可編程時鐘控制器（Programmable Time Controller，PTC），也稱可編程時控器、可編程時控開關(guān)，是一種用數(shù)字電路技術(shù)實現(xiàn)時、分、秒計時的裝置，與機(jī)械式時鐘相比具有更高的準(zhǔn)確性和直觀性，且無機(jī)械裝置，具有更更長的使用壽命，因此得到了廣泛的使用。

可編程時鐘控制器屬自動控制領(lǐng)域的電器件，主要用于在多段時間周期內(nèi)控制多個電路的開啟或關(guān)閉，即具有多周期設(shè)置和多觸點輸出。該類產(chǎn)品工業(yè)與民用兼顧，智能化程度高且操作簡便。

可編程時鐘控制器從原理上講是一種典型的數(shù)字電路，其中包括了組合邏輯電路和時序電路。因此，設(shè)計與制做數(shù)字鐘就是為了了解數(shù)字鐘的原理，從而學(xué)會制作數(shù)字鐘.而且通過數(shù)字鐘的制作進(jìn)一步的了解在制作中用到的各種中小規(guī)模集成電路的作用及實用方法.且由于數(shù)字鐘包括組合邏輯電路和時序電路.通過它可以進(jìn)一步學(xué)習(xí)與掌握各種組合邏輯電路與時序電路的原理與使用方法.

（一）、設(shè)計方案分析

1.分析設(shè)計要求，構(gòu)思總體方案

從題目克制該課題的任務(wù)主要有三個方面。其一是設(shè)計一個能以數(shù)字直接先試試的時鐘電路，該電路要有能夠快速校時的功能；其二是用時鐘信號作為基礎(chǔ)設(shè)計一個整點報時的電路；其三是用時鐘信號實現(xiàn)一個工業(yè)過程的時間順序控制。可見，課題屬于控制類題目，但并無外部輸入信號，而是由時鐘自動產(chǎn)生動作信號。整個系統(tǒng)可分成三部分，即時鐘電路、整點報時電路、順序控制器電路，而時鐘電路在起控制和主導(dǎo)作用。

2.時鐘電路的構(gòu)成方案

（1）選用中、小規(guī)模集成芯片設(shè)計；

• 選用單片時鐘集成電路構(gòu)成；
• 選擇大規(guī)模時鐘集成芯片作為時鐘電路
  

3.時間順序控制器

    這部分電路都是以時間代碼為輸入信號，經(jīng)譯碼后產(chǎn)生定時控制信號去推動控制設(shè)備工作。譯碼器完成有代碼到控制信號的變換，這里的代碼即時鐘信號代碼，控制信號是驅(qū)動控制設(shè)備的信號。實現(xiàn)的電路形式是多種多樣的。

（1）利用集成門電路進(jìn)行設(shè)計；

（2）選用合適的現(xiàn)成譯碼器；

（3）用GAL芯片進(jìn)行編程，實現(xiàn)譯碼；

（4）用存儲器完成譯碼的功能。

     怎樣用存儲器完成譯碼功能？可用時鐘電路輸出的時鐘代碼作為存儲器的地址信號，存儲器中存放的數(shù)據(jù)作為外設(shè)工作的控制信號。當(dāng)時鐘運行到需要外設(shè)動作的某一時刻，是存儲器的地址信號及讀信號有效，讀出存儲器中相應(yīng)的數(shù)據(jù)信號，每個數(shù)據(jù)位控制一個外設(shè)，若某位數(shù)據(jù)有效，則相應(yīng)的外設(shè)即可啟動。這種方法簡便，時間容易修改。存儲器可用RAM、EPROM及EEPROM。

• 功放電路
  

  外設(shè)的形式多種多樣，要求的驅(qū)動功率各不相同，因而在譯碼輸出與外設(shè)之間必須設(shè)置適當(dāng)?shù)墓Ψ烹娐罚�以提供外設(shè)工作的驅(qū)動電流與電壓。應(yīng)按照所選的具體執(zhí)行機(jī)構(gòu)選定功放電路。

（二）、確定總體方案

依據(jù)上述分析，實現(xiàn)題目要求的電路方案有多種選擇，須要根據(jù)各人的條件、要求和其他具體情況權(quán)衡利弊，確定其中的一種。這里選擇兩種不同方案作具體電路設(shè)計。

• 設(shè)計方案一
  

設(shè)計方案一采用的是大規(guī)模時鐘集成芯片LM8361作時鐘電路，用存儲器RAM6264作譯碼器，設(shè)計工藝流程控制電路。其系統(tǒng)框圖如下圖所示：

圖3-2-1  大規(guī)模順序控制器框圖

2.設(shè)計方案二

    設(shè)計方案二采用的是用中小規(guī)模門電路構(gòu)成的時鐘電路，采用的是555定時器作為時基電路，發(fā)出1HZ的脈沖作為秒的輸入脈沖，用74LS192設(shè)計24、60進(jìn)制的計數(shù)器，用72LS248作為譯碼器，使用7段數(shù)碼管來顯示時間，利用門電路構(gòu)建快速校時電路，用RAM62256存儲器作譯碼器設(shè)計可編程時間順序控制器。系統(tǒng)框圖如圖3-2-2所示。

圖3-2-2    鐘控順序控制器框圖

3.最終方案的選擇

作為課程設(shè)計的方案，應(yīng)該具有設(shè)計成本較低，可操作性強(qiáng)，與課程學(xué)習(xí)有較為緊密的聯(lián)系等優(yōu)點。由于大規(guī)模集成芯片價格較為昂貴，且可操作性較差，在實際學(xué)習(xí)中用到的機(jī)會比較少，所以方案一不適合作為本次課程設(shè)計的方案，而方案二采用的是小規(guī)模集成芯片和門電路作為電路設(shè)計的基礎(chǔ)，具有較強(qiáng)的可操作性，且價格較為低廉，而所使用的芯片，門電路都是在學(xué)習(xí)中使用較為頻繁的部分，所以本次課程設(shè)計采用的是方案二，利用中西規(guī)模門電路構(gòu)成時鐘電路，用RAM62256存儲器作為譯碼器設(shè)計可編程順序控制器。

圖3-2-9  555定時器組成的時基電路

555定時器成本低，性能可靠，只需要外接幾個電阻、電容，就可以實現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。它也常作為定時器廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、電子測量及自動控制等方面。555 定時器的內(nèi)部電路框圖如圖 2.9.1。它內(nèi)部包括兩個電壓比較器，三個等值串聯(lián)電阻，一個 RS 觸發(fā)器，一個放電管 T 及功率輸出級。它提供兩個基準(zhǔn)電壓VCC /3 和 2VCC /3

　　555 定時器的功能主要由兩個比較器決定。兩個比較器的輸出電壓控制 RS 觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當(dāng) 5 腳懸空時，則電壓比較器 C1 的同相輸入端的電壓為 2VCC /3，C2 的反相輸入端的電壓為VCC /3。若觸發(fā)輸入端 TR 的電壓小于VCC /3，則比較器 C2 的輸出為 0，可使 RS 觸發(fā)器置 1，使輸出端 OUT=1。如果閾值輸入端 TH 的電壓大于 2VCC/3，同時 TR 端的電壓大于VCC /3，則C1 的輸出為 0，C2 的輸出為 1，可將 RS 觸發(fā)器置 0，使輸出為 0 電平。

　　它的各個引腳功能如下：

　　1腳：外接電源負(fù)端VSS或接地，一般情況下接地。

　　8腳：外接電源VCC，雙極型時基電路VCC的范圍是4.5 ~ 16V，CMOS型時基電路VCC的范圍為3 ~ 18V。一般用5V。

　　3腳：輸出端Vo；　2腳：低觸發(fā)端

　　6腳：TH高觸發(fā)端

　　4腳：是直接清零端。當(dāng)此端接低電平，則時基電路不工作，此時不論TR、TH處于何電平，時基電路輸出為“0”，該端不用時應(yīng)接高電平。

　　5腳：VC為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內(nèi)部兩個比較器的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)該端不用時，應(yīng)將該端串入一只0.01μF電容接地，以防引入干擾。

　　7腳：放電端。該端與放電管集電極相連，用做定時器時電容的放電。

利用555定時器產(chǎn)生1HZ的脈沖作為秒信號如下圖：

（1）74ls192介紹

74192是雙時鐘的十進(jìn)制可逆計數(shù)器。（BCD二進(jìn)制），下面我們介紹74192引腳圖，74192功能表等。

CPU為加計數(shù)器時鐘入端，CPU為減計數(shù)器入端；

LD為預(yù)置輸入控制端，異步預(yù)置；

CR為復(fù)位輸入端，高電平有效，異步清除；

CO為進(jìn)位輸出：1001狀態(tài)后負(fù)脈沖輸出；

BO為借位輸出：0000狀態(tài)后負(fù)脈沖輸出；

（2）功能表：

（3）引腳圖：

（4）十、分、秒電路總體結(jié)構(gòu)圖

（5）60進(jìn)制計數(shù)器單元仿真電路圖

電路分析：

由555定時器產(chǎn)生1HZ脈沖作為輸入，將74ls192接成60進(jìn)制計數(shù)器，經(jīng)過74ls248譯碼后由七段數(shù)碼管顯示出時鐘信號，構(gòu)成了60進(jìn)制的時鐘電路。

2位譯碼顯示電路單元仿真電路圖如下圖：

                  圖3-2-12-0

電路分析：

如上圖所示，由74LS248芯片以及共陰極七段數(shù)碼管構(gòu)成譯碼顯示電路，由74248的ABCD接收計數(shù)器的數(shù)值經(jīng)轉(zhuǎn)換后得到七位的七段數(shù)碼管顯示值，由共陰極七段數(shù)碼管顯示最終數(shù)值。

圖3-2-14 整點報時電路

• 進(jìn)行錯誤定位  整機(jī)電路是由單元電路組成的，出問題的只可能是其中的一部分貨幾部分，根據(jù)錯誤的現(xiàn)象，通過觀察、觸摸及儀表測試，判斷出問題所在的部分稱之錯誤定位。有時可以把整機(jī)各部分之間的信號線斷開，逐級進(jìn)行查找，或者在安裝時就先檢測各部分功能，確信正確后再進(jìn)行相互連接。
• 具體錯誤的查找  在錯誤定位后，已把問題縮小到某一部分，然后可按下列次序檢查。
  
  • 原理圖是否正確；
  • 接線是否符合圖紙要求，接線是否這段；
  • 是否有短路現(xiàn)象；
  • 是否有開路現(xiàn)象；
  • 接插點、焊點是否牢靠；
  • 芯片及元件有否損壞，方向、極性是否正確；
  • 有否超出元件的負(fù)載能力；
  • 問題是否來自干擾。
    

本電路設(shè)計簡潔、實用，大部分模塊單元選用集成運放電路。在時基電路中采用集成NE555, 在時間計數(shù)器電路中采用集成芯片CT74192，在譯碼、驅(qū)動及顯示電路中采用集成芯片74LS248。如此設(shè)計使得電路外圍結(jié)構(gòu)簡單，體積小巧精致，且較好的結(jié)合了各運放的優(yōu)良性能，使電路能滿足各項指標(biāo)。現(xiàn)介紹各芯片列表如下：

五、設(shè)計方案總結(jié)
實驗過程中遇到的問題及解決方法：
① 元器件的選擇不存在問題。
② 七段顯示器與驅(qū)動器連接的測量時， 有時有些數(shù)字顯示斷開、 不完整。 原因可能是數(shù)碼管引腳接觸不良，或者是通關(guān)數(shù)碼管的電流過大 需 要接入排阻。 在接電路時譯碼管的電源和接地的沒接， 直接導(dǎo)致譯碼 管無法工作，數(shù)碼管無數(shù)字顯示。
③ 時間計數(shù)電路的連接與測試 仔細(xì)的連接電路是非常重要的，不要忘了電源和接地的引腳連接線。 測試時秒 計數(shù)顯示無法進(jìn)位、跳動還較快，無法進(jìn)位是因為在 74LS08D 集成管的輸入輸出弄錯引腳， 跳動較快是因為把 4060BP 和 74LS74D 的接線引腳接在了 4060BP 的 2 引腳。 經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)接線錯誤 調(diào)整后，時間秒顯示正常。
④ 校正電路 校正時有時單獨校正分，時會跟著調(diào)動，原因是分與時的進(jìn)位接線沒 斷開。

六、心得體會
通過這次實訓(xùn)，讓我們更加了解了各種集成塊的應(yīng)用，也對其中一 些集成塊的用途有了一定的了解。實訓(xùn)對于我們的動手設(shè)計能力也是一 種提高，細(xì)心，認(rèn)真在其尤其重要。對于一些容易遺漏的引腳，如電源， 接地引腳特別要注意。 該電路的設(shè)計讓我對數(shù)字鐘的設(shè)計有了一定的了解。我知道了如何 設(shè)計出 1HZ 的信號，也對時分秒的設(shè)計有了一定的了解。并且在實際電 路一般步驟為由數(shù)字鐘系統(tǒng)組成框圖按照信號的流向分級安裝，逐級級 聯(lián)，這里的每一級是指組成數(shù)字鐘的各功能電路。級聯(lián)時如果出現(xiàn)時序 配合不同步，或尖峰脈沖干擾，引起邏輯混亂，可以增加多級邏輯門來 延時。經(jīng)過聯(lián)調(diào)并糾正設(shè)計方案中的錯誤和不足之處后，再測試電路的邏輯功能是否滿足設(shè)計要求。 最后畫出滿足設(shè)計要求的總體邏輯電路圖。

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