飛上

2007년 1학기때 회로및 논리실험1 이라는 과목에서 했던 프로젝트

1. 프로젝트의 시행목적

1) 한학기 동안 실습하면서 공부했던 내용을 활용하여 실용적인 회로를 구현하여 본다.

2) 팀단위의 프로젝트 진행으로 팀원간 역할분담과 팀워크를 훈련한다.

3) 기존의 설계 되었던 회로에 새로운 기능이나 성능 개선에 대해 생각하여 보고, 구현하여 본다.

2. 완성된 디지털 클럭의 특징

1) 4Mhz의 수정진동자를 사용하여 클럭생성

2) 시간, 분, 초, AM/PM을 display

3) 시간이 12시간 마다 AM/PM 변환

4) 시간은 0시～11시를 display

5) 시간 및 분은 각각 adjust switch가 있음.

6) 시계를 00시 00분 00초로 초기화하는 reset switch가 있음

7) 시계를 멈추거나 동작하게 하는 go/stop switch가 있음

3. 이론

 1) 동기식 순차회로

   - 모든 Flip-Flop이 하나의 공통 클럭을 동시에 공급받도록 구성된 회로

   - 모든 Flip-Flop의 클럭단자가 하나의 공통클럭입력 CLK에 연결되어 있음

   - 모든 Flip-Flop이 동일한 시간에 자신의 상태를 변화

2) 비동기식 순차회로

    - Flip-Flop 이 서로 다른 클럭을 사용하는 형태로 구성된 회로

    - 첫(맨우측) Flip-Flop의 클럭단자는 CLK 입력에 연결

    - 이후 Flip-Flop의 클럭단자는 오른쪽에 있는 Flip-Flop의 반전출력단자에 연결

    - 각 Flip-Flop의 상태변화가 동시에 일어나지 않고 오른쪽에 있는 Flip-Flop의

      상태변화가 일어난 후에 상태변화가 일어남

    - Flip-Flop이 서로 다른 2개 이상의 신호에 의해 클럭단자가 구동되는 회로

3)카운터

 - Clock Pulse가 하나씩 인가될 때마다 미리 정해진 순서대로 상태가 반복되는 순차회로

-n비트 이진 카운터(n-bit binary counter)

4) BCD카운터

  - 10개의 BCD 코드값(0000, 0001, 0010, ... , 1000, 1001)을 상태값으로 가지는

    카운터(십진 카운터(decade counter))

<상태천이도>

4. 프로젝트에 사용되는 부품설명

-수정 진동자

   순수한 산화규소(SiO2)의 결정인 수정(quartz, 혹은 crystal) 결정을 결정축에 대해 특정한 방향으로 절단하여 만든 얇은 조각의 양면에 도체 전극을 단 후 전압을 걸면 전기 일그러짐 효과(piezoelectric effect)에 의해서 진동이 일어나며 이 진동으로 인해 압전효과에 의하여 전극에 전압이 형성된다. 그런데 수정 단결정은 가해준 전압의 크기에 상과 없이 항상 32786 Hz 의 주파수를 가지고 진동한다. 게다가 수정은 매우 낮은 열팽창계수를 가지고 있기 때문에 이 주파수는 온도 변화에 대해서도 안정하고 특히 수정 이 비교적 값이 저렴하기 때문에 수정 발진기는 시계나 컴퓨터 등 많은 분야에서 발진기(oscillator)로 사용되고 있다.

 수정 발진 장치는 발진기에서 나오는 진동을 전기신호로 바꾸어주는 발진회로, 발진회로에서 들어온 신호를 기능 수행에 필요한 주파수로 바꾸어 주는 분주회로이다 이때 나오는 신호를 1/60, 1/12, 1/2 등으로 나누어 월, 일, 시간, 분, 초등을 계산하도록 하는 계수분배회로, 시계의 경우 계수분배회로에서 들어오는 전기적 신호를 가지고 시간을 표시하도록 해 주는 구동회로 등으로 구성됩니다. 여기에서 가장 중요한 것이 분주회로인데 수정 발진기의 경우 주파수를 2로 15회 나눠 주면 1.0005492316 Hz 의 주파수를 얻을수 있습니다. 주어진 주파수를 2로 나누는 것은 회로상으로 매우 간단하기 때문에 2의배수에 가장 근접한 주파수를 갖는 수정이 발진기로 쓰인다.

- 7490 (counter)

    7490칩은 2진카운터와 5진카운터가 합쳐진 형태이기 때문에 다양한 방식으로 변형이      가능하다.

    14번핀(INPUT A)에 Pulse 신호를 넣으면 12번핀(Qa)으로 2진카운터 값이 나온다. 여기

  서 나오는 값을 1번핀(INPUT B)에 연결하면 Qa, Qb, Qc, Qd 의 출력값을 합쳐 10진 카 운

  터를 만들 수 있다.

     카운터가 되는 시점은 클럭펄스 전압이 High에서 Low로 바뀌는 시점에 시행된다.

<7490 칩의 핀배치도>

- FND (7-Segment)

  FND는 7-segment라고도 불리우며 숫자를 표시하기위해 사용된다. anode 방식과        cathode방식이 있는데 회로의 특성에 따라 골라서 사용하면 된다. FND에 전압을 바로 인가할 경우 FND에 과전류가 흐르게 되고, 열이 많이 발생하여 FND내의 LED가 타게되므로 인가하는 전압값에 적절한 저항을 연결하여 사용하여야 한다.

<FND의 종류및 핀배열>

- 7447( BCD to 7-Segment Decoder ) 

 BCD형태로 들어온 정보를 FND에 숫자로 표시될수 있게 해준다.

   위 그림의 A,B,C,D에 7490칩의 Qa, Qb, Qc, Qd를 연결하고 7447의 a~f를 FND의        a ~ f 에 연결하면 입력되는 BCD값을 FND에 숫자로 표시할수 있다.

-7447의 입력값과 FND의 표시

5. 부분설계 및 구현 사항

  1) Pulse 생성부

       - 4Mhz의 클럭이 출력된다.

2)분주회로

  10Mhz의 클럭을 1Hz로 분주하는 회로

 3) 카운터부

- 6진 카운터 (분과 초의 십-자리)

-Qb와 Qc가 1이되는 순간(즉 카운터가 0110=6 이되는순간) 2번핀(CLRa)와 3번핀(CLRb)에1의 값이 들어가고 카운터는 0으로 리셋됩니다.

  (CLRa와 CLRb는 칩내부에서 AND연산으로 1이되면 카운터 리셋이 됩니다)

- 10진 카운터 (붙과 초의 일-자리)

- 시간표시부의  12진 카운터

  4) FND( 7-segment) Display 부

   -입력값과 FND의 표시

    7490칩에서 BCD 형태로 표시될 숫자의 정보가 오면 7447 칩을 통해 FND에 표시 할      수 있다.

5) 12시간표시 디코더 회로

6)오전/오후 표시회로

     -시간이 11시59분 59초에서 12시로 변할 때에 맞추어 오전/오후 표시

     -LED 2개를 사용하여 오전/오후를 표시

     -T 플립플롭의 값에 따라 오전 또는 오후에 해당하는 LED 점등

 7)시간조정회로

      -시간을 설정하는 동안에는 시계가 동작하지 않도록 설계

          정확히 원하는 주기동안 Ei를 1로 만들어 주는 문제는 스위치를 한번 눌렀다 땔          때마다 한 클럭 주기 동안 1을 출력해 주는 단발펄스 발생회로를 사용해서 회로를          설계

6. 전체적인 설계 및 구현 사항

1)시간과 분을 설정하는 회로

 2)전체블록도

3)전체회로도

7. 사진

8,고찰

  프로젝트의 성공적이고 빠른 완료를 위하여, 실제 회로 구현시 여러 가지의 정상동작을 방해할수 있는 가능성이 있는 사항을 피해서 진행하는데 중점을 두었다. 일단 가장 큰 위험요소로는 브레드보드에서 점프선의 접촉불량 문제이다. 이 위험성을 피하기 위해서 실험실에서 사용하는 점프선 보다 약간 더 굵은 점프선을 사용하였다. 다음으로 위험 요소로는 간혹 브레드보드에서 접촉이 불량한 구멍이 있을때가 있는데 이 문제를 해결하기 위해서, 회로의 핵심부분이라고 할수 있는 ‘클럭발생부’와 ‘카운터칩의 연결회로 부분’을 실험실에서 제공해준 브레드 보드를 사용하지 않고, 따로 준비한 보드에 구현하였다.

  보드와 IC칩과 점프선을 따로 준비할수 있어서, 수업시간외에 팀원들끼리 모여서 프로젝트를 진행하여 다른 조에 비해서 시간적 여유가 있었던 것 같다.

  디지털 시계에 관한 회로도는 인터넷에서 쉽게 구할수 있지만, 그 회로도에서 사용된 똑같은 부품을 구할 수 있다는 보장도 없고, 이론적으로만 작성한 회로도인지 실제 회로구성후 테스트를 마친 회로도인지 알 수 없어서, 회로의 실제동작 여부를 검증하는데에 가장 힘들었었던것 같다. 결국에는 여러개의 디지털시계 회로도에서, 각 기능 부분별로 실제로 동작하면서 가장 간단하게 구현된 회로를 합성하여 디지털 시계회로를 작성하였다.