數(shù)字鐘課程設計--數(shù)字時鐘設計報告

1、<p><b>　　課 程 設 計</b></p><p>　　課程名稱 數(shù)電課程設計 </p><p>　　題目名稱 數(shù)字時鐘 </p><p>　　學生學院 物理與光電工程學院 </p><p>　　專業(yè)班級 電子科學與技術（1）班 <

2、/p><p>　　2012年4月10日</p><p><b>　　數(shù)字時鐘設計報告</b></p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 多功能數(shù)字鐘的設計要求1</

3、p><p>　　1.2 設計目的及意義1</p><p>　　2 數(shù)字鐘基本原理與方案設計2</p><p>　　2.1 設計方案原理構思2</p><p><b>　　2.2方案比較2</b></p><p>　　2.3設計主要原理及電路分析3</p><p>　　

4、3 Protues仿真調試11</p><p>　　3.1 總體仿真圖11</p><p>　　4 PCB & 元件......................................11</p><p>　　4.1 PCB..................................................11</p>

5、<p>　　4.2元件清單.............................................12</p><p>　　5 遇到問題及解決方法13</p><p><b>　　6 心得體會15</b></p><p>　　7 參考文獻及芯片資料16</p><p><b&g

6、t;　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 多功能數(shù)字鐘的設計要求</p><p><b>　　基本要求:</b></p><p>　　1）由振蕩器輸出穩(wěn)定的高頻脈沖信號作為時間基準，經分頻器輸出標準的秒脈沖。</p><p>　　2）秒計數(shù)器滿60向分計數(shù)器進位，分計數(shù)器滿60向小時計數(shù)器進位，小

7、時計數(shù)器按“12翻1”規(guī)律計數(shù)，計數(shù)器經譯碼器送到顯示器。</p><p>　　3）計數(shù)出現(xiàn)誤差可用校時電路進行校時、校分、校秒。</p><p><b>　　擴展要求：</b></p><p>　　1）具有可整點報時與定時鬧鐘的功能。</p><p>　　1.2 設計目的及意義</p><p>

8、　　訓練學生綜合地運用所學的<模擬電子技術><數(shù)字電子技術>的基本知識，獨立、完整地設計一定功能的電子電路，并培養(yǎng)設計軟件應用 仿真 焊電路 調試等綜合能力，同時還可以讓我們熟悉示波器 信號發(fā)生器 直流穩(wěn)壓源等儀器的應用。</p><p>　　2 數(shù)字鐘基本原理與方案設計</p><p>　　2.1 設計方案原理構思</p><p>　　該設

9、計主要由以下幾模塊組成:電源模塊、計數(shù)模塊、譯碼驅動和顯示模塊、校時模塊、整點報時模塊。</p><p><b>　　2.2 方案比較</b></p><p><b>　　電源模塊：</b></p><p>　　電源模塊用于產生1Hz的時鐘，產生1Hz時鐘頻率的方案主要有以下兩個：</p><p>

10、　　a：采用555產生一定頻率的時鐘，然后通過適當分頻得到1Hz的時鐘。</p><p>　　b：采用晶振產生一個高頻時鐘，然后通過適當分頻產生1Hz的時鐘。</p><p>　　由于555是通過RC振蕩產生波形的，而電阻、電容本身就存在較大誤差，再加上電阻對溫度敏感，所以對外界的依賴太大，產生1HZ的脈沖的誤差也是十分的大。</p><p>　　而在通常工作條件下

11、，普通的晶振頻率絕對精度可達百萬分之五十，并且普通晶振價格低廉，電路連接簡單。</p><p>　　因此，電源模塊顯然是選擇采用晶振。</p><p><b>　　計數(shù)模塊：</b></p><p>　　在價格的優(yōu)勢上我們選擇74HC系列的芯片，而74系列的芯片有74HC160 BCD十進制計數(shù)器、74HC161 4位二進制計數(shù)器、74HC19

12、0 BCD十進制加減計數(shù)器、74HC191 4位二進制加減計數(shù)器、74HC192 同步清零BCD十進制加減計數(shù)器、74HC193 同步清零4位加減二進制計數(shù)器。</p><p>　　考慮到我們做的是時鐘，BCD十進制計數(shù)器即可滿足要求，再加上74HC190~193雖然一片有兩個計數(shù)器，但是一片的價格比兩片的160還要貴，因此我們選擇74HC160作為計數(shù)芯片。</p><p>　　譯碼驅動

13、和顯示模塊：</p><p>　　驅動模塊采用7段譯碼器來驅動數(shù)碼管，我們采用了74HC4511，因為74LS48和74LS47都是比較貴的用的也不是很普遍。</p><p>　　采用數(shù)碼管顯示，可選擇的有共陰、共陽數(shù)碼管，因為74HC4511是高電平有效的， </p><p>　　所以理所當然選擇共陰數(shù)碼管了。</p><p><b&

14、gt;　　校時模塊：</b></p><p>　　校時的方式有很多種，主要了解到的有：</p><p>　　a.用六個按鍵分別對想要調時的計數(shù)器進行校時。</p><p>　　b.自動校時，按下相應按鍵后將1Hz的時鐘輸給相應的計數(shù)器，使之自動增加。</p><p>　　上面兩種的方案的電路設計都非常簡單，但是稍微注意觀察就可以注

15、意到以上的校時方案存在著校時時間長和按鍵過多等缺點，第1種方案調時的按鍵太多需要六個，而對應的一個按鍵又只能調一個造成了體積龐大和按鍵的浪費，第二種方案校分時等待時間最長需要59秒，校時的時候最長需要11秒。顯然這兩種設計都不人性化。</p><p>　　為了解決上訴方案中的不足，校時電路采用用一個按鍵控制74Hc160和74HC138選中相應數(shù)碼管，并用另一個按鍵對相應的數(shù)碼管進行校時，這樣每一位最多需要按9下

16、按鍵即可完成校時，并且可以對每一位進行校時。這是其他校時方案無法比擬的。但需要說明的是此校時方案使得電路變得復雜。</p><p><b>　　整點報時模塊：</b></p><p>　　整點報時主要有兩種可行方案。</p><p>　　a.觀察整點報時的時候分和秒都同時為0，采用各種邏輯門電路判斷分和時都同時為0 的時候進行報時</p&

17、gt;<p>　　b.考慮到整點的時候會有一個脈沖給時個位的計數(shù)器，可采用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器完成此功能。</p><p>　　顯然第一種方案雖然原理簡單，但是實現(xiàn)的時候電路非常復雜，電路的復雜增加了電路的不穩(wěn)定因素；第二中方案電路簡單，可靠性強；顯然采用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器完成此功能。</p><p>　　2.3 設計主要原理及電路分析</p><p><b&

18、gt;　　時鐘模塊：</b></p><p>　　時鐘模塊采用32.786KHz的晶振經過74HC4060 14次二分頻分頻得到2Hz的時鐘頻率，再經過一個74HC160進行二分頻，最終得到1Hz的時鐘。</p><p><b>　　電路圖如下：</b></p><p>　　由于74HC4060內部已經有反向器，所以晶振部分無需加反

19、向器。</p><p><b>　　計數(shù)模塊：</b></p><p>　　計數(shù)模塊的總電路圖：</p><p><b>　　個位向十位進位：</b></p><p>　　上圖是秒、分、時個位向十位進位的局部圖，圖中或非門是校時模塊的部分，其中第5引腳在不進行調時的時候時鐘處于低電平，這樣在正常的時

20、候個位的脈沖信號能夠正常得輸給十位的計數(shù)器。一般情況下，進位輸出端TC輸出低電平，通過或非門后變?yōu)楦唠娖剑允坏臅r鐘輸入端CLK通常情況下是處于高電平的。當秒、分、時的計數(shù)器記到9的時候，進位輸出端TC變?yōu)楦唠娖?，通過與非門以后十位的時鐘輸入端CLK電平由高變?yōu)榈碗娖剑斚乱粋€脈沖到來的時候，74HC160的輸出端全部變?yōu)榈碗娖剑藭r或非門輸出端變?yōu)楦唠娖?，因?4HC160是上升沿觸發(fā)的，這樣就使得十位的計數(shù)器計數(shù)一次。</

21、p><p>　　秒十位向分個位和分十位向時個位進位：</p><p>　　上圖是秒的十位向分的個位和分的十位向時的個位進位的電路圖。通常情況下圖中與非門輸入端不會同時為高電平，所以與非門輸出端輸出高電平，由于或非門會被高電平鎖住，導致無法進行校時，同時160是上升沿有效如果沒有非門將在9的時候進位，所以加一個反向器，分或時的個位時鐘輸入端通常出于高電平。當秒或分的十位計數(shù)到6的時候，與非門的輸

22、入端同時為1，此時與非門輸出端變?yōu)榈碗娖剑穗娖酵瑫r輸給秒或分的十位，這時候，秒或分的十位被清零。與此同時，非門輸出端變高，或非門輸出端變?yōu)榈碗娖健．斆牖蚍值氖槐磺辶愫?，圖中與非門、非門、或非門輸出端電平都將發(fā)生變化，其中或非門輸出端電平由低變?yōu)楦?，這樣就使得分或時的個位計數(shù)一次。</p><p><b>　　12翻1：</b></p><p>　　上圖是12翻1電

23、路。當時鐘不是12的時候與非門輸出時高鎖住的最下面的或非門，當時計數(shù)到12的時候，圖中與非門輸入端同時為1，輸出端輸出低電平，此低電平輸入給時個位計數(shù)器的預置數(shù)輸入端PE，此時，當分的十位再輸入一個脈沖給時的個位的時候，時的個位就被預置為1； 而此時最下面的或非門因為同時為低電平，所以此時輸出高電平，此高電平通過最上面的或非門使得時的十位清零端變?yōu)榈碗娖剑沟脮r的十位被清零，這就實現(xiàn)了12翻1的功能。</p><p&

24、gt;<b>　　譯碼、驅動模塊：</b></p><p>　　譯碼、驅動芯片采用74HC4511，在其資料中查到當其LT、BI、LE端分別為高、高、低電平的時候芯片正常工作。因此在電路連接的時候需按照要求將其相應端置于相應電平。</p><p><b>　　局部電路圖： </b></p><p><b>　　顯

25、示模塊：</b></p><p>　　顯示模塊采用6個8段共陰數(shù)碼管，其中每位的小數(shù)點在進入校時的時候被選中的位小數(shù)點將被點亮，代表此時選中該位進行校時。</p><p>　　所有的數(shù)碼管電路連接相同，連接方式如下圖所示：</p><p>　　由于74HC4511輸出電壓接近VCC，而數(shù)碼管中的二極管的工作電壓僅為1.8V左右，所以必須加上電阻進行限流，

26、上面的三極管當Time6為高電平時點亮小數(shù)點，在時鐘正常工作的時候138VCC是斷開的所以就算Time6為高電平也不能點亮燈，只有進入校時模式的時候才被點亮。</p><p><b>　　校時模塊：</b></p><p>　　校時模塊采用三個按鍵進行校時，可分別校正任何秒、分、時的任何一位。其中，按鍵K1按下后進入調時模式，正常的時鐘停止；按鍵PB1用于選擇要校正的

27、位；按鍵PB2用于校正數(shù)，每按下一次數(shù)字增加1。</p><p>　　校時模塊整體電路圖如下：</p><p>　　K1是進入校時模式的控制按鍵，當K1按下時U15的11口是高電平鎖住晶振產生的1HZ的頻率時鐘停止進入調時。同時這個電源是用于控制74HC138和控制各小數(shù)點的三極管電源的，當按鍵彈起式， 74HC138和控制各小數(shù)點的三極管電源被切斷，校時功能關閉。當進入校時模式的控制按鍵

28、被按下的時候，正常的時鐘信號被鎖住，時鐘停止，74HC138和控制各小數(shù)點的三極管電源打開，進入校時模式。</p><p>　　選擇校正位的電路如下圖所示：</p><p>　　左下圖中的Time1和右下圖中Time6為校時電路的一部分。</p><p>　　在時鐘正常的時候，由于138的電源沒有被打開，所以138所有的輸出端均為低電平，不影響計數(shù)器的正常工作；此時

29、三極管的電源也被關閉，所以數(shù)碼管的小數(shù)點都不會被點亮，這是本設計的一個亮點之一。</p><p>　　其中選擇數(shù)碼管的控制按鍵被按下一次后，74HC160計數(shù)一次，74HC160的數(shù)據經過74HC138譯碼后輸出相應的電平，由于138是低電平有效，而控制小數(shù)點的三極管是高電平導通，但是三極管B接在了非門之后，所以進入校時模式后也僅有被選中的數(shù)碼管小數(shù)點被點亮，138譯碼后輸出的電平經反向器后接給計數(shù)器，由于138

30、是低電平有效，經反向后變?yōu)閮H有一個高電平，高電平的計數(shù)器可正常計數(shù)，而其他計數(shù)器的數(shù)據將被保持，這樣就實現(xiàn)了校時的功能。</p><p>　　使被選中數(shù)碼管數(shù)字增加的電路如下圖所示：</p><p>　　由于進入調時后圖中Judjment HZ被鎖定為低電平，因此，可以通過按鍵給所有的計數(shù)器一個脈沖，但是由于只有被選中的計數(shù)器能正常工作，其余5個計數(shù)器都都被保持，所以就可以用數(shù)字增加的控制

31、按鍵使被選中的計數(shù)器計數(shù)。</p><p><b>　　整點報時模塊：</b></p><p>　　整點報時采用74HC123單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，將123的脈沖時間通過0.67RC記算出，在本設計中采用33K的電阻和47U的電容，0.67*33000*0.000047=1s，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入端接到分的十位給時進位的節(jié)點，這就使得當分的十位向時進位的時候，即整點的時候，給1

32、23一個1秒鐘的觸發(fā)脈沖，此時蜂鳴器響。實現(xiàn)了整點報時的功能。</p><p>　　下圖是整點報時的電路：</p><p>　　其中圖中HZ TW接到分的十位向時進位的節(jié)點上。整點報時為高電平有效，蜂鳴器需要10mA以上才能發(fā)生，而74HC系列的芯片高電平的輸出電平一般都不超過1mA所以加上一個三極管來放大電流。需要提到的是，如果用低電平驅動蜂鳴器，是可以不需要三極管的，因為74HC系列的

33、芯片在低電平的輸出電流較大，可達到20mA，足以驅動蜂鳴器。</p><p>　　3 Protues仿真調試</p><p><b>　　3.1 總體仿真圖</b></p><p>　　4 PCB圖與原件</p><p><b>　　PCB圖</b></p><p>　　頂

34、層 </p><p><b>　　底層 </b></p><p><b>　　4.2 元件清單</b></p><p>　　4遇到的問題及解決辦法</p><p>　　由于我們是第一次做PCB，當焊完電路的時候發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管的位置放錯了。解決的方法：只需要

35、在畫PCB的時候把六個數(shù)碼管組合起來拿來鏡像就可以解決。</p><p>　　由于老師給的錫相對來說比較不好所以導致虛焊過多。解決的辦法：買過比較好的錫。</p><p>　　由于電源模塊排版的時候電阻、電容、晶振、4060的距離和排版問題導致晶振不能起振。解決的辦法：我們重新做了一個電源模塊來做，同時這也培養(yǎng)了我們做東西分模塊的意識。</p><p>　　4、一開

36、始調試的時候，發(fā)現(xiàn)當分個位調到9的時候，分的十位就無法正常進行調節(jié)了。</p><p>　　因為當計數(shù)器輸出9時，進位標志輸出高電平，這將會鎖住或非門，導致無法校時。</p><p>　　解決方法：在分的個位進位輸出端接上一個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，并設置為下降沿觸發(fā)，所以當分個位變?yōu)?的時候還不會觸發(fā)74HC123使分的十位計數(shù)。123的Q輸出端在沒有觸發(fā)的時候處于低電平，可正常校時。</p

37、><p>　　5、一開始把所有計數(shù)器的時鐘都按照一樣的連接方法，但調試的時候發(fā)現(xiàn)當時鐘調為12點的時候，由于下圖中最左邊的與非門輸出低電平，時的個位計數(shù)器出于準備預置數(shù)的狀態(tài)，當再來一個時鐘的時候就會被預置數(shù)為1，導致無法正常校時。</p><p>　　解決辦法：時的個位計數(shù)器的CLK在原來連接的基礎上再加上一個與非門，并將其中一個引腳與校時電路中的Time6（用于選擇數(shù)碼管）連接，這樣就可以

38、使得只有進行校正時個位的時候，時鐘信號才能被正常輸入時個位的計數(shù)器，當校正其他位的時候，Time6為低電平，與非門被鎖住，時鐘信號無法輸給計數(shù)器，計數(shù)器處于保持狀態(tài)。當時鐘出于正常模式下時，Time6為高電平，時鐘信號可正常輸給計數(shù)器。</p><p><b>　　5 心得體會</b></p><p>　　因為這一次的課程設計做的PCB板我們是第一次畫，所以我們做的時

39、間比別人長了很多，而且這個電路圖是我們和另外一組的同學在不借助網絡上的原理的基礎上自己做出來的，在這個做的期間遇到了很多沒有想到的問題，又要解決這些問題，所以我們花了很多的時間。但是在解決這些問題的期間我們又學到了很多東西和復習了非常多的知識。</p><p>　　由于我們是第一次做PCB板，在模電的排版上還不知道規(guī)則所以導致了晶振沒有起振我們調試了很久也沒把他調試成功所以我們有做了另外一個模塊，這讓我們意識到在

40、排版時要多注意這些問題。</p><p>　　因為我們用的錫是比較不好的導致了虛焊很多，但是這也正好提高了我們的調試和焊接的能力，在調試的過程中又讓我們進一步的熟悉了示波器、函數(shù)信號發(fā)生器和直流穩(wěn)壓源等儀器的使用。</p><p>　　因為我們電路原理是我們討論出來的，所以遇到非常多的問題要我們解決，比如當我們用138進行選中一個數(shù)碼管進行調時當時我們不進行調時的時候還是被選中，所以我們不

41、進行調時的時候把138的電源切斷等等問題！但是我們在解決這些問題的時候真真正正的鞏固和應用的數(shù)電和模電的知識。</p><p>　　雖然這次花的時間非常的多，但是焊電路、畫PCB、排版、調試等都是我們這個專業(yè)應該具備的能力。而這次的課程設計讓我們學到這些技能的一些皮毛，讓我們收獲了不少。</p><p>　　這次的課程設計讓我們學到了非常多的知識，讓我們向我們的專業(yè)又邁進了一步，雖然這次做

42、的非常的辛苦，但是對于我們來說還是非常的值得。同時我認為課程設計對我們學生來說是非常有用的！</p><p>　　7參考文獻及芯片資料</p><p>　　1 《數(shù)字電子技術基礎》（第五版） 閻石 </p><p>　　《模擬電子技術基礎》（第四版）童詩白、華成英</p><p><b>　　各芯片資料連接：</b>&

43、lt;/p><p>　　74HC00 http://wenku.baidu.com/view/523bcffb04a1b0717fd5ddd8.html</p><p>　　74HC02 http://wenku.baidu.com/view/736dc9db6f1aff00bed51e7a.html</p><p>　　74HC04 http://w

44、enku.baidu.com/view/27dcce18ff00bed5b9f31d0c.html</p><p>　　74HC390 http://www.alldatasheetcn.com/view.jsp?Searchword=74HC390 </p><p>　　74HC123 http://wenku.baidu.com/view/1f433e30b90d6c85ec3a

45、c651.html</p><p>　　74HC138 http://wenku.baidu.com/view/8d9392d380eb6294dd886c87.html</p><p>　　74HC160 http://wenku.baidu.com/view/fa9472a0284ac850ad024251.html</p><p>　　74HC4060