電子線路綜合設(shè)計課程設(shè)計-數(shù)字電子鐘設(shè)計

華南農(nóng)業(yè)大學電子線路綜合設(shè)計數(shù)字電子鐘設(shè)計姓名班級14級電氣類3班組別10指導教師2016年6月24日1摘要作為一個大學生，每天要在固定的時間上各種各樣的課程，那么按時到達課室是每個優(yōu)秀的大學生必須做到的事，所以我們就需要知道具體的時間，進而安排自己的行程，數(shù)字電子鐘就是我們平時學習生活中所必需的。既然分配到了數(shù)字電子鐘課題，那么通過研究電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分）中的基礎(chǔ)知識，分析出數(shù)字電子鐘基本電路由秒脈沖發(fā)生電路、校分校時電路、時間計數(shù)電路、譯碼驅(qū)動顯示電路、整點報時電路等幾部分組成。秒脈沖發(fā)生電路主要用來產(chǎn)生時間標準信號，因為時鐘的精度主要取決于時間標準信號的頻率及穩(wěn)定度，所以采用石英晶體振蕩器。因為振蕩器產(chǎn)生的標準信號頻高，要是要得到“秒”信號，需一定級數(shù)的分頻器進行分頻，最終得到1HZ的脈沖信號。校時校分電路分別通過“與非門”組成的SR鎖存器輸出信號到時計數(shù)器或者分計數(shù)器來對“時”、“分”顯示數(shù)字進行校對調(diào)整。時間計數(shù)電路有了“秒”脈沖信號，則可以根據(jù)60秒為1分鐘，60分為1小時，分別設(shè)定“時”、“分”、“秒”的計數(shù)器，分別為60進制、60進制、24進制計數(shù)器，并輸出1分鐘，1小時的進位信號。譯碼驅(qū)動顯示電路將“時”“分”“秒”顯示出來。將時間計數(shù)電路的輸出狀態(tài)，輸入到譯碼器CD4511，產(chǎn)生驅(qū)動數(shù)碼管的信號，呈現(xiàn)出對應的進位數(shù)字字型。整點報時電路根據(jù)計時系統(tǒng)的的各個輸出狀態(tài)通過“與非門”產(chǎn)生一脈沖信號，通過三極管的導通或截止使得電源驅(qū)動蜂鳴器實現(xiàn)報時功能。本文在MULTISIM110的仿真設(shè)計基礎(chǔ)上，自行選擇芯片，焊接電路板，完成了一個具有多功能的數(shù)字電子時鐘。關(guān)鍵詞秒脈沖SR鎖存器計數(shù)器譯碼器與非門2目錄1前言311設(shè)計目的312設(shè)計任務及指標313設(shè)計相關(guān)提示32總體方案確定321設(shè)計原理322制定方案4221總體設(shè)計方案4222各部分設(shè)計方案52221時間計數(shù)電路的設(shè)計52222整點報時電路的設(shè)計62223校分校時電路的設(shè)計72224秒脈沖發(fā)生電路的設(shè)計82225譯碼驅(qū)動顯示電路的設(shè)計9223整體電路93電路仿真、焊接及調(diào)試過程1031電路仿真1032電路焊接1033實際電路調(diào)試1134誤差分析114課程設(shè)計收獲及建議11參考文獻1231前言11設(shè)計目的較傳統(tǒng)的機械時鐘而言，數(shù)字電子鐘準確性更高、功能更豐富，所以廣受人們的喜愛。通過數(shù)字邏輯電路，其中包括組合邏輯電路、時序電路等基本部分構(gòu)成數(shù)字電子鐘。根據(jù)課題要求，利用所學所查原理制作出簡單能顯示時分秒計數(shù)功能的電子鐘。12設(shè)計任務及指標1、設(shè)計制作一個數(shù)字電子鐘；2、時間計數(shù)電路采用24進制，從00開始到23后再回到00；3、各用2位數(shù)碼管顯示時、分、秒；4、具有手動校時、校分功能，可以分別對時、分進行單獨校正；5、計時過程具有報時功能，當時間到達整點前10秒開始，蜂鳴器響1秒停1秒地響5次。13設(shè)計相關(guān)提示1、為了保證計時的穩(wěn)定及準確，須由晶體振蕩器提供時間基準信號；2、數(shù)字鐘由振蕩器、計數(shù)器、譯碼器和顯示器電路所組成；3、振蕩器產(chǎn)生的時鐘信號經(jīng)過分頻器形成1秒信號，秒信號輸入計數(shù)器進行計數(shù)，并把累計結(jié)果以“時”、“分”、“秒”的數(shù)字顯示出來；4、校時、校分考慮消除機械開關(guān)的觸點抖動；5、蜂鳴器不夠響，要考慮加放大電路。2總體方案確定下面將對數(shù)字電子鐘的整個電路系統(tǒng)設(shè)計過程（包括設(shè)計原理、方案確定、電路設(shè)計及仿真、焊接與調(diào)試等部分）進行介紹。21設(shè)計原理數(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，另外應有校時功能和報時等附加功能。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。干電路系統(tǒng)由秒信號發(fā)生器、“時、分、秒”計數(shù)器、譯碼器及顯示器、校時電路、整點報時電路組成。秒信號產(chǎn)生器是整個系統(tǒng)的時基信號，它直接決定計時系統(tǒng)的精度，一般用石英晶體振蕩器加分頻器來實現(xiàn)。將標準秒4信號送入“秒計數(shù)器”，“秒計數(shù)器”采用60進制計數(shù)器，每累計60秒發(fā)出一個“分脈沖”信號，該信號將作為“分計數(shù)器”的時鐘脈沖。“分計數(shù)器”也采用60進制計數(shù)器，每累計60分鐘，發(fā)出一個“時脈沖”信號，該信號將被送到“時計數(shù)器”?！皶r計數(shù)器”采用24進制計時器，可實現(xiàn)對一天24小時的累計。譯碼顯示電路將“時”、“分”、“秒”計數(shù)器的輸出狀態(tài)送到七段顯示譯碼器譯碼，通過七位LED七段顯示器顯示出來。整點報時電路時根據(jù)計時系統(tǒng)的輸出狀態(tài)產(chǎn)生一脈沖信號，然后去觸發(fā)一音頻發(fā)生器實現(xiàn)報時。校時電路時用來對“時”、“分”、“秒”顯示數(shù)字進行校對調(diào)整的?？梢酝ㄟ^校時電路對分和時進行校時，且具有整點報時功能，當時間到達整點前10秒開始，蜂鳴器將以1秒響1秒停的形式響5次。22制定方案根據(jù)課題要求，通過整理互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)上、圖書館館藏資料和對電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分）的學習，討論確定一個既符合本設(shè)計要求又具有比較強的操作性的方案作為此次設(shè)計的對象。221總體設(shè)計方案本電路系統(tǒng)由晶體振蕩電路，時間計數(shù)電路，校時電路，譯碼驅(qū)動電路組成，報時電路。其中，時間計數(shù)電路用六個74LS90組成。校時電路主要由74LS00組成RS觸發(fā)器，報時電路由74LS30與74LS00組成。5圖1總體設(shè)計圖222各部分設(shè)計方案下面將介紹設(shè)計電路。含時間計數(shù)電路的設(shè)計、整點報時電路的設(shè)計、校分校時電路的設(shè)計、秒脈沖發(fā)生電路的設(shè)計、譯碼驅(qū)動顯示電路的設(shè)計幾個部分。2221時間計數(shù)電路的設(shè)計時間計數(shù)電路由60進制的秒計數(shù)器、60進制的分計數(shù)器以及24進制的時計數(shù)器組成。秒計數(shù)器以及分計數(shù)器都是采用60進制電路。當秒的74LS90芯片的8端以及9端信號變化產(chǎn)生的脈沖進位信號傳到時的脈沖輸入端時，分計數(shù)器便計數(shù)一次。6U1474LS90DQA12QB9QD11QC8INB1R916R927R012INA14R023GND10VCC5U1574LS90DQA12QB9QD11QC8INB1R916R927R012INA14R023GND10VCC5圖260進制電路時計數(shù)器采用的是24進制電路。當分的74LS90芯片的8端以及9端信號變化產(chǎn)生的脈沖進位信號傳到時的脈沖輸入端時，時計數(shù)器便計數(shù)一次，并且其十位和個位的進位關(guān)系與分（秒）的十位和個位的進位關(guān)系一樣。U1074LS90DQA12QB9QD11QC8INB1R916R927R012INA14R023GND10VCC5U1174LS90DQA12QB9QD11QC8INB1R916R927R012INA14R023GND10VCC5R110K圖324進制電路2222整點報時電路的設(shè)計7據(jù)設(shè)計要求，時鐘電路應在整點前10秒鐘內(nèi)開始整點報時，而且要求蜂鳴器響1秒停1秒地響5次。即當時間在59分50秒到59分59秒期間時，分十位、分個位和秒十位均保持不變，分別為5、9和5，在秒到達1、3、5、7和9時，蜂鳴器鳴叫，即整點時開始產(chǎn)生每隔1S鳴叫一次的響聲，共鳴五次，每次持續(xù)時間為1S。其電路如下圖4所示。U1674LS30NABCDEFGNDYNC1NC2GHNC3VCCU17A74LS00DQ12N1711U18BUZZER200HZVCC5VVCC5V圖4整點報時電路2223校分校時電路的設(shè)計初次啟動時，數(shù)字電子鐘需要校準到當?shù)貢r間，而實現(xiàn)這一功能則由校分校時電路來實現(xiàn)和調(diào)整。根據(jù)要求，數(shù)字鐘應具有手動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。其電路圖如下。8U2174LS00D1A1B1Y2A2B2YGND3Y3B3A4Y4B4AVCCU2274LS32D1A1B1Y2A2B2YGND3Y3A3B4Y4A4BVCCU2374LS08D1A1B1Y2A2B2YGND3Y3A3B4Y4A4BVCCJ1KEYBJ2KEYAVCC5VVCC5VR110KR210KR310KR410K圖5校分校時電路2224秒脈沖發(fā)生電路的設(shè)計電子鐘之所以能進行秒計數(shù)，主要是源于振蕩秒脈沖的產(chǎn)生，所以多諧振蕩器則為電子鐘的核心區(qū)。由于我們要制作高精度的電子時鐘，我們需要獲取更高的計時精度，因此選用晶體振蕩器構(gòu)成振蕩器電路，這樣能完好地達到要求。振蕩器的頻率越高，計時精度越高。而我們選用R14532的晶體振蕩器，其頻率為32768KHZ，再經(jīng)過分頻芯片4060，其內(nèi)部有15級2分頻集成電路，所以我們在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的標準信號脈沖，即秒脈沖。其電路圖和原理圖分別如下。U204060BD_5VO122O133RTC10O37MR12RS11O45O54O66O714O813O915O111CTC9X1R2632768KHZR522MC125PFC210PF圖6秒脈沖發(fā)生電路9圖7秒脈沖發(fā)生原理圖2225譯碼驅(qū)動顯示電路的設(shè)計譯碼驅(qū)動顯示電路是將計數(shù)器輸出的8421BCD碼譯成數(shù)碼管顯示所需要的高低電平，所以在譯碼電路和數(shù)碼管的選擇上一定要注意配套。如我們采用共陰極七段數(shù)碼管，則譯碼電路就應選接與它配套的共陰極七段譯碼驅(qū)動器。譯碼顯示電路可采用CD4511BCD7段譯碼驅(qū)動器，其芯片引腳如下圖所示。其中A0、A1、A2、A3與74LS90的四個輸出端相連接，YA、YB、YC、YD、YE、YF、YG輸出驅(qū)動七段數(shù)碼顯示器的信號。計數(shù)器實現(xiàn)了對時間的累計并以8421BCD碼的形式輸送到CD4511芯片，再由4511芯片把BCD碼轉(zhuǎn)變?yōu)槭M制數(shù)碼送到數(shù)碼管中顯示出來。譯碼驅(qū)動顯示電路如圖8所示。U1ABCDEFGHABCDEFGHCKU2ABCDEFGHABCDEFGHCKU3ABCDEFGHABCDEFGHCKU44511BP_5VA1A2LTBILEA3A0VSSYEYDYCYBYAYGYFVDDU54511BP_5VA1A2LTBILEA3A0VSSYEYDYCYBYAYGYFVDDU64511BP_5VA1A2LTBILEA3A0VSSYEYDYCYBYAYGYFVDDU74511BP_5VA1A2LTBILEA3A0VSSYEYDYCYBYAYGYFVDDU84511BP_5VA1A2LTBILEA3A0VSSYEYDYCYBYAYGYFVDDU94511BP_5VA1A2LTBILEA3A0VSSYEYDYCYBYAYGYFVDDVCC5V圖8譯碼驅(qū)動顯示電路10223整體電路綜上所述，我們的數(shù)字電子鐘整體電路由晶體振蕩電路產(chǎn)生秒信號脈沖，然后產(chǎn)生的秒信號累計在秒計數(shù)器上并通過譯碼電路顯示在數(shù)碼管上，通過進制器再進行時分秒的累加和顯示，整點時分則觸發(fā)報時電路。最后按實際要求校準當?shù)貢r間。整體電路如下圖圖9整體電路3電路仿真、焊接及調(diào)試過程31電路仿真通過使用MULTISIM軟件進行數(shù)字電子時鐘的仿真操作。仿真結(jié)果數(shù)字電子時鐘能正常工作，校時準確，并且能在整點前10秒開始報時，響一秒停一秒。32電路焊接完成電路仿真之后開始進行電路焊接，在焊接過程中，因為一開始趕時間所以沒有細心地去劃分走線的線路圖，所以形成了許多的飛線，布線繁瑣而且易造成錯亂，但我們后來在線路布局方面與其他小組較為不同的是，我們將電源和地線焊接在電路板上，并貫穿了整塊電路板，因此能夠減少在這方面的飛線，使布局變得更為簡單。之后在焊11接過程中遇到的一些問題，包括烙鐵頭的溫度過高時，使得焊錫在電路板上的的銜接質(zhì)量不夠好，局部電路經(jīng)后期再處理后，使電路變得平滑，提高電路的銜接質(zhì)量。33實際電路調(diào)試將秒脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生的1HZ秒脈沖分別送入時、分、秒計數(shù)器，檢查各組計數(shù)器的工作情況；通過調(diào)校校時電路是否能校準時間；當分頻電路和計數(shù)器調(diào)試正常后，觀察電子鐘是否準確；觀察電子鐘到整點之前報時電路是否正常工作。34誤差分析經(jīng)測試，該系統(tǒng)在運行時有一定的誤差，其原因是晶體振蕩的特點所決定的，同時與芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，并且存在人為誤差。4課程設(shè)計收獲此次數(shù)字電路課程設(shè)計，不僅僅是對近半年學習以來的檢驗，更是鍛煉我們動手能力、培養(yǎng)團隊合作精神的一次良機。在緊張的考試周里進行課程設(shè)計，而且平時還要上課，這次的課程設(shè)計不僅是要求我們對時間的合理安排，更體現(xiàn)了我們對于數(shù)字電路知識的掌握與應用，以及對焊接手法的熟悉掌握。在兩周不到的時間里，我們除了要進行有條不紊的信號與系統(tǒng)復習與考試以及四六級的復習以及完成各種科目的作業(yè)外，我們小組更收獲了以下幾點收集、整理以及學習數(shù)字電子鐘的相關(guān)知識和要點，再結(jié)合本階段所學知識畫出電路圖、分析相關(guān)芯片、學習使用仿真軟件對所制電子鐘電路進行檢驗，完成了基礎(chǔ)知識要求儲備。在電路圖設(shè)計方面，不僅要求我們對芯片內(nèi)部、管腳了解熟知，更要求我們就實際功能選用相關(guān)芯片以及進行正確的接線。在電路功能的實現(xiàn)上遇到問題時，我們會對芯片的每一個門電路以及實現(xiàn)的功能進行檢查，對此，加深認識了常見芯片的功能及使用方法。在焊接電路方面出現(xiàn)了布線不合理等問題，由于不常焊接電路，所以在熟悉的過程中耗時較長，另外由于沒有把握好時間所以布線仍是問題的關(guān)鍵所在，仍需加強學習焊接技術(shù)以及合理的布線規(guī)劃。經(jīng)過對本次的電路焊接，焊接速度、焊接質(zhì)量等方面有了很大的提升，對使用吸錫器、剝線鉗等工具熟練程度也有所加強。12調(diào)試電路部分最為關(guān)鍵、最為費力。因最初并不知道電路故障是出現(xiàn)在哪個部分，在發(fā)現(xiàn)問題的過程中非常耗時，需要利用到萬用電