電子電路課程設(shè)計(jì)數(shù)字電子鐘計(jì)時系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與裝配

1、淮陰師范學(xué)院 引 言 數(shù)字電子鐘是一種用數(shù)字電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)時、分、秒計(jì)時的裝置，并且在此基礎(chǔ)上，還能夠?qū)崿F(xiàn)整點(diǎn)報(bào)時、定時鬧鐘等功能。與機(jī)械式時鐘相比具有更高的準(zhǔn)確性和直觀性，且無機(jī)械裝置，具有更長是使用壽命，因此得到了更廣泛的使用，數(shù)字電子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。設(shè)計(jì)過程采用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法，先分析人物，得到系統(tǒng)要求，然后進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，劃分子系統(tǒng)，然后進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，覺得各個功能子系統(tǒng)中的內(nèi)部電路，最后進(jìn)行測試。本課程設(shè)計(jì)針對數(shù)字電子時鐘的設(shè)計(jì)要求，提出了一個個整體設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行由上而下層次化的設(shè)計(jì)，先定義和規(guī)定各個模塊的結(jié)果，再對模塊內(nèi)部進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)分析

2、。根據(jù)可采用的芯片，設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)哪K組合調(diào)試，最終在Protues下仿真通過。目 錄1、設(shè)計(jì)指標(biāo)及要求41.1設(shè)計(jì)指標(biāo)41.2具體要求42、設(shè)計(jì)原理42.1整機(jī)的系統(tǒng)框圖42.2單元電路的設(shè)計(jì)53、設(shè)計(jì)內(nèi)容與步驟64、參考元器件75、各單元電路的設(shè)計(jì)方案及原理說明 75.1設(shè)計(jì)方案75.2設(shè)計(jì)、調(diào)試要點(diǎn)76、電路的裝配與調(diào)試過程86.1電路焊接86.2調(diào)試過程86.3數(shù)字電子鐘電路圖96.4調(diào)試結(jié)果與分析97、設(shè)計(jì)心得體會 98、參考文獻(xiàn)及資料101、設(shè)計(jì)指標(biāo)及要求1.1設(shè)計(jì)指標(biāo)（1）顯示時、分、秒，采用24小時制。（2）具有校時功能，可以對小時和分單獨(dú)校時，對分校時的時候，停止分向小

3、時進(jìn)位。校時時鐘源可以手動輸入或借用電路中的時鐘。（3）為了保證計(jì)時準(zhǔn)確、穩(wěn)定，建議由晶體振蕩器提供標(biāo)準(zhǔn)時間的基準(zhǔn)信號。1.2具體要求（1）畫出總體設(shè)計(jì)框圖，以說明數(shù)字鐘由哪些相對獨(dú)立的功能模塊組成，標(biāo)出各個模塊之間互相聯(lián)系，時鐘信號傳輸路徑、方向和頻率變化。并以文字對原理作輔助說明。（2）設(shè)計(jì)各個功能模塊的電路圖，加上原理說明。（3）選擇合適的元器件，設(shè)計(jì)、選擇合適的輸入信號和輸出方式，在確保電路正確性同時，輸入信號和輸出方式要便于電路的測試和故障排除。在線路板上接線驗(yàn)證、調(diào)試各個功能模塊的電路。（4）在驗(yàn)證各個功能模塊基礎(chǔ)上，對整個電路的元器件和布線，進(jìn)行合理布局，進(jìn)行整個數(shù)字鐘電路的接線

4、調(diào)試。2、設(shè)計(jì)原理 2.1整機(jī)的系統(tǒng)框圖 如圖a，該系統(tǒng)由振蕩器、分頻器、“時、分、秒”計(jì)數(shù)器、譯碼器及顯示器、校時電路、整點(diǎn)報(bào)時電路等組成。石英晶體振蕩器和分頻器產(chǎn)生整個系統(tǒng)的時基信號，它直接決定計(jì)時系統(tǒng)的精度?！懊胗?jì)數(shù)器”采用六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，每累計(jì)60秒向“分計(jì)數(shù)器”進(jìn)位；“分計(jì)數(shù)器”采用六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，每累計(jì)60分向“時計(jì)數(shù)器”進(jìn)位；“時計(jì)數(shù)器”采用二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器，按照“24翻1”規(guī)律計(jì)數(shù)?！皶r、分、秒”計(jì)數(shù)器的輸出經(jīng)譯碼器送顯示器顯示。校時電路用來當(dāng)計(jì)時出現(xiàn)誤差時對“時、分、秒”進(jìn)行校對調(diào)整。整點(diǎn)報(bào)時電路是根據(jù)計(jì)時系統(tǒng)的輸出狀態(tài)產(chǎn)生一脈沖信號，然后去觸發(fā)音頻發(fā)生器實(shí)現(xiàn)報(bào)時。時顯示器秒

5、顯示器分顯示器時譯碼器秒譯碼器分譯碼器報(bào)時時計(jì)數(shù)器分計(jì)數(shù)器秒計(jì)數(shù)器校時電路 分頻器振蕩器 圖a 數(shù)字電子鐘的邏輯框圖 2.2單元電路的設(shè)計(jì) 振蕩器 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，通常選用石英晶體構(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。圖b為晶體振蕩器電路，假設(shè)取晶體的頻率為100Hz。 yo(100KHz)RF11R150K22M100KHZ3/22pF20pF 圖b 晶體振蕩器 圖c CD4060的原理圖 分頻器 分頻器的功能主要有兩個：一是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號；二是提供功能擴(kuò)展電路所需要的信號，如仿電臺報(bào)時用的1kHz的高音頻

6、信號和500Hz的低音頻信號等。 時分秒計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì) 分和秒計(jì)數(shù)器都是模M=60的計(jì)數(shù)器，其計(jì)數(shù)規(guī)律為00-01-59-00時計(jì)數(shù)器是一個“24翻1”的特殊進(jìn)制計(jì)數(shù)器，即當(dāng)數(shù)字鐘運(yùn)行到23時59分59秒時，秒的個位計(jì)數(shù)器再輸入一個秒脈沖時，數(shù)字鐘應(yīng)自動顯示為00時00分00秒，實(shí)現(xiàn)日常生活中習(xí)慣用的計(jì)時規(guī)律。 譯碼顯示電路 譯碼顯示電路的功能是將“秒”、“分”、“時”計(jì)數(shù)器的輸出代碼進(jìn)行翻譯，并用十進(jìn)制數(shù)顯示出來。 校時電路的設(shè)計(jì) 當(dāng)數(shù)字鐘接通電源或者計(jì)時出現(xiàn)誤差時，需要校正時間（或稱校時）。校時是數(shù)字鐘應(yīng)具備的基本功能。?！胺帧薄ⅰ皶r”的原理采用加速校時。“分”校對時利用琴鍵開關(guān)將秒脈沖信號

7、送到分計(jì)數(shù)器中，使分計(jì)數(shù)器以秒的節(jié)奏快速計(jì)數(shù)。當(dāng)分計(jì)數(shù)器的顯示與標(biāo)準(zhǔn)時間數(shù)值相符時，松開琴鍵開關(guān)，分計(jì)數(shù)器繼續(xù)接受來自秒計(jì)數(shù)器的輸出進(jìn)位信號，恢復(fù)正常工作。同理，“時”校時電路的工作原理與“分”校時電路完全相同。 整點(diǎn)報(bào)時電路 當(dāng)計(jì)數(shù)器在每次計(jì)時到整點(diǎn)前5秒鐘時，開始報(bào)時。即當(dāng)“分”計(jì)數(shù)器為59，“秒”計(jì)數(shù)器為55時，報(bào)時電路發(fā)出一控制信號，并要求該信號持續(xù)時間為5秒鐘，由該信號控制蜂鳴器鳴叫5聲。3、設(shè)計(jì)內(nèi)容與步驟（1）設(shè)計(jì)秒脈沖發(fā)生器；（2）設(shè)計(jì)“時”、“分”、“秒”計(jì)數(shù)器；（3）設(shè)計(jì)時分秒譯碼顯示電路；（4）設(shè)計(jì)校時電路、報(bào)時電路，安裝各單元電路，要求布線整齊、美觀，便于級聯(lián)與調(diào)試；（5

8、）測試數(shù)字鐘系統(tǒng)的功能；（6）畫出數(shù)字鐘系統(tǒng)的詳細(xì)邏輯電路圖；（7）寫出設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)報(bào)告。（8）焊接并調(diào)試一個計(jì)時系統(tǒng)的PCB成板4、參考元器件一、可預(yù)置4位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器（74HC161）2、 二/五/十進(jìn)制計(jì)數(shù)器（74HC290），3、 同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器（74HC160），4、 譯碼驅(qū)動器（74LS47），兩輸入四與非門（74HC00），5、 三輸入三與非門（74HC10），6、 雙JK觸發(fā)器（74LS76），7、 石英晶體32.768KHz，8、 七段共陽極數(shù)碼管（LED），電阻和導(dǎo)線等。5、各單元電路的設(shè)計(jì)方案及原理說明  5.1設(shè)計(jì)方案 （1）采用晶體振蕩器 晶體振蕩器電路給數(shù)

9、字鐘提供一個頻率穩(wěn)定準(zhǔn)確的32768z的方波信號，可保證數(shù)字鐘的走時準(zhǔn)確及穩(wěn)定。 （2）用CD4060和D觸發(fā)器作分頻器 數(shù)字鐘的晶體振蕩器輸出頻率較高，為了得到1Hz的秒信號輸入，需要對振蕩器的輸出信號進(jìn)行分頻。CD4060在數(shù)字集成電路中可實(shí)現(xiàn)的分頻次數(shù)最高，而且CD4060還包含振蕩電路所需的非門，使用更為方便。CD4060計(jì)數(shù)為14級2進(jìn)制計(jì)數(shù)器，可以將32768HZ的信號分頻為2HZ，其次CD4060的時鐘輸入端兩個串接的非門，因此可以直接實(shí)現(xiàn)振蕩和分頻的功能。D觸發(fā)器是構(gòu)成二分頻的計(jì)數(shù)器，這樣就得到了1 HZ秒脈沖信號。 （3）采用74Ls90做計(jì)時器 5.2設(shè)計(jì)、調(diào)試要點(diǎn) 組裝電

10、子鐘，注意，器件管腳的連接一定要準(zhǔn)確，“懸空端”、“清0端”、“置1端”要正確處理，調(diào)試步驟和方法如下： （1）可以先將系統(tǒng)劃分為振蕩器、計(jì)數(shù)器、分頻器、譯碼顯示等部分，對它們分別進(jìn)行設(shè)計(jì)與調(diào)試，最后聯(lián)機(jī)統(tǒng)調(diào)。 （2）各部件設(shè)計(jì)安裝完畢后，用示波器或頻率計(jì)觀察石英晶體振蕩器的輸出頻率。 （3）將晶振輸出的脈沖信號送入分頻器，用示波器或頻率計(jì)觀察分頻器的輸出頻率是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 （4）將頻率為1Hz的標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號分別送入“時“分”、“秒”計(jì)數(shù)器，檢查各級計(jì)數(shù)器的工作狀況。 （5）將合適的BCD碼分別送入各級譯碼顯示器的輸入端，檢查數(shù)碼顯示是否正確。各部件調(diào)試正常后，進(jìn)行組裝聯(lián)調(diào)，檢查校準(zhǔn)電路

11、是否可以實(shí)現(xiàn)快速校時，最后對系統(tǒng)進(jìn)行微調(diào)。 （6）當(dāng)分頻器和計(jì)數(shù)器調(diào)試正常后，觀察電子鐘是否正常地工作。6、電路的裝配與調(diào)試過程 6.1電路焊接 (1)根據(jù)設(shè)計(jì)好的電路圖，進(jìn)行焊接電路 (2)在焊接電路前，先在萬能板對整個電路進(jìn)行電路的布局，盡量做得整潔美觀 (3)焊接電路時，一定要給芯片提供工作電壓，要有統(tǒng)一的電源走線，地線走線。 (4)焊接電路時，要膽大心細(xì)，別焊錯腳了。能盡量走線的就盡量走線，不能的就接導(dǎo)線，導(dǎo)線剛剛好就行了，不能過長。 (5)焊點(diǎn)要合格，不能出現(xiàn)虛焊等情況，否則會接觸不良 6.2調(diào)試過程 (1)可以分模塊調(diào)試，分成秒信號發(fā)生器電路，秒計(jì)數(shù)器和顯示電路，分計(jì)數(shù)器和顯示電路

12、，時計(jì)數(shù)器和顯示電路，校時電路，正點(diǎn)報(bào)時電路，清零電路七大模塊來調(diào)試 (2)整體調(diào)試 (3)調(diào)試過程中若發(fā)現(xiàn)故障，仔細(xì)檢查并處理故障6.3數(shù)字電子鐘電路圖 圖d 數(shù)字電子鐘電路圖 6.4調(diào)試結(jié)果與分析 由圖d所示的數(shù)字中系統(tǒng)組成框圖按照信號的流向分級安裝，逐級級聯(lián)。這里的每一級是指組成數(shù)字中的各個功能電路。 級聯(lián)時如果出現(xiàn)時序配合不同步，或劍鋒脈沖干擾，引起的邏輯混亂，可以增加多級邏輯門來延時。如果顯示字符變化很快，模糊不清，可能是由于電源電流的跳變引起的，可在集成電路器件的電源端Vcc加退藕濾波電容。通常用幾十微法的大電容與0.01F的小電容相并聯(lián)。7、設(shè)計(jì)心得體會 大二上學(xué)期我們學(xué)習(xí)了數(shù)字

13、電子電路和模擬電子電路，對電子技術(shù)有了一些初步了解，但那都是一些理論的東西。通過這次對數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)與制作，讓我們了解了電路的設(shè)計(jì)程序，也對數(shù)字鐘的原理與設(shè)計(jì)理念有了一定的了解。我們知道了如何設(shè)計(jì)出1HZ的信號，也對時分秒的設(shè)計(jì)有了一定的了解，并且知道在實(shí)際電路一般步驟為由數(shù)字鐘系統(tǒng)組成框圖按照信號的流向分級安裝，逐級級聯(lián)，這里的每一級是指組成數(shù)字鐘的各功能電路。級聯(lián)時如果出現(xiàn)時序配合不同步，或尖峰脈沖干擾，引起邏輯混亂，可以增加多級邏輯門來延時。 同時，在此次的數(shù)字鐘設(shè)計(jì)過程中，我們更進(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

14、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(jì)，但通過這次課程設(shè)計(jì)我們了解了課程設(shè)計(jì)的一般步驟，和設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題。設(shè)計(jì)本身并不是有很重要的意義，而是我們對待問題時的態(tài)度和處理事情的能力。 此外，我們也深刻地體會到設(shè)計(jì)一個電路前先進(jìn)行仿真的重要性，更深有體會，最后的成品不一定與仿真時完全一樣，所以，在設(shè)計(jì)時應(yīng)考慮兩者的差異。 最后，設(shè)計(jì)的時候應(yīng)該不怕麻煩，反復(fù)檢測，步步檢測，力求每一步都沒有錯誤。 總的來說，我們在這次課程設(shè)計(jì)中加強(qiáng)了理論知識的學(xué)習(xí)和提高了動手能力和思考能力以及分析問題，解決問題的能力。 在這次數(shù)字電子鐘設(shè)計(jì)過程中，通過自己的努力，成功地完成任務(wù)，有種如釋重負(fù)的感覺，同時，看到成功鬧鐘的數(shù)字電子時鐘，心中更多的是一種成就感。在整個課程設(shè)計(jì)中，我們也遇到了許多的難題。例如顯示器無法正常顯示數(shù)字，剛開始我們還以為是線路接法存在問題，經(jīng)過多次仔細(xì)檢查最終問題才得到解決。并最終完成了數(shù)字時鐘的設(shè)計(jì)。過程是艱辛的，但結(jié)果是令人興奮的，看著自己設(shè)計(jì)的東西一分一秒的走著，心理覺得非常有成就感，這兩個星期的努力并沒有付諸東流。雖然實(shí)驗(yàn)已經(jīng)告一段落，但是我們學(xué)習(xí)的道路還很長。此次實(shí)驗(yàn)讓我明