數(shù)電課程設(shè)計(jì)報(bào)告多功能數(shù)字鐘電路設(shè)計(jì)與制作

1、 多功能數(shù)字鐘電路設(shè)計(jì)與制作課程設(shè)計(jì)報(bào)告班 級(jí)： 建筑設(shè)施智能技術(shù)二班姓 名： * 學(xué) 號(hào)： * 指導(dǎo)教師： * 2010年 11月 19日目 錄一、 內(nèi)容摘要3二、 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求3三、 總設(shè)計(jì)原理3四、 單元電路的設(shè)計(jì)61、 基于ne555的秒方波發(fā)生器的設(shè)計(jì)52、 基于74ls160的1260進(jìn)制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)73、 校時(shí)電路的設(shè)計(jì)9五、 設(shè)計(jì)總電路圖10六、 主要儀器及其使用方法10七、 設(shè)計(jì)過程中的問題及解決方案10八、 心得體會(huì)12九、 附錄13多功能數(shù)字鐘的電路設(shè)計(jì)與制作一、內(nèi)容摘要：數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)的裝置，與機(jī)械式時(shí)鐘相比具有更高的準(zhǔn)確性和直觀性，且無

2、機(jī)械裝置，具有更更長的使用壽命，因此得到了廣泛的使用。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(shí)序電路。它可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字電子時(shí)鐘功能、仿電臺(tái)整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能、定時(shí)功能這三項(xiàng)基本功能。二、設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求： 基本功能：以數(shù)字形式顯示時(shí)、分、秒的時(shí)間，小時(shí)計(jì)數(shù)器的計(jì)時(shí)要求為“12翻1”，并要求能手動(dòng)快校時(shí)、快校分或慢校時(shí)、慢校分。擴(kuò)展功能：定時(shí)控制，其時(shí)間自定；仿廣播電臺(tái)正點(diǎn)報(bào)時(shí)自動(dòng)報(bào)正點(diǎn)時(shí)數(shù)。三、總設(shè)計(jì)原理：時(shí)顯示器分顯示器秒顯示器時(shí)譯碼器分譯碼器秒譯碼器時(shí)計(jì)數(shù)器分計(jì)數(shù)器秒計(jì)數(shù)器校時(shí)電路振蕩器分頻器定時(shí)控制仿電臺(tái)報(bào)時(shí)整點(diǎn)報(bào)時(shí)主體部分?jǐn)U展 部分（1）數(shù)字電子計(jì)時(shí)器組成原理 圖1數(shù)字電

3、子計(jì)時(shí)器的結(jié)構(gòu)框圖（2）用74ls160實(shí)現(xiàn)12進(jìn)制計(jì)數(shù)器clkd0 d1 d2 d3clketepq0 q1 q2 q3cldrd74ls160d0 d1 d2 d3clketepq0 q1 q2 q3cldrd74ls160111圖2 用整體置零法構(gòu)成的12進(jìn)制計(jì)數(shù)器（3）校時(shí)電路當(dāng)剛接通電源或時(shí)鐘走時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí)，都需要進(jìn)行時(shí)間的校準(zhǔn)。校時(shí)是數(shù)字鐘應(yīng)具有的基本功能，一般電子鐘都有時(shí)、分、秒校時(shí)功能。為使電路簡單，這里只進(jìn)行分和小時(shí)的校準(zhǔn)。校時(shí)可采用快校時(shí)和慢校時(shí)兩種方式。校時(shí)脈沖采用秒脈沖，則為快校時(shí)；如果校時(shí)脈沖由單次脈沖產(chǎn)生器提供則為慢校時(shí)。圖3中c1、 c2用于消除抖動(dòng)。至?xí)r個(gè)位計(jì)數(shù)

4、器至分個(gè)位計(jì)數(shù)器分十位進(jìn)位脈沖秒十位進(jìn)位脈沖3.3kw3.3kwc2 s2c1 s1c1=c2=0.01mf+5v校時(shí)脈沖 圖3 校時(shí)電路4、時(shí)基電路 圖4 由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器5、定時(shí)控制電路數(shù)字鐘在指定的時(shí)刻發(fā)出信號(hào)，或驅(qū)動(dòng)音響電路“鬧時(shí)”，或?qū)δ逞b置進(jìn)行控制，都要求時(shí)間準(zhǔn)確，即信號(hào)的開始時(shí)刻與持續(xù)時(shí)間必須滿足規(guī)定的要求。例如，要求上午7點(diǎn)59分發(fā)出鬧時(shí)信號(hào)，持續(xù)時(shí)間為1分鐘。7時(shí)59分對(duì)應(yīng)數(shù)字鐘的時(shí)計(jì)數(shù)器的狀態(tài)為（q3q2q1q0）h1=0111，分十位計(jì)數(shù)器的狀態(tài)為（q3q2q1q0）m2=0101，分個(gè)位計(jì)數(shù)器的狀態(tài)為（q3q2q1q0）m1=1001。若將上述計(jì)數(shù)器輸出為

5、“1”的所有輸出端經(jīng)過與門電路去控制音響電路可以使音響電路正好在7點(diǎn)59分響，且持續(xù)時(shí)間1分鐘停響。所以鬧時(shí)控制信號(hào)y的表達(dá)式為：y=（q2q1q0）h1（q2q0）m2（q3q0）m1如果用與非門和集電極開路門電路實(shí)現(xiàn)，上式可改寫為：+5vq0q2q0分十位q3q0分個(gè)位1ky時(shí)十位q1q2 圖5 定時(shí)控制電路6、仿電臺(tái)正點(diǎn)報(bào)時(shí)電路仿電臺(tái)正點(diǎn)報(bào)時(shí)電路的功能要求是：每當(dāng)數(shù)字鐘計(jì)時(shí)快要到正點(diǎn)時(shí)發(fā)出聲響，通常按照4低音1高音的順序發(fā)出聲響，以最后一聲高音結(jié)束的時(shí)刻為正點(diǎn)時(shí)刻。設(shè)4聲低音（約500hz）分別發(fā)生在59分51秒、53秒、55秒及57秒，最后一聲高音（約1khz）發(fā)生在59分59秒，它們

6、的持續(xù)時(shí)間為1秒。根據(jù)以上設(shè)定可得到電臺(tái)正點(diǎn)報(bào)時(shí)時(shí)的分十位狀態(tài)q2m2q0m2=11（0101），分個(gè)位的狀態(tài)為q3m1q0m1=11（1001），秒十位狀態(tài)為q2s2q0s2=11（0101），秒個(gè)位的狀態(tài)為q0s1=1（1、3、5、7、9）。而發(fā)低音還是高音只與秒個(gè)位有關(guān)，根據(jù)設(shè)定可列表如表1所示：由表中的狀態(tài)可總結(jié)出如下結(jié)論：秒個(gè)位的第三位q3s1可用來作為鳴低音或高音的控制信號(hào)，即q3s1=0時(shí)，輸入500hz的低頻信號(hào)至音響電路q3s1=1時(shí)，輸入1khz的高頻信號(hào)至音響電路。表1 正點(diǎn)報(bào)時(shí)狀態(tài)功能表cp（秒）q3s1 q2s1 q1s1 q0s1功能cp(秒)q3s1 q2s1 q

7、1s1 q0s1功能500 0 0 0560 1 1 0停510 0 0 1鳴低音570 1 1 1鳴低音520 0 1 0停581 0 0 0停530 0 1 1鳴低音591 0 0 1鳴高音540 1 0 0停000 0 0 0停550 1 0 1鳴低音三、單元電路的設(shè)計(jì)：1、基于ne555的秒方波發(fā)生器的設(shè)計(jì)用ne555芯片以及外圍電路搭建成一個(gè)多諧振蕩器，通過設(shè)計(jì)外圍電路的參數(shù)輸出方波頻率為1hz，故稱為秒方波發(fā)生器。由于脈沖的占空比對(duì)系統(tǒng)的影響不大，故把占空比設(shè)計(jì)為1/3。輸出方波用作計(jì)數(shù)器及d觸發(fā)器的clk信號(hào)。ne555定時(shí)器引腳圖如圖1所示，脈沖頻率公式：f=1（r1+2r2）

8、c2選擇r1=47k，r2=47k，rv1=2k，c=10f，形成電路圖如圖2所示：圖6圖7秒脈沖發(fā)生器（2）基于74ls160的1260進(jìn)制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)a、數(shù)字鐘的秒和分位都是從0到60循環(huán)計(jì)數(shù)的，所以可以用用異步清零法設(shè)計(jì)60進(jìn)制計(jì)數(shù)器作為秒和分的計(jì)數(shù)器。具體電路圖如下 圖8 74ls160引腳圖 圖9采用異步清零法設(shè)計(jì)60進(jìn)制計(jì)數(shù)器圖10采用同步置數(shù)法設(shè)計(jì)12進(jìn)制計(jì)數(shù)器（3）校時(shí)電路的設(shè)計(jì)當(dāng)剛接通電源或時(shí)鐘走時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí)，都需要進(jìn)行時(shí)間的校準(zhǔn)。校時(shí)是數(shù)字鐘應(yīng)具有的基本功能，一般電子鐘都有時(shí)、分、秒校時(shí)功能。為使電路簡單，這里只進(jìn)行分和小時(shí)的校準(zhǔn)。校時(shí)可采用快校時(shí)和慢校時(shí)兩種方式。校時(shí)脈沖

9、采用秒脈沖，則為快校時(shí)；如果校時(shí)脈沖由單次脈沖產(chǎn)生器提供則為慢校時(shí)。圖3中c1、 c2用于消除抖動(dòng)。當(dāng)按鈕一直按下的時(shí)候，輸入的時(shí)鐘脈沖可以一直通過與非門組成的邏輯電路輸出，將輸出接到計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖上就可以實(shí)現(xiàn)快校時(shí)。 圖11 校時(shí)電路四、總電路設(shè)計(jì)圖圖12 總電路圖五、主要儀器及其使用方法主要儀器有：穩(wěn)定電源，剝線鉗，數(shù)字萬用表，數(shù)字通用版，電烙鐵，鑷子等。其中穩(wěn)定電源由函數(shù)信號(hào)發(fā)生器提供。使用電烙鐵時(shí)注意不要手直接觸摸。六、設(shè)計(jì)過程中的問題及解決方案1、仿真軟件：本實(shí)驗(yàn)選用multisim軟件以及protues軟件相互輔助完成軟件進(jìn)行仿真。 （1）合理選用芯片以及電阻電容multisim

10、軟件中的芯片以及電阻電容等各種器件豐富，但是實(shí)驗(yàn)室不一定有仿真圖中使用過的元器件，所以設(shè)計(jì)電路時(shí)要考慮實(shí)驗(yàn)室是否有這些元器件。（2）總體仿真結(jié)果不對(duì)時(shí)，針對(duì)仿真各個(gè)環(huán)節(jié)從底層開始中檢測(cè)輸出數(shù)據(jù)仿真過程中，用計(jì)算所得的555參數(shù)進(jìn)行連接電路，最終檢測(cè)到得秒脈沖幅值太小，不足以觸發(fā)74ls160進(jìn)行計(jì)數(shù)，改用protues軟件進(jìn)行仿真可以實(shí)現(xiàn)。所以在multisim中用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器代替555發(fā)生的秒脈沖進(jìn)行仿真，便可以顯示結(jié)果。（3）multisim中仿真時(shí)間與實(shí)際時(shí)間的差別對(duì)電路總體進(jìn)行仿真時(shí)，發(fā)現(xiàn)仿真過程中秒的跳轉(zhuǎn)要很長時(shí)間，跟實(shí)際中的1s中差距很大，但是秒計(jì)數(shù)脈沖是由1hz的函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生

11、的，后來了解到這是由于multisim中仿真步進(jìn)時(shí)間設(shè)置的關(guān)系，仿真時(shí)間與實(shí)際時(shí)間并不是同步的，這并不會(huì)影響實(shí)際焊接電路后的計(jì)數(shù)時(shí)間，也就是說實(shí)際焊接后秒的跳轉(zhuǎn)仍然是設(shè)定的1s。2、焊電路板過程中的問題（1）芯片的布局不僅要講求美觀更要講求電路連接的方便性。首先選定地線和電源正極線，然后規(guī)劃大體芯片布局，從上到下逐級(jí)布局，最上面放置數(shù)碼管，下一排放置74ls48譯碼芯片，第三排放置74ls160計(jì)數(shù)器，第四排放置各種與非門。最后根據(jù)電源線的分布以及芯片電源引腳以及其他需要接電源線的引腳進(jìn)行合理調(diào)整，爭取連線最短最少。（2）合理利用萬能版要學(xué)會(huì)利用這塊萬能板的走線，比如板子過孔都是三個(gè)過孔相連的

12、，把同一個(gè)節(jié)點(diǎn)的所有連線均勻地分布在這三個(gè)相連的過孔上。仿真的時(shí)候我們可以把很多線連載一個(gè)小小的節(jié)點(diǎn)上，但是實(shí)際焊萬能板的時(shí)候卻不能這樣，因?yàn)槊總€(gè)導(dǎo)線或者芯片的引腳都是有一定體積的，焊接之前必須充分考慮到這一點(diǎn)。每隔留個(gè)過孔就又兩行銅線，只要對(duì)這些銅線稍加處理就能使它們變成電源線和地線。由于每塊芯片都必須接電源線和地線，所以好好利用者寫平行的銅線同樣能夠起到減少飛線的效果。（3）標(biāo)記芯片管腳實(shí)際上在萬能板上焊接?xùn)|西是一個(gè)比較麻煩的也考驗(yàn)焊接者耐心的事情，但是我們稍稍對(duì)板子做一些優(yōu)化就能簡化我們焊接的過程。比如固定好每塊芯片的管座以后在管腳旁邊標(biāo)好引腳的標(biāo)號(hào)，這樣能夠幫助我們更加準(zhǔn)確的把每根導(dǎo)線

13、焊道它該焊到的地方，同時(shí)也減少了我們看電路圖紙的頻率，節(jié)約了時(shí)間，減小了錯(cuò)誤焊接的概率。（4）合理安排焊接順序整個(gè)數(shù)字鐘最核心最基礎(chǔ)的部分應(yīng)當(dāng)是秒脈沖的產(chǎn)生了。如果秒脈沖發(fā)生器沒有連接號(hào)，真?zhèn)€電路就不會(huì)有任何結(jié)果。所以首選選擇焊接秒脈沖發(fā)生器。之后再按照設(shè)計(jì)的總體電路圖，從底層開始逐層連接。（5）嚴(yán)格按照電路圖標(biāo)號(hào)接線 有的芯片比如與非門芯片、非門芯片等，一塊芯片中就有多個(gè)邏輯門，很多同學(xué)喜歡隨意使用其中的邏輯門，而我想說的是我們一定要按照仿真圖上面的標(biāo)號(hào)選擇邏輯門。這樣做是非常有道理的，因?yàn)閿?shù)字電子課程設(shè)計(jì)用到了大量的數(shù)字芯片，自然連線會(huì)非常多，我們很可能會(huì)不記得那根線連到了芯片的那個(gè)引腳，

14、一旦不記得了我們得重新在密密麻麻的導(dǎo)線束中跟蹤某跟導(dǎo)線的走勢(shì)，這樣做是非常消耗時(shí)間的。如果嚴(yán)格按照仿真圖的標(biāo)號(hào)聯(lián)線則不會(huì)出現(xiàn)上述問題。（6）調(diào)試基本功能電路電路焊接完成并不意味著就會(huì)出現(xiàn)正確結(jié)果。連接完成通電之后往往還是會(huì)出現(xiàn)很多的問題。這時(shí)候要首先要從硬件連接上檢查，排查有沒有引腳接錯(cuò)位置，同時(shí)使用萬用表測(cè)量是否連接完好。在我的電路板調(diào)試過程中，不管是分位還是秒位的十位都是在各位為跳到9的同時(shí)跳轉(zhuǎn)，也就是提前1秒或者1分進(jìn)行加一跳轉(zhuǎn)，在確定硬件連接沒有錯(cuò)誤之后，從原理上尋找問題，發(fā)現(xiàn)multisim中的74ls160時(shí)鐘脈沖信號(hào)是下降沿有效，實(shí)際中7474ls160的脈沖信號(hào)是上升沿有效，由

15、于74ls160的進(jìn)位信號(hào)是在第九個(gè)脈沖打來時(shí)出現(xiàn)高電平第十個(gè)計(jì)數(shù)脈沖來到的時(shí)候回到低電平，所以按照仿真電路連接的時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)在各位跳到9的時(shí)候十位就同時(shí)跳轉(zhuǎn)的情況，為了解決這一問題，讓進(jìn)位輸出經(jīng)過一個(gè)非門反向后接到十位計(jì)數(shù)脈沖，結(jié)果顯示為理想結(jié)果。（7）拓展電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試。由于實(shí)驗(yàn)室中沒有蜂鳴器，所以用發(fā)光而接管代替蜂鳴器來進(jìn)行整點(diǎn)報(bào)時(shí)。在第59分鐘的51秒53秒55秒57秒59秒讓發(fā)光二極管點(diǎn)亮，其余時(shí)間均為熄滅狀態(tài)。整個(gè)調(diào)試過程主要是通過發(fā)光二極管的電流的控制。之前由于使用的電阻不夠大，通過發(fā)光二極管的電流電路的電流過大以至于都影響到前一級(jí)的與非門以及其他與非門的工作，使整個(gè)電路的計(jì)時(shí)

16、結(jié)果都受到影響，每當(dāng)?shù)谝淮吸c(diǎn)亮二極管之后，計(jì)數(shù)器都自動(dòng)清零了。思考許久之后試探著把分壓電阻選成47k歐姆的，結(jié)果就實(shí)現(xiàn)了所需的現(xiàn)象。七、心得體會(huì) 整體規(guī)劃很重要，同時(shí)必須要有足夠的耐心，腳踏實(shí)地一點(diǎn)一點(diǎn)的完成。 在拿到課程設(shè)計(jì)題目的時(shí)候，第一步要根據(jù)設(shè)計(jì)要求，思考原理以及實(shí)現(xiàn)方案。第二步要根據(jù)自己所選定的方案確定選用那些元器件，然后查閱相應(yīng)芯片的資料，掌握其引腳分布以及用法。第三部將整體的設(shè)計(jì)分成各個(gè)子模塊，然后一個(gè)模塊一個(gè)模塊的進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后將各個(gè)子模塊整合在一起進(jìn)行整體仿真。整個(gè)仿真過程中必須仔細(xì)認(rèn)真，而且要有足夠的耐心，不厭其煩的進(jìn)行測(cè)量校正修改。直到得到預(yù)想的結(jié)果。焊接過程中，要嚴(yán)格根

17、據(jù)自己的仿真圖逐層逐步的進(jìn)行，防止出現(xiàn)漏焊或者焊接混亂的現(xiàn)象發(fā)生。第一步要對(duì)整體的布局做規(guī)劃，不僅要美觀，更要方便焊接。第二步，焊接過程中必須小心謹(jǐn)慎，在講求美觀的同時(shí)，更要保證焊接點(diǎn)可靠。第三步便是調(diào)試過程了，調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題，要從原理分析找出問題的大概位置，然后對(duì)電路連接進(jìn)行仔細(xì)檢查。 也許是自己對(duì)電子設(shè)計(jì)方面很感興趣，整個(gè)制作過程都是輕松愉快的。同時(shí)在焊接過程中比較仔細(xì)認(rèn)真所以出現(xiàn)的問題不多，每次出現(xiàn)了問題也都是很認(rèn)真仔細(xì)的去排查，最終將整個(gè)數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)基本完成。不過還是有部分問題沒有得到很好的解決，按鈕消抖部分做的不夠好。在以后的相關(guān)設(shè)計(jì)制作中，必須更加仔細(xì)認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)娜?duì)待。八、附錄1、所用芯片及其參數(shù)：序號(hào)