數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)數(shù)字鐘設(shè)計(jì)

1、數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)課題：數(shù)字鐘電氣與電子工程學(xué)院05自動(dòng)化職（1）班設(shè)計(jì)者： 學(xué)號(hào)： 目錄一、設(shè)計(jì)目的3二、設(shè)計(jì)要求3三、總體概要設(shè)計(jì)3四、各單元模塊設(shè)計(jì)與析4五、電路的安裝與調(diào)試12六、總結(jié)12七、設(shè)計(jì)體會(huì)13八、元器件清單13九、參考文獻(xiàn)和輔助工具14十、寫在是后15 十一、附數(shù)字鐘課程設(shè)計(jì)仿真圖 一.設(shè)計(jì)目的1. 進(jìn)一步掌握各芯片的邏輯功能及使用方法。2. 進(jìn)一步熟悉集成電路的引腳安排。3. 進(jìn)一步掌握數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)方法和和計(jì)數(shù)器相互級(jí)聯(lián)的方法。4. 進(jìn)一步掌握數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和數(shù)字系統(tǒng)功能的測(cè)試方法。5. 進(jìn)一步掌握數(shù)字系統(tǒng)的制作和布線方法。6. 進(jìn)一步了解面

2、包板的結(jié)構(gòu)及其接線方法7. 了解數(shù)字?jǐn)?shù)字的組成和工作原理。二.設(shè)計(jì)要求1設(shè)計(jì)指標(biāo) 數(shù)字鐘具有顯示時(shí)、分、秒的功能； 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； 計(jì)時(shí)過程具有報(bào)時(shí)功能，當(dāng)時(shí)間到達(dá)整點(diǎn)前60秒進(jìn)行蜂鳴報(bào)時(shí)； 并且要求走時(shí)準(zhǔn)確。2設(shè)計(jì)要求 畫出電路原理圖（或仿真電路圖）； 元器件及參數(shù)選擇，有相關(guān)原器件清單； 電路仿真與調(diào)試3制作要求 自行裝配和調(diào)試，并能發(fā)現(xiàn)問題和解決問題。4編寫設(shè)計(jì)報(bào)告 寫出設(shè)計(jì)與制作的全過程，附上有關(guān)資料和圖紙，有心得體會(huì)。三.總體概要設(shè)計(jì)： 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

3、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。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 器分頻器圖1 數(shù)字鐘的組成框圖振蕩器電路振蕩器電路給數(shù)字鐘提供一個(gè)頻率穩(wěn)定準(zhǔn)確的32768z的脈沖，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。分頻器電路分頻器電路將32768z的高頻方波信號(hào)經(jīng)三個(gè)74ls191兩次八分頻和一次十六分頻后得到1hz的方波信號(hào)，可以供秒計(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

4、。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，時(shí)個(gè)位和時(shí)十位計(jì)數(shù)器可以設(shè)計(jì)為24進(jìn)制計(jì)數(shù)器。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)碼管正常工作提供足夠的工作電流。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)采用的為數(shù)碼管（共陰）。四各單元模塊設(shè)計(jì)和分析主體電路是功能部件或單元電路組成的，在設(shè)計(jì)這些電路或選擇部件時(shí)，應(yīng)盡量選用同類型的器件，如所有功能部件都采用ttl集成電路或者都用cmos集

5、成電路。整個(gè)系統(tǒng)手忙腳亂的器件種類應(yīng)盡可能少。下面介紹各功能部件與單元電路的設(shè)計(jì)。）555振蕩器電路振蕩器是構(gòu)成數(shù)字式時(shí)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(jì)時(shí)的準(zhǔn)確程度。通常選用石英晶體構(gòu)成振蕩器電路。一般來說，振蕩器的頻率超高，計(jì)時(shí)精度超高，走時(shí)越準(zhǔn)確，如果精度要求不高也可以采用由邏輯門與rc組成的時(shí)鐘源振蕩器，或由集成電路定時(shí)器555與rc級(jí)成的多諧振蕩器。這里選用555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器。振蕩頻率f=1024hz。電路及參數(shù)如圖2所示脈沖輸出端圖2 555振蕩器電路圖）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

6、。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)器來實(shí)現(xiàn)。例如，將32768z（215）的振蕩信號(hào)分頻為z的分頻倍數(shù)為32768，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。74ls191計(jì)數(shù)器最高為可以將32768z的信號(hào)分頻為1kz，而經(jīng)過三個(gè)74ls191可以將它分為1hz的信號(hào)。如圖3所示，可以直接實(shí)現(xiàn)振蕩和分頻的功能。圖3 74ls191分頻電路圖）時(shí)間計(jì)數(shù)單元在設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)器之前，先對(duì)74ls191芯片的引腳和功能作一些說明以及有關(guān)連接的知識(shí)74ls191芯片說明74ls191芯片q0、q1、q2、q3 輸出端d0、d1、d2、d3 數(shù)據(jù)輸入端clk時(shí)鐘輸入端（上升沿觸發(fā)）d/

7、u 加/減計(jì)數(shù)方式控制, d/u=0時(shí),加法計(jì)數(shù)； d/u=1時(shí)減法計(jì)數(shù)pl 異步并行控制端rco 行波時(shí)鐘端輸出端tc 進(jìn)位輸出/錯(cuò)位輸出e計(jì)數(shù)控制端,e=0時(shí)計(jì)數(shù)、置數(shù)；e=1時(shí)禁止，此時(shí)輸出端q3q2q1q074ls191的功能真值表下圖是構(gòu)成模m=22n-1進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路,其中控制pl的與非門輸入端abcd和計(jì)數(shù)器輸出端q3、q2、q1、q0連接如下表模m=22n-1進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路表一：m=22n-1進(jìn)制計(jì)數(shù)器連接表m進(jìn)制abcd2q11113q0q1114q21115q0q2116q1q2117q0q1q218q31119q0q31110q1q31111q0q1q3112q2q311

8、13q0q2q3114q1q2q3115q0q1q2q3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24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60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其輸出也為8421bcd碼。本實(shí)驗(yàn)采用兩片74ls191來產(chǎn)生60進(jìn)制和24進(jìn)制，秒個(gè)位計(jì)數(shù)單元為進(jìn)制計(jì)數(shù)器，本實(shí)驗(yàn)將q3和q1通過與非門74ls00接到pl來實(shí)現(xiàn) ，秒十位計(jì)數(shù)單元為進(jìn)制計(jì)數(shù)器，本實(shí)驗(yàn)將q1和q2通過與非門74ls00接到pl來實(shí)現(xiàn)，分個(gè)位和分十位計(jì)數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)分別與秒個(gè)位和秒十位計(jì)數(shù)單元完全相同，如圖4所示。時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)仍與秒或個(gè)位計(jì)數(shù)單元相同，但是要求

9、，整個(gè)時(shí)計(jì)數(shù)單元應(yīng)為24進(jìn)制計(jì)數(shù)器，所以在兩塊74ls191構(gòu)成的100進(jìn)制中截取24，就得在24的時(shí)候進(jìn)行異步清零。24進(jìn)制計(jì)數(shù)功能的電路如圖5所示。圖4 60進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路圖5 24進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路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74ls48作為顯示譯碼電路，選用八段共陰led數(shù)碼管作為顯示單元電路，如圖6所示。圖6 譯碼驅(qū)動(dòng)和顯示電路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)行人工觸

10、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，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7所示為所設(shè)計(jì)的校時(shí)電路。校時(shí)開關(guān)功能表k2k1功能00計(jì)數(shù)01校分10校時(shí)1閉合，0斷開圖7 校時(shí)電路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)開始整點(diǎn)報(bào)時(shí)，即當(dāng)時(shí)間在59分50秒到59分59

11、秒期間時(shí)，報(bào)時(shí)電路報(bào)時(shí)控制信號(hào)。作為選蜂鳴器為電聲器件，使蜂鳴器可以一響一停。如下圖所示。圖8 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路上圖中在59分50秒到59分59秒期間內(nèi),分十位、個(gè)位和秒十位不變，輸出都為高電平產(chǎn)生報(bào)時(shí)有效控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)報(bào)時(shí)功能。7)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置的電源進(jìn)行接通或斷開“控制”。不管是鬧時(shí)還是控制，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。設(shè)計(jì)要求在某時(shí)59分發(fā)出鬧時(shí)信號(hào)，持續(xù)時(shí)間為了min。經(jīng)分析鬧時(shí)信號(hào)z的表達(dá)式為z=(q2q1q0)h1m(q2q0)m2(q3q0)m1式中m為上、下午控制信號(hào)如果用與非門實(shí)現(xiàn)上式所表

12、示感謝的邏輯功能，則可以將z進(jìn)行布爾代數(shù)變換，即z=(q2q1q0)h1m(q2q0)m2(q3q0)m1實(shí)現(xiàn)上式的邏輯電路如下圖所示，其中74ls20為4輸入二與非門，74ls03為集電極開路（oc門）的二輸入四與非門，因oc門的輸出端可以進(jìn)行“線與”，使用時(shí)在它們的輸出聞風(fēng)而至民電源5v端之間應(yīng)接一3.3k的上拉電阻rl?？刂?khz高音或驅(qū)動(dòng)音響電路的兩級(jí)與非門也采用oc門，rl的值也應(yīng)生新計(jì)算。圖9 鬧時(shí)電路五.電路的安裝與調(diào)試在完成了理論設(shè)計(jì)之后，我們并不能確定電路沒有任何問題，所以下一步就是利用軟件proteus進(jìn)行仿真，根據(jù)成功與否再進(jìn)行修正之后，開始電路的安裝和調(diào)試。1、 對(duì)各

13、元器件進(jìn)行測(cè)試，檢查是否芯片存在問題。在確認(rèn)沒有問題之后，就可以按照布線方案來進(jìn)行布線了。2、 對(duì)電路整體布局，確定各電路的位置，插好集成電路芯片。3、 安裝的555振蕩電路。并用一個(gè)發(fā)光二極管對(duì)輸出進(jìn)行檢查，看看發(fā)光二極管是不是在閃爍，以及閃爍的頻率與秒鐘頻率是否相符合。4、 安裝驅(qū)動(dòng)和計(jì)數(shù)模塊。先對(duì)所有器件接地以及接電源，因?yàn)檫@比較容易疏忽，大部分錯(cuò)誤都出現(xiàn)在接地和接電源上；再對(duì)譯碼驅(qū)動(dòng)電路和計(jì)數(shù)電路同時(shí)布線，但是，先只對(duì)一個(gè)顯示管和一塊74ls48和一塊74ls191（秒的個(gè)位）安裝，當(dāng)驗(yàn)證產(chǎn)生的計(jì)數(shù)沒有問題時(shí)，才進(jìn)一步對(duì)它進(jìn)行擴(kuò)展，安裝秒的十位，分的個(gè)位和十位，以及時(shí)的個(gè)位和十位，并進(jìn)

14、行檢驗(yàn)。 這樣做可以方便我們的檢查，當(dāng)裝完了那么一個(gè)龐大的電路后，一旦哪里出錯(cuò)，進(jìn)行檢查就會(huì)看得眼花瞭亂，到最后自己也搞不清楚了。5、 按照理論設(shè)計(jì)和已經(jīng)在proteus軟件中驗(yàn)證過的電路圖檢查布線是否正確，我們主要用萬用表來檢查。6、 安裝的模塊是校時(shí)模塊。接出如圖7的電路然后和計(jì)數(shù)模塊相連接。7、 安裝整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路，我所設(shè)計(jì)的電路是受網(wǎng)上的一個(gè)電路圖的啟發(fā)，自行設(shè)計(jì)改裝而成的。相對(duì)于其它同學(xué)設(shè)計(jì)的電路而言，更簡(jiǎn)潔使用的器件更少。8、 完成了布線的過程之后，就要對(duì)電路板進(jìn)行綜合的測(cè)試和檢查，在這種情況下，自己有可能檢查不出來錯(cuò)誤，因?yàn)槭艿揭婚_始思維的局限，所以多找別人幫忙檢查，相互檢查是最好

15、的辦法，這樣檢查的效率也相當(dāng)?shù)臉酚^！當(dāng)把電路仿真出來后，我對(duì)自己的電路很有信心，按照仿真電路圖認(rèn)真仔細(xì)接線，一切都還比較的順利！當(dāng)綜合測(cè)試成功的那一刻，很興奮！六總結(jié)1. 設(shè)計(jì)過程中遇到的問題及其解決方法。1） 對(duì)電路整體布局好后，后來因?yàn)橄氲讲皇呛芎侠?，又?duì)電路進(jìn)行了改動(dòng)，將原來接74ls00 的位置和接74ls191的位置對(duì)換，結(jié)果忘記拆掉原來74ls191接地的線，造成74ls00部分接地，使得輸出為0，計(jì)數(shù)器不計(jì)數(shù)，我自己怎么也沒有檢查出來，后來請(qǐng)同學(xué)一眼就看出來了。所以改動(dòng)電路時(shí)要注意拆掉該拆的連線。2） 在做電路中出現(xiàn)問題最多的就是接地沒有接好或是接電源沒接好，一般用萬用表認(rèn)真檢查

16、都能找出來。所以接地是非常重要的。3） 在檢測(cè)面包板狀況的過程中，出現(xiàn)本該相通的地方被斷了的導(dǎo)線堵塞，用鑷子將其挑出。4） 在仿真后發(fā)現(xiàn)電路運(yùn)行第一個(gè)24小時(shí)時(shí)，時(shí)、分、秒的十位都顯示為1，按理論應(yīng)該為0，我試了很多次改電路都不行，我問同學(xué)也都不知道，后來打電話給老師才知道是電路中的干擾所致。七、設(shè)計(jì)體會(huì) 在設(shè)計(jì)數(shù)字鐘的過程中，使我了解了集成電路芯片的型號(hào)命名規(guī)律，懂得了沒有某種芯片時(shí)的替代方法，以及在網(wǎng)上查找電子電路資料的方法，進(jìn)一步掌握了面包板的結(jié)構(gòu)，掌握了各芯片的邏輯功能及使用方法，進(jìn)一步熟悉了集成電路的引腳安排，掌握了數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)方法，進(jìn)一步熟悉了數(shù)字系統(tǒng)的制作和布線方法，明白了數(shù)字鐘

17、的組成原理以及工作原理。掌握了計(jì)數(shù)器的工作原理，以及計(jì)數(shù)器進(jìn)制的組成方法和級(jí)聯(lián)方法。通過這次設(shè)計(jì)，使我明白了設(shè)計(jì)前要熟悉引腳功能和邏輯功能，只有這樣在電路出錯(cuò)時(shí)才能準(zhǔn)確找出來，由于仿真和實(shí)際連線有一定區(qū)別，加上對(duì)集成電路不是非常的熟悉，在連接實(shí)際電路時(shí)有時(shí)忘記了連電源和地，記得有一次我已把振蕩分步電路連接好了，有同學(xué)問我集成電路用不用連電源和地啊，我說振蕩電路不用連，計(jì)數(shù)電路要連，回頭仔細(xì)一看我的都連電源了，從這就可以看出我們對(duì)集成電路的接法并不是很熟，才弄出了這么個(gè)笑話。我想以后不會(huì)出現(xiàn)這樣的事了。通過設(shè)計(jì)數(shù)字鐘，使我深刻地體會(huì)到一點(diǎn)，要想輕松的設(shè)計(jì)出電路，就必須有理論知識(shí)作鋪墊，這樣才能思

18、考周全，設(shè)計(jì)出來的電路才可能更加的完美。在仿真電路的過程中也使我體會(huì)到了門電路的延遲對(duì)電路的影響，所以在設(shè)計(jì)時(shí)一定要注意延遲的影響，以及合理利用它的延遲，所以時(shí)鐘的脈沖盡可能少的經(jīng)過門電路。由于有這次機(jī)會(huì)使我學(xué)過的軟件派上了用場(chǎng)，比如我用到的仿真軟件proteus，使我對(duì)學(xué)習(xí)自動(dòng)化專業(yè)軟件的興趣，今后我要抓住時(shí)間和機(jī)會(huì)學(xué)習(xí)更多的實(shí)用軟件，培養(yǎng)動(dòng)手能力，提高實(shí)際應(yīng)用能力,成為一個(gè)應(yīng)用性人才。八元器件清單1實(shí)驗(yàn)中所需的器材 5v電源。 面包板3塊。 發(fā)光二極管1個(gè)（用于檢測(cè)）。 萬用表。 鑷子1把。 剪刀1把。 撥線銓1把。 導(dǎo)線 若干 共陽(yáng)八段數(shù)碼管6個(gè)。 74ls191芯片7塊。 74ls08芯片2塊。 74ls00芯片5塊 74ls03芯片2塊 74ls04芯片2塊。 74hc30芯片1塊 2k電阻1個(gè)。 5.1k電阻1個(gè) 3.3k電阻2個(gè)。 10m電阻1個(gè)。 104電容2個(gè)。 開關(guān)2個(gè)。 蜂鳴器1個(gè)。九.參