《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計說明書多功能數(shù)字鐘的設(shè)計仿真與制作

1、武漢理工大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計說明書課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 題 目: 數(shù)字鐘的設(shè)計 初始條件：具備電子電路的基礎(chǔ)知識和設(shè)計能力；具備查閱資料的基本方法；熟悉常用的電子器件；熟悉電子設(shè)計常用軟件的使用；要求完成的主要任務(wù)：（包括課程設(shè)計工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）1、設(shè)計基本數(shù)字鐘電路；2、數(shù)碼管顯示時分秒；3、能夠進(jìn)行時間校準(zhǔn)；4、掌握數(shù)字電路的設(shè)計及調(diào)試方法；5、撰寫符合學(xué)校要求的課程設(shè)計說明書。時間安排：時間一周，其中2天原理設(shè)計，3天電路調(diào)試指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日目 錄1 proteus 軟件簡介12課程設(shè)計分析12.1

2、設(shè)計要點(diǎn)12.2 工作原理13電路設(shè)計23.1 秒脈沖電路的設(shè)計與參數(shù)確定2 3.2 秒、分、時計時器電路3 3.3 譯碼顯示電路5 3.4 校時電路63.5 總電路圖84.整體電路的仿真95部分元器件的使用說明及其引腳圖105.1 集成異步十進(jìn)制計數(shù)器74ls90105.2 555定時器115.3 各芯片引腳圖126元器件清單147.電路功能測試以及常見問題解決本法157.1電路功能測試157.2常見問題解決辦法158心得體會16參考文獻(xiàn). 17 1 proteus 軟件簡介 proteus軟件是英國labcenter electronics公司出版的eda工具軟件（該軟件中國總代理為廣州風(fēng)

3、標(biāo)電子技術(shù)有限公司）。它不僅具有其它eda工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。雖然目前國內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機(jī)愛好者、從事單片機(jī)教學(xué)的教師、致力于單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。proteus是世界上著名的eda工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到pcb設(shè)計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、pcb設(shè)計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計平臺，其處理器模型支持8051、hc11、pic10/12/16/18/24/30/dspic33、avr、arm、8086和m

4、sp430等，2010年即將增加cortex和dsp系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持iar、keil和mplab等多種編譯器。2課程設(shè)計分析2.1 設(shè)計要點(diǎn)設(shè)計一個精確的秒脈沖信號產(chǎn)生電路設(shè)計60進(jìn)制、24進(jìn)制計數(shù)器設(shè)計譯碼顯示電路設(shè)計校時電路2.2 工作原理數(shù)字電子鐘由信號發(fā)生器、計數(shù)器、譯碼器及顯示器、校時電路組成。信號發(fā)生器輸出標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖。將標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號送入秒計數(shù)器，秒計數(shù)器滿60后向分計數(shù)器進(jìn)位，分計數(shù)器滿60后向時計數(shù)器進(jìn)位，時計數(shù)器按照“24翻1”規(guī)律計數(shù)，計數(shù)器的輸出分別經(jīng)譯碼器送顯示器顯示。計時出現(xiàn)誤差時，可以用校時電路校時校分。3電路設(shè)計3.1

5、秒脈沖電路的設(shè)計與參數(shù)確定圖3.1 脈沖信號發(fā)生器本次設(shè)計采用555振蕩器構(gòu)成秒脈沖發(fā)生器。 555定時器的脈沖時間是由于rc充放電確定的。根據(jù)三要素公式： （1） 充電過程的方程式： (2) 充電時間為： (3) 放電過程的方程式： （4） 放電時間為： (5) 總時間為： （6） 頻率為： （7） 首先確定c2=100uf，r9=10k，r10=2k，需要輸出頻率f=1hz，將充放電時間算出，確定電阻rp。通過確定rp=300。且rp具有微調(diào)電路工作頻率的功能，本電路可產(chǎn)生比較精確的脈沖。3.2 秒、分、時計時器電路秒、分計數(shù)器為60進(jìn)制計數(shù)器，小時計數(shù)器為24進(jìn)制計數(shù)器。實現(xiàn)這兩種模數(shù)的

6、計數(shù)器采用中規(guī)模集成計數(shù)器74ls90構(gòu)成。 60進(jìn)制計數(shù)器數(shù)字鐘的“分”和“秒”計數(shù)器均為模60的計數(shù)器，它們的個位都是十進(jìn)制計數(shù)器，而十位則是六進(jìn)制計數(shù)器，其計數(shù)規(guī)律為00-01-58-59-00。選用74ls90作為“分”和“秒”的個位和十位計數(shù)器，其中，十位計數(shù)器將74ls90連接成模6計數(shù)器 圖3.2 60 進(jìn) 制 計 數(shù) 器 24進(jìn)制計數(shù)器 數(shù)字鐘的“時”計數(shù)器為模24的計數(shù)器，其計數(shù)規(guī)律為00-01-22-23-00，即當(dāng)數(shù)字鐘運(yùn)行到23時59分59秒時，在下一個秒脈沖作用下，數(shù)字鐘顯示00時00分00秒。同理，m=24102,應(yīng)選用2片74ls90，將其連接成模24計數(shù)器作為“

7、時”計數(shù)器。74ls90串聯(lián)工作，計數(shù)脈沖輸入到低位計數(shù)器的時鐘輸入端，而低位計數(shù)器的狀態(tài)輸出最高位連接到高一位計數(shù)器的時鐘端。將計數(shù)器的狀態(tài)輸出反饋到r0端，則n反=m=（24）10=（00100100）8421因此r0（1）= r0（2）= qb2qc1，故應(yīng)將它們用與門連接起來，即得到24進(jìn)制計數(shù)器。電路圖如下:圖3.3 24 進(jìn) 制 計 數(shù) 器3.3 譯碼顯示電路74ls48有實現(xiàn)7段顯示譯碼器基本功能的輸入（dcba）和輸出（yayg）端。在燈測試輸入端（lt）和動態(tài)滅零輸入端（rbi）都接無效電平時，輸入dcba經(jīng)7448譯碼，輸出高電平有效的7段字符顯示器的驅(qū)動信號，顯示相應(yīng)字符

8、。除dcba=0000外，rbi也可以接低電平。圖3.4 譯碼顯示電路3.4 校時電路在剛接通電源或者時鐘走時出現(xiàn)誤差時，則需要進(jìn)行時間的校準(zhǔn)。一般來說，分四個步驟：首先把小時計數(shù)器置到所需的數(shù)字；然后再將分計數(shù)器置到所需數(shù)字；在此同時或之后，應(yīng)將秒計數(shù)器清零，時鐘暫停計數(shù)，處于等待啟動階段；當(dāng)選定的標(biāo)準(zhǔn)時刻到達(dá)的瞬間，按起動按鈕，電路則從所預(yù)置時間開始計數(shù)。由此可知，校時電路應(yīng)具有預(yù)置小時，預(yù)置分、等待啟動、計時四個階段，因此，在設(shè)計校對電路時，應(yīng)能方便、可靠地實現(xiàn)這四個階段所要求的功能。增加校對電路并不影響時鐘的正常計時。校時電路工作原理：設(shè)計要求電路校時時，應(yīng)不影響原電路正常工作。當(dāng)單刀

9、雙擲開關(guān)sw1撥至上端時，sr觸發(fā)器輸出為“0”，與非門u16：a和u16：b被截止，按鈕開關(guān)1和按鈕開關(guān)2產(chǎn)生的脈沖電平被屏蔽，此時電路能正常工作，且校時功能不起作用，此功能可用來防止因錯誤操作而導(dǎo)致時鐘出錯。當(dāng)sw1撥至下端時，sr觸發(fā)器輸出為“1” 與非門u16：a和u16：b打開，在無按鈕開關(guān)1和按鈕開關(guān)2產(chǎn)生的脈沖電平時，非門u16：a和u16：b輸出“0”，此時電路正常工作，在按鈕開關(guān)1或按鈕開關(guān)2按下并松開瞬間，u16：a和u16：b輸出“1”，經(jīng)過異或門之后，即可產(chǎn)生脈沖，即實現(xiàn)了電路的校時功能，且不影響電路正常工作。按鈕開關(guān)1和按鈕開關(guān)2分別控制時校時和分校時。圖3.5 校

10、正 電 路3.5總電路圖 圖3.6 總電路圖4.整體電路的仿真用proteus軟件繪制好電路圖，開始運(yùn)行，經(jīng)過多次調(diào)試和改裝，電路終于能正常運(yùn)行，并實現(xiàn)設(shè)計要求所有功能。圖4.1為仿真運(yùn)行過程中顯示部分圖。 圖4.1 仿真運(yùn)行過程中顯示圖 5部分元器件的使用說明及其引腳圖5.1集成異步十進(jìn)制計數(shù)器74ls90 通過不同的連接方式，74ls90可以實現(xiàn)四種不同的邏輯功能；而且還可借助r0（1）、r0（2）對計數(shù)器清零，借助s9（1）、s9（2）將計數(shù)器置9。其具體功詳述如下：（1） 計數(shù)脈沖從cp1輸入，qa作為輸出端，為二進(jìn)制計數(shù)器。（2） 計數(shù)脈沖從cp2輸入，qdqlqh作為輸出端，為異步

11、五進(jìn)制加法計數(shù)器。（3） 若將cp2和qa相連，計數(shù)脈沖由cp1輸入，qd、qc、qb、qa作為輸出端，則構(gòu)成異步8421碼十進(jìn)制加法計數(shù)器。（4） 若將cp1與qd相連，計數(shù)脈沖由cp2輸入，qa、qd、qc、qb作為輸出端，則構(gòu)成異步5421碼十進(jìn)制加法計數(shù)器。（5） 清零、置9功能。a) 異步清零當(dāng)r0（1）、r0（2）均為“1”；s9（1）、s9（2）中有“0”時，實現(xiàn)異步清零功能，即qdqcqbqa=0000。b) 置9功能當(dāng)s9（1）、s9（2）均為“1”；r0（1）、r0（2）中有“0”時，實現(xiàn)置9功能，即qdqcqbqa =1001 圖5.1 74ls90引腳圖 圖5.2 74

12、ls90功能表5.2 555定時器 圖5.3 555定時器 555 定時器有兩個比較器a1和a2，有一個rs觸發(fā)器，r和s高電平有效。555定時器有兩個閾值，分別是vcc /3和2vcc /3。輸出端3腳和放電端7腳的狀態(tài)一致，輸出低電平對應(yīng)放電管飽和，在7腳外接有上拉電阻時，7腳為低電平。輸出高電平對應(yīng)放電管截止，在有上拉電阻時，7腳為高電平。輸出端狀態(tài)的改變有滯回現(xiàn)象，回差電壓為vcc /3。輸出與觸發(fā)輸入反相。5.3 各芯片引腳圖圖5.4 74ls373功能表 圖5.5 74ls373管腳圖 圖5.6 74ls85管腳圖 圖5.7 74ls85功能表圖5.8 74ls30管腳圖圖5.9

13、74ls08管腳圖 圖5.10 74ls04管腳圖6元器件清單 元器件清單表元件規(guī)格數(shù)量電阻10k10個2k1個電容0.01uf1個100uf1個電位器1k1個發(fā)光二極管1個蜂鳴器1個開關(guān)按鍵開關(guān)4個普通開關(guān)1個單刀雙擲開關(guān)3個集成電路74ls002片74ls041片74ls082片74ls301片74ls3734片74ls486片74ls854片74ls861片74ls9010片5551片數(shù)碼管7段共陰數(shù)碼管6塊7.電路功能測試以及常見問題解決本法7.1電路功能測試按照設(shè)計要求，逐項測試電路功能1）數(shù)字鐘計數(shù)功能測試：接通電源，在秒脈沖的作用下，電路開始計數(shù)，且時、分、秒分別為24、60、6

14、0進(jìn)制。計數(shù)功能符合設(shè)計要求。2）校時功能測試：在顯示時鐘時間時，按動時鐘調(diào)時、時鐘調(diào)分按鈕開關(guān)時，時、分均可以調(diào)節(jié)，且不按動時，計數(shù)電路能正常工作，校時功能符合設(shè)計要求。7.2常見問題解決辦法設(shè)計過程中遇到的一些常見問題及其解決辦法：1）由于開始沒有總體考慮布局，導(dǎo)致接線時太復(fù)雜，而且不美觀。改進(jìn)方法：將原來的上拉電阻改為串接在電路中。2）校驗時發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管的其中一位不亮，說明線路斷路，電阻壞了。改進(jìn)方法：換一個電阻。3）校驗時發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管的其中一位一直亮，說明接線時將該位的引腳接在電源端，接錯了。改進(jìn)方法：將該引腳接正確。4）校驗時發(fā)現(xiàn)沒有脈沖信號，查驗后發(fā)現(xiàn)電容壞了。改進(jìn)方法：換一個電容。8

15、心得體會在此次的數(shù)字鐘設(shè)計過程中，我更進(jìn)一步地熟悉了芯片的結(jié)構(gòu)及掌握了各芯片的工作原理和其具體的使用方法。做課程設(shè)計的同時也是對課本知識的鞏固和加強(qiáng)，由于課本上的知識太多，平時課間的學(xué)習(xí)并不能很好的理解和運(yùn)用各個元件的功能，而且考試內(nèi)容有限，所以在這次課程設(shè)計過程中，我們了解了很多元件的功能，并且對于其在電路中的使用有了更多的認(rèn)識。 平時看課本時，有時問題老是弄不懂，做完課程設(shè)計，那些問題就迎刃而解了。而且還可以記住很多東西。比如一些芯片的功能，平時看課本，這次看了，下次就忘了，通過動手實踐讓我們對各個元件映象深刻。認(rèn)識來源于實踐，實踐是認(rèn)識的動力和最終目的，實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。所以這個

16、課程設(shè)計對我們的作用是非常大的。 在連接六進(jìn)制、十進(jìn)制、六十進(jìn)制的進(jìn)位及十二進(jìn)制的接法中，要求熟悉邏輯電路及其芯片各引腳的功能，那么在電路出錯時便能準(zhǔn)確地找出錯誤所在并及時糾正了。在設(shè)計電路中，往往是先仿真后連接實物圖，但有時候仿真和電路連接并不是完全一致的，例如仿真的連接示意圖中，往往沒有接高電平的16腳或14腳以及接低電平的7腳或8腳，因此在實際的電路連接中往往容易遺漏。又例如74ls90芯片，其本身就是一個十進(jìn)制計數(shù)器，在仿真電路中必須連接反饋線才能正常顯示，而在實際電路中無需再連接，因此仿真圖和電路連接圖還是有一定區(qū)別的。在設(shè)計電路的連接圖中出錯的主要原因都是接線和芯片的接觸不良以及接線的錯誤所引起的。此次的數(shù)字鐘設(shè)計重在于仿真和接線，雖然能把電路圖接出來，并能正常顯示，但對于電路本身的原理并不是十分熟悉?？偟膩碚f，通過這次的設(shè)計實驗更進(jìn)一步地增強(qiáng)了實驗的動手能力。參考文獻(xiàn)1 趙世強(qiáng).電子電路eda技術(shù).西安電子科技大學(xué)出版社，2000.