數(shù)字鐘課程設(shè)計報告

1、目 錄摘要I第1章 緒論.1 1.1設(shè)計目的1 1.2 設(shè)計任務(wù)及要求1第2章 電子鐘的設(shè)計方案.2 2.1設(shè)計原理2 2.2方案確定2 2.2.1設(shè)計方案一2 2.2.2設(shè)計方案二3 2.2.3兩種方案的比較4 2.2.4設(shè)計方案的確定5第3章 數(shù)字電子鐘的電路設(shè)計 6 3.1數(shù)字鐘電路系統(tǒng)的組成框圖 6 3.2 時分秒計數(shù)器的設(shè)計7 3.3 正點報時電路的設(shè)計8 3.4校時電路的設(shè)計9 3.5 秒信號發(fā)生器的設(shè)計9 3.6 譯碼驅(qū)動顯示電路.11 3.7 數(shù)字電子鐘的整體電路 11第4章 設(shè)計電路的計算機(jī)模擬仿真與調(diào)試13 4.1 電路模擬仿真調(diào)試.13 4.2 電路焊接.13 4.3 實

2、物的實際調(diào)試.14第5章 實驗數(shù)據(jù)和誤差分析15 5.1 實驗數(shù)據(jù).15 5.2 誤差分析.15第6章 元件清單16總結(jié) 17致 謝18參 考 文 獻(xiàn)19摘要數(shù)字鐘是采用數(shù)字電路實現(xiàn)對時,分,秒.數(shù)字顯示的計時裝置,廣泛用于個人家庭,車站, 碼頭辦公室等公共場所,成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢缮俚谋匦杵?由于數(shù)字集成電路的發(fā)展和石英晶體振蕩器的廣泛應(yīng)用,使得數(shù)字鐘的精度,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過老式鐘表, 鐘表的數(shù)字化給人們生產(chǎn)生活帶來了極大的方便，而且大大地擴(kuò)展了鐘表原先的報時功能。數(shù)字鐘是一個將“ 時”，“分”，“秒”顯示于人的視覺器官的計時裝置。它的計時周期為24小時，顯示滿刻度為23時59分59秒。它主要由振

3、蕩器、分頻器、計時器、譯碼顯示及擴(kuò)展電路幾部分構(gòu)成。具有時間顯示、校時校分及鬧鐘設(shè)置、整點報時等擴(kuò)展功能并且具有走時準(zhǔn)確、顯示直觀、穩(wěn)定等優(yōu)點深受人們喜愛。 關(guān)鍵詞：振蕩器 分頻器 計時器 譯碼顯示 報時第1章 緒論1.1設(shè)計目的1.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。2.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，實現(xiàn)理論與實踐相結(jié)合，增強(qiáng)實驗設(shè)計能力和動手操作能力。3.通過本次試驗是同學(xué)們對電子線路知識的整合

4、和電子線路設(shè)計能力的訓(xùn)練，并為后繼課程的學(xué)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計打下一定的基礎(chǔ)。1.2 設(shè)計任務(wù)及要求 1.設(shè)計一個具有“時”、“分”、“秒”顯示的電子鐘（23小時59分59秒） 2.具有校時、校分功能；時的計時要求為24進(jìn)制，分和秒的計時要求為60進(jìn)制。 3.具有整點報時功能。第2章 電子鐘的設(shè)計方案2.1 設(shè)計原理數(shù)字電子鐘是一個對標(biāo)準(zhǔn)頻率（1HZ）進(jìn)行計數(shù)的計數(shù)電路。它由振蕩器、分配器、計數(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，秒脈沖信號輸入計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)，并把累計結(jié)果以“時”、“分”、“秒”的數(shù)字顯示出來。秒計數(shù)器電路計滿60后觸發(fā)分計數(shù)器電路，分計數(shù)器電路計

5、滿60后觸發(fā)時計數(shù)器電路，當(dāng)計滿24小時后又開始下一輪的循環(huán)計數(shù)。通過校時電路可以對分和時進(jìn)行校時，且計時過程具有報時功能，當(dāng)時間到達(dá)整點前10秒開始，蜂鳴器1秒響1秒停地響5次。2.2 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)計方案，表面上看，似乎兩個方案都符合要求，但經(jīng)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)計要求又具有比較強(qiáng)的可行性的方案作為此次設(shè)計的對象。2.2.1 設(shè)計方案一方案一的設(shè)計主要是由555振蕩電路， 時間計數(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

6、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)計方案一的設(shè)計原理圖如圖2-174LS48譯碼驅(qū)動74LS48譯碼驅(qū)動時十位計數(shù)位計數(shù)數(shù)時個位計數(shù)位計數(shù)數(shù)分十位計數(shù)位計數(shù)數(shù)分個位計數(shù)位計數(shù)數(shù)秒十位計數(shù)位計數(shù)數(shù)秒個位計數(shù)位計數(shù)數(shù)無消抖動校時，校分控制電路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2-1 設(shè)計方案一的設(shè)計原理圖2.2.2 設(shè)計方案二方案二的設(shè)計主要由晶體振蕩電路，時間計數(shù)電路，校時電路，譯碼驅(qū)動電路。其中，時間計數(shù)電路用六個74LS90組成。校時電路主要由 H

7、D74KS00P組成RS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)計方案二的設(shè)計原理圖如下4511譯碼驅(qū)動4511譯碼驅(qū)動4511譯碼驅(qū)動4511譯碼驅(qū)動4511譯碼驅(qū)動4511譯碼驅(qū)動時十位計數(shù)時個位計數(shù)分十位計數(shù)分個位計數(shù)秒十位計數(shù)秒個位計數(shù)具有消抖動的校分，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2-2 設(shè)計方案二的設(shè)計原理圖2.2.3 兩種方案的比較1、在數(shù)字電路設(shè)計中，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

8、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MCI 4511D 譯碼芯片，顯然，前者價格昂貴，后者經(jīng)濟(jì)實惠。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)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。2.2.4 設(shè)計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用，再根據(jù)本次設(shè)計的具體要求與所學(xué)的知識，確定方案二為本次設(shè)計采用的方案。第3章 數(shù)字電子鐘的電路

9、設(shè)計3.1 數(shù)字鐘電路系統(tǒng)的組成框圖 數(shù)字鐘的原理方框圖如圖3所示，它由振蕩器，分頻器，計秒電路，計分電路，計時電路等組成。工作時，石英晶體振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)定的脈沖信號，經(jīng)過若干次分頻，得到秒脈沖信號。并送計秒電路計數(shù)，當(dāng)秒計數(shù)器計滿60秒時，輸出秒進(jìn)位脈沖，送計分電路計數(shù)，當(dāng)計分器計滿60分時，輸出分進(jìn)位脈沖，送計時電路計數(shù)，當(dāng)計時電路滿24時時，時、分、秒計數(shù)器同時復(fù)零，又開始新一天的計時。頻率計分頻器校時電路校時電路秒計數(shù)器分計數(shù)器時計數(shù)器顯示譯碼器顯示譯碼器顯示譯碼器顯示器顯示器顯示器圖3-1 數(shù)字鐘電路系統(tǒng)的組成框圖3.2 時分秒計數(shù)器的設(shè)計時間計數(shù)電路由秒個位和秒十位計數(shù)器、分個位和分

10、十位計數(shù)器及時個位和時十位計數(shù)器電路構(gòu)成，其中秒個位和秒十位計數(shù)器、分個位和分十位計數(shù)器為60進(jìn)制計數(shù)器，而根據(jù)設(shè)計要求，小時計數(shù)器為24進(jìn)制計數(shù)器。用6個74LS90組成兩個60進(jìn)制和一個24進(jìn)制計數(shù)器。分別如圖3-2和3-3圖3-2 分秒計數(shù)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，時便計數(shù)一次，并且其十位和個位的進(jìn)位關(guān)系與分（秒）的十位和個位

11、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3-3 時計數(shù)器電路3.3 正點報時電路的設(shè)計為了達(dá)到正點報時的功能，當(dāng)時間的分十位為5，分個位為9，秒的十位為5時，利用與門的相與功能，使得時間在59分50秒到59分59秒期間，蜂鳴器1秒響1秒停地響5次。如圖3-4圖3-4 正點報時電路3.4校時電路的設(shè)計一般情況下，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)計要求，采用自動實現(xiàn)對時和分的校時，為了使校時不干擾計時，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，確保校時和計時的穩(wěn)定與準(zhǔn)確。其主要原理是：先截斷正常的計數(shù)通路，

12、然后再將頻率為2Hz的方波信號加到需要校正的計數(shù)單元的輸入端，校正好后，再轉(zhuǎn)入正常計時狀態(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)截斷分個位和時個位的直接計數(shù)通路，并采用正常計時信號與校正信號可以隨時切換的電路接入其中。圖3-5所示即為帶有基本RS觸發(fā)器的校時電路。圖3-5 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，計時電路將正常計數(shù)）。第U2B片的第6端則為分或者小時的個位脈沖輸入端。3.5 秒信

13、號發(fā)生器的設(shè)計振蕩器是數(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)計要求，獲取更高的計時精度，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，計時精度越高。此次設(shè)計選用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，實際上就是由計數(shù)器組成的，因此，還可選用3片集成電路計數(shù)器74LS90，每片為1/10分

14、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3-6和圖3-7圖3-6 秒信號原理圖圖3-7 晶體振蕩電路3.6 譯碼驅(qū)動顯示電路譯碼驅(qū)動電路將計數(shù)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)計采用MCI 4511譯碼器和LED數(shù)碼管。譯碼驅(qū)動顯示電路如圖3-8圖3-8 譯碼驅(qū)動顯示電路3.7 數(shù)字電子鐘的整體電路數(shù)字電子鐘的整體電路如圖3-9圖3-9 電路主模塊部分第4章 設(shè)計電路的計算機(jī)模擬仿真與調(diào)試本次設(shè)計后的方案分電源電路、時間計數(shù)電路、正點報時電路、校時電路、秒信號發(fā)生器電路和譯

15、碼驅(qū)動顯示電路等幾個模塊，設(shè)計后分別送到計算機(jī)模擬軟件EWB8.0和Multisim2001中進(jìn)行模擬調(diào)試。此次模擬仿真調(diào)試是在實物調(diào)試前展開的，可以及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計方案中存在的問題并進(jìn)行分析與修正，方便購買器件，也為下一步的實物調(diào)試和線路板制作提供正確可行的電路模塊。例如時間計數(shù)電路的仿真模擬調(diào)試如圖4-1圖4-1時間計數(shù)電路的仿真模擬調(diào)試圖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，將芯片插入實驗室的實驗箱再一次進(jìn)行調(diào)試，首先調(diào)試秒計時電路，再接著調(diào)試分計時電路，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 電路焊接在實際組裝配置即焊接

16、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的合理分布，盡量做到美觀。實際焊接過程中，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 實物的實際調(diào)試完成焊接后，即進(jìn)入實物的調(diào)試階段。實際調(diào)試中出現(xiàn)了不少問題，如顯示不正常，秒計時中滿六十后不進(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)計出現(xiàn)錯誤，須重新設(shè)計。經(jīng)過認(rèn)真的分析與糾錯

17、后，最終調(diào)試成功。第5章 實驗數(shù)據(jù)和誤差分析5.1 實驗數(shù)據(jù)在組裝器件完畢后，用實驗室的秒表進(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）0000：00：0003000：00：30060.0100：01：000.019000：01：30012000：02：000150.0200：02：300.02180.0300：03：000.035.2 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

18、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)計要求。第6章 元件清單表2 元器件清單一覽表序號元器件數(shù)量1SN74LS90N62MCI 451163HD74LS00P34CD40601574LS7416八輸入與非門74LS3017共陰數(shù)碼管68晶體振蕩器32768HZ19單刀雙擲開關(guān)210蜂鳴器（雙引腳）111電路板112雙引腳導(dǎo)線若干13數(shù)字IC插座（雙列直插式）1814電阻10M515電容10M216電源接頭1總結(jié) 在此次的數(shù)字鐘設(shè)計過程中，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。也鍛煉

19、了自己獨(dú)立思考問題的能力和通過查看相關(guān)資料來解決問題的習(xí)慣。雖然這只是一次簡單的課程設(shè)計，但通過這次課程設(shè)計我們了解了課程設(shè)計的一般步驟，和設(shè)計中應(yīng)注意的問題。設(shè)計本身并不是有很重要的意義，而是同學(xué)們對待問題時的態(tài)度和處理事情的能力。設(shè)計的思想和設(shè)計電路中的每一個環(huán)節(jié)，電路中各個部分的功能是如何實現(xiàn)的。各個芯片能夠完成什么樣的功能，使用芯片時應(yīng)該注意那些要點。同一個電路可以用那些芯片實現(xiàn)，各個芯片實現(xiàn)同一個功能的區(qū)別。另外，我們設(shè)計要從市場需求出發(fā)，既要有強(qiáng)大的功能，又要在價格方面比同等檔次的便宜。雖然我們現(xiàn)在作的不可能到市場上去銷售，但我們要為以后作設(shè)計培養(yǎng)出好的習(xí)慣。在設(shè)計電路中，是先仿真

20、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。在使用WAVE軟件時運(yùn)用其中一些自帶的仿真軟件包能很好的找出程序中的錯誤，例如當(dāng)你單步調(diào)試時，打開CPU窗口，你能觀察到各個寄存器，累加器等對應(yīng)值?？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，提高組成系統(tǒng)、編程、調(diào)試的動手能力。而且在此次設(shè)計中，我了解到了團(tuán)隊合作的重要性，對以后步入社會積累了很好的經(jīng)驗。通過這次設(shè)計，在很高程度上彌補(bǔ)了我們的理論知識的不足，通過設(shè)計進(jìn)一步鞏固了我們的理論知識，讓我們學(xué)的更扎實，對數(shù)電的認(rèn)識更加形象。總之，這次實習(xí)帶給我很大的收獲，再一次感謝學(xué)校給我們一個展現(xiàn)自己設(shè)計才能的機(jī)會，這對我們以后的工作和學(xué)習(xí)都有很好的作用。在本次電子技術(shù)課程設(shè)計過程中，得到了個老師和同學(xué)們的幫助，讓我學(xué)到了很多東西，同時還感謝學(xué)校的圖書館給我們提供了很好的資料，讓我們的設(shè)計更加能夠輕松的完成。致 謝 通過這次數(shù)字電子鐘的課程設(shè)計，我們才把學(xué)到的東西與實踐相結(jié)合。從中對我們學(xué)的知識有了更進(jìn)一步的理解，而且更進(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。也鍛煉了自己獨(dú)立思考問題的能力和通過查看相關(guān)資料來解決問題的習(xí)慣。雖然這只是一次簡單的課程設(shè)計，但通過這