數(shù)字電子電路課程設計報告書---數(shù)字鐘

1、<p><b>　　電氣工程學院</b></p><p>　　數(shù)字電子電路課程設計報告書</p><p>　　姓 名： </p><p>　　班 級：09級通信工程（2）班 </p><p>　　學 號： </p><p>　　

2、題 目： 數(shù)字鐘 </p><p>　　完成日期： 2010年12月20日 </p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　目錄………………………………………………………………………….……….1</p><p>　　1、設計目的………………………………………

3、………………………….……...2</p><p>　　2、設計任務與要求.......…………………………………………………….……...2</p><p>　　3、設計原理及其框圖……………………………………………………………....2</p><p>　　3.1數(shù)字鐘的構(gòu)成…………………………………………………..……….….……2</p>&l

4、t;p>　　3.2數(shù)字鐘的工作原理……………………………………………………..…...……4</p><p>　　3.3時間計數(shù)單元………………………………………………………………....…5</p><p>　　3.4譯碼驅(qū)動及顯示單元………………………………………………………….….6</p><p>　　3.5校時電源電路…………………………………………

5、………………..………..6</p><p>　　3.6整點報時電路…………………………………………………………………….7</p><p>　　4、元器件…………………………………………………………………………….7</p><p>　　5、功能塊電路圖…………………………………………………………………….7</p><p>　　6仿真結(jié)果

6、及分析………….…………………………………………………...…....12</p><p>　　6.1計數(shù)和校時功能測試………………………………………………………...12</p><p>　　6.2整點報時功能測試…………………………………………………………....13 </p><p>　　6.3脈沖產(chǎn)生電路仿真結(jié)果及分析……………………………………

7、………...14</p><p>　　6.4仿真過程中出現(xiàn)問題及解決辦法……….…………………………………...15</p><p>　　6、總結(jié)………………………………………………………………………………...15</p><p>　　7、參考文獻…………………………………………………………………………...15</p><p><b

8、>　　一、設計目的</b></p><p>　　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序電路。此次設計與制作數(shù)字電子鐘的目的是讓學生在了解數(shù)字鐘的原理的前提下，運用剛剛學過的數(shù)電知識設計并制作數(shù)字鐘，而且通過數(shù)字鐘的制作進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。由于數(shù)字電子鐘包括組合邏輯電路和時序電路，通過它可以進一步學習與掌握各種組合邏輯電路與時

9、序電路的原理與使用方法，從而實現(xiàn)理論與實踐相結(jié)合。 總的來說，此次課程設計，有助于學生對電子線路知識的整合和電子線路設計能力的訓練，并為后繼課程的學習和畢業(yè)設計打下一定的基礎。</p><p><b>　　二、設計任務與要求</b></p><p><b>　　設計要求</b></p><p><b>

10、　?。?）設計指標 </b></p><p>　　輸入10HZ的時鐘；（對已有kHz頻率時鐘進行分頻）</p><p>　　能顯示時、分、秒，24小時制；</p><p><b>　　時和分有校正功能；</b></p><p>　　整點報時，喇叭響兩秒；</p><p>　　可設定夜間

11、某個時段不報時；</p><p><b>　　（2）設計要求</b></p><p>　　畫出電路原理圖（或仿真電路圖）；</p><p><b>　　元器件及參數(shù)選擇；</b></p><p><b>　　電路仿真與調(diào)試；</b></p><p>　　

12、PCB文件生成與打印輸出。</p><p><b>　　制作要求 </b></p><p>　　自行裝配和調(diào)試，并能發(fā)現(xiàn)問題和解決問題。</p><p>　　三、設計原理及其框圖</p><p>　　1．數(shù)字鐘的構(gòu)成數(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

13、度為23時59分59秒，另外應有校時功能和一些顯示星期、報時、停電查看時間等附加功能。因此，一個基本的數(shù)字鐘電路主要由譯碼顯示器、“時”，“分”，“秒”，計數(shù)器、校時電路、報時電路和振蕩器組成。數(shù)字鐘實際上是一個對標準頻率（1HZ）進行計數(shù)的計數(shù)電路。由于計數(shù)的起始時間不可能與標準時間（如北京時間）一致，故需要在電路上加一個校時電路，同時標準的1HZ時間信號必須做到準確穩(wěn)定。通常使用石英晶體振蕩器電路構(gòu)成.</p><

14、;p>　　圖3-1所示為數(shù)字鐘的一般構(gòu)成框圖</p><p>　　⑴晶體振蕩器電路　　晶體振蕩器電路給數(shù)字鐘提供一個頻率穩(wěn)定準確的32768Ｈz的方波信號，可保證數(shù)字鐘的走時準確及穩(wěn)定。不管是指針式的電子鐘還是數(shù)字顯示的電子鐘都使用了晶體振蕩器電路。</p><p><b>　　⑵分頻器電路</b></p><p>　　分頻器電路將3

15、2768Ｈz的高頻方波信號經(jīng)32768（）次分頻后得到1Hz的方波信號供秒計數(shù)器進行計數(shù)。分頻器實際上也就是計數(shù)器。</p><p>　?、菚r間計數(shù)器電路　　時間計數(shù)電路由秒個位和秒十位計數(shù)器、分個位和分十位計數(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進制計數(shù)器，而根據(jù)設計要求，時個位和時十位計數(shù)器為12進制計數(shù)器。</p><p>　　

16、⑷譯碼驅(qū)動電路　　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。</p><p><b>　　⑸數(shù)碼管　　</b></p><p>　　數(shù)碼管通常有發(fā)光二極管（LED）數(shù)碼管和液晶（LCD）數(shù)碼管，本設計提供的為LED數(shù)碼管。</p><p><b>　　數(shù)字

17、鐘的工作原理</b></p><p>　　１）晶體振蕩器電路晶體振蕩器是構(gòu)成數(shù)字式時鐘的核心，它保證了時鐘的走時準確及穩(wěn)定。圖3-2所示電路通過ＣＭＯＳ非門構(gòu)成的輸出為方波的數(shù)字式晶體振蕩電路，這個電路中，ＣＭＯＳ非門Ｕ１與晶體、電容和電阻構(gòu)成晶體振蕩器電路，Ｕ２實現(xiàn)整形功能，將振蕩器輸出的近似于正弦波的波形轉(zhuǎn)換為較理想的方波。輸出反饋電 阻Ｒ１為非門提供偏置，使電路工作于放大區(qū)域，即非門的功能

18、近似于一個高增益的反相放大器。電容Ｃ１、Ｃ２與晶體構(gòu)成一個諧振型網(wǎng)絡，完成對振蕩頻率的控制功能，同時提供了一個１８０度相移，從而和非門構(gòu)成一個正反饋網(wǎng)絡，實現(xiàn)了振蕩器的功能。由于晶體具有較高的頻率穩(wěn)定性及準確性，從而保證了輸出頻率的穩(wěn)定和準確。</p><p>　　晶體XTAL的頻率選為32768HZ。該元件專為數(shù)字鐘電路而設計，其頻率較低，有利于減少分頻器級數(shù)。</p><p>　　

19、從有關手冊中，可查得C1、C2均為30pF。當要求頻率準確度和穩(wěn)定度更高時，還可接入校正電容并采取溫度補償措施。</p><p>　　由于CMOS電路的輸入阻抗極高，因此反饋電阻R1可選為10MΩ。較高的反饋電阻有利于提高振蕩頻率的穩(wěn)定性，非門電路可選74HC00。</p><p>　　圖3-2 COMS晶體振蕩器２）分頻器電路通常，數(shù)字鐘的晶體振蕩器輸出頻率較高，為了得到１Ｈ

20、z的秒信號輸入，需要對振蕩器的輸出信號進行分頻。通常實現(xiàn)分頻器的電路是計數(shù)器電路，一般采用多級２進制計數(shù)器來實現(xiàn)。例如，將３２７６８Ｈz的振蕩信號分頻為１ＨZ的分頻倍數(shù)為３２７６８（２１５），即實現(xiàn)該分頻功能的計數(shù)器相當于１５極２進制計數(shù)器。常用的２進制計數(shù)器有７４ＨＣ３９３等。本實驗中采用CD4060來構(gòu)成分頻電路。CD4060在數(shù)字集成電路中可實現(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。Ｃ

21、Ｄ４０６０計數(shù)為１４級２進制計數(shù)器，可以將３２７６８ＨZ的信號分頻為２ＨZ，其內(nèi)部框圖如圖3-3所示，從圖中可以看出，ＣＤ４０６０的時鐘輸入端兩個串接的非門，因此可以直接實現(xiàn)振蕩和分頻的功能。圖3-3 CD4046內(nèi)部框圖３）時間計數(shù)單元</p><p>　　時間計數(shù)單元有時計數(shù)、分計數(shù)和秒計數(shù)等幾個部分。時計數(shù)單元一般為１２進制計數(shù)器計數(shù)器，其輸出為兩位８４２１ＢＣＤ碼形式；分計數(shù)和秒計數(shù)單元為

22、６０進制計數(shù)器，其輸出也為８４２１ＢＣＤ碼。一般采用10進制計數(shù)器74HC390來實現(xiàn)時間計數(shù)單元的計數(shù)功能。為減少器件使用數(shù)量，可選７４ＨＣ３９０，其內(nèi)部邏輯框圖如圖?。?３所示。該器件為雙２—５－１０異步計數(shù)器，并且每一計數(shù)器均提供一個異步清零端（高電平有效）。圖3-4 74HC390(1/2)內(nèi)部邏輯框圖秒個位計數(shù)單元為１０進制計數(shù)器，無需進制轉(zhuǎn)換，只需將ＱＡ與ＣＰＢ（下降沿有效）相連即可。ＣＰＡ（下降沒效）與１ＨZ秒

23、輸入信號相連，Ｑ３可作為向上的進位信號與十位計數(shù)單元的ＣＰＡ相連。秒十位計數(shù)單元為６進制計數(shù)器，需要進制轉(zhuǎn)換。將１０進制計數(shù)器轉(zhuǎn)換為６進制計數(shù)器的電路連接方法如圖3-5所示，其中Ｑ２可作為向上的進位信號與分個位的計數(shù)單元的ＣＰＡ相連。</p><p>　　圖3-5 10進制——6進制計數(shù)器轉(zhuǎn)換電路分個位和分十位計數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)分別與秒個位和秒十位計數(shù)單元完全相同，只不過分個位計數(shù)單元的Ｑ３作為向上的進位

24、信號應與分十位計數(shù)單元的ＣＰＡ相連，分十位計數(shù)單元的Ｑ２作為向上的進位信號應與時個位計數(shù)單元的ＣＰＡ相連。時個位計數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)仍與秒或個位計數(shù)單元相同，但是要求，整個時計數(shù)單元應為１２進制計數(shù)器，不是１０的整數(shù)倍，因此需將個位和十位計數(shù)單元合并為一個整體才能進行１２進制轉(zhuǎn)換。利用１片７４ＨＣ３９０實現(xiàn)１２進制計數(shù)功能的電路如圖3-6所示。另外，圖3-6所示電路中，尚余－２進制計數(shù)單元，正好可作為分頻器２ＨZ輸出信號轉(zhuǎn)化為１ＨZ

25、信號之用。</p><p>　　圖3-6 12進制計數(shù)器電路</p><p>　　4）譯碼驅(qū)動及顯示單元計數(shù)器實現(xiàn)了對時間的累計以8421BCD碼形式輸出，選用顯示譯碼電路將計數(shù)器的輸出數(shù)碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼顯示器件所需要的輸出邏輯和一定的電流，選用CD4511作為顯示譯碼電路，選用LED數(shù)碼管作為顯示單元電路。</p><p>　　5）校時電源電路當重新接

26、通電源或走時出現(xiàn)誤差時都需要對時間進行校正。通常，校正時間的方法是：首先截斷正常的計數(shù)通路，然后再進行人工出觸發(fā)計數(shù)或?qū)㈩l率較高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。</p><p>　　根據(jù)要求，數(shù)字鐘應具有分校正和時校正功能，因此，應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3-7所示即為帶有基本RS觸發(fā)器的校時電路。

27、</p><p>　　圖3-7 帶有消抖動電路的校正電路6）整點報時電路一般時鐘都應具備整點報時電路功能，即在時間出現(xiàn)整點前數(shù)秒內(nèi)，數(shù)字鐘會自動報時，以示提醒。其作用方式是發(fā)出連續(xù)的或有節(jié)奏的音頻聲波，較復雜的也可以是實時語音提示整點報時的功能要求時，每當數(shù)字鐘計時快到整點時發(fā)出聲響。喇叭響兩秒。快到整點時，59分58秒開始響，到00分00秒停止，一共響兩秒。</p><p>　

28、　報時電路報時控制信號。報時電路選74HC30，選蜂鳴器為電聲器件。</p><p>　　四、元器件1．實驗中所需的器材，5V電源，面包板1塊，示波器，萬用表，鑷子1把，剪刀1把，共陰八段數(shù)碼管6個，CD4511集成塊6塊，CD4060集成塊1塊，74HC390集成塊3塊，74HC51集成塊1塊，74HC00集成塊5塊，74HC30集成塊1塊，10MΩ電阻5個，500Ω電阻14個，30p電容2個， 32.7

29、68k時鐘晶體1個，蜂鳴器。</p><p>　　五、功能塊電路圖1． 一個CD4511和一個LED數(shù)碼管連接成一個CD4511驅(qū)動電路，數(shù)碼管可從0---9顯示，以次來檢查數(shù)碼管的好壞，見附圖5-1。</p><p>　　2． 利用一個LED數(shù)碼管，一塊CD4511，一塊74HC390，一塊74HC00連接成一個十進制計數(shù)器，電路在晶振的作用下數(shù)碼管從0—9顯示，見附圖5-2。 5

30、-2 74390十進制計數(shù)器</p><p>　　3. 利用一個LED數(shù)碼管，一塊CD4511，一塊74HC390，一塊74HC00和一個晶振連接成一個六進制計數(shù)器，數(shù)碼管從0—6顯示，見附圖5-3。 5-3 74390六進制計數(shù)器</p><p>　　4.利用一個六進制電路和一個十進制連接成一個六十進制電路，電路可從0—59顯示，見附圖5-4。圖5-4 六十進制電路<

31、/p><p>　　5． 利用兩個六十進制的電路合成一個雙六十進制電路，兩個六十進制之間有進位，見附圖5-5。 圖5-5 雙六十進制電路</p><p>　　6． 利用CD4060、電阻及晶振連接成一個分頻——晶振電路，見附圖5-6。 </p><p>　　圖5-6 分頻—晶振電路7． 利用74HC51D和74HC00及電阻連接成一個校時電路，見附圖5-7。圖

32、5-7 校時電路</p><p>　　8．利用74HC30和蜂鳴器連接成整點報時電路。見附圖5-8。圖5-8 整點報時電路</p><p>　　9． 利用兩個六十進制和一個十二進制連接成一個時、分、秒都會進位的電路總圖，見附圖5-9。圖5-9</p><p><b>　　六、仿真結(jié)果及分析</b></p><p>

33、　　仿真軟件選取NI Multisim 10，它是美國國家儀器公司（NI，National Instruments）最新推出的Multisim最新版本。</p><p><b>　　計數(shù)和校時功能測試</b></p><p>　　具體設計方法是：用一個單刀雙擲開關切換計數(shù)功能與校時功能，另一端接計數(shù)器的脈沖輸入端，開關置于函數(shù)發(fā)生器這一端便可以校時，置于計數(shù)器的進位端

34、便是計時。不校正時間時開關都應打在與非門的那一端。</p><p>　　1）數(shù)字鐘計數(shù)功能測試分析：如上圖，在秒脈沖的作用下，電路開始計數(shù)，且時、分、秒分別為24、60、60進制。計數(shù)功能符合設計要求。</p><p>　　2）校時功能測試分析：如上圖，在顯示時鐘時間時，按動時鐘調(diào)時、時鐘調(diào)分按鈕開關時，時、分均可以調(diào)節(jié)，且不按動時，計數(shù)電路能正常工作，校時功能符合設計要求。</p&

35、gt;<p><b>　　整點報時功能測試</b></p><p>　　由測試分析，每當數(shù)字鐘計時快到整點時發(fā)出聲響。喇叭響兩秒。快到整點時，59分58秒開始響，到00分00秒停止，一共響兩秒。整點報時功能符合設計要求。</p><p><b>　　整體電路圖仿真測試</b></p><p>　　如上圖顯示為

36、時間08：34：53，電路圖功能正常符合要求。</p><p>　　脈沖產(chǎn)生電路仿真結(jié)果及分析</p><p>　　由下面仿真波形可以看出555輸出信號（即555out）為周期為1s的方波脈沖，電容C1兩端的電壓波形如下Uc。555輸出的信號可以滿足數(shù)字鐘電路都需要，因而滿足條件。</p><p>　　脈沖產(chǎn)生電路仿真波形圖</p><p>

37、　　數(shù)字鐘整體電路仿真及分析</p><p>　　數(shù)字鐘整體電路的仿真結(jié)果下圖所示，5s范圍內(nèi)，七段數(shù)碼管的七段a，b，c，d，e，f，g的電平依次為0110000，1101101，1111001，0110011，1011011根據(jù)數(shù)碼管的排列規(guī)則，可知數(shù)碼管將依次顯示1，2，3，4，5。故可以初步判定此電路是符合條件的。</p><p>　　仿真過程中出現(xiàn)問題及解決辦法</p>

38、;<p>　　1）操作時鐘調(diào)校正按鈕時，顯示器顯示數(shù)據(jù)不改變，且到60秒時分位依然不改變，解決辦法：此時顯示器顯示的時間為鬧鐘時間應切換顯示開關，再調(diào)節(jié)校正按鈕即可。</p><p>　　2）顯示開關已切換至時鐘顯示，操作時鐘調(diào)校正按鈕時，顯示器顯示數(shù)據(jù)依然不改變，分、時電路可以正常進位。解決辦法：此時校時開關處于鎖定狀態(tài)，不能校時，切換校時開關即可解決問題。</p><p>

39、;　　3）定時電路可以正常定時，時鐘電路也可以正常計時，但當時鐘到達定時時刻時，沒有鬧鐘信號發(fā)出，揚聲器沒有聲音，發(fā)光二極管不發(fā)光，且此時正點報時也不起作用。解決辦法：此時鬧鐘控制開關處于斷開狀態(tài)，把此開關閉合問題即得到解決。</p><p><b>　　七、設計總結(jié)與體會</b></p><p>　　我們學習了數(shù)字電子電路，對電子技術(shù)有了一些初步了解，但那都是一些理

40、論的東西。通過這次數(shù)字電子鐘的課程設計，我們才把學到的東西與實踐相結(jié)合。從中對我們學的知識有了更進一步的理解。</p><p>　　在此次的數(shù)字鐘設計過程中，更進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。也鍛煉了自己獨立思考問題的能力和通過查看相關資料來解決問題的習慣。雖然這只是一次簡單的課程設計，但通過這次課程設計我們了解了課程設計的一般步驟，和設計中應注意的問題。設計本身并不是有很重要

41、的意義，而是同學們對待問題時的態(tài)度和處理事情的能力。至于設計的成績無須看的太過于重要，而是設計的過程，設計的思想和設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，我們設計要從市場需求出發(fā)，既要有強大的功能，又要在價格方面比同等檔次的便宜。</p><p>　　在這次設計過程中，我也

42、對word、畫圖等軟件有了更進一步的了解，這使我在以后的工作中更加得心應手。</p><p><b>　　八、參考文獻</b></p><p>　　閻 石.2006年. 數(shù)字電子技術(shù)基礎（第五版）. 北京：高等教育出版社. 王慧玲.2007年. 電工電子實驗與實訓. 北京：機械工業(yè)出版社.吳建強.2007年. 電工學新技術(shù)實踐. 北京：機械工業(yè)出版社.付家才.2