數(shù)字鐘課程設(shè)計(jì)1

1、目 錄1 設(shè)計(jì)目的32 設(shè)計(jì)任務(wù)33數(shù)字電子鐘的電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)33.1 設(shè)計(jì)原理33.2 方案確定43.2.1 設(shè)計(jì)方案一43.2.2 設(shè)計(jì)方案二53.2.3 兩種方案的比較53.2.4 設(shè)計(jì)方案的確定63.3 數(shù)字電子鐘的電路設(shè)計(jì)63.3.1 電源電路的設(shè)計(jì)63.3.2 時間計(jì)數(shù)電路的設(shè)計(jì)73.3.3 正點(diǎn)報時電路的設(shè)計(jì)83.3.4 校時電路的設(shè)計(jì)93.3.5 秒信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)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113.4設(shè)計(jì)電路的計(jì)算機(jī)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(shí)物的實(shí)際調(diào)試.155實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和

2、誤差分析155.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).155.2 誤差分析.166 元件清單.167 課程設(shè)計(jì)的收獲、體會和建議.17致謝19參考文獻(xiàn)201 設(shè)計(jì)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(jì)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(yùn)用剛剛學(xué)過的數(shù)電知識設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐相結(jié)合?？偟膩碚f，此次課程設(shè)計(jì)，有助于學(xué)生對電子線路知識的整合和電子

3、線路設(shè)計(jì)能力的訓(xùn)練，并為后繼課程的學(xué)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)打下一定的基礎(chǔ)。2 設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)制作一個數(shù)字電子鐘設(shè)計(jì)指標(biāo)：1 時間計(jì)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(dú)校時，使其校正到標(biāo)準(zhǔn)時間； 4 計(jì)時過程具有報時功能，當(dāng)時間到達(dá)整點(diǎn)前10秒開始，蜂鳴器1秒響1秒停地響5次。5為了保證計(jì)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(jì)下面將詳細(xì)介紹整個數(shù)字電子鐘的電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程。其中包括數(shù)字電子鐘的設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)方案的確定，數(shù)字電子鐘的電路設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)仿真，電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試幾個設(shè)

4、計(jì)部分。3.1 設(shè)計(jì)原理數(shù)字電子鐘是一個對標(biāo)準(zhǔn)頻率（1hz）進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)電路。它由振蕩器、分配器、計(jì)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(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，并把累計(jì)結(jié)果以“時”、“分”、“秒”的數(shù)字顯示出來。秒計(jì)數(shù)器電路計(jì)滿60后觸發(fā)分計(jì)數(shù)器電路，分計(jì)數(shù)器電路計(jì)滿60后觸發(fā)時計(jì)數(shù)器電路，當(dāng)計(jì)滿24小時后又開始下一輪的循環(huán)計(jì)數(shù)。通過校時電路可以對分和時進(jìn)行校時，且計(jì)時過程具有報時功能，當(dāng)時間到達(dá)整點(diǎn)前10秒開始，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(jì)方案，表面上看，似乎兩個方案都符合要求，但經(jīng)

5、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(jì)要求又具有比較強(qiáng)的可行性的方案作為此次設(shè)計(jì)的對象。3.2.1 設(shè)計(jì)方案一方案一的設(shè)計(jì)主要是由555振蕩電路， 時間計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)方案一的設(shè)計(jì)原理圖如圖174ls48譯碼驅(qū)動74ls48譯碼驅(qū)動時十位計(jì)數(shù)位計(jì)數(shù)數(shù)時個位計(jì)數(shù)位計(jì)數(shù)數(shù)分十位計(jì)數(shù)位計(jì)數(shù)數(shù)分個位計(jì)數(shù)位計(jì)數(shù)數(shù)秒十位計(jì)數(shù)位計(jì)數(shù)數(shù)秒個位計(jì)數(shù)位計(jì)數(shù)數(shù)無消抖動校時，校分控制

6、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(jì)方案一的設(shè)計(jì)原理圖3.2.2 設(shè)計(jì)方案二方案二的設(shè)計(jì)主要由晶體振蕩電路，時間計(jì)數(shù)電路，校時電路，譯碼驅(qū)動電路。其中，時間計(jì)數(shù)電路和譯碼驅(qū)動用六個cd4026 （7段顯示十進(jìn)制計(jì)數(shù)/分頻器）組成。校時電路主要由 cd4027 組成jk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(jì)方案二的設(shè)計(jì)原理圖如下4026譯碼計(jì)數(shù)4026譯碼計(jì)數(shù)4026譯碼計(jì)數(shù)4026譯碼計(jì)數(shù)4026譯碼計(jì)數(shù)4026譯碼計(jì)數(shù)時十位計(jì)數(shù)時個位計(jì)數(shù)分十位計(jì)數(shù)分個位數(shù)秒十位計(jì)數(shù)秒個位計(jì)數(shù)具有

7、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(jì)方案二的設(shè)計(jì)原理圖3.2.3 兩種方案的比較1、在數(shù)字電路設(shè)計(jì)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(jì)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cd4026 （7段顯示十進(jìn)制計(jì)數(shù)/分頻器），顯然，前者價格昂貴，后者經(jīng)濟(jì)實(shí)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)

8、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(jì)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(shí)用，再根據(jù)本次設(shè)計(jì)的具體要求與所學(xué)的知識，確定方案二為本次設(shè)計(jì)采用的方案。但由于時間緊促和經(jīng)費(fèi)問題，故實(shí)驗(yàn)過程中刪去一些擴(kuò)展功能，僅實(shí)現(xiàn)基本功能3.3 數(shù)字電子鐘的電路設(shè)計(jì)下面將介紹第二個設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)電路。其中包括時間計(jì)數(shù)電路的設(shè)計(jì)、正點(diǎn)報時電路的設(shè)計(jì)、校時電路的設(shè)計(jì)、秒信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)、譯碼驅(qū)動顯示電路的設(shè)計(jì)幾個部分。3.3.1時間計(jì)數(shù)電

9、路的設(shè)計(jì)時間計(jì)數(shù)電路由秒個位和秒十位計(jì)數(shù)器、分個位和分十位計(jì)數(shù)器及時個位和時十位計(jì)數(shù)器電路構(gòu)成，其中秒個位和秒十位計(jì)數(shù)器、分個位和分十位計(jì)數(shù)器為60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，而根據(jù)設(shè)計(jì)要求，小時計(jì)數(shù)器為24進(jìn)制計(jì)數(shù)器。用6個cd4026組成兩個60進(jìn)制和一個24進(jìn)制計(jì)數(shù)器兼譯碼器。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(jì)數(shù)一次，并且其十位和

10、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)制電路圖如圖5。圖5 24進(jìn)制電路3.3.4校時電路的設(shè)計(jì)一般情況下，數(shù)字電子鐘開機(jī)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(jì)要求，采用自動實(shí)現(xiàn)對時和分的校時，為了使校時不干擾計(jì)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(jì)時的穩(wěn)定與準(zhǔn)確。其主要原理是：先截?cái)嗾５挠?jì)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(jì)數(shù)單元的輸入端，校正好后，再轉(zhuǎn)入正常計(jì)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?cái)喾謧€位和時個位的直接計(jì)數(shù)通路

11、，并采用正常計(jì)時信號與校正信號可以隨時切換的電路接入其中。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(jì)時電路將正常計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)要求，獲取

12、更高的計(jì)時精度，選用晶體振蕩器構(gòu)成振蕩器電路。一般來說，振蕩器的頻率越高，計(jì)時精度越高。此次設(shè)計(jì)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(shí)際上就是由計(jì)數(shù)器組成的，因此，還可選用3片集成電路計(jì)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(jì)數(shù)

13、器輸出的8421bcd碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管需要的邏輯狀態(tài)，并且為保證數(shù)碼管正常工作提供足夠的工作電流。本設(shè)計(jì)采用cd4026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(diǎn)報時電路3.4 設(shè)計(jì)電路的計(jì)算機(jī)模擬仿真與調(diào)試本次設(shè)計(jì)后的方案分時間計(jì)數(shù)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(jì)后分別送到計(jì)算機(jī)模擬軟件ewb8.0和multisim2001中進(jìn)行模擬調(diào)試

14、。此次模擬仿真調(diào)試是在實(shí)物調(diào)試前展開的，可以及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)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(shí)物調(diào)試和線路板制作提供正確可行的電路模塊。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(shí)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(shí)物的實(shí)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(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)箱再一次進(jìn)行調(diào)試，首先調(diào)試秒計(jì)時電路，再接著調(diào)試分計(jì)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，節(jié)省了大量時間。4.2 電路焊接在實(shí)際組裝配置即

15、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(diǎn)的合理分布，盡量做到美觀。實(shí)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(shí)物的實(shí)際調(diào)試完成焊接后，即進(jìn)入實(shí)物的調(diào)試階段。實(shí)際調(diào)試中出現(xiàn)了不少問題，如顯示不正常，秒計(jì)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抖電路設(shè)計(jì)出現(xiàn)錯誤，須重新設(shè)計(jì)。經(jīng)過認(rèn)真的分析與

16、糾錯后，最終調(diào)試成功。5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和誤差分析5.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在組裝器件完畢后，用實(shí)驗(yàn)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）0000：00：0003000：00：30060.0100：01：000.019000：01：30012000：02：000150.0100：02：300.01180.0200：03：000.025.2 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(shí)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60秒的誤差并不相關(guān)聯(lián)，亦即誤差不累積。因此易得出

17、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(jì)要求。6 元件清單本次設(shè)計(jì)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cd40266cd40271mci 45116cd4060174ls741lm7805110m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67 課程設(shè)計(jì)的收獲、體會和建議收獲與體會：1、加強(qiáng)了團(tuán)隊(duì)合作精神。很難想象，如果我們各人之間沒有好好的配合，設(shè)

18、計(jì)過程將成為一團(tuán)亂麻。正是由于各人做好了應(yīng)該做的工作，整個過程才能一氣呵成。更為可貴的是，我們彼此鼓勵，同舟共濟(jì)地處理每個問題。這種團(tuán)隊(duì)精神將是我們美好的回憶。2、提高了對芯片的認(rèn)識。為了在實(shí)驗(yàn)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，或者詢問老師，我們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。3、加強(qiáng)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，我們對電子方面的知識更有興趣了。4、磨練了我們的意志力。我們花了很多心血來做這個課程設(shè)計(jì)，但凡事不是一帆風(fēng)順的，我們遇到了許多困難。有些

19、困難甚至看進(jìn)來難于解決，確實(shí)也是打擊了我們的信心。但我們毫不氣餒，認(rèn)真地檢查電路，檢查焊接的好壞。例如在做電源這一部分時，我們不斷地修正方案，示波器也顯示出了很完美的波形，但還是無法讓電路正常運(yùn)行。在我們無比失望之際，我們沒有放棄，最后找出問題的根本，換了兩個大電容，達(dá)到了消除電壓諧波，終于解決這大問題。5、提高了我們使用電腦對電路進(jìn)行仿真的能力。在這之前，我們用電腦軟件完成了自動控制的課程設(shè)計(jì)。同樣地，我們又要學(xué)會新的軟件multisim和ewb8.0來畫電路圖，并用它進(jìn)行仿真。這又讓我們的知識增多了。6、加強(qiáng)我們對電子器件的了解。一直以來，我們都對電路板感到神奇，對電子應(yīng)用感到好奇。這次我們親自制作一個電子器件，雖然原理并不太復(fù)雜，但我們在這一個過程，了解電子應(yīng)用的奇妙之處。7、加深了“項(xiàng)目”這一詞匯的理解。明白這類似這樣的一個設(shè)計(jì)，我們其實(shí)可以把它當(dāng)成一個項(xiàng)目工程來看待。我們的小組長起著協(xié)調(diào)組內(nèi)成員工作的作用，而每個成員也非常配合他的安排，這就是一個項(xiàng)目管理的小例。8、做到