數(shù)字鐘課程設(shè)計報告

1、 電子技術(shù)課程設(shè)計報告 數(shù)字鐘的設(shè)計 專 業(yè)： 班 級： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 完成日期：2011 年 12 月 16 日 第 1 頁 共 18 頁目 錄1 設(shè)計目的32 設(shè)計任務(wù)33數(shù)字電子鐘的電路系統(tǒng)設(shè)計33.1 設(shè)計原理33.2 方案確定43.2.1 設(shè)計方案一43.2.2 設(shè)計方案二53.2.3 兩種方案的比較53.2.4 設(shè)計方案的確定63.3 數(shù)字電子鐘的電路設(shè)計63.3.1 電源電路的設(shè)計63.3.2 時間計數(shù)電路的設(shè)計73.3.3 正點報時電路的設(shè)計83.3.4 校時電路的設(shè)計93.3.5 秒信號發(fā)生器的設(shè)計93.3.6 譯碼驅(qū)動顯示電路.113.3.7 數(shù)字電子鐘的整體電路1

2、13.4設(shè)計電路的計算機模擬仿真與調(diào)試144 電路的裝配過程154.1電路模擬仿真調(diào)試154.2電路焊接154.3 實物的實際調(diào)試.155實驗數(shù)據(jù)和誤差分析155.1實驗數(shù)據(jù).155.2 誤差分析.166 元件清單.167 課程設(shè)計的收獲、體會和建議.17參考文獻(xiàn)181 設(shè)計目的數(shù)字鐘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。此次設(shè)計與制作數(shù)字電子鐘的目的是讓學(xué)生在了解數(shù)字鐘的原理的前提下，運用剛剛學(xué)過的數(shù)電知識設(shè)計并制作數(shù)字鐘，而且通過數(shù)字鐘的制作進(jìn)一步了解各種在制作中用到的中小規(guī)模集成電路的作用及其使用方法。由于數(shù)字電子鐘包括組合邏輯電路和時序電路，通過它可以進(jìn)一步

3、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，從而實現(xiàn)理論與實踐相結(jié)合?？偟膩碚f，此次課程設(shè)計，有助于學(xué)生對電子線路知識的整合和電子線路設(shè)計能力的訓(xùn)練，并為后繼課程的學(xué)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計打下一定的基礎(chǔ)。2 設(shè)計任務(wù)設(shè)計制作一個數(shù)字電子鐘設(shè)計指標(biāo)：1 時間計數(shù)電路采用24進(jìn)制，從00開始到23后再回到00；2 各用2位數(shù)碼管顯示時、分、秒；3 具有自動校時、校分功能，可以分別對時及分進(jìn)行單獨校時，使其校正到標(biāo)準(zhǔn)時間； 4 計時過程具有報時功能，當(dāng)時間到達(dá)整點前10秒開始，蜂鳴器1秒響1秒停地響5次。5為了保證計時的穩(wěn)定及準(zhǔn)確，須由晶體振蕩器提供時間基準(zhǔn)信號。3 數(shù)字電子鐘的電路系統(tǒng)設(shè)計下面將詳

4、細(xì)介紹整個數(shù)字電子鐘的電路系統(tǒng)設(shè)計過程。其中包括數(shù)字電子鐘的設(shè)計原理，設(shè)計方案的確定，數(shù)字電子鐘的電路設(shè)計計算機仿真，電路的設(shè)計與調(diào)試幾個設(shè)計部分。3.1 設(shè)計原理數(shù)字電子鐘是一個對標(biāo)準(zhǔn)頻率（1hz）進(jìn)行計數(shù)的計數(shù)電路。它由振蕩器、分配器、計數(shù)器、譯碼器和顯示器電路組成。振蕩器產(chǎn)生的時鐘信號經(jīng)過分頻器形成秒脈沖信號，秒脈沖信號輸入計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)，并把累計結(jié)果以“時”、“分”、“秒”的數(shù)字顯示出來。秒計數(shù)器電路計滿60后觸發(fā)分計數(shù)器電路，分計數(shù)器電路計滿60后觸發(fā)時計數(shù)器電路，當(dāng)計滿24小時后又開始下一輪的循環(huán)計數(shù)。通過校時電路可以對分和時進(jìn)行校時，且計時過程具有報時功能，當(dāng)時間到達(dá)整點前10秒

5、開始，蜂鳴器1秒響1秒停地響5次。3.2 方案確定通過查找資料并展開討論，共討論出兩個不同的設(shè)計方案，表面上看，似乎兩個方案都符合要求，但經(jīng)過反復(fù)深究，并將兩個方案加以比較，最終確定一個既符合本設(shè)計要求又具有比較強的可行性的方案作為此次設(shè)計的對象。3.2.1 設(shè)計方案一方案一的設(shè)計主要是由555振蕩電路， 時間計數(shù)電路，校時電路和譯碼驅(qū)動電路組成。而分頻器采用3片集成電路計數(shù)器74ls90，每片為1/10分頻，3片級聯(lián)則可獲得所需的頻率信號。而時間計數(shù)電路由74ls90組成，分為一個24進(jìn)制電路和兩個60進(jìn)制電路。校時電路則由開關(guān)組成。設(shè)計方案一的設(shè)計原理圖如圖174ls48譯碼驅(qū)動74ls4

6、8譯碼驅(qū)動時十位計數(shù)位計數(shù)數(shù)時個位計數(shù)位計數(shù)數(shù)分十位計數(shù)位計數(shù)數(shù)分個位計數(shù)位計數(shù)數(shù)秒十位計數(shù)位計數(shù)數(shù)秒個位計數(shù)位計數(shù)數(shù)無消抖動校時，校分控制電路555振蕩器 三級分頻電路（74ls90）74ls48譯碼驅(qū)動74ls48譯碼驅(qū)動74ls48譯碼驅(qū)動74ls48譯碼驅(qū)動圖1 設(shè)計方案一的設(shè)計原理圖3.2.2 設(shè)計方案二方案二的設(shè)計主要由晶體振蕩電路，時間計數(shù)電路，校時電路，譯碼驅(qū)動電路。其中，時間計數(shù)電路用六個74ls90組成。校時電路主要由 hd74ks00p組成rs觸發(fā)器，而且加入消抖電路，達(dá)到了自動校時的效果。設(shè)計方案二的設(shè)計原理圖如下4511譯碼驅(qū)動4511譯碼驅(qū)動4511譯碼驅(qū)動4511

7、譯碼驅(qū)動4511譯碼驅(qū)動4511譯碼驅(qū)動時十位計數(shù)時個位計數(shù)分十位計數(shù)分個位計數(shù)秒十位計數(shù)秒個位計數(shù)具有消抖動的校分，校時控制電路32768晶體振蕩電路 cd4060分頻器2hz 二分頻電路（74ls74）1hz圖2 設(shè)計方案二的設(shè)計原理圖3.2.3 兩種方案的比較1、在數(shù)字電路設(shè)計中，兩種方案采用了不同的元器件，但都達(dá)到了數(shù)字時鐘功能。2、第一個方案采用了簡單的開關(guān)形式進(jìn)行校時，而第二個方案則采用了由rs觸發(fā)器組成的具有消抖動的消抖校時電路，消除了輸入脈沖的不穩(wěn)定性，使得在校時過程中不影響計數(shù)。3、第一個方案采用了74ls48的譯碼芯片，而第二個方案則采用了mci 4511d 譯碼芯片，顯然

8、，前者價格昂貴，后者經(jīng)濟實惠。4、第一個方案采用了555振蕩器，輸出脈沖既不精確也不夠穩(wěn)定，而第二個方案則采用了晶體振蕩電路，其輸出脈沖較精確，穩(wěn)定。5、第一個方案采用了3片74ls90作為分頻器，而第二個方案則采用了1片74ls74作為二級分頻器，電路較前者簡單。3.2.4 設(shè)計方案的確定鑒于第一種方案有比較多的局限性，而方案二則比較方便實用，再根據(jù)本次設(shè)計的具體要求與所學(xué)的知識，確定方案二為本次設(shè)計采用的方案。3.3 數(shù)字電子鐘的電路設(shè)計下面將介紹第二個設(shè)計方案的設(shè)計電路。其中包括電源電路的設(shè)計、時間計數(shù)電路的設(shè)計、正點報時電路的設(shè)計、校時電路的設(shè)計、秒信號發(fā)生器的設(shè)計、譯碼驅(qū)動顯示電路的

9、設(shè)計幾個部分。3.3.1 電源電路的設(shè)計由于本設(shè)計所用芯片的數(shù)目較多，而且數(shù)字鐘需要比較穩(wěn)定的電壓才能使得計數(shù)正常、穩(wěn)定、精確。所以采用l7805cv穩(wěn)壓集成塊做穩(wěn)壓電路，并為了更好的消除電壓諧波，所以采用了2000f的濾波電容，以此得到穩(wěn)定的電壓。電源電路:用7805集成塊做穩(wěn)壓電路。如圖3圖3 電源電路3.3.2時間計數(shù)電路的設(shè)計時間計數(shù)電路由秒個位和秒十位計數(shù)器、分個位和分十位計數(shù)器及時個位和時十位計數(shù)器電路構(gòu)成，其中秒個位和秒十位計數(shù)器、分個位和分十位計數(shù)器為60進(jìn)制計數(shù)器，而根據(jù)設(shè)計要求，小時計數(shù)器為24進(jìn)制計數(shù)器。用6個74ls90組成兩個60進(jìn)制和一個24進(jìn)制計數(shù)器。分別如圖4和

10、5。圖4 60進(jìn)制電路對于上圖，74ls90芯片的引腳8、9、11、12分別對應(yīng)qc、qb、qd、qa四個輸出端，而第5端和第10端分別接高電平和地，上圖已默認(rèn)，就不畫出，下面的電路圖凡涉及到芯片本身就需要接高電平和地的引腳亦不畫出。當(dāng)分的74ls90芯片的進(jìn)位輸入端11端的脈沖進(jìn)位信號傳到時的脈沖輸入端時，時便計數(shù)一次，并且其十位和個位的進(jìn)位關(guān)系與分（秒）的十位和個位的進(jìn)位關(guān)系一樣，此處不再重述。24進(jìn)制電圖5 24進(jìn)制電路3.3.3 正點報時電路的設(shè)計為了達(dá)到正點報時的功能，當(dāng)時間的分十位為5，分個位為9，秒的十位為5時，利用與門的相與功能，使得時間在59分50秒到59分59秒期間，蜂鳴器

11、1秒響1秒停地響5次。如圖6。圖6 正點報時電路3.3.4校時電路的設(shè)計一般情況下，數(shù)字電子鐘開機時并不立即顯示當(dāng)前時間，所以需要一個校時電路來調(diào)整以此來獲得所需要的時間。根據(jù)設(shè)計要求，采用自動實現(xiàn)對時和分的校時，為了使校時不干擾計時，在校時電路中還加入了消抖電路，用于消除輸入脈沖的不穩(wěn)定性，確保校時和計時的穩(wěn)定與準(zhǔn)確。其主要原理是：先截斷正常的計數(shù)通路，然后再將頻率為2hz的方波信號加到需要校正的計數(shù)單元的輸入端，校正好后，再轉(zhuǎn)入正常計時狀態(tài)即可。 根據(jù)要求，數(shù)字鐘應(yīng)具有自動分校正和時校正功能，因此，應(yīng)截斷分個位和時個位的直接計數(shù)通路，并采用正常計時信號與校正信號可以隨時切換的電路接入其中。

12、圖7所示即為帶有基本rs觸發(fā)器的校時電路。圖7 校時電路對于上圖，與非門74ls00的u1c片中的第9端為晶體振蕩器所產(chǎn)生的2hz的信號脈沖，而第u1d片的第13端則接進(jìn)位信號（若為小時校正電路，則為分的進(jìn)位信號，同理，分的校時電路則為秒的進(jìn)位信號，當(dāng)不校時的時候，計時電路將正常計數(shù)）。第u2b片的第6端則為分或者小時的個位脈沖輸入端。3.3.5 秒信號發(fā)生器的設(shè)計振蕩器是數(shù)字鐘的核心，振蕩器的穩(wěn)定度及頻率的精確度決定了數(shù)字鐘計時的準(zhǔn)確程度。由集成電路定時器555與rc可組成多諧振蕩器，其振蕩頻率只有1khz。所以為了達(dá)到設(shè)計要求，獲取更高的計時精度，選用晶體振蕩器構(gòu)成振蕩器電路。一般來說，振

13、蕩器的頻率越高，計時精度越高。此次設(shè)計選用r14532的晶體振蕩器，其頻率為32768hz，再經(jīng)過分頻芯片4060bd， 其內(nèi)部有15級2分頻集成電路，所以可以其中一個輸出端得到2hz的信號脈沖。再經(jīng)過二次分頻，方可得到1hz的標(biāo)準(zhǔn)信號脈沖，即秒脈沖。至于分頻電路，實際上就是由計數(shù)器組成的，因此，還可選用3片集成電路計數(shù)器74ls90，每片為1/10分頻，3片級聯(lián)則可獲得所需的頻率信號。但為了節(jié)省芯片及開支，因此選用前者。其原理圖和電路圖分別入圖8和圖9。圖8 秒信號原理圖圖9 晶體振蕩電路3.3.6 譯碼驅(qū)動顯示電路譯碼驅(qū)動電路將計數(shù)器輸出的8421bcd碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管需要的邏輯狀態(tài)，并且為

14、保證數(shù)碼管正常工作提供足夠的工作電流。本設(shè)計采用mci 4511譯碼器和led數(shù)碼管。譯碼驅(qū)動顯示電路如圖10。圖10 譯碼驅(qū)動顯示電路3.3.7 數(shù)字電子鐘的整體電路圖11為數(shù)字電子鐘的整體電路主模塊部分，圖12，圖13，圖14為數(shù)字電子鐘的整體電路副模塊部分。圖11電路主模塊部分圖12 晶體振蕩電路圖13 校時電路圖14 正點報時電路3.4 設(shè)計電路的計算機模擬仿真與調(diào)試本次設(shè)計后的方案分電源電路、時間計數(shù)電路、正點報時電路、校時電路、秒信號發(fā)生器電路和譯碼驅(qū)動顯示電路等幾個模塊，設(shè)計后分別送到計算機模擬軟件ewb8.0和multisim2001中進(jìn)行模擬調(diào)試。此次模擬仿真調(diào)試是在實物調(diào)試

15、前展開的，可以及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計方案中存在的問題并進(jìn)行分析與修正，方便購買器件，也為下一步的實物調(diào)試和線路板制作提供正確可行的電路模塊。例如時間計數(shù)電路的仿真模擬調(diào)試如圖15。圖15 時間計數(shù)電路的仿真模擬調(diào)試圖又如晶振電路的仿真波形圖如圖16。圖16 晶振電路的仿真波形圖4 電路的裝配過程經(jīng)過電路的模擬仿真調(diào)試后，進(jìn)入實際組裝配置過程。其中包括電路模擬仿真調(diào)試、電路焊接和實物的實際調(diào)試三個階段。4.1 電路模擬仿真調(diào)試經(jīng)過電路的電腦模擬仿真調(diào)試后，將芯片插入實驗室的實驗箱再一次進(jìn)行調(diào)試，首先調(diào)試秒計時電路，再接著調(diào)試分計時電路，如此一步一步調(diào)試下去，一發(fā)現(xiàn)問題可以及時分析并更正，并且邊調(diào)試邊焊接，

16、節(jié)省了大量時間。4.2 電路焊接在實際組裝配置即焊接電路板的過程中，對于裸露在空氣中的電線或者芯片引腳，由于受氧化，表層附有一次很薄的氧化物，會導(dǎo)致其導(dǎo)電能力大大下降，因此須用砂紙擦去氧化層。每焊接完一部分電路，就立即進(jìn)行調(diào)試，測試無誤后方可進(jìn)心下一階段的焊接。焊接時要主要布線和焊點的合理分布，盡量做到美觀。實際焊接過程中，要保證焊筆不要碰到已經(jīng)焊好的線，否則焊好的線很容易脫落。4.3 實物的實際調(diào)試完成焊接后，即進(jìn)入實物的調(diào)試階段。實際調(diào)試中出現(xiàn)了不少問題，如顯示不正常，秒計時中滿六十后不進(jìn)位等等。仔細(xì)檢測后發(fā)現(xiàn)主要是電路的某些線脫落和自制電源的電壓諧波太大所致。后來還發(fā)現(xiàn)校時電路中的一個消

17、抖電路設(shè)計出現(xiàn)錯誤，須重新設(shè)計。經(jīng)過認(rèn)真的分析與糾錯后，最終調(diào)試成功。5 實驗數(shù)據(jù)和誤差分析5.1 實驗數(shù)據(jù)在組裝器件完畢后，用實驗室的秒表進(jìn)行測試數(shù)字鐘的精確度，測試結(jié)果如表1表1 數(shù)字鐘時間與秒表時間的比較表秒表時間(單位：秒)數(shù)字鐘時間誤差（單位：秒）0000：00：0003000：00：30060.0100：01：000.019000：01：30012000：02：000150.0200：02：300.02180.0300：03：000.035.2 誤差分析從表1可看出，誤差接近于0，而且理論上，誤差本來是累積的，但實際上不然，該表的數(shù)據(jù)已顯示數(shù)字鐘走了90秒和120秒時的誤差與走了6

18、0秒的誤差并不相關(guān)聯(lián)，亦即誤差不累積。因此易得出此誤差值為人的反應(yīng)時間（包括視覺反應(yīng)時間和手的反應(yīng)時間），并不是數(shù)字鐘本身的誤差。因此，此數(shù)字鐘的精確度相當(dāng)高，滿足設(shè)計要求。6 元件清單本次設(shè)計所用的元器件如表2所示。表2 元器件清單一覽表元器件數(shù)量sn74ls90n6hd74ks00p3mci 45116cd40601cd4081be374ls741lm7805110m電阻51000f電容433f電容2r14532晶體振蕩器32768hz1數(shù)字ic插座（雙列直插式）20單刀雙擲開關(guān)29v-12w變壓器1蜂鳴器（雙引腳）1電路板2雙引腳導(dǎo)線若干電源插頭1數(shù)碼管6穩(wěn)壓管l7805cv1整流橋rs20717 課程設(shè)計的收獲、體會和建議收獲與體會：1、提高了對芯片的認(rèn)識。為了在實驗室里做好測試工作，我們必須對所用到的芯片了解得一清二楚。通過查閱手冊，詢問老師，我終于對芯片的引腳功能熟透，這樣不但測試起來可靠，對以后的學(xué)習(xí)也是有極大的幫助。2、加強了對元件市場的了解。為了得到我們需要的元件，我們要親自去電子城購買元件，看到電子應(yīng)用繁榮的一面，我對電子方面的知識更有興趣了。3、磨練了我的意志力。有些困難甚至看進(jìn)來難于解決，確實也是打擊了我的信心。但我毫不氣餒，認(rèn)真地檢查電