数电课程实验报告——数字钟的设计.doc

数字电子技术课程设计报告设计题目： 数字钟的设计 班级学号： 学生姓名： 指导教师： 时 间：2010年12月27日2011年1月2日数字电子技术课程设计任务书一、设计题目：数字钟的设计二、设计任务与要求：1.时钟显示功能，能够以十进制显示“时”、“分”、“秒”。其中时为24进制，分秒为60进制。2. 其他功能扩展：（1）设计一个电路实现时分秒校准功能。（2）闹钟功能，可按设定的时间闹时。（3）设计一个电路实现整点报时功能等。三、设计内容与步骤：1. 查阅相关资料；2. 完成设计方案；3. 芯片选定及各单元功能电路分析；4. 画出整体电路原理图（实验）；5. 完成设计报告。四、设计计划与进度安排：1. 查阅相关资料（12月24-26日）；2. 完成设计方案及单元电路（12月27-29日）；3. 完成整体电路原理图（实验）并完成设计报告（12月30-1月2日）；五、设计材料与成果要求： 完成整体电路设计，提交设计报告。六、设计考核要求：课程成绩分优秀、良好、中等、及格、不及格。由设计报告结合实验考核。七、设计参考书目：1.EDA与数字系统设计李国丽编，机械工业出版社，2009年3月2.电子技术实践及仿真孙丽霞编，高等教育出版社，2005年1月3.电子技术基础实验及课程设计刘稿等编，机械工业出版社，2007年02月 4.电子技术实验与课程设计彭介华编，高等教育出版社，1997年10月5.数字电子技术童诗白编著高等教育出版社 2001年 成绩评定表设计报告实验得分数字钟的设计摘要：设计简述数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用数字电子钟，从原理上讲是一种典型的数字电路，其中包括了组合逻辑电路和时序电路。此次设计数字电子钟是为了了解数字电子钟的原理，从而学会制作数字电子钟。而且通过数字电子钟的制作进一步的了解各种在制作中用到的中小规模集成电路的作用及实用方法。且由于数字电子钟电路包括组合逻辑电路和时序电路。通过它可以进一步学习与掌握各种组合逻辑电路与时序电路的原理与使用方法。数字电子钟有下几部分组成：石英晶体振荡器、分频器、秒脉冲发生器、校正电路、60进制的秒、分计时器和24进制计时计数器以及秒、分、时的译码显示部分等。关键词：数字电路 电子钟 数字钟 数字电子钟的课程设计 数字计时器设计 组合逻辑芯片 目 录1. 设计任务及要求.52. 设计方案. 53. 芯片选定及各单元功能电路说明. 54. 整体电路原理图及实验.115. 设计体会及改进意见.126参考资料13 一、设计任务与要求：1.时钟显示功能，能够以十进制显示“时”、“分”、“秒”。其中时为24进制，分秒为60进制。2. 其他功能扩展：（1）设计一个电路实现时分秒校准功能。（2）闹钟功能，可按设定的时间闹时。（3）设计一个电路实现整点报时功能等。在59分51秒、53秒、55秒、57秒输出750Hz音频信号，在59分59秒时输出1000Hz信号，音频持续1s，在1000Hz荧屏结束时刻为整点。二、设计方案：数字电子钟由石英晶体振荡器、分频器、计数器、译码器显示器和校时电路组成。振荡器产生稳定的高频脉冲信号,作为数字钟的时间基准,然后经过分频器输出标准秒脉冲。秒计数器满60后向分计数器进位,分计数器满60后向小时计数器进位,小时计数器按照“24翻1”规律计数。计数器的输出分别经译码器送显示器显示。计时出现误差时,可以用校时电路校时、校分。三、芯片选定及各单元功能电路说明：实验器材及主要器件（1） CC4511 6片（2） 74LS90 5片（3） 74LS92 2片（4） 74LS191 1片（5） 74LS00 5片（6） 74LS04 3片（7） 74LS74 1片（8） 74LS2O 2片（9） 555集成芯片 1片（10）共阴七段显示器 6片（11）电阻、电容、导线等 若干 振荡器石英晶体振荡器的特点是振荡频率准确、电路结构简单、频率易调整。它还具有压电效应，在晶体某一方向加一电场，则在与此垂直的方向产生机械振动，有了机械振动，就会在相应的垂直面上产生电场，从而机械振动和电场互为因果，这种循环过程一直持续到晶体的机械强度限止时，才达到最后稳定。这用压电谐振的频率即为晶体振荡器的固有频率。一般来说，般来说，振荡器的频率越高，计时精度越高，但耗电量将增大。如果精度要求不高也可以采用由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器。如图1所示。设振荡频率f=1KHz，R为可调电阻，微调R1可以调出1KHz输出。 图1  分频器 由于振荡器产生的频率很高，要得到秒脉冲，需要分屏电路。本实验由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器，产生1KHz的脉冲信号。故采用3片中规模集成电路计数器74LS90来实现，得到需要的秒脉冲信号。 图2  计数器    秒脉冲信号经过6级计数器，分别得到“秒”个位、十位、“分”个位、十位以及“时”个位、十位的计时。“秒”“分”计数器为六十进制，小时为十二进制。（1）六十进制计数由分频器来的秒脉冲信号，首先送到“秒”计数器进行累加计数，秒计数器应完成一分钟之内秒数目的累加，并达到60秒时产生一个进位信号，所以，选用一片74LS90和一片74LS92组成六十进制计数器，采用反馈归零的方法来实现六十进制计数。其中，“秒”十位是六进制，“秒”个位是十进制。如图3所示。图3（2）十二进制计数“12翻1”小时计数器是按照“01020311120102”规律计数的，这与日常生活中的计时规律相同。在此实验中，小时的个位计数器由4位二进制同步可逆计数器74LS191构成，十位计数器由D触发器74LS74构成，将它们级连组成“12翻1”小时计数器。  计数器的状态要发生两次跳跃：一是计数器计到9，即个位计数器的状态为Q03Q02Q01Q00=1001，在下一脉冲作用下计数器进入暂态1010，利用暂态的两个1即Q03Q01使个位异步置0，同时向十位计数器进位使Q10=1；二是计数器计到12后，在第13个脉冲作用下个位计数器的状态应为Q03Q02Q01Q00=0001，十位计数器的Q10=0。第二次跳跃的十位清0和个位置1信号可由暂态为1的输出端Q10，Q01，Q00来产生。   CP十位个位CP十位个位Q10Q03Q02Q01Q00Q10Q03Q02Q01Q0000000080100010000190100120001001010300011400100101000050010111100016001101210010700111 1300001图4      M12计数器功能表  译码器   译码是指把给定的代码进行翻译的过程。计数器采用的码制不同，译码电路也不同。CC4511驱动器是与8421BCD编码计数器配合用的七段译码驱动器。CC4511配有灯测试LT、动态灭灯输入RBI，灭灯输入/动态灭灯输出BI/RBO,当LT=0时，CC4511出去全1。  显示器  本系统用七段发光二极管来显示译码器输出的数字，显示器有两种：共阳极显示器或共阴极显示器,CC4511译码器对应的显示器是共阴极显示器。  校时电路当数字钟走时出现误差时，需要校正时间。校时电路实现对“时”“分”“秒”的校准。在电路中设有正常计时和校对位置。本实验实现“时”“分”的校对。对校时的要求是，在小时校正时不影响分和秒的正常计数；在分校正时不影响秒和小时的正常计数。需要注意的时，校时电路是由与非门构成的组合逻辑电路，开关S1或S2为“0”或“1”时，可能会产生抖动，为防止这一情况的发生我们接入一个由RS触发器组成的防抖动电路来控制。S1 S2功能11计数01校分10校时图5 校时开关的功能表 图6  校时电路闹时电路数字钟在指定的时刻发出信号，或驱动音响电路“闹时”，或对某装置的电源进行接通或断开“控制”。不管是闹时还是控制，都要求时间准确，即信号的开始时刻与持续时间必须满足规定的要求。例如要求上午7时59分发出闹时信号，持续时间为1分钟。本实验设计为7时59分时，音响电路的晶体管导通，则扬声器发出1KHz的声音。持续1分钟到8点整晶体管因输入端为“0”而截止，电路停闹。图7  闹时电路（2）整点报时电路整点报时电路的功能要求是，每当数字钟计时快要到整点时发出声响，通常按照4低音1高音的顺序发出间断声响，以最后一声高音结束的时刻为整点时刻。设4声低音（约500Hz）分别发生在59分51秒、53秒、55秒及57秒，最后一声高音（约1KHz）发生在59分59秒，它们的持续时间均为1秒。根据以上设定可得到电台正点报时时的分十位状态Q2M2Q0M2=11（0101），分个位的状态为Q3M1Q0M1=11（1001），秒十位状态为Q2S2Q0S2=11（0101），秒个位的状态为Q0S1=1（1、3、5、7、9）。而发低音还是高音只与秒个位有关，根据设定可列表如表1所示：由表中的状态可总结出如下结论：秒个位的第三位Q3S1可用来作为鸣低音或高音的控制信号，即Q3s1=0时，输入500Hz的低频信号至音响电路Q3S1=1时，输入1kHz的高频信号至音响电路。CP（秒）Q3S1 Q2S1 Q1S1 Q0S1功能Cp(秒)Q3S1 Q2S1 Q1S1 Q0S1功能5051525354550 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 1低音停鸣低音停低音56575859000 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 10 0 0 0停低音停高音停正点报时状态功能表图8 报时电路四、整体电路原理图及实验 1、 实验基本原理数字电子钟的逻辑框图如图9所示。它由555集成芯片构成的振荡电路、分频器、计数器、显示器和校时电路组成。555集成芯片构成的振荡电路产生的信号经过分频器作为秒脉冲，秒脉冲送入计数器，计数结果通过“时”、“分”、“秒”译码器显示时间。图9由图1到图8所示的数字中系统组成框图按照信号的流向分级安装，逐级级联。这里的每一级是指组成数字中的各个功能电路。2、整个电路的组装及调试：扩展电路检查均无连线错误并且显示正常后，将两个电路连为一个整体，接上+5V电源。观察时钟是否显示正常；是否在上午7时59分发出闹时信号，持续时间一分钟；是否有四声低音分别发生在59分51秒、53秒、55秒及57秒，最后一声高音法正在59分59秒，它们持续时间均为1秒。若不正常则检查电路各个部分，直到得到满意的结果。我们圆满完成了这次的课程设计。      图10 数字钟的主体电路逻辑图五，设计体会及改进意见：1 实验过程中遇到的问题及解决方法（1）七段显示器与七段译码器的测量把显示器与CC4511相连，第一次接时，数码管完全没有显示数字，检查后发现是数码管未接地而造成的，接地后发现还是无法正确显示数字，用万用表检测后，发现是因芯片引脚有些接触不良而造成的，所以确认芯片是否接触良好是非常重要的一件事。（2）时间计数电路的连接与测试六进制、十进制都没有什么大的问题，只是芯片引脚的老问题，只要重新插过芯片就可以解决了。但在六十进制时，按图接线后发现，显示器上的数字总是100进制的，而不是六十进制，检测后发现无论是线路的连通还是芯片的接触都没有问题。最后，在重对连线时发现是线路接错引脚造成的，改过之后，显示就正常了。（3）校正电路因上面程因引脚接错而造成错误，所以校正电路是完全按照仿真图所连的，在测试时，开始进行时校时时，没有出现问题，但当进行到分校时时，发现计数电路的秒电路开始乱跳出错。因此，电路一定是有地方出错了，在反复对照后，发现是因为在接入校正电路时忘了把秒十位和分个位之间的连线拿掉而造成的。2 设计体会 通过此次的课程设计，总体来说，收获颇丰，无论是在培养自己的实验动手能力还是培养自己的性情方面。在此次的数字钟设计过程中，更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其集体的使用方法。将已学过的比较零散的数字电路知识有机的、系统的联系起来，培养综合分析、设计电路的能力。在连接六进制，十进制，六十进制的进位及二十四进制的接法中，要求熟悉逻辑电路及其芯片各引脚的功能，那么在电路出错时便能准确地找出错误所在并及时纠正了。在摸索该如何设计程序使之实现所需功能的过程中，培养了我的设计思维，使我们在逻辑电路的分析和设计上有了很大的进步，加深了我们对计数器、分频器、振荡器的认识，进一步增加了对一些常见器件的了解，我们还深刻认识到数字电路这门课程对科学发展的重要性。同时，查阅参考书的独立思考能力以及以及培养非常重要。此次设计立足于电子技术的实际运用，不断实践，开拓了思维，设计以考查、调研、搜集资料、拟订方案、进行系统规划、编程、仿真、调试的流程，使我深刻的体会到了在学习我们专业的过程中理论与实践相结合的重要性，同时也解决了以前学习比较模糊的专业知识点，使自己掌握的专业知识更加结构化、系统化。此外，相互讨论共同研究是设计过程的重中之重，有助于完整的设计了电路图，并且增加了额实际操作能力，再让我体会到了设计的艰辛的同时，更让我体会到成功的喜悦与快乐。六、参考文献【1】梁宗善电子技术基础课程设计华中科技大学出版社，2009【2】朱定华电子电路测试与实验清华大学出版社，2004【3】朱定华模拟电子技术基础清华大学出版社 北京交通大学出版社，2005【4】朱定华现代数字电路与逻辑设计清华大学出版社 北京交通大学出版社，2007【5】华成英，董诗白模拟电子技术基础（第四版）高等教育出版社，2006【6】阎 石数字电子技术基础（第五版）高等教育出版社，2006【7】康华光电子技术基础（第五版）模拟部分高等教育出版社，200613