《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)多功能數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)仿真與制作

1、武漢理工大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 題 目: 數(shù)字鐘的設(shè)計(jì) 初始條件：具備電子電路的基礎(chǔ)知識(shí)和設(shè)計(jì)能力；具備查閱資料的基本方法；熟悉常用的電子器件；熟悉電子設(shè)計(jì)常用軟件的使用；要求完成的主要任務(wù)：（包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說(shuō)明書(shū)撰寫等具體要求）1、設(shè)計(jì)基本數(shù)字鐘電路；2、數(shù)碼管顯示時(shí)分秒；3、能夠進(jìn)行時(shí)間校準(zhǔn)；4、掌握數(shù)字電路的設(shè)計(jì)及調(diào)試方法；5、撰寫符合學(xué)校要求的課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。時(shí)間安排：時(shí)間一周，其中2天原理設(shè)計(jì)，3天電路調(diào)試指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日目 錄1 proteus 軟件簡(jiǎn)介12課程設(shè)計(jì)分析12.1

2、設(shè)計(jì)要點(diǎn)12.2 工作原理13電路設(shè)計(jì)23.1 秒脈沖電路的設(shè)計(jì)與參數(shù)確定2 3.2 秒、分、時(shí)計(jì)時(shí)器電路3 3.3 譯碼顯示電路5 3.4 校時(shí)電路63.5 總電路圖84.整體電路的仿真95部分元器件的使用說(shuō)明及其引腳圖105.1 集成異步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74ls90105.2 555定時(shí)器115.3 各芯片引腳圖126元器件清單147.電路功能測(cè)試以及常見(jiàn)問(wèn)題解決本法157.1電路功能測(cè)試157.2常見(jiàn)問(wèn)題解決辦法158心得體會(huì)16參考文獻(xiàn). 17 1 proteus 軟件簡(jiǎn)介 proteus軟件是英國(guó)labcenter electronics公司出版的eda工具軟件（該軟件中國(guó)總代理為廣州風(fēng)

3、標(biāo)電子技術(shù)有限公司）。它不僅具有其它eda工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。雖然目前國(guó)內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機(jī)愛(ài)好者、從事單片機(jī)教學(xué)的教師、致力于單片機(jī)開(kāi)發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。proteus是世界上著名的eda工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到pcb設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、pcb設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，其處理器模型支持8051、hc11、pic10/12/16/18/24/30/dspic33、avr、arm、8086和m

4、sp430等，2010年即將增加cortex和dsp系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持iar、keil和mplab等多種編譯器。2課程設(shè)計(jì)分析2.1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)設(shè)計(jì)一個(gè)精確的秒脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)60進(jìn)制、24進(jìn)制計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)譯碼顯示電路設(shè)計(jì)校時(shí)電路2.2 工作原理數(shù)字電子鐘由信號(hào)發(fā)生器、計(jì)數(shù)器、譯碼器及顯示器、校時(shí)電路組成。信號(hào)發(fā)生器輸出標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖。將標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)送入秒計(jì)數(shù)器，秒計(jì)數(shù)器滿60后向分計(jì)數(shù)器進(jìn)位，分計(jì)數(shù)器滿60后向時(shí)計(jì)數(shù)器進(jìn)位，時(shí)計(jì)數(shù)器按照“24翻1”規(guī)律計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器的輸出分別經(jīng)譯碼器送顯示器顯示。計(jì)時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí)，可以用校時(shí)電路校時(shí)校分。3電路設(shè)計(jì)3.1

5、秒脈沖電路的設(shè)計(jì)與參數(shù)確定圖3.1 脈沖信號(hào)發(fā)生器本次設(shè)計(jì)采用555振蕩器構(gòu)成秒脈沖發(fā)生器。 555定時(shí)器的脈沖時(shí)間是由于rc充放電確定的。根據(jù)三要素公式： （1） 充電過(guò)程的方程式： (2) 充電時(shí)間為： (3) 放電過(guò)程的方程式： （4） 放電時(shí)間為： (5) 總時(shí)間為： （6） 頻率為： （7） 首先確定c2=100uf，r9=10k，r10=2k，需要輸出頻率f=1hz，將充放電時(shí)間算出，確定電阻rp。通過(guò)確定rp=300。且rp具有微調(diào)電路工作頻率的功能，本電路可產(chǎn)生比較精確的脈沖。3.2 秒、分、時(shí)計(jì)時(shí)器電路秒、分計(jì)數(shù)器為60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，小時(shí)計(jì)數(shù)器為24進(jìn)制計(jì)數(shù)器。實(shí)現(xiàn)這兩種模數(shù)的

6、計(jì)數(shù)器采用中規(guī)模集成計(jì)數(shù)器74ls90構(gòu)成。 60進(jìn)制計(jì)數(shù)器數(shù)字鐘的“分”和“秒”計(jì)數(shù)器均為模60的計(jì)數(shù)器，它們的個(gè)位都是十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，而十位則是六進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其計(jì)數(shù)規(guī)律為00-01-58-59-00。選用74ls90作為“分”和“秒”的個(gè)位和十位計(jì)數(shù)器，其中，十位計(jì)數(shù)器將74ls90連接成模6計(jì)數(shù)器 圖3.2 60 進(jìn) 制 計(jì) 數(shù) 器 24進(jìn)制計(jì)數(shù)器 數(shù)字鐘的“時(shí)”計(jì)數(shù)器為模24的計(jì)數(shù)器，其計(jì)數(shù)規(guī)律為00-01-22-23-00，即當(dāng)數(shù)字鐘運(yùn)行到23時(shí)59分59秒時(shí)，在下一個(gè)秒脈沖作用下，數(shù)字鐘顯示00時(shí)00分00秒。同理，m=24102,應(yīng)選用2片74ls90，將其連接成模24計(jì)數(shù)器作為“

7、時(shí)”計(jì)數(shù)器。74ls90串聯(lián)工作，計(jì)數(shù)脈沖輸入到低位計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘輸入端，而低位計(jì)數(shù)器的狀態(tài)輸出最高位連接到高一位計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘端。將計(jì)數(shù)器的狀態(tài)輸出反饋到r0端，則n反=m=（24）10=（00100100）8421因此r0（1）= r0（2）= qb2qc1，故應(yīng)將它們用與門連接起來(lái)，即得到24進(jìn)制計(jì)數(shù)器。電路圖如下:圖3.3 24 進(jìn) 制 計(jì) 數(shù) 器3.3 譯碼顯示電路74ls48有實(shí)現(xiàn)7段顯示譯碼器基本功能的輸入（dcba）和輸出（yayg）端。在燈測(cè)試輸入端（lt）和動(dòng)態(tài)滅零輸入端（rbi）都接無(wú)效電平時(shí)，輸入dcba經(jīng)7448譯碼，輸出高電平有效的7段字符顯示器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，顯示相應(yīng)字符

8、。除dcba=0000外，rbi也可以接低電平。圖3.4 譯碼顯示電路3.4 校時(shí)電路在剛接通電源或者時(shí)鐘走時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí)，則需要進(jìn)行時(shí)間的校準(zhǔn)。一般來(lái)說(shuō)，分四個(gè)步驟：首先把小時(shí)計(jì)數(shù)器置到所需的數(shù)字；然后再將分計(jì)數(shù)器置到所需數(shù)字；在此同時(shí)或之后，應(yīng)將秒計(jì)數(shù)器清零，時(shí)鐘暫停計(jì)數(shù)，處于等待啟動(dòng)階段；當(dāng)選定的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)刻到達(dá)的瞬間，按起動(dòng)按鈕，電路則從所預(yù)置時(shí)間開(kāi)始計(jì)數(shù)。由此可知，校時(shí)電路應(yīng)具有預(yù)置小時(shí)，預(yù)置分、等待啟動(dòng)、計(jì)時(shí)四個(gè)階段，因此，在設(shè)計(jì)校對(duì)電路時(shí)，應(yīng)能方便、可靠地實(shí)現(xiàn)這四個(gè)階段所要求的功能。增加校對(duì)電路并不影響時(shí)鐘的正常計(jì)時(shí)。校時(shí)電路工作原理：設(shè)計(jì)要求電路校時(shí)時(shí)，應(yīng)不影響原電路正常工作。當(dāng)單刀

9、雙擲開(kāi)關(guān)sw1撥至上端時(shí)，sr觸發(fā)器輸出為“0”，與非門u16：a和u16：b被截止，按鈕開(kāi)關(guān)1和按鈕開(kāi)關(guān)2產(chǎn)生的脈沖電平被屏蔽，此時(shí)電路能正常工作，且校時(shí)功能不起作用，此功能可用來(lái)防止因錯(cuò)誤操作而導(dǎo)致時(shí)鐘出錯(cuò)。當(dāng)sw1撥至下端時(shí)，sr觸發(fā)器輸出為“1” 與非門u16：a和u16：b打開(kāi)，在無(wú)按鈕開(kāi)關(guān)1和按鈕開(kāi)關(guān)2產(chǎn)生的脈沖電平時(shí)，非門u16：a和u16：b輸出“0”，此時(shí)電路正常工作，在按鈕開(kāi)關(guān)1或按鈕開(kāi)關(guān)2按下并松開(kāi)瞬間，u16：a和u16：b輸出“1”，經(jīng)過(guò)異或門之后，即可產(chǎn)生脈沖，即實(shí)現(xiàn)了電路的校時(shí)功能，且不影響電路正常工作。按鈕開(kāi)關(guān)1和按鈕開(kāi)關(guān)2分別控制時(shí)校時(shí)和分校時(shí)。圖3.5 校

10、正 電 路3.5總電路圖 圖3.6 總電路圖4.整體電路的仿真用proteus軟件繪制好電路圖，開(kāi)始運(yùn)行，經(jīng)過(guò)多次調(diào)試和改裝，電路終于能正常運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求所有功能。圖4.1為仿真運(yùn)行過(guò)程中顯示部分圖。 圖4.1 仿真運(yùn)行過(guò)程中顯示圖 5部分元器件的使用說(shuō)明及其引腳圖5.1集成異步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74ls90 通過(guò)不同的連接方式，74ls90可以實(shí)現(xiàn)四種不同的邏輯功能；而且還可借助r0（1）、r0（2）對(duì)計(jì)數(shù)器清零，借助s9（1）、s9（2）將計(jì)數(shù)器置9。其具體功詳述如下：（1） 計(jì)數(shù)脈沖從cp1輸入，qa作為輸出端，為二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。（2） 計(jì)數(shù)脈沖從cp2輸入，qdqlqh作為輸出端，為異步

11、五進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。（3） 若將cp2和qa相連，計(jì)數(shù)脈沖由cp1輸入，qd、qc、qb、qa作為輸出端，則構(gòu)成異步8421碼十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。（4） 若將cp1與qd相連，計(jì)數(shù)脈沖由cp2輸入，qa、qd、qc、qb作為輸出端，則構(gòu)成異步5421碼十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。（5） 清零、置9功能。a) 異步清零當(dāng)r0（1）、r0（2）均為“1”；s9（1）、s9（2）中有“0”時(shí)，實(shí)現(xiàn)異步清零功能，即qdqcqbqa=0000。b) 置9功能當(dāng)s9（1）、s9（2）均為“1”；r0（1）、r0（2）中有“0”時(shí)，實(shí)現(xiàn)置9功能，即qdqcqbqa =1001 圖5.1 74ls90引腳圖 圖5.2 74

12、ls90功能表5.2 555定時(shí)器 圖5.3 555定時(shí)器 555 定時(shí)器有兩個(gè)比較器a1和a2，有一個(gè)rs觸發(fā)器，r和s高電平有效。555定時(shí)器有兩個(gè)閾值，分別是vcc /3和2vcc /3。輸出端3腳和放電端7腳的狀態(tài)一致，輸出低電平對(duì)應(yīng)放電管飽和，在7腳外接有上拉電阻時(shí)，7腳為低電平。輸出高電平對(duì)應(yīng)放電管截止，在有上拉電阻時(shí)，7腳為高電平。輸出端狀態(tài)的改變有滯回現(xiàn)象，回差電壓為vcc /3。輸出與觸發(fā)輸入反相。5.3 各芯片引腳圖圖5.4 74ls373功能表 圖5.5 74ls373管腳圖 圖5.6 74ls85管腳圖 圖5.7 74ls85功能表圖5.8 74ls30管腳圖圖5.9

13、74ls08管腳圖 圖5.10 74ls04管腳圖6元器件清單 元器件清單表元件規(guī)格數(shù)量電阻10k10個(gè)2k1個(gè)電容0.01uf1個(gè)100uf1個(gè)電位器1k1個(gè)發(fā)光二極管1個(gè)蜂鳴器1個(gè)開(kāi)關(guān)按鍵開(kāi)關(guān)4個(gè)普通開(kāi)關(guān)1個(gè)單刀雙擲開(kāi)關(guān)3個(gè)集成電路74ls002片74ls041片74ls082片74ls301片74ls3734片74ls486片74ls854片74ls861片74ls9010片5551片數(shù)碼管7段共陰數(shù)碼管6塊7.電路功能測(cè)試以及常見(jiàn)問(wèn)題解決本法7.1電路功能測(cè)試按照設(shè)計(jì)要求，逐項(xiàng)測(cè)試電路功能1）數(shù)字鐘計(jì)數(shù)功能測(cè)試：接通電源，在秒脈沖的作用下，電路開(kāi)始計(jì)數(shù)，且時(shí)、分、秒分別為24、60、6

14、0進(jìn)制。計(jì)數(shù)功能符合設(shè)計(jì)要求。2）校時(shí)功能測(cè)試：在顯示時(shí)鐘時(shí)間時(shí)，按動(dòng)時(shí)鐘調(diào)時(shí)、時(shí)鐘調(diào)分按鈕開(kāi)關(guān)時(shí)，時(shí)、分均可以調(diào)節(jié)，且不按動(dòng)時(shí)，計(jì)數(shù)電路能正常工作，校時(shí)功能符合設(shè)計(jì)要求。7.2常見(jiàn)問(wèn)題解決辦法設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的一些常見(jiàn)問(wèn)題及其解決辦法：1）由于開(kāi)始沒(méi)有總體考慮布局，導(dǎo)致接線時(shí)太復(fù)雜，而且不美觀。改進(jìn)方法：將原來(lái)的上拉電阻改為串接在電路中。2）校驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管的其中一位不亮，說(shuō)明線路斷路，電阻壞了。改進(jìn)方法：換一個(gè)電阻。3）校驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管的其中一位一直亮，說(shuō)明接線時(shí)將該位的引腳接在電源端，接錯(cuò)了。改進(jìn)方法：將該引腳接正確。4）校驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)沒(méi)有脈沖信號(hào)，查驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)電容壞了。改進(jìn)方法：換一個(gè)電容。8

15、心得體會(huì)在此次的數(shù)字鐘設(shè)計(jì)過(guò)程中，我更進(jìn)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。做課程設(shè)計(jì)的同時(shí)也是對(duì)課本知識(shí)的鞏固和加強(qiáng)，由于課本上的知識(shí)太多，平時(shí)課間的學(xué)習(xí)并不能很好的理解和運(yùn)用各個(gè)元件的功能，而且考試內(nèi)容有限，所以在這次課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們了解了很多元件的功能，并且對(duì)于其在電路中的使用有了更多的認(rèn)識(shí)。 平時(shí)看課本時(shí)，有時(shí)問(wèn)題老是弄不懂，做完課程設(shè)計(jì)，那些問(wèn)題就迎刃而解了。而且還可以記住很多東西。比如一些芯片的功能，平時(shí)看課本，這次看了，下次就忘了，通過(guò)動(dòng)手實(shí)踐讓我們對(duì)各個(gè)元件映象深刻。認(rèn)識(shí)來(lái)源于實(shí)踐，實(shí)踐是認(rèn)識(shí)的動(dòng)力和最終目的，實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。所以這個(gè)

16、課程設(shè)計(jì)對(duì)我們的作用是非常大的。 在連接六進(jìn)制、十進(jìn)制、六十進(jìn)制的進(jìn)位及十二進(jìn)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(cuò)時(shí)便能準(zhǔn)確地找出錯(cuò)誤所在并及時(shí)糾正了。在設(shè)計(jì)電路中，往往是先仿真后連接實(shí)物圖，但有時(shí)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(méi)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(shí)際的電路連接中往往容易遺漏。又例如74ls90芯片，其本身就是一個(gè)十進(jìn)制計(jì)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(shí)際電路中無(wú)需再連接，因此仿真圖和電路連接圖還是有一定區(qū)別的。在設(shè)計(jì)電路的連接圖中出錯(cuò)的主要原因都是接線和芯片的接觸不良以及接線的錯(cuò)誤所引起的。此次的數(shù)字鐘設(shè)計(jì)重在于仿真和接線，雖然能把電路圖接出來(lái)，并能正常顯示，但對(duì)于電路本身的原理并不是十分熟悉。總的來(lái)說(shuō)，通過(guò)這次的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)更進(jìn)一步地增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的動(dòng)手能力。參考文獻(xiàn)1 趙世強(qiáng).電子電路eda技術(shù).西安電子科技大學(xué)出版社，2000.