電子線路綜合設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)-數(shù)字電子鐘設(shè)計(jì)

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)電子線路綜合設(shè)計(jì)數(shù)字電子鐘設(shè)計(jì)姓名班級(jí)14級(jí)電氣類3班組別10指導(dǎo)教師2016年6月24日1摘要作為一個(gè)大學(xué)生，每天要在固定的時(shí)間上各種各樣的課程，那么按時(shí)到達(dá)課室是每個(gè)優(yōu)秀的大學(xué)生必須做到的事，所以我們就需要知道具體的時(shí)間，進(jìn)而安排自己的行程，數(shù)字電子鐘就是我們平時(shí)學(xué)習(xí)生活中所必需的。既然分配到了數(shù)字電子鐘課題，那么通過(guò)研究電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分）中的基礎(chǔ)知識(shí)，分析出數(shù)字電子鐘基本電路由秒脈沖發(fā)生電路、校分校時(shí)電路、時(shí)間計(jì)數(shù)電路、譯碼驅(qū)動(dòng)顯示電路、整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路等幾部分組成。秒脈沖發(fā)生電路主要用來(lái)產(chǎn)生時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，因?yàn)闀r(shí)鐘的精度主要取決于時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的頻率及穩(wěn)定度，所以采用石英晶體振蕩器。因?yàn)檎袷幤鳟a(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻高，要是要得到“秒”信號(hào)，需一定級(jí)數(shù)的分頻器進(jìn)行分頻，最終得到1HZ的脈沖信號(hào)。校時(shí)校分電路分別通過(guò)“與非門”組成的SR鎖存器輸出信號(hào)到時(shí)計(jì)數(shù)器或者分計(jì)數(shù)器來(lái)對(duì)“時(shí)”、“分”顯示數(shù)字進(jìn)行校對(duì)調(diào)整。時(shí)間計(jì)數(shù)電路有了“秒”脈沖信號(hào)，則可以根據(jù)60秒為1分鐘，60分為1小時(shí)，分別設(shè)定“時(shí)”、“分”、“秒”的計(jì)數(shù)器，分別為60進(jìn)制、60進(jìn)制、24進(jìn)制計(jì)數(shù)器，并輸出1分鐘，1小時(shí)的進(jìn)位信號(hào)。譯碼驅(qū)動(dòng)顯示電路將“時(shí)”“分”“秒”顯示出來(lái)。將時(shí)間計(jì)數(shù)電路的輸出狀態(tài)，輸入到譯碼器CD4511，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的信號(hào)，呈現(xiàn)出對(duì)應(yīng)的進(jìn)位數(shù)字字型。整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路根據(jù)計(jì)時(shí)系統(tǒng)的的各個(gè)輸出狀態(tài)通過(guò)“與非門”產(chǎn)生一脈沖信號(hào)，通過(guò)三極管的導(dǎo)通或截止使得電源驅(qū)動(dòng)蜂鳴器實(shí)現(xiàn)報(bào)時(shí)功能。本文在MULTISIM110的仿真設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，自行選擇芯片，焊接電路板，完成了一個(gè)具有多功能的數(shù)字電子時(shí)鐘。關(guān)鍵詞秒脈沖SR鎖存器計(jì)數(shù)器譯碼器與非門2目錄1前言311設(shè)計(jì)目的312設(shè)計(jì)任務(wù)及指標(biāo)313設(shè)計(jì)相關(guān)提示32總體方案確定321設(shè)計(jì)原理322制定方案4221總體設(shè)計(jì)方案4222各部分設(shè)計(jì)方案52221時(shí)間計(jì)數(shù)電路的設(shè)計(jì)52222整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路的設(shè)計(jì)62223校分校時(shí)電路的設(shè)計(jì)72224秒脈沖發(fā)生電路的設(shè)計(jì)82225譯碼驅(qū)動(dòng)顯示電路的設(shè)計(jì)9223整體電路93電路仿真、焊接及調(diào)試過(guò)程1031電路仿真1032電路焊接1033實(shí)際電路調(diào)試1134誤差分析114課程設(shè)計(jì)收獲及建議11參考文獻(xiàn)1231前言11設(shè)計(jì)目的較傳統(tǒng)的機(jī)械時(shí)鐘而言，數(shù)字電子鐘準(zhǔn)確性更高、功能更豐富，所以廣受人們的喜愛(ài)。通過(guò)數(shù)字邏輯電路，其中包括組合邏輯電路、時(shí)序電路等基本部分構(gòu)成數(shù)字電子鐘。根據(jù)課題要求，利用所學(xué)所查原理制作出簡(jiǎn)單能顯示時(shí)分秒計(jì)數(shù)功能的電子鐘。12設(shè)計(jì)任務(wù)及指標(biāo)1、設(shè)計(jì)制作一個(gè)數(shù)字電子鐘；2、時(shí)間計(jì)數(shù)電路采用24進(jìn)制，從00開(kāi)始到23后再回到00；3、各用2位數(shù)碼管顯示時(shí)、分、秒；4、具有手動(dòng)校時(shí)、校分功能，可以分別對(duì)時(shí)、分進(jìn)行單獨(dú)校正；5、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秒開(kāi)始，蜂鳴器響1秒停1秒地響5次。13設(shè)計(jì)相關(guān)提示1、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時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)；2、數(shù)字鐘由振蕩器、計(jì)數(shù)器、譯碼器和顯示器電路所組成；3、振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過(guò)分頻器形成1秒信號(hào)，秒信號(hào)輸入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，并把累計(jì)結(jié)果以“時(shí)”、“分”、“秒”的數(shù)字顯示出來(lái)；4、校時(shí)、校分考慮消除機(jī)械開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)抖動(dòng)；5、蜂鳴器不夠響，要考慮加放大電路。2總體方案確定下面將對(duì)數(shù)字電子鐘的整個(gè)電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程（包括設(shè)計(jì)原理、方案確定、電路設(shè)計(jì)及仿真、焊接與調(diào)試等部分）進(jìn)行介紹。21設(shè)計(jì)原理數(shù)字鐘是一個(gè)將“時(shí)”、“分”、“秒”顯示于人的視覺(jué)器官的計(jì)時(shí)裝置。它的計(jì)時(shí)周期為24小時(shí)，顯示滿刻度為23時(shí)59分59秒，另外應(yīng)有校時(shí)功能和報(bào)時(shí)等附加功能。因此，一個(gè)基本的數(shù)字鐘電路主要由譯碼顯示器“時(shí)”，“分”，“秒”、計(jì)數(shù)器、校時(shí)電路、報(bào)時(shí)電路和振蕩器組成。干電路系統(tǒng)由秒信號(hào)發(fā)生器、“時(shí)、分、秒”計(jì)數(shù)器、譯碼器及顯示器、校時(shí)電路、整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路組成。秒信號(hào)產(chǎn)生器是整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)基信號(hào)，它直接決定計(jì)時(shí)系統(tǒng)的精度，一般用石英晶體振蕩器加分頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)。將標(biāo)準(zhǔn)秒4信號(hào)送入“秒計(jì)數(shù)器”，“秒計(jì)數(shù)器”采用60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，每累計(jì)60秒發(fā)出一個(gè)“分脈沖”信號(hào)，該信號(hào)將作為“分計(jì)數(shù)器”的時(shí)鐘脈沖。“分計(jì)數(shù)器”也采用60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，每累計(jì)60分鐘，發(fā)出一個(gè)“時(shí)脈沖”信號(hào)，該信號(hào)將被送到“時(shí)計(jì)數(shù)器”?！皶r(shí)計(jì)數(shù)器”采用24進(jìn)制計(jì)時(shí)器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)一天24小時(shí)的累計(jì)。譯碼顯示電路將“時(shí)”、“分”、“秒”計(jì)數(shù)器的輸出狀態(tài)送到七段顯示譯碼器譯碼，通過(guò)七位LED七段顯示器顯示出來(lái)。整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路時(shí)根據(jù)計(jì)時(shí)系統(tǒng)的輸出狀態(tài)產(chǎn)生一脈沖信號(hào)，然后去觸發(fā)一音頻發(fā)生器實(shí)現(xiàn)報(bào)時(shí)。校時(shí)電路時(shí)用來(lái)對(duì)“時(shí)”、“分”、“秒”顯示數(shù)字進(jìn)行校對(duì)調(diào)整的?？梢酝ㄟ^(guò)校時(shí)電路對(duì)分和時(shí)進(jìn)行校時(shí)，且具有整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能，當(dāng)時(shí)間到達(dá)整點(diǎn)前10秒開(kāi)始，蜂鳴器將以1秒響1秒停的形式響5次。22制定方案根據(jù)課題要求，通過(guò)整理互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)上、圖書館館藏資料和對(duì)電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分）的學(xué)習(xí)，討論確定一個(gè)既符合本設(shè)計(jì)要求又具有比較強(qiáng)的操作性的方案作為此次設(shè)計(jì)的對(duì)象。221總體設(shè)計(jì)方案本電路系統(tǒng)由晶體振蕩電路，時(shí)間計(jì)數(shù)電路，校時(shí)電路，譯碼驅(qū)動(dòng)電路組成，報(bào)時(shí)電路。其中，時(shí)間計(jì)數(shù)電路用六個(gè)74LS90組成。校時(shí)電路主要由74LS00組成RS觸發(fā)器，報(bào)時(shí)電路由74LS30與74LS00組成。5圖1總體設(shè)計(jì)圖222各部分設(shè)計(jì)方案下面將介紹設(shè)計(jì)電路。含時(shí)間計(jì)數(shù)電路的設(shè)計(jì)、整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路的設(shè)計(jì)、校分校時(shí)電路的設(shè)計(jì)、秒脈沖發(fā)生電路的設(shè)計(jì)、譯碼驅(qū)動(dòng)顯示電路的設(shè)計(jì)幾個(gè)部分。2221時(shí)間計(jì)數(shù)電路的設(shè)計(jì)時(shí)間計(jì)數(shù)電路由60進(jìn)制的秒計(jì)數(shù)器、60進(jìn)制的分計(jì)數(shù)器以及24進(jìn)制的時(shí)計(jì)數(shù)器組成。秒計(jì)數(shù)器以及分計(jì)數(shù)器都是采用60進(jìn)制電路。當(dāng)秒的74LS90芯片的8端以及9端信號(hào)變化產(chǎn)生的脈沖進(jìn)位信號(hào)傳到時(shí)的脈沖輸入端時(shí)，分計(jì)數(shù)器便計(jì)數(shù)一次。6U1474LS90DQA12QB9QD11QC8INB1R916R927R012INA14R023GND10VCC5U1574LS90DQA12QB9QD11QC8INB1R916R927R012INA14R023GND10VCC5圖260進(jìn)制電路時(shí)計(jì)數(shù)器采用的是24進(jìn)制電路。當(dāng)分的74LS90芯片的8端以及9端信號(hào)變化產(chǎn)生的脈沖進(jìn)位信號(hào)傳到時(shí)的脈沖輸入端時(shí)，時(shí)計(jì)數(shù)器便計(jì)數(shù)一次，并且其十位和個(gè)位的進(jìn)位關(guān)系與分（秒）的十位和個(gè)位的進(jìn)位關(guān)系一樣。U1074LS90DQA12QB9QD11QC8INB1R916R927R012INA14R023GND10VCC5U1174LS90DQA12QB9QD11QC8INB1R916R927R012INA14R023GND10VCC5R110K圖324進(jìn)制電路2222整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路的設(shè)計(jì)7據(jù)設(shè)計(jì)要求，時(shí)鐘電路應(yīng)在整點(diǎn)前10秒鐘內(nèi)開(kāi)始整點(diǎn)報(bào)時(shí)，而且要求蜂鳴器響1秒停1秒地響5次。即當(dāng)時(shí)間在59分50秒到59分59秒期間時(shí)，分十位、分個(gè)位和秒十位均保持不變，分別為5、9和5，在秒到達(dá)1、3、5、7和9時(shí)，蜂鳴器鳴叫，即整點(diǎn)時(shí)開(kāi)始產(chǎn)生每隔1S鳴叫一次的響聲，共鳴五次，每次持續(xù)時(shí)間為1S。其電路如下圖4所示。U1674LS30NABCDEFGNDYNC1NC2GHNC3VCCU17A74LS00DQ12N1711U18BUZZER200HZVCC5VVCC5V圖4整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路2223校分校時(shí)電路的設(shè)計(jì)初次啟動(dòng)時(shí)，數(shù)字電子鐘需要校準(zhǔn)到當(dāng)?shù)貢r(shí)間，而實(shí)現(xiàn)這一功能則由校分校時(shí)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)和調(diào)整。根據(jù)要求，數(shù)字鐘應(yīng)具有手動(dòng)分校正和時(shí)校正功能。因此，應(yīng)截?cái)喾謧€(gè)位和時(shí)個(gè)位的直接計(jì)數(shù)通路，并采用正常計(jì)時(shí)信號(hào)與校正信號(hào)可以隨時(shí)切換的電路接入其中。其電路圖如下。8U2174LS00D1A1B1Y2A2B2YGND3Y3B3A4Y4B4AVCCU2274LS32D1A1B1Y2A2B2YGND3Y3A3B4Y4A4BVCCU2374LS08D1A1B1Y2A2B2YGND3Y3A3B4Y4A4BVCCJ1KEYBJ2KEYAVCC5VVCC5VR110KR210KR310KR410K圖5校分校時(shí)電路2224秒脈沖發(fā)生電路的設(shè)計(jì)電子鐘之所以能進(jìn)行秒計(jì)數(shù)，主要是源于振蕩秒脈沖的產(chǎn)生，所以多諧振蕩器則為電子鐘的核心區(qū)。由于我們要制作高精度的電子時(shí)鐘，我們需要獲取更高的計(jì)時(shí)精度，因此選用晶體振蕩器構(gòu)成振蕩器電路，這樣能完好地達(dá)到要求。振蕩器的頻率越高，計(jì)時(shí)精度越高。而我們選用R14532的晶體振蕩器，其頻率為32768KHZ，再經(jīng)過(guò)分頻芯片4060，其內(nèi)部有15級(jí)2分頻集成電路，所以我們?cè)谄渲幸粋€(gè)輸出端得到2HZ的信號(hào)脈沖，再經(jīng)過(guò)二次分頻，方可得到1HZ的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)脈沖，即秒脈沖。其電路圖和原理圖分別如下。U204060BD_5VO122O133RTC10O37MR12RS11O45O54O66O714O813O915O111CTC9X1R2632768KHZR522MC125PFC210PF圖6秒脈沖發(fā)生電路9圖7秒脈沖發(fā)生原理圖2225譯碼驅(qū)動(dòng)顯示電路的設(shè)計(jì)譯碼驅(qū)動(dòng)顯示電路是將計(jì)數(shù)器輸出的8421BCD碼譯成數(shù)碼管顯示所需要的高低電平，所以在譯碼電路和數(shù)碼管的選擇上一定要注意配套。如我們采用共陰極七段數(shù)碼管，則譯碼電路就應(yīng)選接與它配套的共陰極七段譯碼驅(qū)動(dòng)器。譯碼顯示電路可采用CD4511BCD7段譯碼驅(qū)動(dòng)器，其芯片引腳如下圖所示。其中A0、A1、A2、A3與74LS90的四個(gè)輸出端相連接，YA、YB、YC、YD、YE、YF、YG輸出驅(qū)動(dòng)七段數(shù)碼顯示器的信號(hào)。計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)了對(duì)時(shí)間的累計(jì)并以8421BCD碼的形式輸送到CD4511芯片，再由4511芯片把BCD碼轉(zhuǎn)變?yōu)槭M(jìn)制數(shù)碼送到數(shù)碼管中顯示出來(lái)。譯碼驅(qū)動(dòng)顯示電路如圖8所示。U1ABCDEFGHABCDEFGHCKU2ABCDEFGHABCDEFGHCKU3ABCDEFGHABCDEFGHCKU44511BP_5VA1A2LTBILEA3A0VSSYEYDYCYBYAYGYFVDDU54511BP_5VA1A2LTBILEA3A0VSSYEYDYCYBYAYGYFVDDU64511BP_5VA1A2LTBILEA3A0VSSYEYDYCYBYAYGYFVDDU74511BP_5VA1A2LTBILEA3A0VSSYEYDYCYBYAYGYFVDDU84511BP_5VA1A2LTBILEA3A0VSSYEYDYCYBYAYGYFVDDU94511BP_5VA1A2LTBILEA3A0VSSYEYDYCYBYAYGYFVDDVCC5V圖8譯碼驅(qū)動(dòng)顯示電路10223整體電路綜上所述，我們的數(shù)字電子鐘整體電路由晶體振蕩電路產(chǎn)生秒信號(hào)脈沖，然后產(chǎn)生的秒信號(hào)累計(jì)在秒計(jì)數(shù)器上并通過(guò)譯碼電路顯示在數(shù)碼管上，通過(guò)進(jìn)制器再進(jìn)行時(shí)分秒的累加和顯示，整點(diǎn)時(shí)分則觸發(fā)報(bào)時(shí)電路。最后按實(shí)際要求校準(zhǔn)當(dāng)?shù)貢r(shí)間。整體電路如下圖圖9整體電路3電路仿真、焊接及調(diào)試過(guò)程31電路仿真通過(guò)使用MULTISIM軟件進(jìn)行數(shù)字電子時(shí)鐘的仿真操作。仿真結(jié)果數(shù)字電子時(shí)鐘能正常工作，校時(shí)準(zhǔn)確，并且能在整點(diǎn)前10秒開(kāi)始報(bào)時(shí)，響一秒停一秒。32電路焊接完成電路仿真之后開(kāi)始進(jìn)行電路焊接，在焊接過(guò)程中，因?yàn)橐婚_(kāi)始趕時(shí)間所以沒(méi)有細(xì)心地去劃分走線的線路圖，所以形成了許多的飛線，布線繁瑣而且易造成錯(cuò)亂，但我們后來(lái)在線路布局方面與其他小組較為不同的是，我們將電源和地線焊接在電路板上，并貫穿了整塊電路板，因此能夠減少在這方面的飛線，使布局變得更為簡(jiǎn)單。之后在焊11接過(guò)程中遇到的一些問(wèn)題，包括烙鐵頭的溫度過(guò)高時(shí)，使得焊錫在電路板上的的銜接質(zhì)量不夠好，局部電路經(jīng)后期再處理后，使電路變得平滑，提高電路的銜接質(zhì)量。33實(shí)際電路調(diào)試將秒脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生的1HZ秒脈沖分別送入時(shí)、分、秒計(jì)數(shù)器，檢查各組計(jì)數(shù)器的工作情況；通過(guò)調(diào)校校時(shí)電路是否能校準(zhǔn)時(shí)間；當(dāng)分頻電路和計(jì)數(shù)器調(diào)試正常后，觀察電子鐘是否準(zhǔn)確；觀察電子鐘到整點(diǎn)之前報(bào)時(shí)電路是否正常工作。34誤差分析經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)有一定的誤差，其原因是晶體振蕩的特點(diǎn)所決定的，同時(shí)與芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，并且存在人為誤差。4課程設(shè)計(jì)收獲此次數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)，不僅僅是對(duì)近半年學(xué)習(xí)以來(lái)的檢驗(yàn)，更是鍛煉我們動(dòng)手能力、培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作精神的一次良機(jī)。在緊張的考試周里進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，而且平時(shí)還要上課，這次的課程設(shè)計(jì)不僅是要求我們對(duì)時(shí)間的合理安排，更體現(xiàn)了我們對(duì)于數(shù)字電路知識(shí)的掌握與應(yīng)用，以及對(duì)焊接手法的熟悉掌握。在兩周不到的時(shí)間里，我們除了要進(jìn)行有條不紊的信號(hào)與系統(tǒng)復(fù)習(xí)與考試以及四六級(jí)的復(fù)習(xí)以及完成各種科目的作業(yè)外，我們小組更收獲了以下幾點(diǎn)收集、整理以及學(xué)習(xí)數(shù)字電子鐘的相關(guān)知識(shí)和要點(diǎn)，再結(jié)合本階段所學(xué)知識(shí)畫出電路圖、分析相關(guān)芯片、學(xué)習(xí)使用仿真軟件對(duì)所制電子鐘電路進(jìn)行檢驗(yàn)，完成了基礎(chǔ)知識(shí)要求儲(chǔ)備。在電路圖設(shè)計(jì)方面，不僅要求我們對(duì)芯片內(nèi)部、管腳了解熟知，更要求我們就實(shí)際功能選用相關(guān)芯片以及進(jìn)行正確的接線。在電路功能的實(shí)現(xiàn)上遇到問(wèn)題時(shí)，我們會(huì)對(duì)芯片的每一個(gè)門電路以及實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行檢查，對(duì)此，加深認(rèn)識(shí)了常見(jiàn)芯片的功能及使用方法。在焊接電路方面出現(xiàn)了布線不合理等問(wèn)題，由于不常焊接電路，所以在熟悉的過(guò)程中耗時(shí)較長(zhǎng)，另外由于沒(méi)有把握好時(shí)間所以布線仍是問(wèn)題的關(guān)鍵所在，仍需加強(qiáng)學(xué)習(xí)焊接技術(shù)以及合理的布線規(guī)劃。經(jīng)過(guò)對(duì)本次的電路焊接，焊接速度、焊接質(zhì)量等方面有了很大的提升，對(duì)使用吸錫器、剝線鉗等工具熟練程度也有所加強(qiáng)。12調(diào)試電路部分最為關(guān)鍵、最為費(fèi)力。因最初并不知道電路故障是出現(xiàn)在哪個(gè)部分，在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的過(guò)程中非常耗時(shí)，需要利用到萬(wàn)用電