電力電子課程設(shè)計-- 數(shù)字鐘

1、<p><b>　　電子技術(shù)課程設(shè)計</b></p><p>　　題目 數(shù)字鐘 </p><p><b>　　前 言</b></p><p>　　數(shù)字鐘實際上是一個對標準頻率（1Hz）進行計數(shù)的計數(shù)電路。振蕩器產(chǎn)生的時鐘信號經(jīng)過分頻器形成秒脈沖信號，秒脈

2、沖信號輸入計數(shù)器進行計數(shù)，并把累計結(jié)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)。一般由振蕩器、分頻器、計數(shù)器、譯碼器、數(shù)碼顯示器等幾部分組成。</p><p>　　振蕩電路：主要用來產(chǎn)生時間標準信號，因為時鐘的精度主要取決于時間標準信號的頻率及穩(wěn)定度，所以采用石英晶體振蕩器。</p>

3、<p>　　分頻器：因為振蕩器產(chǎn)生的標準信號頻率很高，要是要得到“秒”信號，需一定級數(shù)的分頻器進行分頻。</p><p>　　計數(shù)器：有了“秒”信號，則可以根據(jù)60秒為1分，24小時為1天的進制，分別設(shè)定“時”、“分”、“秒”的計數(shù)器，分別為60進制，60進制,24進制計數(shù)器，并輸出一分，一小時，一天的進位信號。</p><p>　　譯碼顯示：將“時”“分”“秒”顯示出來。將計

4、數(shù)器輸入狀態(tài)，輸入到譯碼器，產(chǎn)生驅(qū)動數(shù)碼顯示器信號，呈現(xiàn)出對應(yīng)的進位數(shù)字字型。</p><p>　　由于計數(shù)的起始時間不可能與標準時間（如北京時間）一致，故需要在電路上加一個校時電路可以對分和時進行校時。另外，計時過程要具有報時功能，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>　　為了使數(shù)字鐘使用方便，在設(shè)計上使用了一個變壓器和一個整流橋來實現(xiàn)數(shù)字鐘電能的輸入

5、，使得可以方便地直接插入220V的交流電就可以正常地使用了。</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1. 設(shè)計目的...............................................................4</p><p>　　2. 設(shè)計任務(wù)....................

6、...........................................5</p><p>　　2.1設(shè)計指標.............................................................5</p><p>　　2.2設(shè)計要求......................................................

7、.......5</p><p>　　3.數(shù)字電子鐘的組成和工作原理..............................................6</p><p>　　3.1數(shù)字鐘的構(gòu)成.........................................................6</p><p>　　3.2原理分析.......

8、......................................................6</p><p>　　3.3數(shù)字點鐘的基本邏輯功能框圖...........................................6</p><p>　　4．數(shù)字鐘的電路設(shè)計.................................................

9、......7</p><p>　　4.1 電源電路的設(shè)計......................................................7</p><p>　　4.2 秒信號發(fā)生器的設(shè)計..................................................7</p><p>　　4.2.1方案.......

10、.....................................................7</p><p>　　4.2.2方案二..........................................................8</p><p>　　4.2.3兩個方案的比較................................... .....

11、.........9</p><p>　　4.3時間計數(shù)電路的設(shè)計.................................................10</p><p>　　4.4譯碼顯示電路.......................................................12</p><p>　　4.5正點報時電路的設(shè)計

12、.................................................13</p><p>　　4.6校時電路的設(shè)計.....................................................13</p><p>　　5.數(shù)字電子鐘的整體電路..............................................

13、.....14</p><p>　　6.電路的裝配與調(diào)試過程...................................................15</p><p>　　6.1電路焊接............................................................15</p><p>　　6.2調(diào)試過程...

14、.........................................................15</p><p>　　6.3 所需器件...........................................................15</p><p>　　7.收獲和體會.......................................

15、......................16</p><p>　　8.參考文獻...............................................................16</p><p><b>　　1.設(shè)計目的</b></p><p>　　使學生在學完了《電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程的基本理論，基本知識后，能夠

16、綜合運用所學理論知識、拓寬知識面，系統(tǒng)地進行電子電路的工程實踐訓練，鍛煉動手能力，培養(yǎng)工程師的基本技能，提高分析問題和解決問題的能力。</p><p>　　熟悉集成電路的引腳安排， 掌握各芯片的邏輯功能及使用方法了解面包板結(jié)構(gòu)及其接線方法，了解數(shù)字鐘的組成及工作原理。學會檢查電路的故障與排除故障的一般方法</p><p>　　學會檢查電路的故障與排除故障的一般方法，掌握虛擬設(shè)計，學會使用一

17、種電路分析軟件（EWB或PSPICES）在計算機上進行電路設(shè)計與分析的方法。</p><p><b>　　2.設(shè)計任務(wù)</b></p><p><b>　　2.1 設(shè)計指標</b></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

18、、分、秒；</p><p>　　具有手動校時、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><p>　　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><b>　　2.2設(shè)計要求&

19、lt;/b></p><p>　　小組集中查找資料，討論，確定設(shè)計方案；</p><p>　　根據(jù)選定方案確定實現(xiàn)設(shè)計要求的基本電路和擴展電路，畫出電路原理圖（或仿真電路圖）；</p><p>　　根據(jù)經(jīng)濟原則選擇元器件及參數(shù)；</p><p>　　小組進行電路焊接、調(diào)試、測試電路性能，撰寫整理設(shè)計說明書。</p><

20、;p>　　3.數(shù)字電子鐘的組成和工作原理</p><p><b>　　3.1數(shù)字鐘的構(gòu)成</b></p><p>　　數(shù)字鐘一般由振蕩器、分頻器、計數(shù)器、譯碼器、顯示器、較時電路、報時電路等部分組成，這些都是數(shù)字電路中應(yīng)用最廣的基本電路</p><p><b>　　3.2原理分析</b></p><

21、;p>　　數(shù)字鐘實際上是一個對標準頻率（1Hz）進行計數(shù)的計數(shù)電路。振蕩器產(chǎn)生的時鐘信號經(jīng)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(jié)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)。由于計數(shù)的起始時間不可能與標準時間（如北京時間）一致，故需要在電路上加一個校時電路可以對分和時進行校時。另外，計時過程

22、要具有報時功能，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>　　3.3數(shù)字點鐘的基本邏輯功能框圖</p><p>　　圖1 數(shù)字鐘的基本邏輯框圖</p><p>　　4.數(shù)字鐘的電路設(shè)計</p><p>　　下面將介紹設(shè)計電路具體方案。其中包括電源電路的設(shè)計、秒信號發(fā)生器的設(shè)計、時間計數(shù)電路的設(shè)計、譯碼驅(qū)動顯示電

23、路的設(shè)計、正點報時電路的設(shè)計、校時電路的設(shè)計幾個部分。</p><p>　　4.1 電源電路的設(shè)計</p><p>　　用一個變壓器把220V的家用交流電壓變?yōu)?V的小電壓。利用二極管單向?qū)ǖ脑?，用四個二極管構(gòu)成一個橋堆，對交流電進行半波整形，再經(jīng)過一個電容對其整形，變成供這個近似直流的電壓，但由于還有許多文波，再用一個W7805穩(wěn)壓管變成5V的穩(wěn)定直流電壓，供這個電路的使用。 (如圖

24、2) </p><p><b>　　圖2電源電路</b></p><p>　　4.2 秒信號發(fā)生器的設(shè)計</p><p>　　通過查找資料并展開討論，我們共同討論了兩個不同的秒信號發(fā)生器的設(shè)計方案。</p><p>　　4.2.1方案一 555構(gòu)成的多諧振

25、蕩器 (如圖3)</p><p>　　電容C1放電時間為：t1=R2*C1*ln2,充電時間為：t2=(R1+R2)*CI*ln2,則其振蕩頻率為f=1/(t1+t2)。選擇適當?shù)腞1、R2、C1值可使f＝1HZ。</p><p>　　圖3 555構(gòu)成的多諧振蕩器</p><p>　　4.2.2方案二 晶體振蕩分頻電路石英晶體振蕩電路</p>&l

26、t;p>　　1.采用頻率fs＝32768Hz的石英晶體。</p><p>　　D1、D2是反相器，D1用于振蕩，D2用于緩沖整形。Rf為反饋電阻（10~100MΩ），反饋電阻的作用是為CMOS反相器提供偏置，使其工作在放大狀態(tài)。C1是頻率微調(diào)電容，改變C1可對振蕩器頻率作微量調(diào)整，C1一般取5~35pF。C2是溫度特性校正用的電容，一般取20~405pF，電容C1、C2與晶體共同構(gòu)成Ⅱ型網(wǎng)絡(luò)，完成對振蕩器頻

27、率的控制，并提供必要的1800相移。最后輸出fs=32768Hz</p><p>　　圖4 石英晶體振蕩電路</p><p><b>　　多級分頻電路</b></p><p>　　將32 768Hz脈沖信號輸入到CD4060（內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4－4）組成的脈沖振蕩的14位二進制計數(shù)器，所以從最后一級Q14輸出的脈沖信號頻率為：32768/214 =

28、 32768/16384 = 2Hz (如圖6)。再經(jīng)過二次分頻，得到1Hz的標準信號脈沖，即秒脈沖如圖7。</p><p>　　圖5 CD4060內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　圖6 脈沖分頻電路</b></p><p><b>　　圖7 秒信號原理圖</b></p><p>　　4.2.3

29、兩個方案的比較</p><p>　　4.2.3.1．采用555多諧振蕩器</p><p>　　優(yōu)點：555內(nèi)部的比較器靈敏度較高，而且采用差分電路形式，它的振蕩頻率受電源電壓和溫度變化的影響很小。</p><p>　　缺點：要精確輸出1Hz脈沖，對電容和電阻的數(shù)值精度要求很高，所以輸出脈沖既不夠準確也不夠穩(wěn)定。</p><p>　　4.2.3

30、.2．采用晶體振蕩分頻電路</p><p>　　優(yōu)點：由石英晶體的阻抗頻率響應(yīng)可知，它的選頻特非常好，有一個極為穩(wěn)定的串聯(lián)諧振頻率fs，且等效品質(zhì)因數(shù)Q很高。只有頻率為fs的信號最容易通過，且其他頻率的信號均會被晶體所衰減。</p><p>　　4.2.3.3．比較結(jié)果</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

31、。</p><p>　　為了達到設(shè)計要求，獲取更高的計時精度，選用晶體振蕩器構(gòu)成振蕩器電路。一般來說，振蕩器的頻率越高，計時精度越高。 （如圖8）</p><p>　　圖8 晶體振蕩及分頻電路</p><p>　　4.3時間計數(shù)電路的設(shè)計</p><p>　　秒信號經(jīng)秒計數(shù)器、分計數(shù)器、時計數(shù)器之后，分別得到“秒”個位、十位、“分”個位、十位

32、以及“時”個位、十位的計時輸出信號，然后送至譯碼顯示電路，以便實現(xiàn)用數(shù)字顯示時、分、秒的要求。“秒”和“分”計數(shù)器應(yīng)為六十進制，而“時”計數(shù)器應(yīng)為二十四進制。采用10進制計數(shù)器74LS90來實現(xiàn)時間計數(shù)單元的計數(shù)功能，其為雙2-5-10異步計數(shù)器，并且每一計數(shù)器均有異步清零端（高電平有效）。</p><p>　　4.3.1“分”、“秒”六十進制計數(shù)器</p><p>　　選用兩塊74SL2

33、90采用異步清零的方法完成60進制。以“秒”計數(shù)為例：計秒時，將秒個位計數(shù)單元的QA與ＣＰB（下降沿有效）相連，將74SL290連接成10進制計數(shù)器，ＣＰA（下降沿有效）與１ＨZ秒輸入信號相連，QD可作為向上的進位信號與十位計數(shù)單元的ＣＰA相連。秒十位計數(shù)單元為６進制計數(shù)器，需要進制轉(zhuǎn)換。將１０進制計數(shù)器轉(zhuǎn)換為６（0110）進制計數(shù)器，當十位計數(shù)器計到QD QC QB QA為0110時，同時對秒的個位和十位進行清0，另外QC可作為

34、向上的進位信號與分個位的計數(shù)單元的ＣＰA相連。其具體連接圖如圖9ＣＰA相連。其具體連接圖如圖</p><p>　　圖9 六十進制計數(shù)器</p><p>　　4.3.2二十四進制計數(shù)器</p><p>　　同樣可以選用兩塊74SL290采用異步清零的方法完成24進制計數(shù) 如圖10</p><p>　　圖10二十四進制計數(shù)器</p>

35、<p><b>　　4.4譯碼顯示電路</b></p><p>　　譯碼顯示電路是將計數(shù)器輸出的8421 BCD碼譯成數(shù)碼管顯示所需要的高低電平，我們采用陰極七段數(shù)碼管，引腳如圖11。</p><p>　　其則譯碼電路就應(yīng)選接與它配套的共陰極七段數(shù)碼驅(qū)動器。譯碼顯示電路可采用CD4511BC-7段譯碼驅(qū)動器，其芯片引腳如圖12。譯碼器A、B、C、D與十進

36、制計數(shù)器的四個輸出端相連接，a、b、c、d、e、f、g即為驅(qū)動七段數(shù)碼顯示器的信號。根據(jù)A、B、C、D所得的計數(shù)信號，數(shù)碼管顯示的相對應(yīng)的字型。其具體電路圖如圖13。</p><p>　　圖11 陰極七段數(shù)碼管</p><p>　　圖12 芯片CD4511BC-7段譯碼驅(qū)動器引腳</p><p>　　圖13 譯碼顯示電路</p><p>　

37、　4.5正點報時電路的設(shè)計</p><p>　　要求當時間到達整點前10秒開始，蜂鳴器1秒響1秒停地響5次。即當時間達到xx時59分50秒時蜂鳴器開始響第一次，并持續(xù)一秒鐘，然后停鳴一秒，這樣響五次。在59分50秒到59分59秒之間，只有秒的個位計數(shù)，分的十位QD QC QB QA輸出0101,個位QD QC QB QA 輸出1001，秒的十位QD QC QB QA 輸出0101均不變，而秒的個位QA計數(shù)過程中輸

38、出在0和1之間轉(zhuǎn)。所以可以利用與非門的相與功能，把分十位的QC 、QA ,分個位的QD、QA，秒十位的QC、QA 和秒個位的QA相“與非”作為控制信號控制與非門的開斷，從而控制蜂鳴器的響和停。如圖14。 </p><p>　　圖14 整點報時電路</p><p>　　4.6校時電路的設(shè)計</p><p>　　時鐘出現(xiàn)誤差時，需校準

39、。校對時間總是在標準時間到來之前進行，分四個步驟：首先把小時計數(shù)器置到所需的數(shù)字；然后再將分計數(shù)器置到所需數(shù)字；在此同時或之后，將秒計數(shù)器在零時停計數(shù)，處于等待啟動；當選定的標準時刻到達的瞬間，按起動按鈕，電路則從所預(yù)置時間開始計數(shù)。由此可知，校時電路應(yīng)具有預(yù)置小時，預(yù)置分、等待啟動、計時四個階段，因此，我們設(shè)計的校時電路，方便、可靠地實現(xiàn)這四個階段所要求的功能。(如圖17)</p><p>　　5.數(shù)字電子鐘的

40、計數(shù)校正電路</p><p>　　圖17數(shù)字電子鐘的計數(shù)校正電路</p><p>　　6.電路的裝配與調(diào)試過程</p><p><b>　　6.1電路焊接</b></p><p>　　焊接時要主要布線和焊點的合理分布，盡量做到美觀。實際焊接過程中，要保證焊筆不要碰到已經(jīng)焊好的線，否則焊好的線很容易脫落。每焊接完一部分電路

41、，就立即進行調(diào)試，測試無誤后方可進心下一階段的焊接。插拔集成芯片時用力要均勻，避免芯片管腳在插拔中變彎、折斷</p><p><b>　　6.2調(diào)試過程</b></p><p>　　實際調(diào)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)主要是電路的一些接線有錯以及輸出脈沖不行。下面是我們的通電源逐級調(diào)試，逐級排除故障錯誤的調(diào)試調(diào)試過程：&l

42、t;/p><p>　　6.2.1.用萬用表測量電壓源是否穩(wěn)定輸出5V電壓。</p><p>　　6.2.2.用萬用表在CD4060的3腳測輸出電壓，如果讀數(shù)有規(guī)律地跳動，且周期為近似為0.5s，則正常。同樣，用萬用表測分頻電路的輸出信號為1s，則正常。</p><p>　　6.2.3.檢查各級計數(shù)器的工作情況。將“秒”信號直接接入計數(shù)器的CPA端，檢查“秒”計數(shù)器和“秒

43、”譯碼驅(qū)動器和顯示器的工作是否正常，計數(shù)器是否為六十進制、是否能正常進位。以同樣的方法檢查“分”“時”計數(shù)器是否計數(shù)正常。</p><p>　　6.2.4.校時電路經(jīng)分析可以工作但電路工作時校時電路的功能始終不能滿足校時要求。</p><p>　　6.2.5.整機不能進行工作，但將那塊顯示電路板接數(shù)字電子實驗箱的5V電源和脈沖發(fā)現(xiàn)電路能記數(shù)并可以進位，制作的電源和脈沖能正常工作，實驗不成功

44、。</p><p>　　6.4 實驗中所需的器材 5V電源.面包板1塊.示波器.萬用表.鑷子1把.剪刀1把.網(wǎng)絡(luò)線2米/人.共陰八段數(shù)碼管6個. CD4511集成塊6塊. CD4060集成塊1塊. 74HC390集成塊3塊. 74HC51集成塊1塊. 74HC00集成塊5塊. 74HC30集成塊1塊. 10MΩ電阻5個. 500Ω電阻14個. 30p電容2個. 32.768k時鐘晶體1個.蜂鳴器.</p&

45、gt;<p><b>　　7.收獲和體會</b></p><p>　　7.1、加強了團隊合作精神，磨練了我們的意志力。我們各人之間好好的配合，分工合作，設(shè)計過程沒有一團亂麻。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>　　7.2、加強我們對電子器件的了解。一直以來，我們都對電子器件都很感興趣，對電

46、子應(yīng)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(fù)雜，但我們在這一個過程，了解電子應(yīng)用的奇妙之處。</p><p>　　7.3、提高了我們使用電腦對電路進行仿真的能力。我們又要學會新的軟件 EWB來畫電路圖，并用它進行仿真。這又讓我們的知識增多了。</p><p>　　7.4、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(shè)計恰恰提供了

47、一個好機會，讓我們從實踐中加深了對所學知識的理解。</p><p>　　7.5、以前我們在電路實習中學習了焊接電路板，但只是學了很短的時間，此次設(shè)計給我們上再多一次機會，提高了我們的動手能力，焊接技術(shù)也有了很大提高。</p><p>　　7.6、通過撰寫說明書，掌握了畢業(yè)論文的寫作規(guī)范，我們以后撰寫畢業(yè)設(shè)計論文打下了堅定的基礎(chǔ)。</p><p>　　7.7、在此次的

48、數(shù)字鐘設(shè)計過程中,更進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. 7.8、在連接六進制,十進制,六十進制的進位及十二進制的接法中,要求熟悉邏輯電路及其芯片各引腳的功能,那么在電路出錯時便能準確地找出錯誤所在并及時糾正了. 在設(shè)計電路中,往往是先仿真后連接實物圖,但有時候仿真和電路連接并不是完全一致的,例如仿真的連接示意圖中,往往沒有接高電平的16腳或14腳以及接低電平的7腳或8腳,因此在實際的電路連接中

49、往往容易遺漏.又例如74HC390芯片,其本身就是一個十進制計數(shù)器,在仿真電路中必須連接反饋線才能正常顯示,而在實際電路中無需再連接,因此仿真圖和電路連接圖還是有一定區(qū)別的.</p><p><b>　　參 考 文 獻</b></p><p>　　1、康華光.2006年. 電子技術(shù)基礎(chǔ) 數(shù)字部分（第五版）. 北京：高等教育出版社. </p><p&