【正文】 1．定時(shí)積分 在確定的時(shí)間內(nèi)對(duì)取樣電壓進(jìn)行積分即 是定時(shí)積分。 啟動(dòng)信號(hào) S 輸入負(fù)窄脈沖（ S=0），使計(jì)數(shù)器、 JK 觸發(fā)器 QS清零，開(kāi)關(guān) S1選擇取樣電壓作積分器輸入。同時(shí)開(kāi)關(guān) S2 閉合，使積分電容放電， Ov =0。負(fù)脈沖消失后（ S=1），開(kāi)關(guān) S2 斷開(kāi)，積分器對(duì)取樣電壓做積分，積分器輸出電壓下降， 0?Ov ，比較器輸出邏輯 1。允許 n 位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器對(duì)周期脈沖 CP 計(jì)數(shù)。當(dāng)進(jìn)位 C=1 時(shí)，下一個(gè) CP 脈沖使計(jì)數(shù)器復(fù)零、 JK 觸發(fā)器 QS=1，定時(shí)積分結(jié)束，定壓積分開(kāi)始。 取啟動(dòng)信號(hào) S的負(fù)脈沖剛消失的時(shí) 刻為時(shí)間零點(diǎn)，并設(shè)時(shí)鐘脈沖 CP 的周期為 TCP。則對(duì)取樣電壓的積分時(shí)間 T1為 T1=2nTCP 是確定不變的。積分器輸出電壓為 ? ????? t SIOSIO tRCnTvvdnTvRCtv 0 )()0()(1)( ? 積分器輸出電壓與時(shí)間成線性關(guān)系，其斜率是負(fù)的，與取樣電壓 )( SI nTv 和積分器的時(shí)間常數(shù) RC有關(guān)。 )( SI nTv 越大，負(fù)斜率也越大。 定時(shí)積分的工作波形如圖 3所示，圖中繪出了 2個(gè)取樣電壓的情況。 定時(shí)積分結(jié)束時(shí)的積分器輸出電壓為 )(2)()(11 SICPnSIO nTvRCTTRCnTvTv ???? 與取樣電壓成正比。 2．定壓積分 在定時(shí)積分期間， 當(dāng)計(jì)數(shù)器的進(jìn)位 C=1時(shí)，下一個(gè) CP脈沖使計(jì)數(shù)器復(fù)零和 JK觸發(fā)器QS=1， 開(kāi)關(guān) S1 選擇 基準(zhǔn)電壓 VREF，積分器開(kāi)始對(duì)基準(zhǔn)電壓 VREF 做定壓積分。由于比較器輸圖 2 雙積分 ADC 電路原理圖 J Q C1 K R Q0 Q1 ? Qn1 C CP n 位二進(jìn)制 R 計(jì)數(shù)器 + + A C amp。 CP S VREF )( SI nTv LSB MSB D0 D1 Dn10 R C S1 S2 O t Ov Cv QS O t S O t QS T1 T2 O t S1選 Iv S1選 VREF Ov Cv 計(jì)數(shù) 進(jìn)位回 0 時(shí)刻 圖 3 雙積分 ADC 工作波形 9 出邏輯 1，計(jì)數(shù)器從 0繼續(xù)計(jì)數(shù)。與此同時(shí)，積分器輸出電壓上升 )(2)()()(1)(111 SICPntTR E FOR E FO nTvRCTTtRCVTvdVRCtv ??????? ? ? 積分器輸出電壓同樣與時(shí)間成線性關(guān)系，其斜率是正常數(shù)，與基準(zhǔn)電壓 VREF 和積分器的時(shí)間常數(shù) RC有關(guān)。定壓積分的工作波形如圖 。當(dāng) 0)( ?tvO 時(shí)，比較器輸出邏輯0，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，并保持計(jì)數(shù)結(jié)果 B Z（通常為自然二進(jìn)制數(shù)）。從定壓積分開(kāi)始到計(jì)數(shù)器剛停止計(jì)數(shù)（ 0)( ?tvO ）的時(shí)間 T2為 CPZTBT ?2 并且，在計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)時(shí)刻，積分器輸出電壓為 0，即 0)(2)( 221 ???? SICPnR E FO nTvRCTTRCVTTv 所以 )(22 SIREFCPn nTvV TT ? 定壓積分時(shí)間 T2與取樣電壓成正比。在此期間，計(jì)數(shù)器從 0 開(kāi)始對(duì)周期脈沖 CP 計(jì)數(shù)，直到停止并保持計(jì)數(shù)值 BZ。所以 )(22 SIR E FnCPZ nTvVTTB ?? 計(jì)數(shù)器的二進(jìn)制數(shù)與取樣電壓成正比，是取樣電壓對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。實(shí)際上 CP脈沖可能與比較器的邊沿不同步，導(dǎo)致計(jì)數(shù)器可能漏計(jì)或多計(jì)一個(gè)脈沖。故上式應(yīng)修正為 )(21 SIREFnZ nTvVB ?? 雙積分 ADC的單位模擬電壓 LSB為nREFVLSB 2? 四、雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器件 集成雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器 MC14433原理電路和引腳圖如圖 4所示。 器件的輸入電壓范圍是 0V~Vref， Vref是基準(zhǔn)電壓。輸出數(shù)字量是 4為 8421BCD碼，經(jīng)多路復(fù)用器從 Q3Q2Q1Q0輸出，位數(shù)指示信號(hào)是 DS1（千位）、 DS2（百位）、 DS3（十位）、DS4（個(gè)位）。 MC14433自帶時(shí)鐘、極性檢測(cè)和邏輯控制電路等，實(shí)現(xiàn)雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。 10 圖 4 五、 MC14433 直流電壓表 電路如圖 5 所示。 MC1403 提供穩(wěn)定精確的 2V 基準(zhǔn)電壓。 MC14543 是顯示譯碼驅(qū)動(dòng)電路。其余器件請(qǐng)查集成電路手冊(cè)。 直流輸入電壓范圍是 0V~2V。增加測(cè)量電路和量程轉(zhuǎn)換電路即可實(shí)現(xiàn)本課題要求。 六、 參考文獻(xiàn) 1) 《中國(guó)集成電路大全》編寫(xiě)委員會(huì)編，中國(guó)集成電路 大全 TTL 集成電路。北京： 11 國(guó)防工業(yè)出版社， 1985。 2) 【美】 編著，模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)，南京：江蘇科學(xué)出版社， 1982. 3) 彭介華 編著， 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo) ， 北京 :高 等教育出版社 ， 1996 年 。 4) 高吉祥主編，電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)，北京：電子工業(yè)出版社， 2020年。 12 數(shù)字電子鐘 一 、目的 （ 1） 掌握數(shù)字電子鐘的設(shè)計(jì)方法； （ 2） 掌握常用數(shù)字集成電路的功能和使用。 二、數(shù)字鐘的功能及要求 （ 1）功能 設(shè)計(jì)一個(gè)具有計(jì)時(shí)、顯示“時(shí)、分、秒”和校時(shí)功能的數(shù)字電子鐘。 ① 顯示時(shí)、分、秒； ② 具有校時(shí)功能，可以分別對(duì)時(shí)及分進(jìn)行單獨(dú)校時(shí)，使其校正到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間； ③ 計(jì)時(shí)過(guò)程具有報(bào)時(shí)功能，當(dāng)時(shí)間到達(dá)整點(diǎn)前 10 秒進(jìn)行蜂鳴報(bào)時(shí)； ④ 為了保證計(jì)時(shí)的穩(wěn)定及準(zhǔn)確須由晶體振蕩 器提供表針時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)。 （ 2）設(shè)計(jì)要求 ① 畫(huà)出電路原理圖（或仿真電路圖）； ② 元器件及參數(shù)選擇； ③ 電路仿真與調(diào)試； （ 3）編寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告 寫(xiě)出設(shè)計(jì)與制作的全過(guò)程，附上有關(guān)資料和圖紙，有心得體會(huì)。 三、設(shè)計(jì)原理及框圖 數(shù)字電子鐘原理如圖 1 所示。石英晶體振蕩器和分頻器產(chǎn)生穩(wěn)定的校時(shí)信號(hào)（ 2Hz）和“秒”計(jì)時(shí)信號(hào) (1Hz)。對(duì)“秒”計(jì)時(shí)信號(hào)進(jìn)行 60 進(jìn)制計(jì)數(shù)，形成“分”計(jì)時(shí)信號(hào)和秒計(jì)數(shù)值；再對(duì)“分”計(jì)時(shí)信號(hào)進(jìn)行 60進(jìn)制計(jì)數(shù)，形成“時(shí)”計(jì)時(shí)信號(hào)和分計(jì)數(shù)值；進(jìn)一 步圖 1 數(shù)字電子鐘原理框圖 “分”計(jì)時(shí)信號(hào) “時(shí)”計(jì)時(shí)信號(hào) “秒”計(jì)時(shí)信號(hào) 校時(shí)信號(hào) 13 對(duì)“時(shí)”計(jì)時(shí)信號(hào)進(jìn)行 24進(jìn)制計(jì)數(shù)得到時(shí)計(jì)數(shù)值。秒計(jì)數(shù)值、分計(jì)數(shù)值和時(shí)計(jì)數(shù)值譯碼顯示時(shí)間。 四、典型的單元電路 （ 1） 石英晶體振蕩器 用 CMOS 反相器和石英晶體振蕩器產(chǎn)生一個(gè)頻率穩(wěn)定準(zhǔn)確的 32768Ｈ z 的方波信號(hào)，保證數(shù)字鐘的走時(shí)準(zhǔn)確及穩(wěn)定。 （ 2） 分頻器 一個(gè) 14 位 2 進(jìn)制計(jì)數(shù)器和 1 個(gè) 1 位 2 進(jìn)制計(jì)數(shù)器； （ 3） 60 進(jìn)制計(jì)數(shù)器和 24 進(jìn)制計(jì)數(shù)器 用 2 個(gè) 10 進(jìn)制計(jì)數(shù)器形成 100 進(jìn)制計(jì)數(shù)器，再做適當(dāng)?shù)姆答伩蓸?gòu)成 60進(jìn)制或 24 進(jìn)制計(jì)數(shù)器。 （ 4） 校時(shí)電路 校時(shí)電路如圖 3 所示，用基本 RS觸發(fā)器消除機(jī)械開(kāi)關(guān)的抖動(dòng)，使校時(shí)電路穩(wěn)定可靠。當(dāng)開(kāi)關(guān)撥到計(jì)時(shí)側(cè)時(shí)，校時(shí)電路輸出計(jì)時(shí)信號(hào)；當(dāng)開(kāi)關(guān)撥到計(jì)時(shí)側(cè)時(shí)，校時(shí)電路輸出校時(shí)信號(hào)。對(duì)“分”校時(shí)電路，計(jì)時(shí)信號(hào)為“分”計(jì)時(shí)信號(hào)，輸出則為“分”計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)信號(hào)；對(duì)“時(shí)”校時(shí)電路，計(jì)時(shí)信號(hào)為“時(shí)”計(jì)時(shí)信號(hào)，輸出則為“時(shí)”計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)信號(hào)。 圖 3 校時(shí)電路 計(jì)時(shí)信號(hào) 校時(shí)信號(hào)（ 2Hz） 校時(shí) 計(jì)時(shí) 計(jì)時(shí)信號(hào) 或 校時(shí)信號(hào) 圖 2 石英晶體振蕩器 14 （ 5） 顯示器 用 7 段發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器顯示時(shí)間?？刹捎蔑@示譯碼器 74LS48 驅(qū)動(dòng)共陰極數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)顯示。 五、參考元件 （ 1）共陰極 LED 數(shù)碼管 （ 2）顯示譯 碼器 74LS48 （ 3） 4MHz 石英晶體振蕩器 (4) 計(jì)數(shù)器 74LS90 (5) 門(mén)電路 74LS04,74LS10,74LS00 (6 ) D 觸發(fā)器 74LS74 六、參考文獻(xiàn) 1) 《中國(guó)集成電路大全》編寫(xiě)委員會(huì)編，中國(guó)集成電路大全 TTL 集成電路。北京：國(guó)防工業(yè)出版社， 1985。 2) 楊兆選 ， 丁潤(rùn)濤 編， 555 定時(shí)器原理及實(shí)用電路集錦 ，天津： 天津大學(xué)出版社 ，1990。 3) 彭介華 編著， 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo) ， 北京 :高等教育出版社 ， 1996 年 15 數(shù)字式競(jìng)賽搶答器 一、設(shè)計(jì)目的 掌握數(shù)字式競(jìng)賽搶答器的 電路的組成、工作原理和設(shè)計(jì)方法。 熟悉常用數(shù)字邏輯電路的工作原理及使用方法。 二、設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求 在許多比賽活動(dòng)中，為了準(zhǔn)確、公正、直觀地判斷出第一搶答 者，通常設(shè)置一臺(tái)搶答器，通過(guò)數(shù)顯、燈光及音響等多種手段指示出第一搶答者。同時(shí)還可以設(shè)置記分、犯規(guī)及獎(jiǎng)勵(lì)記錄等多種功能。該設(shè)計(jì)就是針對(duì)上述各種要求設(shè)計(jì)出的供 6名選手參賽使用的數(shù)字式競(jìng)賽搶答器。 本題要求是： 1．設(shè)計(jì)制作一個(gè)可容納六組參賽的數(shù)字式搶答器，每組設(shè)計(jì)一個(gè)搶答按鈕供搶答者使用。 2．電路具有第一搶答信號(hào)的鑒別和鎖存功能。 給主持人設(shè)置一個(gè)控制按鈕，用來(lái)控制系統(tǒng)清零（搶答顯示數(shù)碼管滅燈）和搶答的開(kāi)始。 在主持人將系統(tǒng)復(fù)位并發(fā)出搶答指令后，若參賽者按下?lián)尨痖_(kāi)關(guān)，則該組指示燈亮并用組別顯示電路顯示出搶答者的 組別，同時(shí)揚(yáng)聲器發(fā)出“嘀－嘟”的雙音音響持續(xù) 2～ 3秒。此時(shí)，電路應(yīng)具備自鎖功能，使別組的搶答開(kāi)關(guān)不起作用。 搶答選手的編號(hào)一直保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。 3．設(shè)置記分電路。每組在開(kāi)始時(shí)預(yù)置成 100 分，搶答后由主持人記分，答對(duì)一次加10分，否則減 10分。 4．設(shè)置 30秒的搶答定時(shí)電路。 當(dāng)主持人按下開(kāi)始按鈕后，定時(shí)器開(kāi)始倒計(jì)時(shí)，定時(shí)顯示器顯示倒計(jì)時(shí)時(shí)間。若 30 秒內(nèi) 無(wú)人搶答，倒計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)，揚(yáng)聲器響，音響持續(xù) 2～ 3秒。若參賽選手在設(shè)定時(shí)間（ 30 秒）內(nèi)搶答有效，則搶答成功，揚(yáng)聲器響，音響持續(xù) 2～ 3秒，同時(shí)定時(shí)器停止倒 計(jì)時(shí)，搶答顯示器上顯示選手的編號(hào)。搶答成功后立即啟動(dòng) 2 分鐘的答題定時(shí)電路，定時(shí)顯示器上顯示剩余答題時(shí)間，并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。 5．設(shè)置犯規(guī)電路。對(duì)提前搶答和超時(shí)搶答（答題時(shí)間設(shè)定為 2分鐘）的組別鳴喇叭示警，并由組別顯示電路顯示出犯規(guī)組別。 6. 用石英晶體振蕩器或 555集成定時(shí)器產(chǎn)生頻率為 1Hz 的脈沖信號(hào)，作為定時(shí)計(jì)數(shù)器的 CP 信號(hào)。 三、設(shè)計(jì)思路 （ 1）本題的根本任務(wù)時(shí)準(zhǔn)確的判斷出第一搶答者的信號(hào)并將其鎖存。實(shí)現(xiàn)這一功能可用觸發(fā)器和鎖存器等。在得到第一信號(hào)后應(yīng)立即將電路的輸入封鎖，即使其他組再次發(fā) 出搶答信號(hào)也無(wú)效。同時(shí)還必須注意，第一搶答信號(hào)應(yīng)該在主持人發(fā)出搶答命令之后才有效，否則應(yīng)視為提前搶答而犯規(guī)。 （ 2）當(dāng)電路形成第一搶答信號(hào)之后，用編碼、譯碼及數(shù)碼顯示電路顯示出搶答者的組別，也可以用發(fā)光二級(jí)管直接指示出組別。還可以用鑒別出的第一搶答信號(hào)控制一個(gè)具有兩種工作頻率的交替變化的音頻振蕩器工作，使其推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出兩個(gè)笛音音響，表示該題搶答有效。 （ 3）記分電路可采用 3位七段數(shù)碼管顯示，由于每次都是加或減 10分，故個(gè)位總保持為零，只要十位和百位做加 /減計(jì)數(shù)即可，可采用兩級(jí)十進(jìn)制 加 /減計(jì)數(shù)器完成。 16 四 、參考方案 1．總體方案原理框圖： 其工作原理為：接通電源后，主持人將開(kāi)關(guān)撥到 清零 狀態(tài)，搶答器處于禁止?fàn)顟B(tài)，編號(hào)顯示器滅燈，定時(shí)器顯示設(shè)定時(shí)間；主持人將開(kāi)關(guān)置撥至開(kāi)始 狀態(tài)，宣布 開(kāi)始 ，搶答器工作。搶答定時(shí)器 30秒倒計(jì)時(shí)，揚(yáng)聲器給出聲響提示。選手在定時(shí)時(shí)間內(nèi)搶答時(shí)，搶答器完成：優(yōu)先判斷、編號(hào)鎖存、編號(hào)顯示、揚(yáng)聲器提示等功能。如果再次搶答必須由主持人再次操作 清除 和 開(kāi)始 狀態(tài)開(kāi)關(guān)。 2． 單元電路參考方案 (1)搶答開(kāi)關(guān)電路參 考方案 1 利用 8線 /3線優(yōu)先編碼器 74148實(shí)現(xiàn)搶答功能的鑒別與鎖存，電路如圖２所示。 圖 2 搶答開(kāi)關(guān)電路方案 1圖 該電路完成兩個(gè)功能：一是分辨出選手按鍵的先后，并鎖存優(yōu)先搶答者的編號(hào)，同清零 命令 主持人 搶答開(kāi)關(guān) 組別鎖定 第一信號(hào)鑒別 組別顯示 (數(shù)碼管 ) 組別顯 示 (LED) 窄脈沖形成 穩(wěn)壓電源 圖 1 數(shù)字式智力競(jìng)賽搶答器原理框圖 定時(shí)器 犯規(guī)電路 音頻信號(hào)發(fā)生器 預(yù)置 記分電路 加分 (主持人 ) 減分 (主持人 ) 17 時(shí)譯碼顯示電路顯示該編號(hào)；二是禁止其他選手按鍵操作無(wú)效。工作過(guò)程：開(kāi)關(guān) S 置于 清零 端時(shí)， RS 觸發(fā)器的 R 端均為０，４個(gè)觸發(fā)器輸出置０，使 74LS148 的 ST ＝０ ，使之處于工作狀態(tài)。當(dāng)開(kāi)關(guān) S置于 開(kāi)始 時(shí)，搶答器處于等待工作狀態(tài)，當(dāng)有選手將鍵按下時(shí)（如按下 S5）， 74LS148 的輸出 ,010012