控制器的4种状态分别要控制主、支干道红、黄、绿灯的亮与灭。设灯亮为1，灯灭为0，则控制信号灯的译码电路的真值表如表14-2-1所示。表14-2-1 控制信号灯的译码电路的真值表主控制器状态主干道支干道X1 X0红灯R 黄灯Y 绿灯G红灯r 黄灯y 绿灯gS0S1S2S30 00 11 01 10 0 10 1 01 0 01 0 01 0 01 0 00 0 10 1 0由真值表可分别写出各个灯的逻辑表达式：译码电路的逻辑图如图14-2-6所示。图14-2-6 控制信号灯的译码电路4组装和调试要点在实验箱上按各单元电路分别搭接主控制器、计数器、信号灯译码器、数字显示译码器和秒脉冲信号发生器。然后按照以下步骤进行调试：（1）秒脉冲信号发生器的调试，可按照数字电子钟的方法逐级调试振荡电路和分频电路，使输出频率符合设计要求。（2）将秒脉冲信号送入主控制器的CP端，观察主控制器的状态是否按照0001101100的规律变化。（3）将秒脉冲信号送入计
