報時電子鐘 數(shù)字電子課程設(shè)計.doc

目錄一.設(shè)計總體思路、基本原理和框圖21.框圖22設(shè)計總體思路3二.單元模塊設(shè)計31.秒信號發(fā)生器32.單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器63.時、分、秒計數(shù)器設(shè)計8（1）60進(jìn)制計數(shù)器9（2）24進(jìn)制計數(shù)器104.校時電路105.整點報時電路11三.仿真及總電路圖13四硬件調(diào)試15五心得體會16六附錄19七參考文獻(xiàn)21一.設(shè)計總體思路、基本原理和框圖顯 示顯 示 顯 示1.框圖 譯 碼 譯 碼 譯 碼24進(jìn)制時計數(shù)器60進(jìn)制分計數(shù)器60進(jìn)制秒計數(shù)器 整點報時 校分校時秒振蕩器 電子鐘原理框圖2設(shè)計總體思路該電路系統(tǒng)由秒振蕩器時分秒計數(shù)器，譯碼器，顯示器,校正電路,整點報時器等組成.HZ的秒信號是整個系統(tǒng)的時基信號,它直接決定著計時的精準(zhǔn).將秒信號送入秒計時器,秒計數(shù)器利用74LS160和74LS00組成六十進(jìn)制計數(shù)器,每六十秒發(fā)出一個分脈沖信號,該信號作為分計數(shù)器的時鐘脈沖.分計數(shù)器也采用六十進(jìn)制計數(shù),每計六十分鐘發(fā)出一個時脈沖信號,該信號用作時計數(shù)器的時動脈沖,時計數(shù)器采用二十四制計數(shù)器.顯示譯碼電路將時、分、秒計數(shù)器的輸出狀態(tài)經(jīng)四段顯示譯碼器顯示出來.整點報時電路是根據(jù)計時系統(tǒng)的輸出狀態(tài)整點前10秒內(nèi)每兩秒產(chǎn)生一脈沖信號,然后去驅(qū)動一個LED發(fā)光二極管,讓其閃動五次.校時電路是用來對時、分、秒顯示數(shù)字進(jìn)行校對調(diào)整的.二.單元模塊設(shè)計1.秒信號發(fā)生器秒信號發(fā)生器是數(shù)字電子時鐘的核心部分,它的精度和穩(wěn)定度決定了數(shù)字鐘的質(zhì)量.本系統(tǒng)采用555定時器來實現(xiàn)1HZ的秒信號.555定時器功能表:輸 入輸 出復(fù)位R0TRTHQ三極管的狀態(tài)011111X1/3VCC1/3VCC1/3VCC1/3VCC1/3VCCX2/3 VCC2/3 VCC2/3 VCC2/3 VCC011001導(dǎo)通截止截止導(dǎo)通導(dǎo)通截止電路圖如下：產(chǎn)生秒信號的電路有多種，該試驗由555定時器組成多諧振蕩器，輸出為秒脈沖，如圖2所示。工作原理：接通電源Vcc后，Vcc經(jīng)電阻R1和R2對電容C充電，其電壓UC由0按指數(shù)規(guī)律上升。當(dāng)UC2/3VCC時，電壓比較器C1和C2的輸出分別為UC1=0、UC2=1，基本RS觸發(fā)器被置0，Q=0、=1,輸出u0躍到低點平Uol。與此同時，放電管V導(dǎo)通，電容C經(jīng)電阻R2和放電管V放電，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。隨著電容C放電，uc下降到uc1/3Vcc時，則電壓比較器C1和C2的輸出為uc1=1、uc2=0，基本RS觸發(fā)器被置1，Q=1，Q=0，輸出u0 由低點平Uol躍到高電平Uoh。同時，因=0，放電管V截止，電源Vcc又經(jīng)過電阻R1和R2對電容C充電。電路又返回前一個暫穩(wěn)態(tài)。因此，電容C上的電壓uc將在2/3Vcc和1/3Vcc之間來回充電和放電，從而使電路產(chǎn)生了振蕩，輸出矩形脈沖。多諧震蕩周T為：T=tw1+tw2。tw1為電容C上的電壓由1/3Vcc充到2/3Vcc所需的時間，充電回路的時間常數(shù)為R2C。tw2可用下式估算tw1=（R1+R2）Cln20.7（R1+R2）Ctw2為電容C上的電壓由2/3Vcc下降到1/3Vcc所需的時間，放電回路的時間常數(shù)為R2C。tw2可用下式估算tw2=R2Cln0.7R2C所以，多諧振蕩器的振蕩頻率周期T為T =tw1+tw20.7（R1+2R2）C振蕩頻率為f =1/T=1/0.7（R1+2R2）C2.單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的特點是電路有一個穩(wěn)定狀態(tài)和一個暫穩(wěn)狀態(tài)。在觸發(fā)信號作用下，電路將由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到 暫穩(wěn)態(tài)，暫穩(wěn)態(tài)是一個不能長久保持的狀態(tài)，由于電路中RC延時環(huán)節(jié)的作用，經(jīng)過一段時間后，電路會自 動返回到穩(wěn)態(tài)，并在輸出端獲得一個脈沖寬度為tw的矩形波。在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中，輸出的脈沖寬度tw，就 是暫穩(wěn)態(tài)的維持時間，其長短取決于電路的參數(shù)值。由555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路及工作波形如圖1所示。圖中R，C為外接定時元件，輸人的觸發(fā)信號ui接 在低電平觸發(fā)端（2腳）。穩(wěn)態(tài)時，輸出uo為低電平，即無觸發(fā)器信號（ui為高電平）時，電路處于穩(wěn)定狀態(tài)輸出低電平。在 ui負(fù)脈沖作用下，低電平觸發(fā)端得到低于（1/3）Vcc，觸發(fā)信號，輸出uo為高電平，放電管VT截止，電 路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，定時開始。在暫穩(wěn)態(tài)期間，電源VccRC地，對電容充電，充電時間常數(shù)TRC，uc按指數(shù)規(guī)律上升。當(dāng)電容 兩端電壓uc上升到（2/3）Vcc后，6端為高電平，輸出uo變?yōu)榈碗娖?，放電管VT導(dǎo)通，定時電容C充電結(jié)束 ，即暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束。電路恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)uo為低電平的狀態(tài)。當(dāng)?shù)诙€觸發(fā)脈沖到來時，又重復(fù)上述過程。可見，輸人一個負(fù)脈沖，就可以得到一個寬度一定的正脈沖輸出，其脈沖寬度tw取決于電容器由0充電到 （2/3）Vcc，所需要的時間?？傻?這種電路產(chǎn)生的脈沖寬度莎w與定時元件R，C大小有關(guān)，通常R的取值為幾百歐至幾兆歐，電容取值為幾 百皮法到幾百微法。3.時、分、秒計數(shù)器設(shè)計秒、分都是六十進(jìn)制,時卻是二十四進(jìn)制.實現(xiàn)這些不同的進(jìn)制采用中規(guī)模集成計數(shù)器74LS160來設(shè)計.采用74LS160的“置零”功能，當(dāng)置零端接低電平時，可實現(xiàn)十進(jìn)制的計數(shù)器。74160功能表：它的主要功能為：異步清除：當(dāng)CLK=0時，無論有無CLK，計數(shù)器立即清零，QD-QA均為0，稱為異步清除。 同步預(yù)置：當(dāng)LOAD=0時，在時鐘脈沖上升沿的作用下，QD=D，QC=C，QB=B，QA=A。 當(dāng)使能端ENP=ENT=1時，計數(shù)器計數(shù)。 鎖存：當(dāng)使能端ENP=0或ENT=0時，計數(shù)器禁止計數(shù)，為鎖存狀態(tài)。（1）.60進(jìn)制計數(shù)器電路圖如下:先用兩片74LS160接成100進(jìn)制計數(shù)器.即高位使能端ENP,ENT都接低位的進(jìn)位輸出RCO.兩片160的置數(shù)端LOAD都接高電位,使其無效.置零端CLR也接在一起使其同時置零，再接60進(jìn)制計數(shù)器.將高位接成六進(jìn)制即可.具體說來,當(dāng)QDQCQBQA=0110(6)時,把為高電位的QCQB通過一與非門輸出一個低電位給CLR|,從而把輸出端都為置0.從而高位由0到5,低位由0到9 ,進(jìn)而實現(xiàn)了00到59的六十進(jìn)制的計數(shù)器.(2).24進(jìn)制計數(shù)器電路圖如下:同樣,24進(jìn)制計數(shù)器也是先接成100進(jìn)制的,然后也是再通過置零實現(xiàn)24進(jìn)制的.就是當(dāng)高位QB=1時且低位QCQBQA=100時,置零端工作,使計數(shù)器輸出端為0.即從00到23,實現(xiàn)了時的二十四制.4.校時電路此電路主要實現(xiàn)電子鐘每個位上的校時，主要原理是通過與非門的0，1特性，在校時脈沖和進(jìn)位脈沖間轉(zhuǎn)換。秒進(jìn)位秒振蕩器上圖為分的校時電路?？刂崎_關(guān)與輸入信號CP與非后與秒的進(jìn)位輸出接入一與非門，接入計數(shù)脈沖，在正常計數(shù)時，開關(guān)2應(yīng)斷開。由于74160為10進(jìn)制計數(shù)器，當(dāng)計數(shù)到9時，會在RCO端產(chǎn)生一個1的脈沖（RCO平時為0）。將這個信號反向后，同開關(guān)和校時脈沖的與非結(jié)果進(jìn)行與非，輸出信號再度反向后作為下一級的輸入信號。時的校時電路類似。5.整點報時電路本系統(tǒng)也有簡單的報時電路。當(dāng)整點前10秒，電路使發(fā)光二極管閃爍5次，周期為2秒。即當(dāng)分鐘到達(dá)59分時，秒到達(dá)50秒時，到整點的十秒內(nèi)，秒個位QA電位變化為0101010101，恰好出現(xiàn)了5次1，于是可利用這點，用一與門記下這五次，然后去驅(qū)動發(fā)光二極管LED發(fā)光五次。當(dāng)59分59秒時，用以與非門幾下此點，接入555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，使最后一次發(fā)光時間延時為兩秒。從而又實現(xiàn)了整點前10秒發(fā)光二極管閃爍5次，四短一長的任務(wù)。真值表如下：長音部分接線圖如下59分58秒三.仿真及總接線圖打開EWB512仿真軟件，調(diào)出設(shè)計的電路圖，點擊右上角開關(guān)鍵，即可看到結(jié)果。具體電路圖見下面總接線圖。在EWB上可以清楚見到一個理想情況下的數(shù)字時鐘。當(dāng)開關(guān)閉合時，秒鐘以1HZ的頻率跳動，顯示00到59。每計完六十個脈沖后，分鐘就跳動一次，也顯示00到59。分鐘計完一次六十后，時鐘也開始跳動，計時開始！當(dāng)調(diào)分開關(guān)閉合時，分針以1HZ的頻率跳動，快速調(diào)整到標(biāo)準(zhǔn)時間，再斷開開關(guān)，即完成了校分。調(diào)時也一樣。當(dāng)顯示時間到達(dá)整點前十秒內(nèi)時，即分針到達(dá)59且秒針到達(dá)50時，報時電路開始工作，分別在50、52、54、56、58秒時驅(qū)動發(fā)光二極管閃爍五次，前四次發(fā)光時間為一秒，最后一次為兩秒，完成報時功能！總接線圖四硬件調(diào)試實驗箱接線圖做完了仿真，便可以開始接線了，這是困難才真正開始！實物接線可是需要極大的耐心、不斷的重復(fù)與嘗試。首先要考慮怎樣合理布局芯片，電子鐘需要的芯片特別多，僅74160就需要6個，還有與非門、或非門、或門等。大概安排好芯片的布局，就要耐心的測試每根線沒個插孔是否能用，以避免有壞線壞孔影響整個電路。對照電路圖，由秒計數(shù)器開始，分模塊檢測是否正確顯示，才能開始下一步的接線。因為對電路圖很熟悉，接線也很快，問題在于某些插孔不緊，線很容易松動，稍不留心就會弄亂之前接好的線，越往后面越是小心翼翼，擔(dān)心一粗心就前功盡棄，真是件費(fèi)心的事情啊。接到分計數(shù)器時遇到了很大的問題，分的接線與秒完全相同，但顯示就是不穩(wěn)定，我們不停地?fù)Q線換孔，重接了許多遍也沒解決，實在不知道問題出在哪里。后來無心地把兩片160的置零端都接到高電平，顯示器的跳動竟然穩(wěn)定下來了?？紤]到進(jìn)度，我們先把這個問題擱置了下來，繼續(xù)接時計數(shù)器。等時、分、秒都接完，拔下之前分接高電平的線，六個顯示器的跳動都正常了，也很穩(wěn)定，看來之前的不穩(wěn)定是干擾造成的。五心得體會為期兩個星期的數(shù)字電子實習(xí)結(jié)束了，這兩周里我過的非常充實。從設(shè)計電路圖到接線，我付出了很多，也收獲了。最高興的是圓滿完成了任務(wù)，付出的努力獲得了回報。剛剛接到任務(wù)書，聽到做電子鐘，覺得挺簡單，但著手畫電路圖卻不知從何下手。在網(wǎng)上找了很多資料，復(fù)習(xí)了數(shù)子電子技術(shù)基礎(chǔ)里常用元器件知識，腦海里才漸漸有了大概的框架。一步步的連線，也一次次的遇到不同的困難。EWB有個很大的缺陷，就是不能撤銷，這樣用起來很不方便也不習(xí)慣，耽誤了很多時間。不斷地重復(fù)與嘗試后，基本的總電路圖終于完成了，按下開關(guān)，看到顯示器正常的跳動，非常的有成就感，之前遇到困難時郁悶的心情也全忘了。接下來做報時功能，我按自己之前設(shè)計好的思路接線，不久就完成了，心里急切的想大功告成。按下開關(guān)，秒顯示器開始跳動，我小心地調(diào)到59分，等待整點前報時功能的實現(xiàn)，有點漫長，有點緊張。秒一下一下的跳到了50，亮啦！發(fā)光二極管開始閃了，一、二、三、四、五，怎么回事呢？最后一下應(yīng)該亮兩秒的，怎么好像沒有變化。重新仿真了一遍，果然是這樣，我心里有點失落，但立刻提起信心，開始思考是否思路設(shè)計出了問題。問題只能出在555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路上，我把這個模塊單獨(dú)拿來仿真，果然無法完成延時功能。接線是正確的，為什么無法實現(xiàn)功能呢?我想了很久，還是不知問題出在哪里，心里開始煩躁起來?？吹缴磉叺耐瑢W(xué)紛紛完成了任務(wù)，又急又煩，更加靜不下心查錯了。這時我想到找人求助，把思路和電路圖給別人分析解釋后，同學(xué)也是同樣的迷惑?！笆遣皇悄莻€點沒接在那根線上啊?”，他問。我一查，果然如此！我真是太粗心了，以致耽誤了這么多時間。改好后，仿真。終于出來了正確的結(jié)果，之前的思路是正確的?？吹阶约旱脑O(shè)計有了理論上的成果，我心里很安慰很高興。完成電路圖后就是領(lǐng)取實驗箱實驗器件開始接線。我想著電路圖已經(jīng)畫好了，仿真也沒有問題，再加上對電路圖的熟悉，接線應(yīng)該是很輕松簡單的。周末就沒有像其他同學(xué)一樣去加班接線，而是做其他事情去了。到了周一，看到其他人的成果，心里的緊迫感又冒出來了。接受之前的教訓(xùn)，我虛心的向同學(xué)請教，很快就熟悉了實驗箱的使用。著手接線了。接線真是需要相當(dāng)多的耐心與細(xì)心，不僅要一個個的檢查插孔和線，還要留意接好的線是否有松動、錯位等等。因為線越接越多，問題就越難檢測到，只能步步為營，小心翼翼的進(jìn)展。接實物圖比用軟件畫圖有更多的困難與不穩(wěn)定因素，有時明明理論上是絕對正確的，實際上卻沒有成果。在之前的磨難下，我們有了堅定的信念與持續(xù)耐心，細(xì)心接線，遇到問題不氣餒不妥協(xié)，不斷的重復(fù)與嘗試，成果也一點點的展露在我們面前。終于，在無數(shù)次失敗后，我們的付出得到了回報，任務(wù)書中要求的功能都圓滿的實現(xiàn)了。大功告成，我們拍下照片留念，高興的拆線，心里很滿足很充實。這次實習(xí)不僅讓我鞏固了以前的知識，學(xué)習(xí)了新的實踐經(jīng)驗，而且讓我更堅信了合作的力量。相信自己，相信別人，才能讓我們互相學(xué)習(xí)，互相進(jìn)步，有更多的發(fā)展空間。感謝學(xué)校給我這次寶