數電課程設計報告多功能數字鐘電路設計與制作

1、 多功能數字鐘電路設計與制作課程設計報告班 級： 建筑設施智能技術二班姓 名： * 學 號： * 指導教師： * 2010年 11月 19日目 錄一、 內容摘要3二、 設計內容及要求3三、 總設計原理3四、 單元電路的設計61、 基于ne555的秒方波發(fā)生器的設計52、 基于74ls160的1260進制計數器的設計73、 校時電路的設計9五、 設計總電路圖10六、 主要儀器及其使用方法10七、 設計過程中的問題及解決方案10八、 心得體會12九、 附錄13多功能數字鐘的電路設計與制作一、內容摘要：數字鐘是一種用數字電路技術實現時、分、秒計時的裝置，與機械式時鐘相比具有更高的準確性和直觀性，且無

2、機械裝置，具有更更長的使用壽命，因此得到了廣泛的使用。數字鐘從原理上講是一種典型的數字電路，其中包括了組合邏輯電路和時序電路。它可以實現數字電子時鐘功能、仿電臺整點報時功能、定時功能這三項基本功能。二、設計內容及要求： 基本功能：以數字形式顯示時、分、秒的時間，小時計數器的計時要求為“12翻1”，并要求能手動快校時、快校分或慢校時、慢校分。擴展功能：定時控制，其時間自定；仿廣播電臺正點報時自動報正點時數。三、總設計原理：時顯示器分顯示器秒顯示器時譯碼器分譯碼器秒譯碼器時計數器分計數器秒計數器校時電路振蕩器分頻器定時控制仿電臺報時整點報時主體部分擴展 部分（1）數字電子計時器組成原理 圖1數字電

3、子計時器的結構框圖（2）用74ls160實現12進制計數器clkd0 d1 d2 d3clketepq0 q1 q2 q3cldrd74ls160d0 d1 d2 d3clketepq0 q1 q2 q3cldrd74ls160111圖2 用整體置零法構成的12進制計數器（3）校時電路當剛接通電源或時鐘走時出現誤差時，都需要進行時間的校準。校時是數字鐘應具有的基本功能，一般電子鐘都有時、分、秒校時功能。為使電路簡單，這里只進行分和小時的校準。校時可采用快校時和慢校時兩種方式。校時脈沖采用秒脈沖，則為快校時；如果校時脈沖由單次脈沖產生器提供則為慢校時。圖3中c1、 c2用于消除抖動。至時個位計數

4、器至分個位計數器分十位進位脈沖秒十位進位脈沖3.3kw3.3kwc2 s2c1 s1c1=c2=0.01mf+5v校時脈沖 圖3 校時電路4、時基電路 圖4 由555定時器構成的多諧振蕩器5、定時控制電路數字鐘在指定的時刻發(fā)出信號，或驅動音響電路“鬧時”，或對某裝置進行控制，都要求時間準確，即信號的開始時刻與持續(xù)時間必須滿足規(guī)定的要求。例如，要求上午7點59分發(fā)出鬧時信號，持續(xù)時間為1分鐘。7時59分對應數字鐘的時計數器的狀態(tài)為（q3q2q1q0）h1=0111，分十位計數器的狀態(tài)為（q3q2q1q0）m2=0101，分個位計數器的狀態(tài)為（q3q2q1q0）m1=1001。若將上述計數器輸出為

5、“1”的所有輸出端經過與門電路去控制音響電路可以使音響電路正好在7點59分響，且持續(xù)時間1分鐘停響。所以鬧時控制信號y的表達式為：y=（q2q1q0）h1（q2q0）m2（q3q0）m1如果用與非門和集電極開路門電路實現，上式可改寫為：+5vq0q2q0分十位q3q0分個位1ky時十位q1q2 圖5 定時控制電路6、仿電臺正點報時電路仿電臺正點報時電路的功能要求是：每當數字鐘計時快要到正點時發(fā)出聲響，通常按照4低音1高音的順序發(fā)出聲響，以最后一聲高音結束的時刻為正點時刻。設4聲低音（約500hz）分別發(fā)生在59分51秒、53秒、55秒及57秒，最后一聲高音（約1khz）發(fā)生在59分59秒，它們

6、的持續(xù)時間為1秒。根據以上設定可得到電臺正點報時時的分十位狀態(tài)q2m2q0m2=11（0101），分個位的狀態(tài)為q3m1q0m1=11（1001），秒十位狀態(tài)為q2s2q0s2=11（0101），秒個位的狀態(tài)為q0s1=1（1、3、5、7、9）。而發(fā)低音還是高音只與秒個位有關，根據設定可列表如表1所示：由表中的狀態(tài)可總結出如下結論：秒個位的第三位q3s1可用來作為鳴低音或高音的控制信號，即q3s1=0時，輸入500hz的低頻信號至音響電路q3s1=1時，輸入1khz的高頻信號至音響電路。表1 正點報時狀態(tài)功能表cp（秒）q3s1 q2s1 q1s1 q0s1功能cp(秒)q3s1 q2s1 q

7、1s1 q0s1功能500 0 0 0560 1 1 0停510 0 0 1鳴低音570 1 1 1鳴低音520 0 1 0停581 0 0 0停530 0 1 1鳴低音591 0 0 1鳴高音540 1 0 0停000 0 0 0停550 1 0 1鳴低音三、單元電路的設計：1、基于ne555的秒方波發(fā)生器的設計用ne555芯片以及外圍電路搭建成一個多諧振蕩器，通過設計外圍電路的參數輸出方波頻率為1hz，故稱為秒方波發(fā)生器。由于脈沖的占空比對系統(tǒng)的影響不大，故把占空比設計為1/3。輸出方波用作計數器及d觸發(fā)器的clk信號。ne555定時器引腳圖如圖1所示，脈沖頻率公式：f=1（r1+2r2）

8、c2選擇r1=47k，r2=47k，rv1=2k，c=10f，形成電路圖如圖2所示：圖6圖7秒脈沖發(fā)生器（2）基于74ls160的1260進制計數器的設計a、數字鐘的秒和分位都是從0到60循環(huán)計數的，所以可以用用異步清零法設計60進制計數器作為秒和分的計數器。具體電路圖如下 圖8 74ls160引腳圖 圖9采用異步清零法設計60進制計數器圖10采用同步置數法設計12進制計數器（3）校時電路的設計當剛接通電源或時鐘走時出現誤差時，都需要進行時間的校準。校時是數字鐘應具有的基本功能，一般電子鐘都有時、分、秒校時功能。為使電路簡單，這里只進行分和小時的校準。校時可采用快校時和慢校時兩種方式。校時脈沖

9、采用秒脈沖，則為快校時；如果校時脈沖由單次脈沖產生器提供則為慢校時。圖3中c1、 c2用于消除抖動。當按鈕一直按下的時候，輸入的時鐘脈沖可以一直通過與非門組成的邏輯電路輸出，將輸出接到計數器的計數脈沖上就可以實現快校時。 圖11 校時電路四、總電路設計圖圖12 總電路圖五、主要儀器及其使用方法主要儀器有：穩(wěn)定電源，剝線鉗，數字萬用表，數字通用版，電烙鐵，鑷子等。其中穩(wěn)定電源由函數信號發(fā)生器提供。使用電烙鐵時注意不要手直接觸摸。六、設計過程中的問題及解決方案1、仿真軟件：本實驗選用multisim軟件以及protues軟件相互輔助完成軟件進行仿真。 （1）合理選用芯片以及電阻電容multisim

10、軟件中的芯片以及電阻電容等各種器件豐富，但是實驗室不一定有仿真圖中使用過的元器件，所以設計電路時要考慮實驗室是否有這些元器件。（2）總體仿真結果不對時，針對仿真各個環(huán)節(jié)從底層開始中檢測輸出數據仿真過程中，用計算所得的555參數進行連接電路，最終檢測到得秒脈沖幅值太小，不足以觸發(fā)74ls160進行計數，改用protues軟件進行仿真可以實現。所以在multisim中用函數信號發(fā)生器代替555發(fā)生的秒脈沖進行仿真，便可以顯示結果。（3）multisim中仿真時間與實際時間的差別對電路總體進行仿真時，發(fā)現仿真過程中秒的跳轉要很長時間，跟實際中的1s中差距很大，但是秒計數脈沖是由1hz的函數發(fā)生器產生

11、的，后來了解到這是由于multisim中仿真步進時間設置的關系，仿真時間與實際時間并不是同步的，這并不會影響實際焊接電路后的計數時間，也就是說實際焊接后秒的跳轉仍然是設定的1s。2、焊電路板過程中的問題（1）芯片的布局不僅要講求美觀更要講求電路連接的方便性。首先選定地線和電源正極線，然后規(guī)劃大體芯片布局，從上到下逐級布局，最上面放置數碼管，下一排放置74ls48譯碼芯片，第三排放置74ls160計數器，第四排放置各種與非門。最后根據電源線的分布以及芯片電源引腳以及其他需要接電源線的引腳進行合理調整，爭取連線最短最少。（2）合理利用萬能版要學會利用這塊萬能板的走線，比如板子過孔都是三個過孔相連的

12、，把同一個節(jié)點的所有連線均勻地分布在這三個相連的過孔上。仿真的時候我們可以把很多線連載一個小小的節(jié)點上，但是實際焊萬能板的時候卻不能這樣，因為每個導線或者芯片的引腳都是有一定體積的，焊接之前必須充分考慮到這一點。每隔留個過孔就又兩行銅線，只要對這些銅線稍加處理就能使它們變成電源線和地線。由于每塊芯片都必須接電源線和地線，所以好好利用者寫平行的銅線同樣能夠起到減少飛線的效果。（3）標記芯片管腳實際上在萬能板上焊接東西是一個比較麻煩的也考驗焊接者耐心的事情，但是我們稍稍對板子做一些優(yōu)化就能簡化我們焊接的過程。比如固定好每塊芯片的管座以后在管腳旁邊標好引腳的標號，這樣能夠幫助我們更加準確的把每根導線

13、焊道它該焊到的地方，同時也減少了我們看電路圖紙的頻率，節(jié)約了時間，減小了錯誤焊接的概率。（4）合理安排焊接順序整個數字鐘最核心最基礎的部分應當是秒脈沖的產生了。如果秒脈沖發(fā)生器沒有連接號，真?zhèn)€電路就不會有任何結果。所以首選選擇焊接秒脈沖發(fā)生器。之后再按照設計的總體電路圖，從底層開始逐層連接。（5）嚴格按照電路圖標號接線 有的芯片比如與非門芯片、非門芯片等，一塊芯片中就有多個邏輯門，很多同學喜歡隨意使用其中的邏輯門，而我想說的是我們一定要按照仿真圖上面的標號選擇邏輯門。這樣做是非常有道理的，因為數字電子課程設計用到了大量的數字芯片，自然連線會非常多，我們很可能會不記得那根線連到了芯片的那個引腳，

14、一旦不記得了我們得重新在密密麻麻的導線束中跟蹤某跟導線的走勢，這樣做是非常消耗時間的。如果嚴格按照仿真圖的標號聯(lián)線則不會出現上述問題。（6）調試基本功能電路電路焊接完成并不意味著就會出現正確結果。連接完成通電之后往往還是會出現很多的問題。這時候要首先要從硬件連接上檢查，排查有沒有引腳接錯位置，同時使用萬用表測量是否連接完好。在我的電路板調試過程中，不管是分位還是秒位的十位都是在各位為跳到9的同時跳轉，也就是提前1秒或者1分進行加一跳轉，在確定硬件連接沒有錯誤之后，從原理上尋找問題，發(fā)現multisim中的74ls160時鐘脈沖信號是下降沿有效，實際中7474ls160的脈沖信號是上升沿有效，由

15、于74ls160的進位信號是在第九個脈沖打來時出現高電平第十個計數脈沖來到的時候回到低電平，所以按照仿真電路連接的時候就會出現在各位跳到9的時候十位就同時跳轉的情況，為了解決這一問題，讓進位輸出經過一個非門反向后接到十位計數脈沖，結果顯示為理想結果。（7）拓展電路的設計與調試。由于實驗室中沒有蜂鳴器，所以用發(fā)光而接管代替蜂鳴器來進行整點報時。在第59分鐘的51秒53秒55秒57秒59秒讓發(fā)光二極管點亮，其余時間均為熄滅狀態(tài)。整個調試過程主要是通過發(fā)光二極管的電流的控制。之前由于使用的電阻不夠大，通過發(fā)光二極管的電流電路的電流過大以至于都影響到前一級的與非門以及其他與非門的工作，使整個電路的計時

16、結果都受到影響，每當第一次點亮二極管之后，計數器都自動清零了。思考許久之后試探著把分壓電阻選成47k歐姆的，結果就實現了所需的現象。七、心得體會 整體規(guī)劃很重要，同時必須要有足夠的耐心，腳踏實地一點一點的完成。 在拿到課程設計題目的時候，第一步要根據設計要求，思考原理以及實現方案。第二步要根據自己所選定的方案確定選用那些元器件，然后查閱相應芯片的資料，掌握其引腳分布以及用法。第三部將整體的設計分成各個子模塊，然后一個模塊一個模塊的進行設計，最后將各個子模塊整合在一起進行整體仿真。整個仿真過程中必須仔細認真，而且要有足夠的耐心，不厭其煩的進行測量校正修改。直到得到預想的結果。焊接過程中，要嚴格根

17、據自己的仿真圖逐層逐步的進行，防止出現漏焊或者焊接混亂的現象發(fā)生。第一步要對整體的布局做規(guī)劃，不僅要美觀，更要方便焊接。第二步，焊接過程中必須小心謹慎，在講求美觀的同時，更要保證焊接點可靠。第三步便是調試過程了，調試過程中出現的問題，要從原理分析找出問題的大概位置，然后對電路連接進行仔細檢查。 也許是自己對電子設計方面很感興趣，整個制作過程都是輕松愉快的。同時在焊接過程中比較仔細認真所以出現的問題不多，每次出現了問題也都是很認真仔細的去排查，最終將整個數字鐘的設計基本完成。不過還是有部分問題沒有得到很好的解決，按鈕消抖部分做的不夠好。在以后的相關設計制作中，必須更加仔細認真嚴謹的去對待。八、附錄1、所用芯片及其參數：序號