數(shù)字鐘課程設計

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 設計目的3</b></p><p><b>　　2 設計任務3</b></p><p>　　3數(shù)字電子鐘的電路系統(tǒng)設計3</p><p>　　3.1 設計原理3</p>

2、<p>　　3.2 方案確定4</p><p>　　3.2.1 設計方案一4</p><p>　　3.2.2 設計方案二5</p><p>　　3.2.3 兩種方案的比較5</p><p>　　3.2.4 設計方案的確定6</p><p>　　3.3 數(shù)字電子鐘的電路設計6</p>

3、<p>　　3.3.1 電源電路的設計6</p><p>　　3.3.2 時間計數(shù)電路的設計7</p><p>　　3.3.3 正點報時電路的設計8</p><p>　　3.3.4 校時電路的設計9</p><p>　　3.3.5 秒信號發(fā)生器的設計9</p><p>　　3.3.6 譯碼驅動顯示電

4、路..................................................11</p><p>　　3.3.7 數(shù)字電子鐘的整體電路11</p><p>　　3.4設計電路的計算機模擬仿真與調試14</p><p>　　4 電路的裝配過程15</p><p>　　4.1電路模擬仿真調試15</p>

5、;<p>　　4.2電路焊接15</p><p>　　4.3 實物的實際調試......................................................15</p><p>　　5實驗數(shù)據(jù)和誤差分析15</p><p>　　5.1實驗數(shù)據(jù)........................................

6、....................15</p><p>　　5.2 誤差分析............................................................16</p><p>　　6 元件清單..............................................................16</p>

7、<p>　　7 課程設計的收獲、體會和建議............................................17</p><p><b>　　致謝19</b></p><p><b>　　參考文獻20</b></p><p><b>　　1 設計目的</b>&l

8、t;/p><p>　　數(shù)字鐘從原理上講是一種典型的數(shù)字電路，其中包括了組合邏輯電路和時序電路。此次設計與制作數(shù)字電子鐘的目的是讓學生在了解數(shù)字鐘的原理的前提下，運用剛剛學過的數(shù)電知識設計并制作數(shù)字鐘，而且通過數(shù)字鐘的制作進一步了解各種在制作中用到的中小規(guī)模集成電路的作用及其使用方法。由于數(shù)字電子鐘包括組合邏輯電路和時序電路，通過它可以進一步學習與掌握各種組合邏輯電路與時序電路的原理與使用方法，從而實現(xiàn)理論與實踐相結合

9、。</p><p>　　總的來說，此次課程設計，有助于學生對電子線路知識的整合和電子線路設計能力的訓練，并為后繼課程的學習和畢業(yè)設計打下一定的基礎。</p><p><b>　　2 設計任務</b></p><p>　　設計制作一個數(shù)字電子鐘</p><p><b>　　設計指標：</b></

10、p><p>　　時間計數(shù)電路采用24進制，從00開始到23后再回到00；</p><p>　　各用2位數(shù)碼管顯示時、分、秒；</p><p>　　具有自動校時、校分功能，可以分別對時及分進行單獨校時，使其校正到標準時間； </p><p>　　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1秒響1秒停地響5次。</p>&

11、lt;p>　　5．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。</p><p>　　3 數(shù)字電子鐘的電路系統(tǒng)設計</p><p>　　下面將詳細介紹整個數(shù)字電子鐘的電路系統(tǒng)設計過程。其中包括數(shù)字電子鐘的設計原理，設計方案的確定，數(shù)字電子鐘的電路設計計算機仿真，電路的設計與調試幾個設計部分。</p><p><b>　　3.1 設計原理&

12、lt;/b></p><p>　　數(shù)字電子鐘是一個對標準頻率（1HZ）進行計數(shù)的計數(shù)電路。它由振蕩器、分配器、計數(shù)器、譯碼器和顯示器電路組成。振蕩器產生的時鐘信號經過分頻器形成秒脈沖信號，秒脈沖信號輸入計數(shù)器進行計數(shù)，并把累計結果以“時”、“分”、“秒”的數(shù)字顯示出來。秒計數(shù)器電路計滿60后觸發(fā)分計數(shù)器電路，分計數(shù)器電路計滿60后觸發(fā)時計數(shù)器電路，當計滿24小時后又開始下一輪的循環(huán)計數(shù)。</p>

13、<p>　　通過校時電路可以對分和時進行校時，且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1秒響1秒停地響5次。</p><p><b>　　3.2 方案確定</b></p><p>　　通過查找資料并展開討論，共討論出兩個不同的設計方案，表面上看，似乎兩個方案都符合要求，但經過反復深究，并將兩個方案加以比較，最終確定一個既符合本設計要求又

14、具有比較強的可行性的方案作為此次設計的對象。</p><p>　　3.2.1 設計方案一</p><p>　　方案一的設計主要是由555振蕩電路， 時間計數(shù)電路，校時電路和譯碼驅動電路組成。而分頻器采用3片集成電路計數(shù)器74LS90，每片為1/10分頻，3片級聯(lián)則可獲得所需的頻率信號。而時間計數(shù)電路由74LS90組成，分為一個24進制電路和兩個60進制電路。校時電路則由開關組成。</

15、p><p>　　設計方案一的設計原理圖如圖1</p><p>　　圖1 設計方案一的設計原理圖</p><p>　　3.2.2 設計方案二</p><p>　　方案二的設計主要由晶體振蕩電路，時間計數(shù)電路，校時電路，譯碼驅動電路。其中，時間計數(shù)電路和譯碼驅動用六個CD4026 （7段顯示十進制計數(shù)/分頻器）組成。校時電路主要由 CD4027 組成

16、JK觸發(fā)器，而且加入消抖電路，達到了自動校時的效果。</p><p>　　設計方案二的設計原理圖如下</p><p>　　圖2 設計方案二的設計原理圖</p><p>　　3.2.3 兩種方案的比較</p><p>　　1、在數(shù)字電路設計中，兩種方案采用了不同的元器件，但都達到了數(shù)字時鐘功能。</p><p>　　2、

17、第一個方案采用了簡單的開關形式進行校時，而第二個方案則采用了由RS觸發(fā)器組成的具有消抖動的消抖校時電路，消除了輸入脈沖的不穩(wěn)定性，使得在校時過程中不影響計數(shù)。</p><p>　　3、第一個方案采用了74LS48的譯碼芯片，而第二個方案則采用了CD4026 （7段顯示十進制計數(shù)/分頻器），顯然，前者價格昂貴，后者經濟實惠。</p><p>　　4、第一個方案采用了555振蕩器，輸出脈沖既不

18、精確也不夠穩(wěn)定，而第二個方案則采用了晶體振蕩電路，其輸出脈沖較精確，穩(wěn)定。</p><p>　　5、第一個方案采用了3片74LS90作為分頻器，而第二個方案則采用了1片74LS74作為二級分頻器，電路較前者簡單。</p><p>　　3.2.4 設計方案的確定</p><p>　　鑒于第一種方案有比較多的局限性，而方案二則比較方便實用，再根據(jù)本次設計的具體要求與所學

19、的知識，確定方案二為本次設計采用的方案。但由于時間緊促和經費問題，故實驗過程中刪去一些擴展功能，僅實現(xiàn)基本功能</p><p>　　3.3 數(shù)字電子鐘的電路設計</p><p>　　下面將介紹第二個設計方案的設計電路。其中包括時間計數(shù)電路的設計、正點報時電路的設計、校時電路的設計、秒信號發(fā)生器的設計、譯碼驅動顯示電路的設計幾個部分。</p><p>　　3.3.1時

20、間計數(shù)電路的設計</p><p>　　時間計數(shù)電路由秒個位和秒十位計數(shù)器、分個位和分十位計數(shù)器及時個位和時十位計數(shù)器電路構成，其中秒個位和秒十位計數(shù)器、分個位和分十位計數(shù)器為60進制計數(shù)器，而根據(jù)設計要求，小時計數(shù)器為24進制計數(shù)器。</p><p>　　用6個CD4026組成兩個60進制和一個24進制計數(shù)器兼譯碼器。</p><p><b>　　圖4 6

21、0進制電路</b></p><p>　　對于上圖，74LS90芯片的引腳8、9、11、12分別對應QC、QB、QD、QA四個輸出端，而第5端和第10端分別接高電平和地，上圖已默認，就不畫出，下面的電路圖凡涉及到芯片本身就需要接高電平和地的引腳亦不畫出。</p><p>　　當分的74LS90芯片的進位輸入端11端的脈沖進位信號傳到時的脈沖輸入端時，時便計數(shù)一次，并且其十位和個位

22、的進位關系與分（秒）的十位和個位的進位關系一樣，此處不再重述。24進制電路圖如圖5。</p><p><b>　　圖5 24進制電路</b></p><p>　　3.3.4校時電路的設計</p><p>　　一般情況下，數(shù)字電子鐘開機時并不立即顯示當前時間，所以需要一個校時電路來調整以此來獲得所需要的時間。根據(jù)設計要求，采用自動實現(xiàn)對時和分的校

23、時，為了使校時不干擾計時，在校時電路中還加入了消抖電路，用于消除輸入脈沖的不穩(wěn)定性，確保校時和計時的穩(wěn)定與準確。其主要原理是：先截斷正常的計數(shù)通路，然后再將頻率為2Hz的方波信號加到需要校正的計數(shù)單元的輸入端，校正好后，再轉入正常計時狀態(tài)即可。</p><p>　　根據(jù)要求，數(shù)字鐘應具有自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。圖7所

24、示即為帶有基本RS觸發(fā)器的校時電路。</p><p><b>　　圖7 校時電路</b></p><p>　　對于上圖，與非門74LS00的U1C片中的第9端為晶體振蕩器所產生的2Hz的信號脈沖，而第U1D片的第13端則接進位信號（若為小時校正電路，則為分的進位信號，同理，分的校時電路則為秒的進位信號，當不校時的時候，計時電路將正常計數(shù)）。第U2B片的第6端則為分或者

25、小時的個位脈沖輸入端。</p><p>　　3.3.5 秒信號發(fā)生器的設計</p><p>　　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)字鐘計時的準確程度。由集成電路定時器555與RC可組成多諧振蕩器，其振蕩頻率只有1KHz。所以為了達到設計要求，獲取更高的計時精度，選用晶體振蕩器構成振蕩器電路。一般來說，振蕩器的頻率越高，計時精度越高。此次設計選用R145－32的晶體振

26、蕩器，其頻率為32768Hz，再經過分頻芯片4060BD， 其內部有15級2分頻集成電路，所以可以其中一個輸出端得到2Hz的信號脈沖。再經過二次分頻，方可得到1Hz的標準信號脈沖，即秒脈沖。至于分頻電路，實際上就是由計數(shù)器組成的，因此，還可選用3片集成電路計數(shù)器74LS90，每片為1/10分頻，3片級聯(lián)則可獲得所需的頻率信號。但為了節(jié)省芯片及開支，因此選用前者。其原理圖和電路圖分別入圖8和圖9。</p><p>

27、<b>　　圖8 秒信號原理圖</b></p><p><b>　　圖9 晶體振蕩電路</b></p><p>　　3.3.6 譯碼驅動顯示電路</p><p>　　譯碼驅動電路將計數(shù)器輸出的8421BCD碼轉換為數(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。本設計采用CD4026譯碼器和LED數(shù)碼管。

28、譯碼驅動顯示電路如圖10。</p><p>　　圖10 譯碼驅動顯示電路</p><p>　　3.3.7 數(shù)字電子鐘的整體電路</p><p>　　圖11為數(shù)字電子鐘的整體電路主模塊部分，圖12，圖13，圖14為數(shù)字電子鐘的整體電路副模塊部分。</p><p>　　圖11電路主模塊部分</p><p>　　圖12 晶

29、體振蕩電路</p><p><b>　　圖13 校時電路</b></p><p>　　圖14 正點報時電路</p><p>　　3.4 設計電路的計算機模擬仿真與調試</p><p>　　本次設計后的方案分時間計數(shù)電路、校時電路、秒信號發(fā)生器電路和譯碼驅動顯示電路等幾個模塊，設計后分別送到計算機模擬軟件EWB8.0和Mu

30、ltisim2001中進行模擬調試。此次模擬仿真調試是在實物調試前展開的，可以及時發(fā)現(xiàn)設計方案中存在的問題并進行分析與修正，方便購買器件，也為下一步的實物調試和線路板制作提供正確可行的電路模塊。</p><p>　　如晶振電路的仿真波形圖如圖16。</p><p>　　圖16 晶振電路的仿真波形圖</p><p><b>　　4 電路的裝配過程</b

31、></p><p>　　經過電路的模擬仿真調試后，進入實際組裝配置過程。其中包括電路模擬仿真調試、電路焊接和實物的實際調試三個階段。</p><p>　　4.1 電路模擬仿真調試</p><p>　　經過電路的電腦模擬仿真調試后，將芯片插入實驗室的實驗箱再一次進行調試，首先調試秒計時電路，再接著調試分計時電路，如此一步一步調試下去，一發(fā)現(xiàn)問題可以及時分析并更正

32、，并且邊調試邊焊接，節(jié)省了大量時間。</p><p><b>　　4.2 電路焊接</b></p><p>　　在實際組裝配置即焊接電路板的過程中，對于裸露在空氣中的電線或者芯片引腳，由于受氧化，表層附有一次很薄的氧化物，會導致其導電能力大大下降，因此須用砂紙擦去氧化層。每焊接完一部分電路，就立即進行調試，測試無誤后方可進心下一階段的焊接。焊接時要主要布線和焊點的合理

33、分布，盡量做到美觀。實際焊接過程中，要保證焊筆不要碰到已經焊好的線，否則焊好的線很容易脫落。</p><p>　　4.3 實物的實際調試</p><p>　　完成焊接后，即進入實物的調試階段。實際調試中出現(xiàn)了不少問題，如顯示不正常，秒計時中滿六十后不進位等等。仔細檢測后發(fā)現(xiàn)主要是電路的某些線脫落和自制電源的電壓諧波太大所致。后來還發(fā)現(xiàn)校時電路中的一個消抖電路設計出現(xiàn)錯誤，須重新設計。經過認

34、真的分析與糾錯后，最終調試成功。</p><p>　　5 實驗數(shù)據(jù)和誤差分析</p><p><b>　　5.1 實驗數(shù)據(jù)</b></p><p>　　在組裝器件完畢后，用實驗室的秒表進行測試數(shù)字鐘的精確度，測試結果如表1</p><p>　　表1 數(shù)字鐘時間與秒表時間的比較表</p><p>&

35、lt;b>　　5.2 誤差分析</b></p><p>　　從表1可看出，誤差接近于0，而且理論上，誤差本來是累積的，但實際上不然，該表的數(shù)據(jù)已顯示數(shù)字鐘走了90秒和120秒時的誤差與走了60秒的誤差并不相關聯(lián)，亦即誤差不累積。因此易得出此誤差值為人的反應時間（包括視覺反應時間和手的反應時間），并不是數(shù)字鐘本身的誤差。因此，此數(shù)字鐘的精確度相當高，滿足設計要求。</p><p

36、><b>　　6 元件清單</b></p><p>　　本次設計所用的元器件如表2所示。</p><p>　　表2 元器件清單一覽表</p><p>　　7 課程設計的收獲、體會和建議</p><p><b>　　收獲與體會：</b></p><p>　　1、加強了團隊

37、合作精神。很難想象，如果我們各人之間沒有好好的配合，設計過程將成為一團亂麻。正是由于各人做好了應該做的工作，整個過程才能一氣呵成。更為可貴的是，我們彼此鼓勵，同舟共濟地處理每個問題。這種團隊精神將是我們美好的回憶。</p><p>　　2、提高了對芯片的認識。為了在實驗室里做好測試工作，我們必須對所用到的芯片了解得一清二楚。通過查閱手冊，或者詢問老師，我們終于對芯片的引腳功能熟透，這樣不但測試起來可靠，對以后的學

38、習也是有極大的幫助。</p><p>　　3、加強了對元件市場的了解。為了得到我們需要的元件，我們要親自去電子城購買元件，看到電子應用繁榮的一面，我們對電子方面的知識更有興趣了。</p><p>　　4、磨練了我們的意志力。我們花了很多心血來做這個課程設計，但凡事不是一帆風順的，我們遇到了許多困難。有些困難甚至看進來難于解決，確實也是打擊了我們的信心。但我們毫不氣餒，認真地檢查電路，檢查焊

39、接的好壞。例如在做電源這一部分時，我們不斷地修正方案，示波器也顯示出了很完美的波形，但還是無法讓電路正常運行。在我們無比失望之際，我們沒有放棄，最后找出問題的根本，換了兩個大電容，達到了消除電壓諧波，終于解決這大問題。</p><p>　　5、提高了我們使用電腦對電路進行仿真的能力。在這之前，我們用電腦軟件完成了自動控制的課程設計。同樣地，我們又要學會新的軟件Multisim和EWB8.0來畫電路圖，并用它進行仿

40、真。這又讓我們的知識增多了。</p><p>　　6、加強我們對電子器件的了解。一直以來，我們都對電路板感到神奇，對電子應用感到好奇。這次我們親自制作一個電子器件，雖然原理并不太復雜，但我們在這一個過程，了解電子應用的奇妙之處。</p><p>　　7、加深了“項目”這一詞匯的理解。明白這類似這樣的一個設計，我們其實可以把它當成一個項目工程來看待。我們的小組長起著協(xié)調組內成員工作的作用，而

41、每個成員也非常配合他的安排，這就是一個項目管理的小例。</p><p>　　8、做到理論聯(lián)系實際。剛剛學過了數(shù)電這門課程，還沒完全弄懂某些元器件的原理和用途，而此次課程設計恰恰提供了一個好機會，讓我們從實踐中悟出電子技術的深奧之處。</p><p>　　9、由于我們這一小組的所有成員都未曾焊過電路板，所以此次設計給我們上了一課，雖然焊得不是很好，但是提高了我們的動手能力，也為我們以后做畢業(yè)

42、設計打下了堅定的基礎。</p><p><b>　　建議：</b></p><p>　　1、建議不定期檢修實驗室的實驗箱等儀器。因為在焊接前，我們到實驗室進行模擬調試，由些電路是正確的，但由于實驗箱出現(xiàn)故障，影響調試進度。</p><p>　　2、建議多提供一些課題，讓我們有更多的選擇空間。</p><p>　　3、建議

43、實驗室開放的時間長一些，這樣好讓我們有更充裕的時間進行電路的調試。</p><p>　　4、建議指導老師指導我們怎樣購買器件等細節(jié)。因為據(jù)了解，有些小組的單單買器件就跑了好幾趟，不是忘記買這個元器件就是忘了買那個，而且很多元器件價格昂貴，或者型號不對。有了老師的指導，我們在購買器件時就得心應手了。 </p><p><b>　　參 考 文 獻</b></p>

44、;<p>　　康華光.2000年. 電子技術基礎 數(shù)字部分（第四版）. 北京：高等教育出版社. </p><p>　　王慧玲.2003年. 電工電子實驗與實訓. 北京：機械工業(yè)出版社.</p><p>　　吳建強.2004年. 電工學新技術實踐. 北京：機械工業(yè)出版社.</p><p>　　付家才.2003年. 電工電子學習指導. 北京：化學工業(yè)出版社