電子線路綜合設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)數(shù)字電子鐘的設(shè)計(jì)

1、華 南 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué)電子線路綜合設(shè)計(jì)（數(shù)字電子鐘的設(shè)計(jì)）1 設(shè)計(jì)目的訓(xùn)練學(xué)生綜合地運(yùn)用所學(xué)的 數(shù)字邏輯的基本知識(shí)，包括熟悉集成電路的引腳安排、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，通過(guò)使用multisim仿真技術(shù)，獨(dú)立完整地設(shè)計(jì)一定功能的電子電路，以及仿真和調(diào)試等的綜合能力。2 設(shè)計(jì)任務(wù)2.1設(shè)計(jì)指標(biāo)（1）時(shí)間以24小時(shí)為一個(gè)周期；（2）顯示時(shí)、分、秒、星期；（3）有校時(shí)功能，可以分別對(duì)時(shí)及分進(jìn)行單獨(dú)校時(shí)，使其校正到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間；（4）計(jì)時(shí)過(guò)程具有報(bào)時(shí)功能，當(dāng)時(shí)間到達(dá)整點(diǎn)前10秒每2秒進(jìn)行一次蜂鳴報(bào)時(shí)；（5）為了保證計(jì)時(shí)的穩(wěn)定及準(zhǔn)確須由晶體振蕩器提供表針時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)。2.2設(shè)計(jì)

2、要求（1）畫(huà)出電路原理圖（或仿真電路圖）；（2）元器件及參數(shù)選擇；（3）電路仿真與調(diào)試；2.3制作要求自行裝配和調(diào)試，并能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題。2.4編寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告寫(xiě)出設(shè)計(jì)與制作的全過(guò)程，附上有關(guān)資料和圖紙，有心得體會(huì)。3 數(shù)字鐘的系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1數(shù)字鐘的構(gòu)成數(shù)字鐘實(shí)際上是一個(gè)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率（1hz）進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)電路。由于計(jì)數(shù)的起始時(shí)間不可能與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間（如北京時(shí)間）一致，故需要在電路上加一個(gè)校時(shí)電路，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)的1hz時(shí)間信號(hào)必須做到準(zhǔn)確穩(wěn)定。通常使用石英晶體振蕩器電路構(gòu)成數(shù)字鐘。圖 1所示為數(shù)字鐘的一般構(gòu)成框圖。圖1 數(shù)字鐘的組成框圖3.1.1晶體振蕩器電路晶體振蕩器電路給數(shù)字鐘提供一個(gè)頻率穩(wěn)定準(zhǔn)確的

3、32768z的方波信號(hào)，可保證數(shù)字鐘的走時(shí)準(zhǔn)確及穩(wěn)定。不管是指針式的電子鐘還是數(shù)字顯示的電子鐘都使用了晶體振蕩器電路。3.1.2分頻器電路分頻器電路將32768z的高頻方波信號(hào)經(jīng)32768（）次分頻后得到1hz的方波信號(hào)供秒計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。分頻器實(shí)際上也就是計(jì)數(shù)器。3.1.3時(shí)間計(jì)數(shù)器電路時(shí)間計(jì)數(shù)電路由秒個(gè)位和秒十位計(jì)數(shù)器、分個(gè)位和分十位計(jì)數(shù)器及時(shí)個(gè)位和時(shí)十位計(jì)數(shù)器電路構(gòu)成，其中秒個(gè)位和秒十位計(jì)數(shù)器、分個(gè)位和分十位計(jì)數(shù)器為60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，而根據(jù)設(shè)計(jì)要求，時(shí)個(gè)位和時(shí)十位計(jì)數(shù)器為12進(jìn)制計(jì)數(shù)器。3.1.4譯碼驅(qū)動(dòng)電路譯碼驅(qū)動(dòng)電路將計(jì)數(shù)器輸出的8421bcd碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管需要的邏輯狀態(tài)，并且為保證數(shù)

4、碼管正常工作提供足夠的工作電流。3.1.5數(shù)碼管數(shù)碼管通常有發(fā)光二極管（led）數(shù)碼管和液晶（lcd）數(shù)碼管，本設(shè)計(jì)提供的為數(shù)碼管。3.2設(shè)計(jì)方案確定針對(duì)課程設(shè)計(jì)要求，我們通過(guò)查找資料，網(wǎng)上搜索，理論計(jì)算等途徑得到兩個(gè)方案，考慮到可能遭遇沒(méi)有對(duì)應(yīng)器件等問(wèn)題，所以我們放棄了選用74ls390作為計(jì)數(shù)器的第二方案，選擇了以74ls90代替的方案，詳細(xì)介紹見(jiàn)3.3數(shù)字鐘的工作原理。3.3數(shù)字鐘的工作原理3.3.1晶體振蕩器電路晶體振蕩器是構(gòu)成數(shù)字式時(shí)鐘的核心，它保證了時(shí)鐘的走時(shí)準(zhǔn)確及穩(wěn)定。圖2所示電路通過(guò)非門(mén)構(gòu)成的輸出為方波的數(shù)字式晶體振蕩電路，這個(gè)電路中，非門(mén)與晶體、電容和電阻構(gòu)成晶體振蕩器電路，

5、實(shí)現(xiàn)整形功能，將振蕩器輸出的近似于正弦波的波形轉(zhuǎn)換為較理想的方波。輸出反饋電 阻為非門(mén)提供偏置，使電路工作于放大區(qū)域，即非門(mén)的功能近似于一個(gè)高增益的反相放大器。電容、與晶體構(gòu)成一個(gè)諧振型網(wǎng)絡(luò)，完成對(duì)振蕩頻率的控制功能，同時(shí)提供了一個(gè)度相移，從而和非門(mén)構(gòu)成一個(gè)正反饋網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了振蕩器的功能。由于晶體具有較高的頻率穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性，從而保證了輸出頻率的穩(wěn)定和準(zhǔn)確。晶體xtal的頻率選為32768hz。該元件專(zhuān)為數(shù)字鐘電路而設(shè)計(jì)，其頻率較低，有利于減少分頻器級(jí)數(shù)。從有關(guān)手冊(cè)中，可查得c1、c2均為30pf。當(dāng)要求頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度更高時(shí)，還可接入校正電容并采取溫度補(bǔ)償措施。由于cmos電路的輸入阻抗極

6、高，因此反饋電阻r1可選為10m。較高的反饋電阻有利于提高振蕩頻率的穩(wěn)定性。非門(mén)電路選74ls04。圖2 coms晶體振蕩器3.3.2分頻器電路通常，數(shù)字鐘的晶體振蕩器輸出頻率較高，為了得到z的秒信號(hào)輸入，需要對(duì)振蕩器的輸出信號(hào)進(jìn)行分頻。通常實(shí)現(xiàn)分頻器的電路是計(jì)數(shù)器電路，一般采用多級(jí)進(jìn)制計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，將z的振蕩信號(hào)分頻為z的分頻倍數(shù)為（15），即實(shí)現(xiàn)該分頻功能的計(jì)數(shù)器相當(dāng)于極進(jìn)制計(jì)數(shù)器。常用的進(jìn)制計(jì)數(shù)器有等。本實(shí)驗(yàn)中采用cd4060來(lái)構(gòu)成分頻電路。cd4060在數(shù)字集成電路中可實(shí)現(xiàn)的分頻次數(shù)最高，而且cd4060還包含振蕩電路所需的非門(mén)，使用更為方便。cd4060計(jì)數(shù)為級(jí)進(jìn)制計(jì)數(shù)器，可以

7、將hz的信號(hào)分頻為hz，其，的時(shí)鐘輸入端兩個(gè)串接的非門(mén)，因此可以直接實(shí)現(xiàn)振蕩和分頻的功能。3.3.3時(shí)間計(jì)數(shù)單元時(shí)間計(jì)數(shù)單元有時(shí)計(jì)數(shù)、分計(jì)數(shù)和秒計(jì)數(shù)等幾個(gè)部分。時(shí)計(jì)數(shù)單元一般為進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器，其輸出為兩位8421bcd碼形式；分計(jì)數(shù)和秒計(jì)數(shù)單元為進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其輸出也為8421bcd碼。一般采用10進(jìn)制計(jì)數(shù)器74ls90來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間計(jì)數(shù)單元的計(jì)數(shù)功能。為減少器件使用數(shù)量，可選74ls90。該器件為雙異步計(jì)數(shù)器，并且每一計(jì)數(shù)器均提供一個(gè)異步清零端（高電平有效）。秒個(gè)位計(jì)數(shù)單元為進(jìn)制計(jì)數(shù)器，無(wú)需進(jìn)制轉(zhuǎn)換，只需將與（下降沿有效）相連即可。（下降沒(méi)效）與z秒輸入信號(hào)相連，可作為向上的進(jìn)位信號(hào)與十位計(jì)數(shù)單

8、元的相連。秒十位計(jì)數(shù)單元為進(jìn)制計(jì)數(shù)器，需要進(jìn)制轉(zhuǎn)換。將進(jìn)制計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)換為進(jìn)制計(jì)數(shù)器，可作為向上的進(jìn)位信號(hào)與分個(gè)位的計(jì)數(shù)單元的相連。3.3.4譯碼驅(qū)動(dòng)及顯示單元計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)了對(duì)時(shí)間的累計(jì)以8421bcd碼形式輸出，選用顯示譯碼電路將計(jì)數(shù)器的輸出數(shù)碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼顯示器件所需要的輸出邏輯和一定的電流，選用cd4511作為顯示譯碼電路，選用led數(shù)碼管作為顯示單元電路。3.3.5校時(shí)電源電路當(dāng)重新接通電源或走時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí)都需要對(duì)時(shí)間進(jìn)行校正。通常，校正時(shí)間的方法是：首先截?cái)嗾５挠?jì)數(shù)通路，然后再進(jìn)行人工出觸發(fā)計(jì)數(shù)或?qū)㈩l率較高的方波信號(hào)加到需要校正的計(jì)數(shù)單元的輸入端，校正好后，再轉(zhuǎn)入正常計(jì)時(shí)狀態(tài)即可。根據(jù)要求

9、，數(shù)字鐘應(yīng)具有分校正和時(shí)校正功能，因此，應(yīng)截?cái)喾謧€(gè)位和時(shí)個(gè)位的直接計(jì)數(shù)通路，并采用正常計(jì)時(shí)信號(hào)與校正信號(hào)可以隨時(shí)切換的電路接入其中。圖3所示即為帶有基本rs觸發(fā)器的校時(shí)電路，圖3 帶有消抖動(dòng)電路的校正電路3.3.6整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路一般時(shí)鐘都應(yīng)具備整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路功能，即在時(shí)間出現(xiàn)整點(diǎn)前數(shù)秒內(nèi)，數(shù)字鐘會(huì)自動(dòng)報(bào)時(shí)，以示提醒。其作用方式是發(fā)出連續(xù)的或有節(jié)奏的音頻聲波，較復(fù)雜的也可以是實(shí)時(shí)語(yǔ)音提示。根據(jù)要求，電路應(yīng)在整點(diǎn)前10秒鐘內(nèi)開(kāi)始整點(diǎn)報(bào)時(shí)，每2秒響一次蜂鳴，即當(dāng)時(shí)間在59分50秒到59分59秒期間時(shí)，報(bào)時(shí)電路報(bào)時(shí)控制信號(hào)。報(bào)時(shí)電路選74ls30，選蜂鳴器為電聲器件。4 數(shù)字鐘的裝配過(guò)程圖4 六十進(jìn)制電路

10、利用兩個(gè)六十進(jìn)制的電路合成一個(gè)雙六十進(jìn)制電路，兩個(gè)六十進(jìn)制之間有進(jìn)位，見(jiàn)圖5。圖5 雙六十進(jìn)制電路圖6 雙六十進(jìn)制電路顯示星期的功能利用一個(gè)led數(shù)碼管，一塊hc4511，一塊74ls390，一塊74ls00連接成一個(gè)七進(jìn)制計(jì)數(shù)器，電路在晶振的作用下數(shù)碼管顯示1,2,3,4,5,6，日。電路見(jiàn)圖6 圖12 七功能擴(kuò)展利用cd4060、電阻及晶振連接成一個(gè)分頻晶振電路，見(jiàn)附圖7。圖7 分頻晶振電路 利用74ls30和蜂鳴器連接成整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路。見(jiàn)圖8。圖8 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路5 系統(tǒng)調(diào)試與誤差分析5.1系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程5.1.1故障一 組裝完成后，發(fā)現(xiàn)電子鐘秒表計(jì)數(shù)到05后，06無(wú)法正常顯示，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致時(shí)

11、分秒都計(jì)數(shù)混亂。但是拆除時(shí)和分的數(shù)碼管后，秒表可以正常計(jì)數(shù)；分別拆除時(shí)和秒或者分和秒后，分或時(shí)也可以正常計(jì)數(shù)。經(jīng)檢測(cè)分析，是由于各數(shù)碼管均未接電阻，導(dǎo)致數(shù)碼管電壓過(guò)高，相互之間產(chǎn)生影響所以導(dǎo)致了計(jì)數(shù)混亂。在數(shù)碼管接地引腳與地線之間接上電阻后問(wèn)題可以解決。5.1.2故障二接上蜂蜜器后，無(wú)法在50秒后開(kāi)始報(bào)時(shí)，檢查后發(fā)現(xiàn)是由于74ls30的引腳未與秒表的74ls90的輸出引腳對(duì)應(yīng)好。5.1.3故障三在校時(shí)校分電路接上去都開(kāi)關(guān)后發(fā)現(xiàn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)去抖功能。研究電路圖后發(fā)現(xiàn)，我們把開(kāi)關(guān)接成了單刀單擲開(kāi)關(guān)，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)按下后，去抖電路的r與s端同時(shí)接地，去抖功能喪失。修改方法為把開(kāi)關(guān)接成單刀雙擲開(kāi)關(guān)，在開(kāi)關(guān)閉合或

12、者斷開(kāi)時(shí)，r與s始終只有一端接地，由此實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的去抖功能。5.1.4故障四 在用eda進(jìn)行電路仿真時(shí)，晶振電路連接沒(méi)有錯(cuò)誤，卻無(wú)法產(chǎn)生脈沖，另一方面實(shí)物連接時(shí)可以產(chǎn)生要求的脈沖信號(hào)。查閱資料后發(fā)現(xiàn)，是由于該軟件不支持晶振電路的模擬。5.2誤差分析實(shí)際時(shí)間(s)測(cè)試時(shí)間(s)相對(duì)誤差絕對(duì)誤差(s)1010.11%0.12019.71.5%0.33029.80.67%0.24040.10.25%0.15050.00.0%0.06059.90.167%0.1測(cè)試手段：秒表誤差原因：我們用的是秒表測(cè)試，測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)誤差的原因有多種,以上誤差原因主要集中在測(cè)試手段不夠精確，人工計(jì)時(shí)的反應(yīng)時(shí)間等。就測(cè)試結(jié)

13、果而言，我們?cè)O(shè)計(jì)的數(shù)字電子鐘符合要求，計(jì)時(shí)準(zhǔn)確，基本功能全部實(shí)現(xiàn)。6 設(shè)計(jì)總結(jié)6.1設(shè)計(jì)體會(huì) 在這次數(shù)字電子鐘的設(shè)計(jì)組裝過(guò)程中，我們對(duì)各主要芯片有了進(jìn)一步的了解，包括其功能和相應(yīng)的連接方法。 雖然設(shè)計(jì)的電路比較簡(jiǎn)單，但要求我們對(duì)每一條連線都有深入的認(rèn)識(shí)，包括七進(jìn)制、六進(jìn)制、十進(jìn)制、十二進(jìn)制、去抖開(kāi)關(guān)等，這樣才能在連接錯(cuò)誤的情況下快速的找到出錯(cuò)原因并及時(shí)糾正，也正因?yàn)槿绱?，我們整個(gè)連接過(guò)程都十分順利，極少出現(xiàn)嚴(yán)重的錯(cuò)誤。 6.2對(duì)該設(shè)計(jì)的建議這次數(shù)字電子鐘的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在與仿真和接線，由于我們加上了星期的拓展功能，所用芯片和線較多，焊接復(fù)雜容易出錯(cuò)。因此在做這類(lèi)課程設(shè)計(jì)的時(shí)候一定要分工明確，而且對(duì)電路圖深入把握，這樣才能快速準(zhǔn)確的展現(xiàn)出器件應(yīng)有的功能！7附錄7.1實(shí)驗(yàn)中用到的器材元器件數(shù)量面