數(shù)字電子鐘實(shí)習(xí)報(bào)告

1、數(shù)字電子鐘課程設(shè)計(jì)學(xué)院：電氣信息工程學(xué)院專業(yè)、班級(jí)：自動(dòng)化11-02姓名：周振學(xué)號(hào):54110101025918目錄摘 要21.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43.2 方案確定43.2.1 設(shè)計(jì)方案43.2.2 設(shè)計(jì)方案的確定53.3 數(shù)字電子鐘的電路設(shè)計(jì)63.3.2 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路的設(shè)計(jì)73.3.3校時(shí)電路的設(shè)計(jì)83.3.4 秒信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)93.3.5 譯碼驅(qū)動(dòng)顯示電路103.3.6 數(shù)字電子鐘的整體電路114.電路的裝配過(guò)程134.1 電路模擬仿真調(diào)試134.2 電路焊接134.3 實(shí)物的實(shí)際調(diào)試134.3.1總體的調(diào)試步驟134.3.2蜂鳴器功能

2、測(cè)試134.4誤差分析145. 課程設(shè)計(jì)的收獲、體會(huì)和建議14參 考 文 獻(xiàn)15附錄116附錄217摘 要電子數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)的裝置，與機(jī)械式時(shí)鐘相比具有更高的準(zhǔn)確性和直觀性，因此得到了廣泛的使用。電子數(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(shí)序電路。因此，此次設(shè)計(jì)與制做電子數(shù)字鐘就是可以了解電子數(shù)字鐘的原理，學(xué)會(huì)制作電子數(shù)字鐘。通過(guò)電子數(shù)字鐘的制作能進(jìn)一步的了解各種在制作中用到的中小規(guī)模集成電路的作用及實(shí)用方法，通過(guò)它可以進(jìn)一步學(xué)習(xí)與掌握各種組合邏輯電路與時(shí)序電路的原理與使用方法。這次電子數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)主要是利用74LS90的計(jì)數(shù)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)電子

3、鐘時(shí)、分、秒的跳變，整個(gè)設(shè)計(jì)主要分為六個(gè)模塊：時(shí)模塊、分模塊、秒模塊、分頻模塊、校時(shí)校分模塊、整點(diǎn)報(bào)時(shí)模塊。時(shí)、分、秒模塊分別用兩塊74LS90實(shí)現(xiàn)，并且分別將它們?cè)O(shè)置為60進(jìn)制，60進(jìn)制，24進(jìn)制。秒信號(hào)的產(chǎn)生用石英晶體振蕩器加分頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)，將秒信號(hào)送入秒模塊，每累計(jì)60秒發(fā)出一個(gè)分脈沖信號(hào)，分模塊每累計(jì)60分鐘，發(fā)出一個(gè)時(shí)脈沖信號(hào)，時(shí)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)24小時(shí)的累計(jì)，通過(guò)六個(gè)七段LED顯示器顯示出來(lái)。整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路根據(jù)計(jì)時(shí)系統(tǒng)的輸出狀態(tài)產(chǎn)生一脈沖信號(hào)，然后加上一個(gè)高頻或低頻信號(hào)送到蜂鳴器實(shí)現(xiàn)報(bào)時(shí)。校時(shí)電路是直接加一個(gè)脈沖信號(hào)到時(shí)計(jì)數(shù)器或者分計(jì)數(shù)器或者秒計(jì)數(shù)器來(lái)對(duì)“時(shí)”、“分”、“秒”顯示數(shù)字進(jìn)行校對(duì)

4、調(diào)整。關(guān)鍵詞：CD4511 74LS90 分頻器 晶體振蕩器 校時(shí)校分電路 數(shù)字電路1.設(shè)計(jì)目的數(shù)字電子鐘是一種用數(shù)字電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)的裝置，與機(jī)械鐘相比具有更高的準(zhǔn)確性和直觀性，且具有無(wú)機(jī)械傳動(dòng)裝置等特點(diǎn)，因此得到了廣泛的使用。 數(shù)字電子鐘從原理上看是一種典型的數(shù)字電路，其中包括了組合邏輯電路和時(shí)序電路。設(shè)計(jì)與制做數(shù)字電子鐘可以使我們了解數(shù)字電子鐘的原理，并且學(xué)會(huì)制作數(shù)字電子鐘.而且通過(guò)數(shù)字電子鐘的制作進(jìn)一步地了解各種在制作中用到的中小規(guī)模集成電路的作用及使用方法.且由于數(shù)字電子鐘包括組合邏輯電路和時(shí)序電路.通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步學(xué)習(xí)與掌握各種組合邏輯電路與時(shí)序電路的原理與使用

5、方法.2.設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)制作一個(gè)數(shù)字電子鐘指標(biāo)：（1）時(shí)間計(jì)數(shù)電路采用24進(jìn)制，從00開(kāi)始到23后再回到00；（2）各用2位數(shù)碼管顯示時(shí)、分、秒；（3）具有手動(dòng)校時(shí)、校分功能，可以分別對(duì)時(shí)及分進(jìn)行單獨(dú)校時(shí)，使其校正到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間； （4）計(jì)時(shí)過(guò)程具有報(bào)時(shí)功能，當(dāng)時(shí)間到達(dá)整點(diǎn)前10秒開(kāi)始，蜂鳴器1秒響1秒停地響5次；（5）為保證計(jì)時(shí)器的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性，由晶體振蕩器提供時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)。3.數(shù)字電子鐘的電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)下面將介紹數(shù)字電子鐘的整個(gè)電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程。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)、焊接與調(diào)試幾大部分。3.1 設(shè)計(jì)原理數(shù)字電子鐘是一個(gè)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率（

6、1Hz）進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)電路。主要由振蕩器、分配器、計(jì)數(shù)器、譯碼器和顯示器電路功能模塊組成。振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過(guò)分頻器形成秒脈沖信號(hào)，秒脈沖信號(hào)輸入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，并把累計(jì)結(jié)果通過(guò)顯示器以“時(shí)”、“分”、“秒”的順序以數(shù)字形式顯示出來(lái)。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(shí)計(jì)數(shù)器電路，當(dāng)計(jì)滿24小時(shí)后又開(kāi)始下一輪的循環(huán)計(jì)數(shù)?？梢酝ㄟ^(guò)校時(shí)電路對(duì)分和時(shí)進(jìn)行校時(shí)，且具有整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能，當(dāng)時(shí)間到達(dá)整點(diǎn)前10秒開(kāi)始，蜂鳴器將以1秒響1秒停的形式響5次。3.2 方案確定通過(guò)在互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)和圖書(shū)館查找資料和對(duì)電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分）的學(xué)習(xí)，討論確定一個(gè)既符合本設(shè)計(jì)要求又具有比較強(qiáng)的

7、操作性的方案作為此次設(shè)計(jì)的對(duì)象。3.2.1 設(shè)計(jì)方案本電路系統(tǒng)由晶體振蕩電路，時(shí)間計(jì)數(shù)電路，校時(shí)電路，譯碼驅(qū)動(dòng)電路組成。其中，時(shí)間計(jì)數(shù)電路用六個(gè)74LS90組成。校時(shí)電路主要由74LS00P組成RS觸發(fā)器，而且加入消抖電路，達(dá)到了自動(dòng)校時(shí)的效果。電路原理方框示意圖如下：4511譯碼驅(qū)動(dòng)4511譯碼驅(qū)動(dòng)4511譯碼驅(qū)動(dòng)4511譯碼驅(qū)動(dòng)4511譯碼驅(qū)動(dòng)4511譯碼驅(qū)動(dòng)時(shí)十位計(jì)數(shù)時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)分十位計(jì)數(shù)分個(gè)位計(jì)數(shù)秒十位計(jì)數(shù)秒個(gè)位計(jì)數(shù)具有消抖動(dòng)的校分、校時(shí)控制電路32768晶體振蕩電路 CD4060分頻器2Hz 二分頻電路（74LS90）1Hz 圖1 設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)原理圖3.2.2 設(shè)計(jì)方案的確定（1）利

8、用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字鐘具有編程靈活，便于數(shù)字鐘功能的擴(kuò)充，即可用該數(shù)字鐘發(fā)出各種控制信號(hào)，精確度高等特點(diǎn)。（2）考慮到本學(xué)期所學(xué)的知識(shí)，這個(gè)課程設(shè)計(jì)給予的是一個(gè)實(shí)踐的機(jī)會(huì)，因此最終選擇了用數(shù)字邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)設(shè)計(jì)方案。3.3 數(shù)字電子鐘的電路設(shè)計(jì)下面將介紹設(shè)計(jì)電路。含時(shí)間計(jì)數(shù)電路的設(shè)計(jì)、整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路的設(shè)計(jì)、校時(shí)電路的設(shè)計(jì)、秒信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)、譯碼驅(qū)動(dòng)顯示電路的設(shè)計(jì)幾個(gè)部分。3.3.1時(shí)間計(jì)數(shù)電路的設(shè)計(jì)時(shí)間計(jì)數(shù)電路由60進(jìn)制的秒計(jì)數(shù)器，60進(jìn)制的分計(jì)數(shù)器和24進(jìn)制的計(jì)數(shù)器組成。圖2 60進(jìn)制電路當(dāng)分的74LS90芯片的進(jìn)位輸入端11端的脈沖進(jìn)位信號(hào)傳到時(shí)的脈沖輸入端時(shí)，時(shí)便計(jì)數(shù)一次，并且其十位和

9、個(gè)位的進(jìn)位關(guān)系與分（秒）的十位和個(gè)位的進(jìn)位關(guān)系一樣。24進(jìn)制計(jì)數(shù)器如下圖所示：圖3 24進(jìn)制電路3.3.2 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路的設(shè)計(jì)電路應(yīng)在整點(diǎn)前10秒鐘內(nèi)開(kāi)始整點(diǎn)報(bào)時(shí)，即是當(dāng)時(shí)間在59分50秒到59分59秒期間時(shí)，報(bào)時(shí)電路報(bào)時(shí)控制信號(hào)。當(dāng)時(shí)間在59分50秒到59分59秒期間時(shí)，分十位、分個(gè)位和秒十位均保持不變，分別為5、9和5，因此可將分計(jì)數(shù)器十位的Q和Q 、個(gè)位的Q和Q及秒計(jì)數(shù)器十位的Q和Q相與，從而產(chǎn)生報(bào)時(shí)控制信號(hào)。數(shù)字鐘要求在差10s為整點(diǎn)時(shí)開(kāi)始產(chǎn)生每隔1s鳴叫一次的響聲，共鳴五次，每次持續(xù)時(shí)間為1s。其電路如下圖所示。圖4 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路3.3.3校時(shí)電路的設(shè)計(jì)數(shù)字電子鐘開(kāi)機(jī)時(shí)并不能立即顯示

10、當(dāng)前時(shí)間，所以需要一個(gè)校時(shí)電路來(lái)調(diào)整到所需要的時(shí)間。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)和分的校時(shí)，為了使校時(shí)不干擾計(jì)時(shí)，在校時(shí)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(shí)和計(jì)時(shí)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(hào)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(shí)狀態(tài)即可。根據(jù)要求，數(shù)字鐘應(yīng)具有自動(dòng)分校正和時(shí)校正功能，因此，應(yīng)截?cái)喾謧€(gè)位和時(shí)個(gè)位的直接計(jì)數(shù)通路，并采用正常計(jì)時(shí)信號(hào)與校正信號(hào)可以隨時(shí)切換的電路接入其中。其電路圖如下（圖5）。圖5 校時(shí)電路3.3.4 秒信號(hào)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

11、數(shù)字鐘計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確度。由集成電路定時(shí)器555與RC可組成多諧振蕩器，其振蕩頻率只有1KHz。為了獲取更高的計(jì)時(shí)精度，選用晶體振蕩器構(gòu)成振蕩器電路。一般說(shuō)來(lái)，振蕩器的頻率越高，計(jì)時(shí)精度越高。本次設(shè)計(jì)選用R14532的晶體振蕩器，其頻率為32768Hz，再經(jīng)過(guò)分頻芯片4060BD， 其內(nèi)部有15級(jí)2分頻集成電路，所以可以其中一個(gè)輸出端得到2Hz的信號(hào)脈沖。再經(jīng)過(guò)二次分頻，方可得到1Hz的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)脈沖，即秒脈沖。其原理圖和電路圖分別入圖6和圖7。圖6 秒信號(hào)原理圖圖7 晶體振蕩電路3.3.5 譯碼驅(qū)動(dòng)顯示電路譯碼顯示電路是將計(jì)數(shù)器輸出的8421 BCD碼譯成數(shù)碼管顯示所需要的高低電平。所以在譯碼電路和

12、數(shù)碼管的選擇上一定要注意配套。如我們采用陰極七段數(shù)碼管，則譯碼電路就應(yīng)選接與它配套的共陰極七段數(shù)碼驅(qū)動(dòng)器。譯碼顯示電路可采用CD4511BCD-7段譯碼驅(qū)動(dòng)器，其芯片引腳如下圖所示。其中Qa、Qb、QC、Qd與十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的四個(gè)輸出端相連接，A、B、C、D、E、F、G即為驅(qū)動(dòng)七段數(shù)碼顯示器的信號(hào)。由CD4511把輸進(jìn)來(lái)的二進(jìn)制信號(hào)翻譯成十進(jìn)制數(shù)字，再由數(shù)碼管顯示出來(lái)。計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)了對(duì)時(shí)間的累計(jì)并以8421BCD碼的形式輸送到CD4511芯片，再由4511芯片把BCD碼轉(zhuǎn)變?yōu)槭M(jìn)制數(shù)碼送到數(shù)碼管中顯示出來(lái)。譯碼驅(qū)動(dòng)顯示電路如圖8。圖8 譯碼驅(qū)動(dòng)顯示電路3.3.6 數(shù)字電子鐘的整體電路數(shù)字電子鐘的整

13、體電路原理圖如下（圖9）。引線圖見(jiàn)附錄。圖9 數(shù)字電子鐘的整體電路原理圖4.電路的裝配過(guò)程經(jīng)過(guò)電路的模擬仿真調(diào)試后，進(jìn)入實(shí)際組裝配置過(guò)程。其中包括電路模擬仿真調(diào)試、電路布線焊接和實(shí)物的實(shí)際調(diào)試三個(gè)階段。4.1 電路模擬仿真調(diào)試 在焊接電路前，先將設(shè)計(jì)在電腦上用軟件Multisim做了仿真，仿真成功后才開(kāi)始電路的布線和焊接。4.2 電路焊接在焊接電路板的過(guò)程中，對(duì)于裸露在空氣中的電線或者芯片引腳，由于受氧化，表層附有一層很薄的氧化物，會(huì)導(dǎo)致其導(dǎo)電能力下降，因此須用砂紙擦去氧化層。焊接電路時(shí)要注意導(dǎo)線的連接準(zhǔn)確與否，以及焊接在一起的結(jié)點(diǎn)的良性。實(shí)際焊接過(guò)程中，要保證焊筆不要碰到已經(jīng)焊好的線，否則焊

14、好的線很容易脫落。4.3 實(shí)物的實(shí)際調(diào)試4.3.1總體的調(diào)試步驟（1）用示波器檢測(cè)石英晶振的輸出信號(hào)波形和頻率，輸出頻率應(yīng)為32768Hz。（2）將32768Hz信號(hào)送入分頻電路，用示波器檢測(cè)輸出頻率是否符合要求。（3）將1Hz秒脈沖分別送入時(shí)、分、秒計(jì)數(shù)器，檢查各組計(jì)數(shù)器的工作情況。（4）觀察較時(shí)電路的功能是否滿足要求。（5）當(dāng)分頻電路和計(jì)數(shù)器調(diào)試正常后，觀察電子鐘是否準(zhǔn)確，正常工作。4.3.2蜂鳴器功能測(cè)試 使數(shù)字時(shí)鐘從00：59：00開(kāi)始計(jì)時(shí)。當(dāng)計(jì)數(shù)顯示為00：59：51時(shí)，蜂鳴器開(kāi)始工作，發(fā)出一秒響一秒停的有規(guī)律聲音。具體是00：59：50響，00：59：52停；00：59：54響，0

15、0：59：56停；00：59：58響。 從以上測(cè)試結(jié)果可知，蜂鳴器工作完全正常，達(dá)到理論要求。4.4誤差分析經(jīng)測(cè)試，故系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)有一定的誤差，其原因是晶體振蕩的特點(diǎn)所決定的，同時(shí)與芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，同時(shí)存在人為按鍵誤差。從數(shù)據(jù)來(lái)看，最大誤差比較小，完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。該數(shù)字鐘具有較高的精確度，成功達(dá)到設(shè)計(jì)任務(wù)要求。5. 課程設(shè)計(jì)的收獲、體會(huì)和建議數(shù)電課程設(shè)計(jì)是一個(gè)很鍛煉動(dòng)手能力的一次實(shí)踐性活動(dòng)。要完成這一次設(shè)計(jì)任務(wù)，必須先做以下的準(zhǔn)備：1.復(fù)習(xí)本學(xué)期所學(xué)的數(shù)電知識(shí),弄懂設(shè)計(jì)要求和實(shí)現(xiàn)該功能的芯片，將局部功能的電路圖設(shè)計(jì)出來(lái)，并按照課程設(shè)計(jì)的要求設(shè)計(jì)出原理圖。2.自學(xué)仿真軟件Multisim，

16、將原理圖在電腦上進(jìn)行仿真。3.焊接電路板。這一部分很重要，對(duì)我們對(duì)布線及焊接技術(shù)要求比較高。同時(shí)，運(yùn)用了我們上學(xué)期電工工藝實(shí)習(xí)的知識(shí)。4.電路的調(diào)試。這基本是最后一步了，調(diào)試還是比較有難度的，因?yàn)樵O(shè)計(jì)出來(lái)的電路是理論上的，實(shí)際焊接會(huì)有什么問(wèn)題我們不知道。要根據(jù)測(cè)試出現(xiàn)的問(wèn)題一一找出問(wèn)題根源，做出修改，直到完全符合設(shè)計(jì)要求。在這次課程設(shè)計(jì)中收獲很多。首先，以前在做數(shù)電實(shí)驗(yàn)時(shí)只是按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)上的步驟連接電路，并完成實(shí)驗(yàn)。但這一次是完全要求手動(dòng)。從電路原理圖的設(shè)計(jì)到布線焊接再到實(shí)現(xiàn)功能，都要求理解并熟悉芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及功能。在調(diào)試過(guò)程中要分析電路故障，一一排除，直到?jīng)]問(wèn)題。根據(jù)題目要求設(shè)計(jì)好電路后，選擇好芯片后，在Multisim上進(jìn)行仿真直到成功。同時(shí)，這次課程設(shè)計(jì)過(guò)程中所收獲的體會(huì)也是很深刻的。我們明白到，單有豐富的理論知識(shí)是不夠的，我們必須將理論運(yùn)用到實(shí)踐當(dāng)中，才能更好地解決實(shí)際問(wèn)題。參 考 文 獻(xiàn)【1】電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院電工電子教研室 20