數(shù)字電子課程設(shè)計(jì)報(bào)告---多功能電子鐘

1、<p>　　數(shù)字電子課程設(shè)計(jì)報(bào)告</p><p><b>　　——多功能電子鐘</b></p><p><b>　　一、設(shè)計(jì)題目</b></p><p>　　多功能數(shù)字電子鐘的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　二、設(shè)計(jì)要求</b></p><p&g

2、t;　　1、有“時(shí)”、“ 分”、“ 秒”（23小時(shí)59分59秒）顯示且有校時(shí)功能。（設(shè)計(jì)秒脈沖發(fā)生器）；</p><p>　　2、有整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能。（選：上下午、日期、鬧鐘等）</p><p>　　3、用中規(guī)模、小規(guī)模集成電路及模擬器件實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　4、供電方式: 5V直流電源</p><p><b>　　三、設(shè)計(jì)任務(wù)&

3、lt;/b></p><p>　　1、畫出數(shù)字電子鐘的電路圖。</p><p>　　2、用EWB進(jìn)行功能仿真。</p><p>　　3、撰寫課程設(shè)計(jì)說明書</p><p>　　四、設(shè)計(jì)總體框圖和總電路圖</p><p>　　圖1 多功能數(shù)字電子鐘系統(tǒng)框圖</p><p><b>

4、　　圖2 總電路圖</b></p><p><b>　　五、設(shè)計(jì)方案及論證</b></p><p>　　主電路是由TTL集成電路功能部件和單元電路構(gòu)成。</p><p>　　本方案主要功能特點(diǎn)：</p><p>　　1、實(shí)現(xiàn)“時(shí)”、“ 分”、“ 秒”（23小時(shí)59分59秒）顯示且有校時(shí)功能；</p&g

5、t;<p>　　2、自行設(shè)計(jì)的用555定時(shí)器組成的多諧振蕩器和分頻器組合的秒脈沖發(fā)生器，可以代替1Hz方波信號(hào)源是電路正常運(yùn)作；</p><p>　　3、有星期的顯示功能，以及時(shí)鐘12/24進(jìn)制的轉(zhuǎn)換，并能同步正常進(jìn)位；</p><p>　　4、實(shí)現(xiàn)整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能。</p><p><b>　　1、振蕩器的設(shè)計(jì)</b></p&

6、gt;<p>　　振蕩器是數(shù)字電子鐘的核心部件。有以下兩種方案：</p><p>　　方案一：選用石英晶體構(gòu)成的振蕩器電路</p><p>　　石英晶體振蕩器的精度較高，由于振蕩器的穩(wěn)定度及頻率的精確度決定了數(shù)字鐘的及時(shí)的準(zhǔn)確程度，而且，通常情況下，震蕩器的頻率越高，計(jì)數(shù)精度越高，所以多數(shù)都采用石英晶體振蕩器，如：電子手表中的晶體振蕩器電路。</p><p

7、>　　方案二：555定時(shí)器構(gòu)成的振蕩器</p><p>　　555定時(shí)器構(gòu)成的晶體振蕩器的精度不比石英晶體振蕩器，不過考慮到555定時(shí)器在數(shù)字電子中有廣泛的應(yīng)用，而且本設(shè)計(jì)中不要求很高的精度，所以這里采用555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器，設(shè)置振蕩頻率為1kHz。電路圖如下：</p><p>　　圖3 555定時(shí)器接成的秒脈沖發(fā)生器</p><p>　　555定時(shí)器

8、頻率計(jì)算公式:添加公式 周期 T=1/f</p><p>　　根據(jù)公式，設(shè)置R1=R2=4.77M Ohm ，C=0.1uf 則f1Hz,T1s</p><p><b>　　2、分頻器設(shè)計(jì)</b></p><p>　　分頻器的設(shè)計(jì)目的：產(chǎn)生等間距的頻率穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)。</p><p>　　設(shè)計(jì)原理：由于由555定

9、時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器，雖然頻率達(dá)到要求，但初始時(shí)輸入信號(hào)從0V變?yōu)?/3Vcc的過程中，對(duì)555定時(shí)器來(lái)說，它的邏輯值一直是0（低電平），此期間的周期與設(shè)計(jì)的1s的周期相差較大，使得直接接入電路的秒脈沖發(fā)生器從數(shù)字2開始計(jì)時(shí)。如果提高555的振蕩頻率，則會(huì)使得首次觸發(fā)的周期和穩(wěn)定后的周期相差越來(lái)越小。如果我們?cè)陔娐分性O(shè)計(jì)分頻器，我們就需要將555定時(shí)器接成的多諧振蕩器的頻率重新設(shè)置，例如:將其輸出的頻率設(shè)置為1000Hz，那么我們就需要

10、三片74LS90級(jí)聯(lián)，并且每一片都接成是十分頻，經(jīng)過第一片74LS90后，輸出的頻率為100Hz，第二片輸出的頻率為10Hz，第三片輸出的頻率為1Hz。如果振蕩器的頻率為10Hz，那就只需要一片74LS90就可以了，然后將QD作為最后的輸出端口。</p><p>　　分頻器原理：74ls90實(shí)際上是異步二-五-十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。通過不同的連接方式，能夠?qū)崿F(xiàn)多種功能。下圖是將74ls90連成十進(jìn)制，達(dá)到十分頻的作用

11、，把555構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生的10hz信號(hào)通過十次累加進(jìn)位分為1Hz的信號(hào)，而波形的占空比沒有發(fā)生變化，使得整個(gè)脈沖電路產(chǎn)生了相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的秒脈沖信號(hào)。下圖為連接方式：</p><p>　　圖4 一片74LS90接成十分頻的分頻器</p><p>　　圖5 由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生的1hz的波形圖</p><p>　　圖6 由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器

12、產(chǎn)生的10hz的波形圖</p><p>　　圖7 接入十分頻分頻器后脈沖電路產(chǎn)生的波形圖</p><p>　　經(jīng)無(wú)數(shù)次試驗(yàn)與調(diào)試，通過微調(diào)R1，R2和C的值，得到R2=R1=4.669M Ohm,C=0.001uf,C’=0.012uf,使得周期T=1.00007s，使誤差相對(duì)較小。</p><p>　　3、時(shí)分秒計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)</p><p>

13、　　分秒計(jì)時(shí)器都是60進(jìn)制的，個(gè)位都為十進(jìn)制，十位為六進(jìn)制，當(dāng)十位為5并且個(gè)位為9的時(shí)候進(jìn)位，當(dāng)分和秒的時(shí)間都為“59”時(shí)，向小時(shí)個(gè)位進(jìn)位。</p><p>　　時(shí)計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)可以有兩種情況，一種是24小時(shí)制，另一種是12小時(shí)制。在此處采用的是24/12進(jìn)制，從“00”顯示到“23/11”。(進(jìn)制可調(diào))</p><p>　　在此處采用的是74160進(jìn)行設(shè)計(jì)：</p><

14、p>　?。?）秒鐘/分鐘計(jì)時(shí)電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　利用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74160和帶譯碼器的七段顯示數(shù)碼管組成的數(shù)字時(shí)鐘電路。根據(jù)計(jì)數(shù)器74160的真值表，利用兩片74160組成同步60進(jìn)制遞增計(jì)數(shù)器如圖： </p

15、><p>　　圖8 分秒鐘計(jì)時(shí)電路圖</p><p>　　其中個(gè)位計(jì)數(shù)器接成十進(jìn)制形式。其中選擇Qc，Qb做反饋端，經(jīng)與非門輸出控制清零端（CLR’），接成六十進(jìn)制形式。個(gè)位與十位之間采用同步級(jí)聯(lián)復(fù)位的方式，將個(gè)位計(jì)數(shù)器的進(jìn)位輸出端（RCO）接至十位計(jì)數(shù)器的進(jìn)位容許端（ENT），完成個(gè)位對(duì)十位的進(jìn)位控制。將個(gè)位計(jì)數(shù)器的RCO端和十位計(jì)數(shù)器的Qc和Qa端經(jīng)過兩個(gè)與門由Co端輸出，作為六十進(jìn)制的輸

16、出脈沖信號(hào)。當(dāng)計(jì)數(shù)器狀態(tài)為59時(shí)。Co端輸出高電平，在同步級(jí)聯(lián)方式下，容許高位計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。電路創(chuàng)建完成后，用1Hz方波信號(hào)作為脈沖源進(jìn)行仿真。</p><p>　?。?）24/12進(jìn)制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)</p><p>　　同樣利用兩個(gè)74160芯片、兩個(gè)譯碼與數(shù)碼顯示器連接成十二/二十四進(jìn)制的時(shí)計(jì)數(shù)器，通過開關(guān)[H]對(duì)小時(shí)進(jìn)行校對(duì)，開關(guān)[W]通過相應(yīng)與非門的連接控制十二進(jìn)制與二十四進(jìn)制間的切換

17、電路圖如下：</p><p>　　圖9 時(shí)鐘計(jì)時(shí)電路圖</p><p>　　選擇十位計(jì)數(shù)器的輸出端Qb和個(gè)位計(jì)數(shù)器的輸出端Qc通過與非門控制兩片計(jì)數(shù)器的清零端（CLR’），當(dāng)計(jì)數(shù)器的輸出狀態(tài)為00100100時(shí)，立即譯碼反饋清零，實(shí)現(xiàn)24進(jìn)制遞增計(jì)數(shù)；若選擇十位計(jì)數(shù)器的輸出端Qa與個(gè)位計(jì)數(shù)器的輸出端Qb經(jīng)與非門控制兩片計(jì)數(shù)器的清零端，當(dāng)計(jì)數(shù)器的輸出狀態(tài)為00010010時(shí)，立即譯碼反饋清零

18、，實(shí)現(xiàn)12進(jìn)制遞增計(jì)數(shù)。敲擊【W(wǎng)】鍵控制12/24進(jìn)制的轉(zhuǎn)換。</p><p>　　圖10 12/24進(jìn)制轉(zhuǎn)換及進(jìn)位裝置圖</p><p>　　值得注意的是：當(dāng)進(jìn)行12和24進(jìn)制轉(zhuǎn)換時(shí)，時(shí)鐘計(jì)時(shí)電路向星期計(jì)時(shí)電路的進(jìn)位將發(fā)生變化。12進(jìn)制時(shí)，應(yīng)當(dāng)跳變循環(huán)兩次（24小時(shí)為一天）進(jìn)位一次，24進(jìn)制時(shí)，跳變循環(huán)一次就進(jìn)位一次。本設(shè)計(jì)采用74160設(shè)計(jì)的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器（圖中名為222的子電路），與1

19、2進(jìn)制的進(jìn)位支路相連，因?yàn)樾瞧谑菑男瞧谝婚_始計(jì)數(shù)，所以將二進(jìn)制內(nèi)部的非門去掉，使七進(jìn)制計(jì)數(shù)器的輸入從高電平開始跳變，顯示為1、2、3、4、5、6、0。另一支路接24進(jìn)制的進(jìn)位端，用同名為【W(wǎng)】的開關(guān)控制轉(zhuǎn)換。達(dá)到了進(jìn)制與進(jìn)位的同步切換。</p><p><b>　　4、校時(shí)電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　當(dāng)電子鐘計(jì)時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí)，需要對(duì)電子鐘進(jìn)行校時(shí)，因此校時(shí)是電

20、子鐘比不可少的內(nèi)容之一。本設(shè)計(jì)是對(duì)秒鐘、分鐘、時(shí)鐘分別進(jìn)行校時(shí)，分別通過[S]、[M]、[H]開關(guān)鍵進(jìn)行控制，且互不影響。</p><p>　　本設(shè)計(jì)使用過兩種校時(shí)電路方案：</p><p>　　方案1：按照《電子設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)》（李忠波）中的設(shè)計(jì)將分和時(shí)的ENT端通過加控制開關(guān)控制CLK脈沖信號(hào)的輸入，實(shí)現(xiàn)分、時(shí)的校時(shí)。但是當(dāng)顯示數(shù)字09時(shí)，校時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤，數(shù)字的十位開始從0到1跳變。初步

21、分析原因，可能由于是同步級(jí)聯(lián)，當(dāng)出現(xiàn)數(shù)字9時(shí)開始進(jìn)位，使得十位計(jì)數(shù)器單獨(dú)跳變，呈現(xiàn)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的功能。</p><p>　　圖11 方案一校時(shí)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　方案2：在方案1的基礎(chǔ)上，將計(jì)時(shí)子電路的ENP端接高電平，使進(jìn)位從CLK中進(jìn)入，然后將開關(guān)加在CLK支路上，控制脈沖信號(hào)的有無(wú)，從而達(dá)到校時(shí)的目的。此時(shí)不會(huì)出現(xiàn)到數(shù)字09時(shí)的進(jìn)位跳變。</p><p&

22、gt;　　圖12 方案二校時(shí)電路設(shè)計(jì)</p><p><b>　　5、整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路</b></p><p>　　整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路的功能是：每當(dāng)電子鐘計(jì)時(shí)到整點(diǎn)時(shí)，小燈泡發(fā)光，并且蜂鳴器發(fā)出響聲。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，蜂鳴器要用三極管放大驅(qū)動(dòng)。</p><p>　　與門的下端接分鐘的進(jìn)位，上端接秒的進(jìn)位，即：只有當(dāng)分鐘和秒同時(shí)由59跳至00時(shí)報(bào)時(shí)。電路圖如下

23、：</p><p><b>　　圖13 整點(diǎn)報(bào)時(shí)</b></p><p><b>　　6、日期和星期設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　（1）星期的設(shè)計(jì)：</b></p><p>　　同樣使用74160進(jìn)行設(shè)計(jì)，將其接成是7進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，狀態(tài)從“0000”到“0110”

24、，其中，數(shù)字“0”代表星期日，其余的以此排序。其中的space鍵控制星期的校時(shí)。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)電路圖如下：</b></p><p><b>　　圖14 星期電路圖</b></p><p>　?。?）“日”、“月”、“年”的設(shè)計(jì)。</p><p>　　均是采用74160的設(shè)計(jì)，但設(shè)

25、置的是日期是31進(jìn)制，月份是12進(jìn)制，年是10進(jìn)制，其中日期的進(jìn)制無(wú)法與實(shí)際的相符，實(shí)際有30、28天的情況。所以沒有接入主電路，只是作為改進(jìn)的參考。</p><p><b>　　六、仿真過程與結(jié)論</b></p><p><b>　　1、秒脈沖發(fā)生器</b></p><p>　　方案一：可直接使用方波信號(hào)源</p&

26、gt;<p>　　這樣設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，輸出的直接就可設(shè)為1Hz，在仿真時(shí)，可以直接使用。在校時(shí)演示、進(jìn)位演示中，可以任意改變其頻率，方便演示。</p><p>　　方案二：使用用555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器與分頻器組成的脈沖源</p><p>　　這種設(shè)計(jì)可一將555定時(shí)器的輸出頻率設(shè)置為10Hz，然后在設(shè)計(jì)一個(gè)十分頻的分頻器，將二者連接在一起。也可以將頻率設(shè)置的更高，然后將多

27、片74LS90級(jí)聯(lián)在一起即可。仿真時(shí)的效果與方案一完全一樣。但不方便修改頻率進(jìn)行演示。</p><p>　　2、秒、分鐘、小時(shí)電路的仿真</p><p>　　秒和分顯示從“00”開始到“59”，向下一級(jí)電路進(jìn)位，在分鐘和秒均為“59”時(shí)，整點(diǎn)報(bào)時(shí)，小燈泡發(fā)光，理論上繼電器會(huì)發(fā)出響聲，但由于電腦原因沒有聽到。</p><p>　　3、日期和星期電路的仿真</p&

28、gt;<p>　　當(dāng)小時(shí)為“23”，分和秒為“59”時(shí)，向“日”個(gè)位和星期同時(shí)進(jìn)位，其中星期為7進(jìn)制，顯示為“1”~“0”，“0”代表是星期日；“日”顯示為“00”~“31”，如果當(dāng)前顯示為“31”下一次顯示為“01”。當(dāng)“日”為“31”，時(shí)間為“23時(shí)59分59秒”時(shí)向月進(jìn)位，不足之處在于沒有區(qū)分開“30”和“28”天的月份，這里需要手動(dòng)校時(shí)。當(dāng)“月”為“12”，“日”為“31”，時(shí)間為“23時(shí)59分59秒”時(shí)向年進(jìn)位。

29、</p><p><b>　　4、校時(shí)電路的仿真</b></p><p>　　如果電子表的時(shí)間有誤，可以按下響應(yīng)的開關(guān)，將其接到信號(hào)源上，并開始校時(shí)，當(dāng)達(dá)到想要的值時(shí)，再撥回開關(guān)。也可以用此來(lái)單獨(dú)檢驗(yàn)各個(gè)計(jì)數(shù)器的進(jìn)制是否正確。</p><p>　　七、仿真過程中遇到的問題及解決方案</p><p>　　問題1：555定時(shí)

30、器接成的秒脈沖發(fā)生器的作為信號(hào)源接入電路，顯示從數(shù)字“2”開始。</p><p>　　解決方案：將多諧震蕩器的頻率升高10倍，接入一個(gè)十分頻的分頻器。使得顯示數(shù)字從“0”開始。</p><p>　　問題2：電子鐘走一會(huì)就會(huì)自動(dòng)停下來(lái)</p><p>　　原因：將秒脈沖發(fā)生器和方波信號(hào)發(fā)生器放到同一ebw文件中，這樣會(huì)影響到電子鐘的運(yùn)行。</p><

31、;p>　　解決方案：將秒脈沖發(fā)生器放與方波信號(hào)源分開使用，分別放進(jìn)不同的ewb文件中。</p><p>　　問題3：方案一的校時(shí)電路出現(xiàn)錯(cuò)誤，無(wú)法設(shè)置數(shù)字09。</p><p>　　解決方案：使用方案二的校時(shí)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。</p><p>　　問題4：在全電路仿真時(shí)，時(shí)鐘校時(shí)電路和時(shí)鐘電路的進(jìn)制之間存在相互的影響。12進(jìn)制時(shí)，電路功能正常， 24進(jìn)制時(shí)，必須使

32、星期顯示從“1”開始（即先打到12進(jìn)制再立即切換為24進(jìn)制），方可對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行校準(zhǔn)。此外，星期校準(zhǔn)電路與時(shí)鐘電路之間也存在著影響。</p><p>　　改進(jìn)：可以考慮在星期的校準(zhǔn)電路里加一個(gè)非門，使脈沖信號(hào)反相輸出，從而使星期的校準(zhǔn)功能正常。目前尚未找到更有效的解決方案解決整個(gè)問題。</p><p>　　問題5：仿真過程中，軟件顯示出錯(cuò)，之后不能打開。</p><p>

33、;　　原因：可能是電腦問題，也可能是軟件問題。</p><p><b>　　八、元件清單</b></p><p><b>　　表2 元件清單</b></p><p><b>　　九、改進(jìn)方向</b></p><p>　　1、日期的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)將30天和28天的情況考慮在內(nèi)，并研究

34、設(shè)計(jì)方案。</p><p><b>　　2、設(shè)計(jì)鬧鐘電路。</b></p><p><b>　　3、設(shè)計(jì)上下午。</b></p><p>　　4、解決時(shí)鐘校時(shí)電路和時(shí)鐘電路進(jìn)制之間的相互影響問題。</p><p><b>　　十、課程設(shè)計(jì)心得</b></p>&l

35、t;p>　　在課程設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，體會(huì)最多的就是必須得細(xì)心耐心，思維要嚴(yán)密，并且要牢固的掌握所學(xué)的電子技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)。。比如在做7進(jìn)制計(jì)數(shù)器時(shí)，才發(fā)現(xiàn)所用的數(shù)碼管都有內(nèi)置的譯碼器這個(gè)問題，這說明從一開始對(duì)整個(gè)方案的設(shè)計(jì)就沒有明確思路，只是照書去做，也對(duì)電子元件的基礎(chǔ)知識(shí)沒有很好的掌握，才會(huì)犯這種低級(jí)錯(cuò)誤。</p><p>　　我們應(yīng)當(dāng)有不輕言放棄和精益求精的精神，遇到問題后積極詢問或上網(wǎng)查閱相關(guān)知識(shí)，從而大膽的

36、提出自己的想法，而如果我們真的想設(shè)計(jì)出自己的東西來(lái)，是沒有一個(gè)確切的答案和你的想法是一致的，這樣我們就必須得有很好的基礎(chǔ)知識(shí)，熟悉功能表，無(wú)論是使用自己熟悉的芯片還是要重新選擇，你都必須得先了解它最基本的功能。</p><p>　　還有一個(gè)重要的就是仿真軟件，這也是我們必須要學(xué)習(xí)的東西，對(duì)于每一個(gè)軟件的操作都有其技巧性，比如說快捷鍵，在此次設(shè)計(jì)中我開始的時(shí)候做的很慢，很多步驟都是重復(fù)的工作，浪費(fèi)了不少時(shí)間。元件的

37、分布和擺放也是有一定的學(xué)問的，設(shè)計(jì)一個(gè)電路，我們不是只要實(shí)現(xiàn)了功能就可以了，如何使電路圖美觀、便于修改，節(jié)省時(shí)間，如何使其他人可以在短時(shí)間內(nèi)看得懂，這都是需要研究的。比如我在電路圖中用了3個(gè)5v電源，就是為了使電路看起來(lái)更加清晰而不冗雜。在節(jié)省元件方面，如果是做實(shí)物的話則應(yīng)當(dāng)予以考慮。</p><p>　　最重要的是設(shè)計(jì)的周密和嚴(yán)禁程度，例如在設(shè)計(jì)日期時(shí)，我考慮的就很單一，而且在時(shí)鐘電路與星期電路之間，我只是努力

38、去實(shí)現(xiàn)正確的功能，而對(duì)電路功能的實(shí)現(xiàn)機(jī)理模棱兩可，導(dǎo)致我設(shè)計(jì)的電路存在一定的問題而難于發(fā)現(xiàn)，所以我覺得嚴(yán)密性才是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，也是我們改進(jìn)和努力的方向。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　【1】閻石主編.《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）》高等教育出版社 </p><p>　　【2】李忠波、袁宏等主編《電子技術(shù)與仿