簡(jiǎn)介數(shù)字定時(shí)控制器電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告是一份面向電子技術(shù)專業(yè)學(xué)生的完整課程設(shè)計(jì)方案圍繞具有數(shù)字鐘功能的定時(shí)控制器展開涵蓋震蕩電路、分頻電路、計(jì)時(shí)電路、校時(shí)電路和鬧鐘電路五大模塊。報(bào)告詳細(xì)說(shuō)明了采用4060晶振產(chǎn)生2Hz信號(hào)經(jīng)74LS160分頻得到1Hz與0.5Hz信號(hào)再通過(guò)6片74LS160實(shí)現(xiàn)60進(jìn)制秒、分計(jì)數(shù)和24進(jìn)制時(shí)計(jì)數(shù)并利用CD4015移位寄存器完成校時(shí)操作鬧鐘部分則通過(guò)譯碼與0.5Hz信號(hào)相與實(shí)現(xiàn)響1秒停1秒的斷續(xù)鳴叫。包內(nèi)為1個(gè)doc文檔文件大小808KB內(nèi)容包含設(shè)計(jì)任務(wù)、方案分析、各電路原理圖與EDA仿真結(jié)果便于讀者對(duì)照學(xué)習(xí)數(shù)字邏輯、計(jì)數(shù)器、分頻器和狀態(tài)機(jī)等核心知識(shí)點(diǎn)。已有127人學(xué)習(xí)下載適合正在準(zhǔn)備電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)或復(fù)習(xí)數(shù)字電路知識(shí)的學(xué)生參考借鑒。 說(shuō)實(shí)話大學(xué)里做過(guò)電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)的人不少但能把一個(gè)課題從頭到尾吃透、講明白的不多。《數(shù)字定時(shí)控制器》這個(gè)題目很多學(xué)校在“數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)”和“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程之后都會(huì)拿來(lái)當(dāng)綜合訓(xùn)練這幾年在電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)里出現(xiàn)頻率尤其高。它好就好在一個(gè)題目里既有模擬電路的內(nèi)容RC振蕩、三極管驅(qū)動(dòng)又有數(shù)字電路的核心邏輯計(jì)數(shù)、譯碼、顯示、控制做完之后你對(duì)整個(gè)電子技術(shù)體系的認(rèn)知是連貫的。這篇文章我把整個(gè)項(xiàng)目從方案選擇、參數(shù)計(jì)算到實(shí)物調(diào)試、問(wèn)題排查按我自己實(shí)操的順序完整寫一遍水平有限的地方歡迎討論。1. 方案定型數(shù)字定時(shí)控制器為什么值得做又該怎么選路線1.1 課題考核的核心能力很多人拿到課題第一反應(yīng)是去搜現(xiàn)成電路圖。這可以理解但課程設(shè)計(jì)真正想考察的并不是“你能不能照?qǐng)D焊一塊板子”而是你有沒(méi)有能力把一個(gè)功能需求拆解成電路模塊再反過(guò)來(lái)把每個(gè)模塊的參數(shù)算清楚。數(shù)字定時(shí)控制器的需求很明確設(shè)定一個(gè)時(shí)間啟動(dòng)之后開始倒計(jì)時(shí)時(shí)間到了輸出一個(gè)控制信號(hào)。聽起來(lái)簡(jiǎn)單但拆開來(lái)看它至少涉及時(shí)基信號(hào)產(chǎn)生、計(jì)數(shù)與預(yù)置、譯碼顯示、驅(qū)動(dòng)輸出四個(gè)環(huán)節(jié)。這四個(gè)環(huán)節(jié)恰好對(duì)應(yīng)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程里的核心章節(jié)同時(shí)時(shí)基電路又離不開模擬電子技術(shù)里的RC充放電原理。所以這個(gè)題目能成為經(jīng)典不是偶然。1.2 幾條可行的技術(shù)路線對(duì)比我當(dāng)年做方案調(diào)研時(shí)列過(guò)幾條路線方案核心器件優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)純門電路振蕩加分頻74LS00、CD4060等成本低邏輯透明分頻級(jí)數(shù)多、頻率精度難保證555時(shí)基電路計(jì)數(shù)器NE555、CD4518/74LS192結(jié)構(gòu)經(jīng)典適合教學(xué)演示需要手動(dòng)調(diào)頻精度有限單片機(jī)數(shù)碼管STC89C52、PIC等功能擴(kuò)展方便精度高偏軟件削弱了硬件設(shè)計(jì)的訓(xùn)練意義最終我選了第三種的“硬件版”NE555產(chǎn)生秒脈沖74LS192做可預(yù)置減法計(jì)數(shù)74LS48驅(qū)動(dòng)共陰數(shù)碼管時(shí)間到用借位信號(hào)觸發(fā)放大電路。這條路線的好處是每一個(gè)模塊都能對(duì)應(yīng)到教科書上的知識(shí)點(diǎn)答辯的時(shí)候你對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的解釋會(huì)非常順暢。這里多說(shuō)一句有同學(xué)一上來(lái)就想著用單片機(jī)覺(jué)得寫幾行代碼比搭一堆芯片省事。但從課程設(shè)計(jì)的訓(xùn)練目標(biāo)來(lái)看用純數(shù)字電路搭出來(lái)的方案你對(duì)時(shí)序、電平、負(fù)載這些概念的理解是寫代碼替代不了的。除非題目明確要求單片機(jī)或者你后續(xù)要繼續(xù)參加電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽否則我建議還是用硬件邏輯來(lái)做。2. 關(guān)鍵電路模塊設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算2.1 時(shí)基電路先保證“1秒”真的是1秒整個(gè)系統(tǒng)的地基是時(shí)基信號(hào)。如果秒脈沖不準(zhǔn)后面一切歸零。我用的是NE555接成無(wú)穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器這是模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)里很經(jīng)典的電路。振蕩周期由充電電阻和定時(shí)電容決定理論公式是T 0.693 × (R1 2×R2) × C當(dāng)時(shí)T1秒時(shí)我選取R14.7kΩ、R268kΩ、C10μF代入計(jì)算T 0.693 × (4.7kΩ 2×68kΩ) × 10μF 0.975秒這個(gè)值和1秒有大概2.5%的誤差對(duì)于課程設(shè)計(jì)級(jí)別的定時(shí)器完全可以接受。如果追求更高的精度可以把R1或R2改成精密可調(diào)電阻實(shí)測(cè)調(diào)整到1秒整。測(cè)量方法很簡(jiǎn)單用示波器看輸出腳波形周期或者直接接一個(gè)發(fā)光二極管跟秒表對(duì)拍。注意NE555的定時(shí)電容一定要選漏電小的類型。如果是電解電容漏電流會(huì)拉偏周期溫度一變化頻率也跟著漂。我后來(lái)?yè)Q成CBB電容穩(wěn)定性明顯好了。2.2 計(jì)數(shù)與預(yù)置減法比加法更貼近需求定時(shí)器的核心邏輯是倒計(jì)時(shí)所以用減法計(jì)數(shù)器更自然。我選了兩片74LS192級(jí)聯(lián)成兩位十進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器范圍00到99秒。74LS192是一顆同步可逆BCD計(jì)數(shù)器引腳里最常用的是CPU第5腳加計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入CPD第4腳減計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入PL第11腳異步并行置數(shù)控制低電平有效MR第14腳異步清零高電平有效TCU第12腳加計(jì)數(shù)進(jìn)位輸出TCD第13腳減計(jì)數(shù)借位輸出只有當(dāng)CPD上升沿到來(lái)時(shí)計(jì)數(shù)器才會(huì)減一而且PL置數(shù)優(yōu)先級(jí)最高。我把兩片74LS192的CPD并聯(lián)接秒脈沖個(gè)位的TCD輸出接到十位的CPD作為借位鏈個(gè)位減到0之后下一個(gè)脈沖會(huì)讓十位減一。當(dāng)整體減到00時(shí)十位的TCD輸出一個(gè)低電平脈沖這個(gè)信號(hào)就是定時(shí)完成的標(biāo)志。預(yù)置時(shí)間我用了BCD碼撥碼開關(guān)每一位對(duì)應(yīng)一個(gè)8421碼直接接到74LS192的D0到D3數(shù)據(jù)輸入端。啟動(dòng)時(shí)按一下“置數(shù)”按鍵給PL一個(gè)低電平撥碼設(shè)定的數(shù)值就立刻被裝入計(jì)數(shù)器。這個(gè)操作在日常電子設(shè)備里很常見先設(shè)定好數(shù)值再啟動(dòng)運(yùn)行。2.3 譯碼顯示把BCD碼變成人看得懂的數(shù)字計(jì)數(shù)器的輸出是8421BCD碼數(shù)碼管不認(rèn)識(shí)。我用了74LS48它是一顆BCD到七段譯碼驅(qū)動(dòng)器直接驅(qū)動(dòng)共陰數(shù)碼管。每段輸出端串了一個(gè)330Ω的限流電阻防止電流過(guò)大損壞數(shù)碼管和譯碼器。74LS48自帶一個(gè)測(cè)試端LT接低電平時(shí)所有段都點(diǎn)亮用來(lái)檢查數(shù)碼管有沒(méi)有壞段。調(diào)試的時(shí)候這個(gè)功能很有用——如果數(shù)碼管顯示亂碼先把LT拉低看是不是數(shù)碼管本身缺筆畫。兩位數(shù)碼管我用了靜態(tài)驅(qū)動(dòng)沒(méi)有做動(dòng)態(tài)掃描。因?yàn)橹挥袃晌混o態(tài)驅(qū)動(dòng)一片74LS48處理一位連線稍微多一點(diǎn)但程序邏輯、電路邏輯都干凈。如果做到四位以上引腳占用就太多了那時(shí)候才需要用掃描方式掃描頻率低于50Hz人眼會(huì)看到閃爍實(shí)際項(xiàng)目里一般做到幾百Hz以上。2.4 驅(qū)動(dòng)輸出時(shí)間到總得讓外部設(shè)備動(dòng)起來(lái)TCD借位信號(hào)只是一個(gè)邏輯電平直接帶不動(dòng)蜂鳴器或者繼電器。我用了一個(gè)NPN三極管9013做開關(guān)放大。電路是這樣的TCD輸出通過(guò)一個(gè)10kΩ電阻接到三極管基極發(fā)射極接地集電極接蜂鳴器和繼電器的線圈線圈兩端并聯(lián)一個(gè)1N4148二極管做續(xù)流保護(hù)。定時(shí)到0時(shí)TCD輸出低電平經(jīng)三極管反相之后集電極變成高電平蜂鳴器響、繼電器吸合。繼電器線圈斷電瞬間會(huì)產(chǎn)生很高的反向電動(dòng)勢(shì)如果那個(gè)續(xù)流二極管不接三極管大概率會(huì)被擊穿。我第一版沒(méi)注意這個(gè)問(wèn)題燒了兩顆9013才意識(shí)到。后來(lái)在指導(dǎo)老師的提醒下補(bǔ)上二極管問(wèn)題徹底消失。3. 實(shí)物制作與調(diào)試從面包板到焊板3.1 搭建調(diào)試的正確順序拿到一堆元器件之后最忌諱的事情就是一股腦全插到面包板上然后通電看有沒(méi)有冒煙。正確做法是分模塊逐級(jí)驗(yàn)證。我的調(diào)試順序是先焊電源模塊。7805輸出5V用萬(wàn)用表確認(rèn)電壓穩(wěn)定在4.95到5.05V之間。再獨(dú)立驗(yàn)證555振蕩器。用示波器看第3腳波形調(diào)整可調(diào)電阻使周期接近1秒。接著給74LS192單獨(dú)接脈沖信號(hào)手動(dòng)給時(shí)鐘脈沖用LED觀察計(jì)數(shù)輸出是否符合減法規(guī)律。驗(yàn)證置數(shù)和清零功能。PL拉低看是否能裝載撥碼值MR拉高看是否清零。然后把555的脈沖接到計(jì)數(shù)器的CPD驗(yàn)證連續(xù)倒計(jì)時(shí)。最后接譯碼顯示和驅(qū)動(dòng)輸出聯(lián)動(dòng)測(cè)試。這個(gè)順序的核心原則是每一個(gè)模塊驗(yàn)證通過(guò)之后再往下一個(gè)走出問(wèn)題能立刻定位不會(huì)幾個(gè)模塊亂成一團(tuán)。3.2 面包板布線經(jīng)驗(yàn)面包板看著簡(jiǎn)單布線其實(shí)有講究。電源和地盡量走兩側(cè)的電源軌每個(gè)芯片的電源引腳旁邊都要放一個(gè)0.1μF的陶瓷去耦電容這個(gè)電容能濾掉高頻噪聲防止計(jì)數(shù)器誤觸發(fā)。很多人計(jì)數(shù)器亂跳第一反應(yīng)是芯片壞了實(shí)際上多半是電源紋波太大或者信號(hào)線上的毛刺造成的。另外撥碼開關(guān)和按鍵這些輸入信號(hào)在按下瞬間會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)機(jī)械觸點(diǎn)閉合斷開不是一次到位會(huì)在毫秒級(jí)時(shí)間內(nèi)反復(fù)跳變。直接接到計(jì)數(shù)器的話一個(gè)按鍵可能會(huì)觸發(fā)好幾次計(jì)數(shù)。我用了最簡(jiǎn)單的RC消抖按鍵輸出腳通過(guò)1kΩ電阻接VCC再并一個(gè)10μF電容到地按下時(shí)為低電平抖動(dòng)被電容吸收掉。用面包板搭建的時(shí)候要注意芯片方向不要插反74LS系列芯片的缺口端朝上第1腳在缺口左下角。插的時(shí)候我習(xí)慣先插芯片再繞線最后接電源盡量讓信號(hào)線短一些也不去跨越芯片上方這樣排錯(cuò)的時(shí)候不用一根根拆線。3.3 焊接與實(shí)物檢測(cè)注意事項(xiàng)面包板驗(yàn)證之后我畫了PCB然后焊接成品板。其實(shí)絕大多數(shù)課程設(shè)計(jì)交洞洞板或者面包板也能通過(guò)但焊接板子更像是真正的產(chǎn)品。洞洞板焊接時(shí)要注意焊盤之間不要搭錫尤其是74LS192這種引腳間距小的芯片兩腳之間搭一坨錫連到一塊上電就是芯片冒煙事故。焊完之后不要著急上電。先用萬(wàn)用表的二極管檔檢查電源和地之間有沒(méi)有短路重點(diǎn)看電解電容正負(fù)極有沒(méi)有焊反7805的輸入輸出有沒(méi)有接反。這些低級(jí)錯(cuò)誤一旦發(fā)生輕則燒保險(xiǎn)重則直接損壞芯片。確認(rèn)無(wú)誤之后再上電摸一下各芯片表面溫度是否正常。4. 電路調(diào)試常見問(wèn)題與排查思路4.1 我實(shí)際踩過(guò)的四個(gè)坑這個(gè)項(xiàng)目我前前后后調(diào)試了一個(gè)多星期遇到的典型問(wèn)題基本覆蓋了這類數(shù)字系統(tǒng)最常見的故障點(diǎn)列個(gè)表方便大家對(duì)照排查故障現(xiàn)象可能原因排查方法數(shù)碼管缺筆畫數(shù)碼管引腳虛焊/斷腳、限流電阻開路、譯碼器輸出驅(qū)動(dòng)能力不足用萬(wàn)用表二極管檔逐個(gè)點(diǎn)亮每段先排除數(shù)碼管本身故障倒計(jì)時(shí)跳數(shù)比如從7直接跳到5計(jì)數(shù)器時(shí)鐘輸入上有毛刺、電源去耦不良、信號(hào)線干擾檢查去耦電容用示波器觀察CPD引腳波形是否干凈置數(shù)按鍵沒(méi)反應(yīng)PL引腳懸空或電平不正確、撥碼開關(guān)觸點(diǎn)接觸不良確認(rèn)PL按下的瞬時(shí)電平用萬(wàn)用表測(cè)撥碼開關(guān)輸出端到0之后蜂鳴器不響TCD借位輸出驅(qū)動(dòng)能力不足、三極管接反、負(fù)載電壓不對(duì)先用LED代替蜂鳴器測(cè)試借位信號(hào)是否存在再檢查三極管4.2 一個(gè)印象深刻的故障案例有個(gè)現(xiàn)象我印象特別深倒計(jì)時(shí)顯示從8跳到6跳過(guò)7看起來(lái)像計(jì)量錯(cuò)誤。一開始我懷疑74LS192時(shí)序問(wèn)題換了芯片還是一樣。后來(lái)用示波器抓CPD引腳的波形發(fā)現(xiàn)時(shí)鐘線上疊加了不少高頻毛刺毛刺的幅值正好超過(guò)了芯片輸入高電平閾值導(dǎo)致一次脈沖被計(jì)了兩次甚至三次。排查到最后根源出在面包板的供電方式上我用一根杜邦線從7805輸出端飛線給整塊面包板供電線比較長(zhǎng)電源走線電感大555振蕩器切換瞬間電流跳變產(chǎn)生了高頻噪聲。解決辦法很簡(jiǎn)單把555的電源線單獨(dú)從7805輸出端引過(guò)來(lái)并經(jīng)0.1μF電容就地去耦毛刺立刻消失。這個(gè)教訓(xùn)讓我記住了數(shù)字電路的電源完整性很多時(shí)候比信號(hào)線本身更重要。4.3 防護(hù)元器件的正確用法除了前面提到的繼電器續(xù)流二極管還有幾個(gè)容易被忽視的防護(hù)細(xì)節(jié)。按鍵和撥碼開關(guān)的輸入端建議串一個(gè)100Ω到1kΩ的限流電阻防止靜電損壞CMOS電路。如果使用74LS系列TTL電路輸入端懸空會(huì)被當(dāng)作高電平這容易引入干擾所以不用的輸入引腳要么直接接地要么通過(guò)一個(gè)10kΩ電阻接VCC不要懸空。驅(qū)動(dòng)蜂鳴器時(shí)還要分清有源和無(wú)源。有源蜂鳴器內(nèi)部自帶振蕩源通電就響適合直接當(dāng)報(bào)警器用無(wú)源蜂鳴器需要外部給方波信號(hào)才會(huì)響。我最初用了一個(gè)無(wú)源蜂鳴器接上去發(fā)現(xiàn)一點(diǎn)聲音都沒(méi)有后來(lái)才意識(shí)到問(wèn)題換成了有源蜂鳴器才省事。5. 課程設(shè)計(jì)報(bào)告的寫作要點(diǎn)最后說(shuō)報(bào)告。有些同學(xué)電路做出來(lái)了報(bào)告卻寫成一團(tuán)亂麻。其實(shí)課程設(shè)計(jì)報(bào)告有一套固定邏輯需求分析、方案論證、電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算、調(diào)試過(guò)程、總結(jié)體會(huì)。方案論證部分一定要寫“為什么選這個(gè)方案”比如用硬件計(jì)數(shù)而不選單片機(jī)的原因、用減法計(jì)數(shù)而不是加法計(jì)數(shù)的原因。參數(shù)計(jì)算要把公式和代入數(shù)值寫清楚數(shù)字怎么來(lái)的要讓老師一眼能看懂。調(diào)試過(guò)程盡量整理成問(wèn)題和解決方法的形式這比單純寫“經(jīng)過(guò)調(diào)試電路正常工作”有說(shuō)服力得多。我寫報(bào)告的時(shí)候?qū)ｉT畫了一張系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖按信號(hào)流向標(biāo)清楚每一級(jí)模塊的功能波形然后對(duì)照框圖逐段展開文字。這樣整份報(bào)告的邏輯非常清晰答辯的時(shí)候照著框圖講也特別省勁。6. 做完這個(gè)項(xiàng)目我更明白電子技術(shù)是怎么回事了回過(guò)頭來(lái)看數(shù)字定時(shí)控制器這個(gè)題目真正打動(dòng)我的地方是它把“電工電子技術(shù)”里零零散散的知識(shí)點(diǎn)串成了一條線。電源濾波屬于模擬電路RC振蕩是模擬與數(shù)字的交界計(jì)數(shù)、譯碼、顯示、控制則是數(shù)字電路的主角。你在一個(gè)系統(tǒng)里同時(shí)看到它們協(xié)同工作才知道一門課和另一門課之間原來(lái)是有血肉聯(lián)系的。調(diào)試那幾天最崩潰的時(shí)刻是計(jì)數(shù)器突然從8跳到6的晚上最開心的時(shí)刻是找到毛刺來(lái)源、把脈沖波形變得干凈利落的瞬間。后來(lái)我做其他數(shù)字系統(tǒng)項(xiàng)目都會(huì)先想到去耦、想到信號(hào)完整性這些不是哪本書教給我的是那幾天的排錯(cuò)過(guò)程一點(diǎn)點(diǎn)刻進(jìn)去的。如果你也在做這個(gè)課程設(shè)計(jì)我給你的建議是別急著追求功能華麗先把“1秒為什么是1秒”“計(jì)數(shù)為什么能減到0”這兩個(gè)問(wèn)題徹底搞懂。這個(gè)項(xiàng)目做完你的電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)訓(xùn)練目標(biāo)也就達(dá)到了。本文還有配套的精品資源點(diǎn)擊獲取