電子線路綜合設(shè)計課程設(shè)計數(shù)字電子鐘設(shè)計

PAGE16華南農(nóng)業(yè)大學(xué)電子線路綜合設(shè)計數(shù)字電子鐘班級：14電氣類8班組別：4指導(dǎo)教師：2016年月摘要電子數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術(shù)實現(xiàn)時、分、秒計時的裝置，比機械式時鐘具有更高的精確性。本次課程設(shè)計的電子數(shù)字鐘，具有以下功能：用24進制，從00開始到23后再回到00，各用2位數(shù)碼管顯示時、分、秒（如23：52：45）；可實現(xiàn)手動或自動的對時、分進行校正；計時過程具有報時功能，當(dāng)時間到達整點前10秒進行報時，蜂鳴器響1秒停1秒地響5次。整個電路設(shè)計主要包括秒信號產(chǎn)生電路、時分秒計數(shù)電路、譯碼顯示電路、時分的校正電路以及整點報時電路。秒信號產(chǎn)生電路由石英晶體振蕩器和分頻器實現(xiàn)，將此信號接到秒計數(shù)器的信號輸入端，在秒信號的驅(qū)動下，秒計數(shù)器向分計數(shù)器進位，分計數(shù)器向時計數(shù)器進位，最后通過譯碼器將計數(shù)器中的狀態(tài)以時間的形式顯示在數(shù)碼管。整點報時電路由計時電路的輸出狀態(tài)產(chǎn)生脈沖信號送至蜂鳴器實現(xiàn)報時。校時電路加上一個脈沖送到時分計時器電路從而實現(xiàn)時和分的校整。為了更好的完成本次課程設(shè)計，我們對題目進行了分析討論，參考了很多相關(guān)的資料，同時考慮到實驗室能提供的設(shè)備儀器及元件，確定了初步的設(shè)計方案；經(jīng)過多次軟件仿真，確定并完善了最終的設(shè)計方案。根據(jù)設(shè)計方案進行焊接、電子儀表檢查、調(diào)試并測量電路的工作狀態(tài)，排除電路故障，調(diào)整元件參數(shù)，改進電路性能，使之達到設(shè)計的指標(biāo)和要求，做出成品。關(guān)鍵詞：晶體振蕩器CD4060CD451174LS90目錄1系統(tǒng)概述…….…….…….…….…….…….…….…….…….…….….…….….….….….……11.1設(shè)計任務(wù)和目的….…….…….…….…….…….…….…….…….……….…….…….……11.2系統(tǒng)設(shè)計思路與總體方案……….…….…….…….…….…….…………….……….……11.3設(shè)計方案選擇….…….…….…….…….…….…….…….…….…………….…….…….…11.4總體工作過程….…….…….…….…….…….…….…….…….…………….……………21.5各功能模塊的劃分和組成….…….…….…….…….…….…….…….…….…….…….…22電路系統(tǒng)設(shè)計與分析….…….…….…….…….…….…….….…….…….…42.1秒信號的發(fā)生電路…………42.2時、分、秒計數(shù)電路…………52.3譯碼顯示電路………………62.4時、分校正電路……………72.5整點報時電路………………83電路的安裝與調(diào)試…………93.1安裝調(diào)試的步驟…………93.2電路軟件仿真調(diào)式………………………93.3電路焊接及實物調(diào)式……………………103.4實驗過程可能存在的問題………………104實驗數(shù)據(jù)和誤差分析………………………115實驗結(jié)論及分析……………116實驗收獲、體會和建議………………………12參考文獻……………………13附錄1元器件清單明細表……………………14附錄2總原理接線圖…………15附錄3電路焊接實物圖………………………16致謝……………171系統(tǒng)概述1.1設(shè)計任務(wù)和目的此次設(shè)計為一種多功能數(shù)字鐘，該數(shù)字鐘具有的基本功能包括能準(zhǔn)確計時，以數(shù)字形式顯示時、分、秒、可實現(xiàn)手動或自動的對時、分進行校正以及具有整點報時功能。通過對本次設(shè)計制作的實踐，我們可以更好的掌握課本內(nèi)的理論知識，以理論結(jié)合實際，應(yīng)用知識解決日常生活的問題。1.2系統(tǒng)設(shè)計思路與總體方案一個簡單的數(shù)字鐘由秒信號發(fā)生電路，時、分、秒計數(shù)電路，譯碼顯示電路組成，要求有校正時、分和整點報時功能，故要加入校時電路和報時電路。因此其原理可由如下的框圖表示出來。顯示電路顯示電路時計數(shù)器分計數(shù)器秒計數(shù)器校時電路報時電路振蕩電路分頻電路圖1數(shù)字鐘總體結(jié)構(gòu)圖1.3設(shè)計方案選擇對于數(shù)字鐘電路的設(shè)計方案將有不同的幾種設(shè)計可以實現(xiàn)，其不同的方案有著不同的元器件，主要設(shè)計方案如下：方案一：采用邏輯電路設(shè)計實現(xiàn)時、分、秒計時功能和整點報時功能，以及校時功能都能通過芯片實現(xiàn)，電路通過計數(shù)時鐘脈沖具有自動更新秒的顯示，純屬硬件設(shè)計無需程序干預(yù)。方案二：利用單片機編程實現(xiàn)通過利用單片機內(nèi)部定時計數(shù)器實現(xiàn)計時，軟件設(shè)置I/O作為數(shù)碼管或液晶顯示信號輸出，時間校準(zhǔn)按鍵輸入。軟件實現(xiàn)的電子鐘具有編程靈活，并便于功能的擴展。綜合比較上述各方案，考慮實驗室所能提供的元器件級設(shè)備，以現(xiàn)在的知識水平，決定采用方案一設(shè)計邏輯電路作為最終選擇方案。1.4總體工作過程1.4.1時間的前進和顯示的實現(xiàn)首先由秒信號產(chǎn)生電路生產(chǎn)秒信號，將此信號接到秒計數(shù)器的信號輸入端。接著，在這個秒信號的驅(qū)動下，秒計數(shù)器向分計數(shù)器進位，分計數(shù)器向時計數(shù)器進位，最后通過譯碼器將計數(shù)器中的狀態(tài)以時間的形式顯示出來，這樣就實現(xiàn)時間的前進和顯示功能。1.4.2整點報時的實現(xiàn)在時、分計數(shù)器的輸出端接收整點的信號，驅(qū)動蜂鳴器的頻率信號，在將此信號通過功率放大電路進行放大，從而使蜂鳴器工作。1.4.3校正時、分的實現(xiàn)在秒向分進位的路徑中加入一條用手動產(chǎn)生信號的路徑，并通過數(shù)據(jù)選擇器來選擇接通兩條中的手動信號，從而實現(xiàn)對分的校正。同理，對時的校正的方法與此相同。1.5各功能塊的劃分和組成1.5.1秒信號產(chǎn)生電路方案一：采用555定時器組成的振蕩器，產(chǎn)生1kHz后做千分頻輸出1Hz時鐘。由于555是利用電容的充放電產(chǎn)生矩形波時間誤差較大，需通過產(chǎn)生高頻繁波形從而減少誤差，但這樣就必須另外加分步電路做分頻，這樣精度不是很高且增加了制作的成本。方案二：采用石英晶振電路產(chǎn)生穩(wěn)定的時鐘后做分頻采用32768Hz的晶振產(chǎn)生2Hz時鐘后通過CD4060二分頻最終產(chǎn)生1Hz時鐘。石英晶體的振蕩頻率為36728HZ，極為穩(wěn)定，因而用它構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生的波形的穩(wěn)定性很高。由于石英晶體產(chǎn)生的振蕩頻率很高，需要用分頻器進行分頻處理。這里用CD4060分頻器處理，再通過74LS74產(chǎn)生秒信號。如下圖：圖2石英晶振電路綜合比較兩方案，通過555芯片產(chǎn)生的時鐘周期與RC電路值有關(guān)容易產(chǎn)生較大的誤差且需要使用3塊十進制芯片構(gòu)成千分頻電路，而通過CD4060產(chǎn)生的時鐘周期只與晶振的諧振頻率有關(guān)可以產(chǎn)生穩(wěn)定精確的時鐘信號且僅需再加1塊二分頻芯片即可實現(xiàn)，綜合考慮最終選擇采用方案二。1.5.2時、分、秒計數(shù)電路及譯碼、顯示電路此部分電路包括6個74LS90BCD碼計數(shù)器和6個七段數(shù)碼管，其中秒分是60進制，時接成24進制，及相應(yīng)的譯碼顯示器。時、分、秒都是要用兩位十進制數(shù)表示的，時、分、秒的個位和十位所對應(yīng)的計數(shù)器狀態(tài)輸出都是BCD碼，因而用BCD碼計數(shù)器。由于計數(shù)器構(gòu)成的擴展進制數(shù)多為BCD碼輸出形式，所以顯示采用由七段數(shù)碼管譯碼器驅(qū)動器（CD4511）驅(qū)動數(shù)碼管作為顯示電路部分。1.5.3時、分的校正電路這部分電路由產(chǎn)生調(diào)節(jié)信號的裝置和數(shù)據(jù)選擇器組成。1.5.4整點報時電路這部分電路由控制音響的頻率信號采集電路和蜂鳴器組成。2電路系統(tǒng)設(shè)計和分析2.1秒信號的發(fā)生電路秒信號發(fā)生電路由石英晶體振蕩器、CD4060分頻器和雙D觸發(fā)器組成。需要的元件有74LS74、CD4060，電阻若干、電容若干和36728HZ的晶振。其電路模型如下：74LS7474LS741HZ2HZCC4060圖4秒信號產(chǎn)生電路1HZCD4060振蕩電路是電子數(shù)字鐘的核心部分，它的頻率和穩(wěn)定性直接關(guān)系到表的精度。因此選擇石英晶體作為振蕩器，為了得到頻率更加準(zhǔn)確的頻率信號，加入了電容和電阻，其中電容為20uF，電阻為20M。石英晶體產(chǎn)生的頻率為32768Hz，要得到1HZ的信號需要再次對它進行分頻，故選用CD4060分頻器分頻，再加一個雙D觸發(fā)器得到1s的脈沖秒信號。2.2時、分、秒計數(shù)電路這部分電路由秒部分、分部分和時部分三部分組成，將這三部分進行一定的連接就可得到完整的時、分、秒計數(shù)電路。2.2.1秒部分此部分為一個60進制的74LS90計數(shù)器，它的CP脈沖是前面生成的秒信號，它的清零信號可以作為向分進位的進位信號。下面是電路連接圖：圖5秒計數(shù)電路2.2.2分部分這部分電路與秒部分電路相似，它的輸入CP是秒部分電路產(chǎn)生的進位信號，它的清零信號作為向時進位時的進位信號。電路圖如下：圖圖6分計數(shù)電路2.2.3時部分這部分電路是一個24進制的計數(shù)器，它的輸入CP為分部分的進位信號，需要的元件與秒、分電路一致。電路圖如下：圖7時計數(shù)電路2.3譯碼顯示電路這部分電路由CD4511和數(shù)碼管組成，CD4511是一個BCD七段譯碼器，具有BCD轉(zhuǎn)換、消隱、鎖存并兼有驅(qū)動功能，直接驅(qū)動LED顯示器，通過CD4511，可將二進制數(shù)轉(zhuǎn)化為十進制數(shù)，從而在數(shù)碼管上顯示十進制數(shù)字，其電路圖如下：圖8譯碼顯示電路2.4校正時、分電路2.4.1校分電路實現(xiàn)分的校準(zhǔn)的基本思路是：斷開原來正常的分輸入信號即秒電路的進位信號，把頻率可以認為控制的手動脈沖接入，從而實現(xiàn)快速的人為的分計數(shù)，當(dāng)?shù)竭_準(zhǔn)確的數(shù)值后再接入正常的計數(shù)脈沖，進行正常的前進。通過開關(guān)手動控制時、分脈沖輸入。以下為接線圖：圖10校分電路校時電路該電路與校正分的思路完全一致，只是它的正常輸入信號是分的進位信號而已。以下為整個時、分校正電路圖：圖11時分校正電路2.5整點報時電路這部分電路的要求是：在距離整點還有10秒的時候，每隔一秒鳴叫一次，聲音共有五次，每次持續(xù)時間為一秒。其電路包括控制門電路部分和音響電路部分。其中控制門電路的功能是從時、分、秒計數(shù)電路中取出頻率信號，輸給音響電路。音響電路是根據(jù)控制門電路得到的頻率信號驅(qū)動蜂鳴器發(fā)聲的電路。以下為電路圖：圖12整點報時電路3電路的安裝與調(diào)試3.1安裝調(diào)試的步驟首先布置芯片在萬能板上的位置并對各個芯片進行功能檢測以確定是好的。由于總電路的各個組成電路之間是相互獨立的，因此將各個電路所需的芯片布置在一起，一簡化接線。接著是接線并調(diào)試，因為各個電路的獨立性，可以對各個單位電路進行單獨的安裝和調(diào)試，可以降低調(diào)試的難度。具體做法是：接秒、分電路部分的60進制、接時電路部分的24進制，同時接上相應(yīng)的譯碼和顯示電路，并進行測試，測試方法為給各部分電路一個手動的CP，通過觀察數(shù)碼管來確定電路是否正確。再接著就是接校時電路，并對起功能進行檢驗，檢驗方法為調(diào)節(jié)電鍵為不同的狀態(tài)，觀察能否完成手動校時和正常的計數(shù)功能，反復(fù)的檢驗和修改接線，直到正確完成指定功能為止。再接報時電路，并進行測試，測試的方法為將時間調(diào)到59分，觀察當(dāng)秒鐘走到50秒時是否開始報時。當(dāng)所有的布線都完成后，檢測所有的功能，看是否符合要求。3.2電路軟件仿真調(diào)式在焊接電路前，設(shè)計的電路圖先用軟件Proteus進行了仿真，并成功地實現(xiàn)了設(shè)計要求的功能。具體仿真電路圖如下：圖13電路軟件仿真調(diào)試3.3電路焊接及實物調(diào)式電路焊接實物正面圖如下：圖14電路實物圖實物調(diào)試具體步驟：用示波器分別接入個單元電路，逐一進行測試并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。（1）首先用示波器檢測振蕩電路，測試并觀察其輸出波形和頻率，記錄頻率，輸出頻率應(yīng)為32768Hz。（2）將32768Hz信號輸入到分頻電路，用示波器檢測輸出頻率并記錄。（3）將1Hz脈沖信號依次輸送到秒、分、時計數(shù)器，觀察數(shù)碼管的計數(shù)狀況，并與實際時鐘計數(shù)進行比較。（4）測試校時電路、整點報時電路是否正常工作。3.4實驗過程中可能存在的問題在接好某部分電路后，可能存在一些問題，不能顯示正確的結(jié)果。（1）振蕩電路CD4060不能輸出正確的時鐘頻率，產(chǎn)生的原因可能是晶振部分出問題，可能是元件（如電容或晶振）已壞，或者是CD4060的第10,11腳短地，12腳不拉低。（2）計數(shù)電路可能會不計數(shù)，原因可能是清零端沒能被下拉阻拉低，更改更小阻值的電阻。（3）顯示電路數(shù)碼管部分段不顯示，最可能是由于電路的短地或虛焊引起，用萬用表檢測線路的連接情況，對不良的焊接點重新焊接。（4）整點報時電路揚聲器不響或聲音太小，揚聲器不響可能是報時邏輯門電路的連接問題或是聲音信號線問題，檢查邏輯芯片的工作情況及導(dǎo)線的焊接。（5）按鍵清零電路計數(shù)器不計數(shù)一直處于‘0’狀態(tài)，原因可能是由于下拉電阻過大或濾波電容內(nèi)部短路使計數(shù)器清零端處高電平，應(yīng)該檢查濾波電容好壞，換阻值更低的下拉電阻?？偠灾?，實驗調(diào)式過程中可能存在有電路的接線焊接問題，芯片問題及元器件損壞問題。解決的步驟是：對著電路圖檢查接線，確認無誤后，再進行測試，逐個檢測芯片和各元件，排除電路問題。通過這個步驟，可以很容易的改正電路。4實驗誤差及分析 經(jīng)過實物調(diào)試，電子數(shù)字鐘的基本功能都達到設(shè)計要求，時分校時功能和整點報時功能可拿實物調(diào)到59分，并等到50秒，蜂鳴器正常工作，隔一秒鳴叫一次，10秒共5次。數(shù)字鐘的精確性用真正的電子表進行時間測試，測試結(jié)果惹下表：表1電子數(shù)字鐘性能指標(biāo)測試標(biāo)準(zhǔn)值20s60s2min3min10min30min測試值19’859’61’’59’82’’59’89’’59’729’’59’5誤差（%）1.00%0.67%0.17%0.11%0.05%0.02%從上表可以看出，時鐘存在一定的誤差，主要原因可能是石英晶體振蕩的特點所決定的，同時與芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有一定的關(guān)系，當(dāng)然還有一些人為的誤差。從總體來看，誤差比較小，精度較高，達到了設(shè)計的要求。5實驗結(jié)論及分析 本次課程設(shè)計通過組合邏輯電路和時序電路，成功地設(shè)計了一個具有基本功能及校正時、分和整點報時的數(shù)字電子鐘。振蕩電路產(chǎn)生秒信號，將此信號接到秒計數(shù)器的信號輸入端，在秒信號的驅(qū)動下，秒計數(shù)器向分計數(shù)器進位，分計數(shù)器向時計數(shù)器進位，最后通過譯碼器將計數(shù)器中的狀態(tài)以十進制時間的形式顯示出來，因此振蕩電路直接影響時間的精度。在時、分計數(shù)器的輸出端接收整點的信號，驅(qū)動蜂鳴器的頻率信號，在將此信號通過放大電路放大，從而使蜂鳴器工作。在秒向分進位的路徑中加入一條用手動產(chǎn)生信號的路徑，并通過數(shù)據(jù)選擇器來選擇接通兩條中的手動信號，從而實現(xiàn)對分、時的校正。6實驗收獲、體會及建議通過這次課程設(shè)計，我得到了很多收獲和體會。第一，鞏固和加深了對電子線路基本知識和理解，提高了綜合運用所學(xué)知識的能力。第二，增強了根據(jù)課程需要選學(xué)參考資料，查閱手冊，圖表和文獻資料的自學(xué)能力，提高了動手實踐能力。從查閱資料到軟件Multisim和Proteus的使用與仿真，到各種芯片（計數(shù)器，分頻器，振蕩電路）的使用手冊及文檔的搜索與查閱，再到原理圖的設(shè)計與PCB的布線，最終到電路板的焊接與調(diào)試，整個過程中通過不斷發(fā)現(xiàn)問題與解決問題從中收獲了不少經(jīng)驗。同時通過獨立思考，深入研究有關(guān)問題，學(xué)會自己分析解決問題的方法。第三，通過實際電路的安裝調(diào)試等環(huán)節(jié)，更加掌握了簡單實用電路的分析方法和工程設(shè)計方法。第四，調(diào)式過程中更加了解了一些常用的儀器的使用方法，提高了動手能力。第五，整個課程設(shè)計過程中，培養(yǎng)了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)方法和科學(xué)態(tài)度、培養(yǎng)了耐心和細心，尤其是在布線、檢查線路的時候，耐心和細心顯得尤為重要，稍不留意就可能出錯。當(dāng)然，此次設(shè)計還是有些地方可以改進的。首先可以根據(jù)時、分校時的方法增加校秒的電路，在秒部分加一個手動的清鈴信號，作為另一種校秒的方法。其次，由于一個完整的時鐘系統(tǒng)需要使用6個數(shù)碼管和6個譯碼芯片，加大了成本及接線的復(fù)雜性。若顯示部分電路可以嘗試采用動態(tài)掃描顯示的方案。用一個譯碼芯片加3塊寄存芯片74LS273通過CD4060引一個512Hz的掃描時鐘通過邏輯門設(shè)計出一個動態(tài)顯示的電路。在整個設(shè)計過程中，我們體會到團隊合作的重要性，我們小組成員分工合作，相互配合，保證了效率和設(shè)計的順利完成，同時讓我們明白，只有單純的理論知識是遠遠不夠的，還必須結(jié)合實踐，將理論知識應(yīng)用到實際中，這樣才能讓我們更好的學(xué)習(xí)?？偠灾ㄟ^這次的設(shè)計，我們學(xué)到了很多，資料的查閱，軟件的使用，硬件的設(shè)計，電路的焊接及排查、論文的撰寫及排版能力都有一定的提高。

參考文獻康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分）[M].鄒壽彬，秦臻.第五版.武漢：高等教育出版社，2005.楊欣.電子設(shè)計從零開始[M].劉湘黔，王玉鳳.第二版.北京：清華大學(xué)出版社，2005.附錄附錄1元器件清單序號名稱型號參數(shù)數(shù)量備注1石英晶振32768Hz12十進制計數(shù)/分配器CD4017116腳314級二進制串行分頻器CD4060116腳4BCD碼七段譯碼器CD45116共陽極5反向器74LS04214腳6與門（2輸入）74LS08514腳7與門（4輸入）74LS20414腳8三輸入或非門74LS27114腳9八輸入與非門74LS30114腳10二輸入或門74LS32714腳11二五十進制計數(shù)器74LS90614腳12雙D觸發(fā)器74LS74114腳13555定時器18腳14電容20uF215電阻100K420M116開關(guān)2172位共陰數(shù)碼管318IC座268、14、16、24、4019三極管9013120蜂鳴器1附錄2總原理接線圖附圖1電子數(shù)字鐘原理接線圖附錄3電路實物圖附圖2電路實物正面圖致謝本次課程設(shè)計歷時近兩周的時間，大體上達到了預(yù)期的效果，做的成品在功能上達到了設(shè)計的要求，在外觀工藝上也盡可能的做到美觀，經(jīng)濟，盡量避免了一些飛線。課程設(shè)計得以順利完成，首先要感謝老師的細心指導(dǎo)，感謝學(xué)院提供的實驗室，感謝小組成員在一起共同討論與學(xué)習(xí)。目錄TOC\o"1-2"\h\z\u第一章總論 1一、項目概況 1二、項目提出的理由與過程 6三、項目建設(shè)的必要性 8四、項目的可行性 12第二章市場預(yù)測 15一、市場分析 15二、市場預(yù)測 16三、產(chǎn)品市場競爭力分析 19第三章建設(shè)規(guī)模與產(chǎn)品方案 22一、建設(shè)規(guī)模 22二、產(chǎn)品方案 22三、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 22第四章項目建設(shè)地點 25一、項目建設(shè)地點選擇 25二、項目建設(shè)地條件 25第五章技術(shù)方案、設(shè)備方案和工程方案 28一、技術(shù)方案 28二、產(chǎn)品特點 30三、主要設(shè)備方案 32四、工程方案 32第六章原材料與原料供應(yīng) 35一、原料來源及運輸方式 35二、燃料供應(yīng)與運輸方式 35第七章總圖布置、運輸、總體布局與公用輔助工程 37一、總圖布置 37二、運輸 38三、總體布局 38四、公用輔助工程 39第八章節(jié)能、節(jié)水與安全措施 44一、主要依據(jù)及標(biāo)準(zhǔn) 44二、節(jié)能 44三、節(jié)水 45四、消防與安全 45第九章環(huán)境影響與評價 47一、法規(guī)依據(jù) 47二、項目建設(shè)對環(huán)境影響 48三、環(huán)境保護措施 48四、環(huán)境影響評價 49第十章項目組織管理與運行 50一、項目建設(shè)期管理 50二、項目運行期組織管理 52第十一章項目實施進度 55第十二章投資估算和資金籌措 56一、投資估算 56二、資金籌措 58第十三章財務(wù)評價與效益分析 PAGEREF_To