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数字电子技术课程设计数字钟设计报告学 校：0000大学专 业：班 级：姓 名：学 号：指导老师：目 录1 设计目的32 设计任务33数字电子钟的电路系统设计33.1 设计原理33.2 方案确定43.2.1 设计方案一43.2.2 设计方案二53.2.3 两种方案的比较53.2.4 设计方案的确定63.3 数字电子钟的电路设计63.3.1 电源电路的设计63.3.2 时间计数电路的设计73.3.3 正点报时电路的设计83.3.4 校时电路的设计93.3.5 秒信号发生器的设计103.3.6 译码驱动显示电路 113.3.7 数字电子钟的整体电路 123.4设计电路的计算机模拟仿真与调试154 实验数据和误差分析164.1实验数据154.2误差分析155 元件清单166 课程设计的收获、体会和建议171 设计目的数字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。此次设计与制作数字电子钟的目的是让学生在了解数字钟的原理的前提下，运用刚刚学过的数电知识设计并制作数字钟，而且通过数字钟的制作进一步了解各种在制作中用到的中小规模集成电路的作用及其使用方法。由于数字电子钟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，从而实现理论与实践相结合。总的来说，此次课程设计，有助于学生对电子线路知识的整合和电子线路设计能力的训练，并为后继课程的学习和毕业设计打下一定的基础。2 设计任务设计制作一个数字电子钟设计要求：1 显示时、分、秒；2 采用24小时制或12小时制；3 具有自动校时、校分功能，可以分别对时及分进行单独校时，对分校时的时候，停止分向小时进位。校时时钟源可以手动输入或借用电路中的时钟； 4 计时过程具有正点报时功能，当时间到达整点前10秒开始，蜂鸣器1秒响1秒停地响5次。5为了保证计时的稳定及准确，须由晶体振荡器提供标准时间的基准信号。3 数字电子钟的电路系统设计下面将详细介绍整个数字电子钟的电路系统设计过程。其中包括数字电子钟的设计原理，设计方案的确定，数字电子钟的电路设计计算机仿真，电路的设计与调试几个设计部分。3.1 设计原理数字电子钟是一个对标准频率（1HZ）进行计数的计数电路。它由振荡器、分配器、计数器、译码器和显示器电路组成。振荡器产生的时钟信号经过分频器形成秒脉冲信号，秒脉冲信号输入计数器进行计数，并把累计结果以“时”、“分”、“秒”的数字显示出来。秒计数器电路计满60后触发分计数器电路，分计数器电路计满60后触发时计数器电路，小时计数器当计满24小时后又开始下一轮的循环计数。通过校时电路可以对分和时进行校时，且计时过程具有报时功能，当时间到达整点前10秒开始，蜂鸣器1秒响1秒停地响5次。3.2 方案确定通过查找资料并展开讨论，共讨论出两个不同的设计方案，表面上看，似乎两个方案都符合要求，但经过反复深究，并将两个方案加以比较，最终确定一个既符合本设计要求又具有比较强的可行性的方案作为此次设计的对象。3.2.1 设计方案一方案一的设计主要是由555振荡电路， 时间计数电路，校时电路和译码驱动电路组成。而分频器采用3片集成电路计数器74LS90，每片为1/10分频，3片级联则可获得所需的频率信号。而时间计数电路由74LS90组成，分为一个24进制电路和两个60进制电路。校时电路则由开关组成。设计方案一的设计原理图如图174LS48译码驱动74LS48译码驱动时十位计数位计数数时个位计数位计数数分十位计数位计数数分个位计数位计数数秒十位计数位计数数秒个位计数位计数数无消抖动校时，校分控制电路555振荡器 三级分频电路（74LS90）74LS48译码驱动74LS48译码驱动74LS48译码驱动74LS48译码驱动图1 设计方案一的设计原理图3.2.2 设计方案二方案二的设计主要由晶体振荡电路，时间计数电路，校时电路，译码驱动电路组成。其中，时间计数电路用六个74LS90组成。校时电路主要由 HD74KS00P组成RS触发器，而且加入消抖电路，达到了自动校时的效果。设计方案二的设计原理图如下4511译码驱动4511译码驱动4511译码驱动4511译码驱动4511译码驱动4511译码驱动时十位计数时个位计数分十位计数分个位计数秒十位计数秒个位计数具有消抖动的校分，校时控制电路32768晶体振荡电路 CD4060分频器2Hz 二分频电路（74LS74）1Hz图2 设计方案二的设计原理图3.2.3 两种方案的比较1、在数字电路设计中，两种方案采用了不同的元器件，但都达到了数字时钟功能。2、第一个方案采用了简单的开关形式进行校时，而第二个方案则采用了由RS触发器组成的具有消抖动的消抖校时电路，消除了输入脉冲的不稳定性，使得在校时过程中不影响计数。3、第一个方案采用了74LS48的译码芯片，而第二个方案则采用了MCI 4511D 译码芯片，显然，前者价格昂贵，后者经济实惠。4、第一个方案采用了555振荡器，输出脉冲既不精确也不够稳定，而第二个方案则采用了晶体振荡电路，其输出脉冲较精确，稳定。5、第一个方案采用了3片74LS90作为分频器，而第二个方案则采用了1片74LS74作为二级分频器，电路较前者简单。3.2.4 设计方案的确定鉴于第一种方案有比较多的局限性，而方案二则比较方便实用，再根据本次设计的具体要求与所学的知识，确定方案二为本次设计采用的方案。3.3 数字电子钟的电路设计下面将介绍第二个设计方案的设计电路。其中包括电源电路的设计、时间计数电路的设计、正点报时电路的设计、校时电路的设计、秒信号发生器的设计、译码驱动显示电路的设计几个部分。3.3.1 电源电路的设计由于本设计所用芯片的数目较多，而且数字钟需要比较稳定的电压才能使得计数正常、稳定、精确。所以采用L7805CV稳压集成块做稳压电路，并为了更好的消除电压谐波，所以采用了2000µf的滤波电容，以此得到稳定的电压。电源电路:用7805集成块做稳压电路。如图3图3 电源电路3.3.2时间计数电路的设计时间计数电路由秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器及时个位和时十位计数器电路构成，其中秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器为60进制计数器，而根据设计要求，小时计数器为24进制计数器。用6个74LS90组成两个60进制和一个24进制计数器。分别如图4和5。图4 60进制电路对于上图，74LS90芯片的引脚8、9、11、12分别对应QC、QB、QD、QA四个输出端，而第5端和第10端分别接高电平和地，上图已默认，就不画出，下面的电路图凡涉及到芯片本身就需要接高电平和地的引脚亦不画出。当分的74LS90芯片的进位输入端11端的脉冲进位信号传到时的脉冲输入端时，时便计数一次，并且其十位和个位的进位关系与分（秒）的十位和个位的进位关系一样，此处不再重述。24进制电路图如图5。图5 24进制电路3.3.3 正点报时电路的设计为了达到正点报时的功能，当时间的分十位为5，分个位为9，秒的十位为5时，利用与门的相与功能，使得时间在59分50秒到59分59秒期间，蜂鸣器1秒响1秒停地响5次。如图6。图6 正点报时电路3.3.4校时电路的设计一般情况下，数字电子钟开机时并不立即显示当前时间，所以需要一个校时电路来调整以此来获得所需要的时间。根据设计要求，采用自动实现对时和分的校时，为了使校时不干扰计时，在校时电路中还加入了消抖电路，用于消除输入脉冲的不稳定性，确保校时和计时的稳定与准确。其主要原理是：先截断正常的计数通路，然后再将频率为2Hz的方波信号加到需要校正的计数单元的输入端，校正好后，再转入正常计时状态即可。 根据要求，数字钟应具有自动分校正和时校正功能，因此，应截断分个位和时个位的直接计数通路，并采用正常计时信号与校正信号可以随时切换的电路接入其中。图7所示即为带有基本RS触发器的校时电路。图7 校时电路对于上图，与非门74LS00的U1C片中的第9端为晶体振荡器所产生的2Hz的信号脉冲，而第U1D片的第13端则接进位信号（若为小时校正电路，则为分的进位信号，同理，分的校时电路则为秒的进位信号，当不校时的时候，计时电路将正常计数）。第U2B片的第6端则为分或者小时的个位脉冲输入端。3.3.5 秒信号发生器的设计振荡器是数字钟的核心，振荡器的稳定度及频率的精确度决定了数字钟计时的准确程度。由集成电路定时器555与RC可组成多谐振荡器，其振荡频率只有1KHz。所以为了达到设计要求，获取更高的计时精度，选用晶体振荡器构成振荡器电路。一般来说，振荡器的频率越高，计时精度越高。此次设计选用R14532的晶体振荡器，其频率为32768Hz，再经过分频芯片4060BD， 其内部有15级2分频集成电路，所以可以其中一个输出端得到2Hz的信号脉冲。再经过二次分频，方可得到1Hz的标准信号脉冲，即秒脉冲。至于分频电路，实际上就是由计数器组成的，因此，还可选用3片集成电路计数器74LS90，每片为1/10分频，3片级联则可获得所需的频率信号。但为了节省芯片及开支，因此选用前者。其原理图和电路图分别入图8和图9。图8 秒信号原理图图9 晶体振荡电路3.3.6 译码驱动显示电路译码驱动电路将计数器输出的8421BCD码转换为数码管需要的逻辑状态，并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。本设计采用MCI 4511译码器和LED数码管。译码驱动显示电路如图10。图10 译码驱动显示电路3.3.7 数字电子钟的整体电路图11为数字电子钟的整体电路主模块部分，图12，图13，图14为数字电子钟的整体电路副模块部分。图11电路主模块部分图12 晶体振荡电路图13 校时电路图14 正点报时电路3.4 设计电路的计算机模拟仿真与调试本次设计后的方案分电源电路、时间计数电路、正点报时电路、校时电路、秒信号发生器电路和译码驱动显示电路等几个模块，设计后分别送到计算机模拟软件EWB8.0和Multisim2001中进行模拟调试。此次模拟仿真调试是在实物调试前展开的，可以及时发现设计方案中存在的问题并进行分析与修正，方便购买器件，也为下一步的实物调试和线路板制作提供正确可行的电路模块。例如时间计数电路的仿真模拟调试如图15。图15 时间计数电路的仿真模拟调试图又如晶振电路的仿真波形图如图16，数字钟整体电路模拟仿真时截图如图17图16 晶振电路的仿真波形图图17 数字钟整体电路模拟仿真截图4 实验数据和误差分析4.1 实验数据在模拟仿真完毕后，用秒表进行测试数字钟的精确度，测试结果如表1表1 数字钟时间与秒表时间的比较表秒表时间(单位：秒)数字钟时间误差（单位：秒）0000：00：0003000：00：30060.0100：01：000.019000：01：30012000：02：000150.0200：02：300.02180.0300：03：000.034.2 误差分析从表1可看出，误差接近于0，而且理论上，误差本来是累积的，但实际上不然，该表的数据已显示数字钟走了90秒和120秒时的误差与走了60秒的误差并不相关联，亦即误差不累积。因此易得出此误差值为人的反应时间（包括视觉反应时间和手的反应时间），并不是数字钟本身的误差。因此，此数字钟的精确度相当高，满足设计要求。5 元件清单本次设计所用的元器件如表2所示。表2 元器件清单一览表元器件数量SN74LS90N6HD74KS00P3MCI 45116CD40601CD4081BE374LS741LM7805110M电阻51000F电容433F电容2R14532晶体振荡器32768HZ1数字IC插座（双列直插式）20单刀双掷开关29V-12W变压器1蜂鸣器（双引脚）1电路板2双引脚导线若干电源插头1数码管6稳压管L7805CV1整流桥RS20716 课程设计的收获、体会收获与体会：1、提高了对芯片的认识。为了在实验室里做好测试工作，我们必须对所用到的芯片了解得一清二楚。通过查阅手册，或者询问老师，我们终于对芯片的引脚功能熟透，这样不但测试起来可靠，对以后的学习也是有极大的帮助。2、磨练了意志力。我花了很多心血来做这个课程设计，但凡事不是一帆风顺的，我们遇到了许多困难。有些困难甚至看进来难于解决，确实也是打击了我们的信心。但我们毫不气馁，认真地检查电路，检查电路原件是否都正确。例如在做电源这一部分时，不断地修正方案，示波器也显示出了很完美的波形，但还是无法让电路正常运行。在我们无比失望之际，我们没有放弃，最后找出问题的根本，换了两个大电容，达到了消除电压谐波，终于解决这大问题。3、提高了我们使用电脑对电路进行仿真的能力。在这之前，我们用电脑软件完成了自动控制的课程设计。同样地，我们又要学会新的软件Multisim和EWB8.0来画电路图，并用它进行仿真。这又让我们的知识增多了。4、加强我们对电子器件的了解。一直以来，我们都对电路板感到神奇，对电子应用感到好奇。这次我们亲自制作一个电子器件，虽然原理并不太复杂，但我们在这一个过程，了解电子应用的奇妙之处。5、做到理论联系实际。刚刚学过了数电这门课程，还没完全弄懂某些元器件的原理和用途，而此次课程设计恰恰提供了一个好机会，让我们从实践中悟出电子技术的深奥之处。参 考 文 献江晓安.2002年. 数字电子技术（第三版）.西安.西安电子科技大学出版社康华光.2000年. 电子技术基础 数字部分（第四版）. 北京：高等教育出版社. 王慧玲.2003年. 电工电子实验与实训. 北京：机械工业出版社.吴建强.2004年. 电工学新技术实践. 北京：机械工业出版社.付家才.2003年. 电工电子学习指导. 北京：化学工业出版社.王建华 吴道悌.2003年. 电工学实验. 北京：高等教育出版社.邓玉元 蒋卓勤. 2003年. Multisim 2001及其在电子设计中的应用. 西安: 西安电子科技大学出版社.