電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)數(shù)字電子鐘

1、 課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)學(xué)生姓名：班級(jí)學(xué)號(hào)：學(xué) 院：專(zhuān) 業(yè)：題 目： 數(shù)字電子鐘 指導(dǎo)教師：2010 年 1 月 11 日 中北大學(xué)電子線(xiàn)路課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 2009/2010 學(xué)年第 一 學(xué)期學(xué) 院： 信息與通信工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè)： 通信工程 學(xué) 生 姓 名：學(xué) 號(hào)：課程設(shè)計(jì)題目： 數(shù)字電子鐘 起 迄 日 期：2010年1 月 11日2010年 1月 22日課程設(shè)計(jì)地點(diǎn)：指 導(dǎo) 教 師：系 主 任：下達(dá)任務(wù)書(shū)日期: 2010 年 1 月11 日課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書(shū)1設(shè)計(jì)目的：1）綜合運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)，掌握一般電子線(xiàn)路分析和設(shè)計(jì)的基本方法和步驟；2）培養(yǎng)一定的獨(dú)立分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力；3）實(shí)踐

2、利用EDA軟件繪制電子線(xiàn)路原理圖、PCB圖及仿真；4）學(xué)會(huì)說(shuō)明書(shū)的規(guī)范整理和書(shū)寫(xiě)。2設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)參數(shù)、條件、設(shè)計(jì)要求等）：設(shè)計(jì)任務(wù)與要求：（1） 設(shè)計(jì)一個(gè)具有時(shí)、分、秒顯示的電子鐘。應(yīng)具有校時(shí)功能；（2） 用小規(guī)模集成電路組成電子鐘；（3） 設(shè)計(jì)顯示裝置。數(shù)字電子鐘的邏輯組成原理：它由石英晶體振蕩器、分頻器、計(jì)數(shù)器、譯碼器、顯示器和校時(shí)電路組成，石英晶體振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)分頻器作為秒脈沖，秒脈沖送入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)果通過(guò)“時(shí)”、“分”、“秒”譯碼器顯示時(shí)間。3設(shè)計(jì)工作任務(wù)及工作量的要求1）分析設(shè)計(jì)任務(wù)，查閱相關(guān)資料；2）確定系統(tǒng)方案，設(shè)計(jì)各模塊電路，計(jì)算參數(shù)，分析其特

3、性，使其滿(mǎn)足題目要求；3）利用PROTEL或其他軟件繪制所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的原理圖及PCB圖；4）按格式要求撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。4設(shè)計(jì)成果形式及要求：1）課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份；2）電子文檔一份。課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書(shū)4主要參考文獻(xiàn)：1畢滿(mǎn)清主編電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì).第3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20052 陳曉文主編電子線(xiàn)路課程設(shè)計(jì).第1版.北京：電子工業(yè)出版社，20043 謝自美主編. 電子線(xiàn)路綜合設(shè)計(jì). 第1版.武漢：華中科技大學(xué)出版社，20065設(shè)計(jì)成果形式及要求：1) 用計(jì)算機(jī)仿真軟件制圖或仿真；2) 課程說(shuō)明書(shū)用計(jì)算機(jī)打印，并裝訂；6工作計(jì)劃及進(jìn)度：2010年1月11日 1月13日 分析

4、設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)，查閱相關(guān)資料及設(shè)計(jì)手冊(cè)；2010年1月14日 1月17日確定系統(tǒng)方案，組成模塊框圖，設(shè)計(jì)各模塊電路；2010年1月18日 1月21日分析電路各參數(shù)及其特性并繪制電子線(xiàn)路原理圖、PCB圖及仿真分析，并撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)；2010年1月21日 1月22日按格式要求完成課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)；2010年1月22 日 成績(jī)考核系主任審查意見(jiàn)：簽字：年月日目錄引言71. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)71.1 設(shè)計(jì)要求7總體設(shè)計(jì)方案8設(shè)計(jì)思路8方案論證與比較81.2.3 系統(tǒng)組成102.單元電路設(shè)計(jì)10多諧振蕩器電路10分頻器電路11計(jì)數(shù)器電路11秒計(jì)數(shù)器電路12分計(jì)數(shù)器電路13時(shí)計(jì)數(shù)器電路13譯碼驅(qū)動(dòng)電路14顯示電路1

5、4校時(shí)電源電路153數(shù)字電子鐘整體電路圖16由Protel生成的電路圖17由MAX+plusII生成的整體仿真圖184安裝與調(diào)試185 參數(shù)計(jì)算196電路生成的PCB圖197心得與體會(huì)20附錄一元器件明細(xì)表21引言數(shù)字鐘已成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚谋匦杵罚瑥V泛用于個(gè)人家庭以及 辦公室等公共場(chǎng)所，給人們的生活、學(xué)習(xí)、工作、娛樂(lè)帶來(lái)極大的方便。由于數(shù)字集成電路技術(shù)的發(fā)展和采用了先進(jìn)的石英技術(shù)，使數(shù)字鐘具有走時(shí)準(zhǔn)確、性能穩(wěn)定、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，它還用于計(jì)時(shí)、自動(dòng)報(bào)時(shí)及自動(dòng)控制等各個(gè)領(lǐng)域。盡管目前市場(chǎng)上已有現(xiàn)成的數(shù)字鐘集成電路芯片出售，價(jià)格便宜、使用也方便，但鑒于數(shù)字鐘電路的基本組成包含了數(shù)字電路的主

6、要組成部分，因此進(jìn)行數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)是必要的。在這里我們將已學(xué)過(guò)的比較零散的數(shù)字電路的知識(shí)有機(jī)的、系統(tǒng)的聯(lián)系起來(lái)用于實(shí)際，來(lái)培養(yǎng)我們的綜合分析和設(shè)計(jì)電路的能力。本次設(shè)計(jì)以數(shù)字電子為主，實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)、分、秒數(shù)字顯示的計(jì)時(shí)裝置,周期為24小時(shí)，顯示滿(mǎn)刻度為23時(shí)59分59秒，并具有校時(shí)功能的數(shù)字電子鐘。電路主要采用中規(guī)模TTL集成電路.本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)電路由脈沖邏輯電路模塊、時(shí)鐘脈沖模塊、時(shí)鐘譯碼顯示電路模塊、校時(shí)模塊等幾部分組成。1. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1 設(shè)計(jì)要求（1） 設(shè)計(jì)一個(gè)具有時(shí)、分、秒顯示的電子鐘。應(yīng)具有校時(shí)功能；（2） 用小規(guī)模集成電路組成電子鐘；（3） 設(shè)計(jì)顯示裝置。數(shù)字電子鐘的邏輯組成原理：它由石

7、英晶體振蕩器、分頻器、計(jì)數(shù)器、譯碼器、顯示器和校時(shí)電路組成，石英晶體振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)分頻器作為秒脈沖，秒脈沖送入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)果通過(guò)“時(shí)”、“分”、“秒”譯碼器顯示時(shí)間。圖1數(shù)字電子鐘原理圖設(shè)計(jì)思路數(shù)字電子鐘的原理方框圖如上所示。干電路系統(tǒng)由秒信號(hào)發(fā)生器，"時(shí)、分、秒計(jì)數(shù)器、譯碼器及顯示器、校時(shí)電路組成。秒信號(hào)發(fā)生器是整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)基信號(hào)，它直接決定計(jì)時(shí)系統(tǒng)的精度，一般用石英晶體振蕩器加分頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以采用多諧振蕩器加分頻器實(shí)現(xiàn)。將標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)送入"秒計(jì)數(shù)器"，"秒計(jì)數(shù)器"采用60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，每累計(jì)60秒發(fā)一個(gè)"分脈沖&quo

8、t;信號(hào)，該信號(hào)將作為"分計(jì)數(shù)器"的時(shí)鐘脈沖。"分計(jì)數(shù)器"也采用60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，每累計(jì)60分鐘，發(fā)出一個(gè)"時(shí)脈沖"信號(hào)，該信號(hào)將被送到"時(shí)計(jì)數(shù)器"。"時(shí)計(jì)數(shù)器"采用24進(jìn)制計(jì)時(shí)器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)一天24小時(shí)的累計(jì)。譯碼顯示電路將"時(shí)"、"分"、"秒"計(jì)數(shù)器的輸出狀態(tài)經(jīng)過(guò)七段顯示譯碼器譯碼，通過(guò)六位LED七段顯示器顯示出來(lái)。校時(shí)電路是用來(lái)對(duì)"時(shí)"、"分"、"秒"顯示數(shù)字進(jìn)行校對(duì)調(diào)整的。

9、方案論證與比較1.秒信號(hào)發(fā)生器方案一：      由集成邏輯門(mén)與RC組成的時(shí)鐘源振蕩器或由集成電路定時(shí)器555與RC組成的多諧振蕩器作為時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源。圖2由集成定時(shí)器與RC組成的多諧振蕩器方案二: 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(shí)的準(zhǔn)確程度，通常選用石英晶體構(gòu)成振蕩器電路。石英晶體振蕩器的作用是產(chǎn)生時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。因此，一般采用石英晶體振蕩器經(jīng)過(guò)分頻得到這一時(shí)間脈沖信號(hào)。圖3 晶體振蕩器電路圖（3）為電子手表集成電路的晶體振蕩器電路，目前市場(chǎng)比較常用的是集成5C702，從其輸出端15剛好可以輸出1HZ

10、的脈沖信號(hào)作為秒信號(hào)?？紤]到數(shù)電中我們剛學(xué)過(guò)多諧振蕩器，因此在此用多諧振蕩器實(shí)現(xiàn)秒脈沖。2 計(jì)數(shù)器電路在數(shù)電中，我們主要學(xué)了74LS161、74LS160和74LS290計(jì)數(shù)器，其中74LS160是采用異步清零、同步置數(shù)的十進(jìn)制，而74LS161采用的是異步清零、同步置數(shù)的16進(jìn)制計(jì)數(shù)器，74LS290是二-五-十進(jìn)制的異步清零、異步置九計(jì)數(shù)器。采用哪種芯片都一樣，這里我們采用74LS290的異步清零來(lái)實(shí)現(xiàn)秒、分、時(shí)計(jì)數(shù)。 系統(tǒng)組成 數(shù)字鐘實(shí)際上是一個(gè)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率（1HZ）進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)電路。由于計(jì)數(shù)的起始時(shí)間不可能與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間（如北京時(shí)間）一致，故需要在電路上加一個(gè)校時(shí)電路，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)的1HZ時(shí)間

11、信號(hào)必須做到準(zhǔn)確穩(wěn)定。通常使用石英晶體振蕩器電路構(gòu)成數(shù)字鐘。圖1所示為數(shù)字鐘的一般構(gòu)成框圖。圖4 數(shù)字鐘的組成框圖多謝振蕩器可以自己產(chǎn)生一定頻率的脈沖，然后經(jīng)過(guò)分頻器后得到需要的秒脈沖信號(hào)。圖5 由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器分頻器電路將多諧振蕩器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)經(jīng)74LS4060和74LS250的二分頻的分頻后得到1Hz的方波信號(hào)，可以供秒計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。分頻器實(shí)際上也就是計(jì)數(shù)器。 圖6 分頻器電路時(shí)間計(jì)數(shù)電路由秒個(gè)位和秒十位計(jì)數(shù)器、分個(gè)位和分十位計(jì)數(shù)器及時(shí)個(gè)位和時(shí)十位計(jì)數(shù)器電路構(gòu)成，其中秒個(gè)位和秒十位計(jì)數(shù)器、分個(gè)位和分十位計(jì)數(shù)器為60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，時(shí)個(gè)位和時(shí)十位計(jì)數(shù)器可以設(shè)計(jì)為12進(jìn)制計(jì)數(shù)器或

12、者24進(jìn)制計(jì)數(shù)器，我們這里根據(jù)自己的意愿設(shè)計(jì)成24進(jìn)制計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器的實(shí)現(xiàn)用的是74LS290采用8421BCD碼制。時(shí)間計(jì)數(shù)單元有時(shí)計(jì)數(shù)、分計(jì)數(shù)和秒計(jì)數(shù)等幾個(gè)部分。秒計(jì)數(shù)器電路秒個(gè)位計(jì)數(shù)單元為進(jìn)制計(jì)數(shù)器，無(wú)需進(jìn)制轉(zhuǎn)換，只需將與（下降沿有效）相連即可。（下降沒(méi)效）與Z秒輸入信號(hào)相連，可作為向上的進(jìn)位信號(hào)與十位計(jì)數(shù)單元的相連。秒十位計(jì)數(shù)單元為進(jìn)制計(jì)數(shù)器，需要進(jìn)制轉(zhuǎn)換。將進(jìn)制計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)換為進(jìn)制計(jì)數(shù)器的電路連接方法如圖3-5所示，其中可作為向上的進(jìn)位信號(hào)與分個(gè)位的計(jì)數(shù)單元的相連。分個(gè)位和分十位計(jì)數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)分別與秒個(gè)位和秒十位計(jì)數(shù)單元完全相同，只不過(guò)分個(gè)位計(jì)數(shù)單元的作為向上的進(jìn)位信號(hào)應(yīng)與分十位計(jì)數(shù)單

13、元的相連，分十位計(jì)數(shù)單元的作為向上的進(jìn)位信號(hào)應(yīng)與時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)單元的相連。圖7 10進(jìn)制6進(jìn)制計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)換電路圖8 秒計(jì)數(shù)器電路分計(jì)數(shù)器電路分計(jì)數(shù)器電路與秒計(jì)數(shù)器電路一樣，采用的都是74290的8421碼制異步清零接成60進(jìn)制。圖9 分計(jì)數(shù)器電路時(shí)計(jì)數(shù)器電路時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)仍與秒或個(gè)位計(jì)數(shù)單元相同，但是要求，整個(gè)時(shí)計(jì)數(shù)單元應(yīng)為24進(jìn)制計(jì)數(shù)器，所以在兩塊74LS290構(gòu)成的100進(jìn)制中截取24，就得在24的時(shí)候進(jìn)行異步清零。兩塊74LS290構(gòu)成的60進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路圖如圖3 7所示，兩塊74LS390構(gòu)成的24進(jìn)制計(jì)數(shù)功能的電路如圖38所示。圖10時(shí)計(jì)數(shù)器電路譯碼驅(qū)動(dòng)電路將計(jì)數(shù)器輸出的8421B

14、CD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。譯碼驅(qū)動(dòng)電路采用74LS48七段譯碼器實(shí)現(xiàn)，74LS48七段顯示譯碼器的輸出是高電平有效，用以驅(qū)動(dòng)共陰極顯示器。圖11 74LS85顯示譯碼器顯示電路計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)了對(duì)時(shí)間的累計(jì)以8421BCD碼形式輸出，選用顯示譯碼電路將計(jì)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74LS48作為顯示譯碼電路，選用74LS546八段共陽(yáng)LED數(shù)碼管作為顯示單元電路，如圖3-9所示。圖12 譯碼驅(qū)動(dòng)和顯示電路校時(shí)電源電路當(dāng)重新接通電源或走時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí)都需要對(duì)時(shí)間進(jìn)行校正。通常，校正時(shí)間的方法是：首先截?cái)嗾５挠?jì)數(shù)

15、通路，然后再進(jìn)行人工出觸發(fā)計(jì)數(shù)或?qū)㈩l率較高的方波信號(hào)加到需要校正的計(jì)數(shù)單元的輸入端，校正好后，再轉(zhuǎn)入正常計(jì)時(shí)狀態(tài)即可。根據(jù)要求，數(shù)字鐘應(yīng)具有分校正和時(shí)校正功能，因此，應(yīng)截?cái)喾謧€(gè)位和時(shí)個(gè)位的直接計(jì)數(shù)通路，并采用正常計(jì)時(shí)信號(hào)與校正信號(hào)可以隨時(shí)切換的電路接入其中。圖310所示即為帶有基本RS觸發(fā)器的校時(shí)電路，用74LS51構(gòu)成的校正電路如圖311。圖13校正電路3數(shù)字電子鐘整體電路圖3.1由Protel生成的電路圖圖14 Protel生成的整體電路圖圖15 Protel生成的部分電路圖3.2由MAX+plusII生成的整體仿真圖圖16 整體電路仿真圖4安裝與調(diào)試   

16、單元電路安裝好后，應(yīng)該先認(rèn)真進(jìn)行通電前的檢查，通電后，檢查每片集成電路的工作電壓是否正常（TTL型集成電路電源電壓為5±0.25V），這是電路有效工作的基本保證。調(diào)試該單元電路直至正常工作。調(diào)試可分為靜態(tài)調(diào)試和動(dòng)態(tài)調(diào)試兩種，一般組合電路應(yīng)靜態(tài)調(diào)試，時(shí)序電路應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)試。       統(tǒng)調(diào)主電路的方法是將已調(diào)試好的若干單元電路連接起來(lái)，然后跟蹤信號(hào)流向，由輸入到輸出，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，依次測(cè)試，直至正常工作。因此時(shí)控制電路尚未安裝，需人為地給受控電路加以特定信號(hào)使其正常工作。     

17、;  調(diào)試控制電路分為兩步：第一步單獨(dú)調(diào)試控制電路本身，施加于控制電路的各個(gè)信號(hào)可以人為設(shè)定為某種狀態(tài)，直至正常工作。第二步將控制電路與系統(tǒng)主電路中各個(gè)功能部件聯(lián)接起來(lái)，進(jìn)行電路統(tǒng)調(diào)。5 參數(shù)計(jì)算脈沖產(chǎn)生電路：用555組成的脈沖產(chǎn)生電路:        R1=15*103        R2=68*103        C=10F   則555所產(chǎn)

18、生的脈沖的為:f=1.43/(R1+2*R2)*103*10*106=0.947Hz,而設(shè)計(jì)要求為1Hz,因此其誤差為5.3%,在精度要求不是很高的時(shí)候可以使用.6電路生成的PCB圖圖17 電路PCB印制版圖7心得與體會(huì)學(xué)貴以致用，我們剛學(xué)完模電和數(shù)點(diǎn)的知識(shí)，對(duì)兩種電路有了一定的理論認(rèn)識(shí)，但是還欠缺實(shí)踐操作能力的培養(yǎng)，通過(guò)幾天的數(shù)字鐘設(shè)計(jì)過(guò)程，將從書(shū)本上學(xué)到的知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐，學(xué)會(huì)了初步的電子電路仿真設(shè)計(jì)，雖然過(guò)程中遇到了一些困難，但是在解決這些問(wèn)題的過(guò)程無(wú)疑也是對(duì)自己自身專(zhuān)業(yè)素質(zhì)的一種提高。當(dāng)最終調(diào)試成功的時(shí)候也是對(duì)自己的一種肯定。在此次的數(shù)字鐘設(shè)計(jì)過(guò)程中，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(wèn)題的能力和通過(guò)查看相關(guān)資料來(lái)解決問(wèn)題的習(xí)慣。雖然這只是一次簡(jiǎn)單的課程設(shè)計(jì)，但通過(guò)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(wèn)題。雖然設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)了很多的問(wèn)題的，但是通過(guò)請(qǐng)教同學(xué)、老師并且查找網(wǎng)上相關(guān)