ตัวนับความถี่ CMOS: 3 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:02

คู่มือนี้ประกอบด้วย PDF และรูปถ่ายที่ฉันออกแบบตัวนับความถี่ของตัวเองเพื่อความสนุกสนานจากตรรกะที่ไม่ต่อเนื่อง ฉันจะไม่ลงรายละเอียดทั้งหมดเกี่ยวกับวิธีการทำแผงวงจรหรือวิธีการต่อสาย แต่แผนผังถูกสร้างขึ้นใน KICAD ซึ่งเป็นซอฟต์แวร์ฟรีที่ช่วยให้คุณสร้างโครงการของคุณบน PCB ระดับมืออาชีพ อย่าลังเลที่จะคัดลอกหรือใช้ข้อมูลนี้เป็นแนวทางอ้างอิง นี่เป็นแบบฝึกหัดการเรียนรู้ที่ดี ฉันพบว่ามันเป็นการเดินทางที่น่าตื่นเต้นและปวดหัวในเวลาเดียวกัน แต่โปรเจ็กต์นี้ใช้ทักษะมากมายที่เรียนรู้ในหลักสูตรการออกแบบดิจิทัลขั้นพื้นฐาน ทั้งหมดนี้สามารถทำได้ด้วยไมโครคอนโทรลเลอร์เพียงตัวเดียวและชิ้นส่วนภายนอกบางส่วน แต่จะมีอะไรสนุกล่ะนั่น ฮ่าฮ่าฮ่า!

ขั้นตอนที่ 1: การออกแบบตัวนับความถี่โดยใช้ชิปลอจิก CMOS แบบแยก

ดังนั้นเพื่อเป็นการแนะนำ ผมจึงออกแบบ เดินสาย และทดสอบวงจรนี้ ฉันทำงานส่วนใหญ่ใน NI multisim และใช้การจำลองเพื่อออกแบบโมดูลส่วนใหญ่ หลังจากทดสอบหลายซิมแล้ว ฉันก็สร้างวงจรทดสอบเป็นชิ้นๆ ลงบนบอร์ดขนมปัง เพื่อให้แน่ใจว่าแต่ละส่วนทำงานได้อย่างถูกต้อง ซึ่งเป็นเรื่องที่น่าปวดหัวจริงๆ และฉันใช้เวลาเกือบหนึ่งสัปดาห์กว่าจะเรียกใช้เวอร์ชันสมบูรณ์ชุดแรกได้ ในขั้นตอนต่อไป ฉันจะรวม BOM (รายการวัสดุ) และบล็อกไดอะแกรมของการออกแบบ จากนั้นให้ลงรายละเอียดเกี่ยวกับวิธีการประกอบเข้าด้วยกัน ฉันไม่ได้ใช้แผนผังใด ๆ ในการทำสิ่งนี้ ฉันแค่อ่านเอกสารข้อมูลสำหรับชิปเซ็ตและเรียกใช้การจำลองและทดสอบแต่ละชิปสำหรับฟังก์ชันที่เหมาะสม โปรเจ็กต์นี้มีแนวคิดหลัก 4 ประการที่เชื่อมโยงเข้าด้วยกันในชุดประกอบขั้นสุดท้ายที่จะสรุปไว้ในแผนภาพบล็อก ฉันใช้บล็อกเหล่านี้เพื่ออธิบายว่าจะจัดระเบียบและออกแบบอย่างไร

1. โมดูลจับเวลาวงจร Pierce oscillator ที่มีการสั่น xtal (คริสตัล) ที่ 37.788 kHz ถูกป้อนลงใน CD4060B (ระลอก 14 ขั้นมีตัวนับไบนารีและตัวแบ่งความถี่) ซึ่งส่งผลให้เกิดสัญญาณ 2Hz สัญญาณนั้นจะถูกส่งไปยังฟลิปฟล็อป JK ที่กำหนดค่าไว้สำหรับโหมดสลับ สิ่งนี้จะลดขนาดลงครึ่งหนึ่งเป็นคลื่นสี่เหลี่ยม 1Hz จากนั้นสัญญาณจะถูกส่งไปยังฟลิปฟล็อป JK อีกอันหนึ่งและแบ่งออกเป็น 0.5Hz (หยุด 1 วินาทีใน 1 วินาที) นี่จะเป็นฐานเวลาที่แม่นยำในการตั้งค่านาฬิกาที่เปิดใช้งานของเราเพื่อ "แบ่ง" ตัวอย่างความถี่ขาเข้าหนึ่งวินาที นี่เป็นส่วนของพัลส์ที่ต้องนับเป็นเวลาหนึ่งวินาที
2. ตัวนับทศวรรษแบบซิงโครนัส เป็นแนวคิดหลักสองประการในการทำความเข้าใจเกี่ยวกับวิธีการนับความถี่ขาเข้า สัญญาณขาเข้าต้องเป็นคลื่นสี่เหลี่ยมและเข้ากันได้กับระดับลอจิกของชิป ฉันใช้ตัวสร้างฟังก์ชันบนม้านั่งในห้องปฏิบัติการของฉัน แต่สามารถสร้างได้โดยใช้ตัวจับเวลา 555 และฟลิปฟล็อป JK หรือ D ที่กำหนดค่าเป็นตัวแบ่งความถี่ แนวคิดที่สองใช้สัญญาณ 0.5Hz เพื่อเปิดใช้งานพัลส์ที่วัดได้เพื่อออกจากเกต AND เป็นระยะเวลาหนึ่งวินาที และบล็อกเมื่อตรรกะต่ำ ชีพจรนี้ออกจากประตู AND และเข้าสู่ตัวนับทศวรรษที่นาฬิกาแบบขนาน ตัวนับทำหน้าที่เป็นตัวนับแบบซิงโครนัสและใช้การดำเนินการและในฟังก์ชันที่อธิบายไว้ในแผ่นข้อมูลสำหรับ CD4029
3. รีเซ็ต วงจรจำเป็นต้องรีเซ็ตทุก 2 วินาทีเพื่อสุ่มตัวอย่างความถี่และจะไม่ได้รับการอ่านแบบทบต้นบนจอแสดงผล เราต้องการให้รีเซ็ตตัวนับเป็นศูนย์ก่อนที่ชิ้นถัดไปจะเข้ามาหรือจะเพิ่มเป็นค่าก่อนหน้า ซึ่งไม่น่าสนใจเท่าไหร่! เราทำสิ่งนี้โดยใช้ D flip flop แบบมีสายเพื่อป้อนกลับและเรานาฬิกาสัญญาณ 0.5 Hz ลงในนาฬิกาซึ่งถูกวางไว้ใน Pre set เปิดใช้งานหมุดของตัวนับทศวรรษ สิ่งนี้ทำให้ตัวนับทั้งหมดเป็นศูนย์เป็นเวลาสองวินาทีจากนั้นจึงสูงเป็นเวลา 2 วินาที เรียบง่ายแต่มีประสิทธิภาพ ไม่สามารถทำได้ด้วย JK flip flop แต่ฉันชอบแสดงสองวิธีในการทำสิ่งเดียวกัน ทั้งหมดนี้เพื่อความสนุกสนานและการเรียนรู้ด้วยตนเอง อย่าลังเลที่จะเบี่ยงเบนความสนใจ!
4. LED SEGMENTS ส่วนที่ดีที่สุดจะถูกบันทึกไว้ในตอนท้าย! จอแสดงผล Classic 7 segment และชิปไดรเวอร์ ฉันขอแนะนำอย่างยิ่งให้ออกแบบสิ่งนี้รอบๆ แผ่นข้อมูลของจอแสดงผล 7 ส่วนและชิปไดรเวอร์ คุณจะต้องให้ความสนใจอย่างใกล้ชิดกับความแตกต่างระหว่างแคโทดหรือแอโนดทั่วไป ชิปที่ฉันใช้จะต้องสูงหรือต่ำขึ้นอยู่กับไฟ LED ที่คุณเลือกใช้และตามหลักปฏิบัติที่ดี ตัวต้านทาน 220 โอห์มจะใช้เพื่อจำกัดกระแส มีความยืดหยุ่นบ้าง เป็นการดีที่สุดเสมอที่จะอ้างอิงถึงแผ่นข้อมูล ไม่มีใครเป็นเช่นนั้น ฉลาดคำตอบทั้งหมดอยู่ในแผ่นข้อมูล หากมีข้อสงสัยให้อ่านให้มากที่สุด

ขั้นตอนที่ 2: บล็อกไดอะแกรม

ส่วนต่อไปนี้เป็นเพียงภาพของแผนภาพบล็อก เป็นความคิดที่ดีที่จะดูสิ่งนี้เมื่อคุณกำลังออกแบบบางสิ่งเพื่อตัดปัญหาออกเป็นชิ้น ๆ

ขั้นตอนที่ 3: ฐานเวลาและแผนผัง

ขอบเขต o แสดงให้เห็นว่าผลลัพธ์ควรมีลักษณะอย่างไรเมื่อเปรียบเทียบกับฐานเวลา

วงจรนี้ใช้ cd 4060 ต่อสายตามที่แสดงในภาพ อ้างอิง PDF สำหรับภาพเต็ม

ชิปที่ใช้ในวงจรนี้คือ

• 3X CD4029
• 1X CD4081
• 1X CD4013
• 1X CD4060
• 1X CD4027
• 3X CD4543
• ตัวต้านทาน 21 X 220 โอห์ม
• 3 X 7 SEGEMNT LED DISPLAYS
• 37.788 KHZ คริสตัล
• ตัวต้านทาน 330K โอห์ม
• ตัวต้านทาน 15M โอห์ม
• เครือข่าย RESITOR 18x 10K 8 PIN (แนะนำ)
• มีสายเชื่อมต่อจำนวนมากหากใช้บอร์ดขนมปัง
• บอร์ดขนมปังมากมาย

อุปกรณ์ที่แนะนำ

• ม้านั่งพาวเวอร์ซัพพลาย
• O-SCOPE
• เครื่องกำเนิดฟังก์ชัน
• มัลติมิเตอร์
• คีม

ซอฟต์แวร์การออกแบบที่แนะนำ

• KICAD
• NImultisim