電工電子綜合課程設(shè)計(jì)數(shù)字時(shí)鐘設(shè)計(jì)

1、學(xué) 號(hào)： 課 程 設(shè) 計(jì)題 目數(shù)字時(shí)鐘設(shè)計(jì)學(xué) 院自動(dòng)化學(xué)院專 業(yè)自動(dòng)化班 級(jí)姓 名指導(dǎo)教師年月日課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： 自動(dòng)化 指導(dǎo)教師： 工作單位： 武漢理工大學(xué) 題 目: 數(shù)字時(shí)鐘設(shè)計(jì) 初始條件：1 運(yùn)用所學(xué)的模擬電路和數(shù)字電路等知識(shí)；2 用到的元件：實(shí)驗(yàn)板、電源、連接導(dǎo)線、74系列芯片、555芯片或微處理器等。要求完成的主要任務(wù):1 設(shè)計(jì)一個(gè)有“時(shí)”，“分”，“秒”（23小時(shí)59分59秒）顯示且具有校時(shí)功能的電子鐘；2 擴(kuò)展功能：整點(diǎn)報(bào)時(shí)即在某分某秒能輸出某一音頻信號(hào)；3 嚴(yán)格按照課程設(shè)計(jì)說明書要求撰寫課程設(shè)計(jì)說明書。時(shí)間安排： 第1天 下達(dá)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書，根據(jù)任務(wù)書查找資

2、料；第24天 進(jìn)行方案論證，軟件模擬仿真并確定設(shè)計(jì)方案； 第5天 提交電路圖，經(jīng)審查后領(lǐng)取元器件；第68天 組裝電路并調(diào)試，檢查錯(cuò)誤并提出問題；第911天 結(jié)果分析整理，撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告，驗(yàn)收調(diào)試結(jié)果；第1214天 補(bǔ)充完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告和答辯。指導(dǎo)教師簽名： 2012年 6月25日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 2012年 6月25日目 錄引言 1 設(shè)計(jì)意義及要求11.1 設(shè)計(jì)意義11.2 設(shè)計(jì)要求22 方案設(shè)計(jì)32.1 設(shè)計(jì)思路32.2 方案設(shè)計(jì)52.2.1設(shè)計(jì)方案一電路圖52.2.2設(shè)計(jì)方案二電路圖 簡(jiǎn)單說明62.3 方案比較73.193.2103.3113.4 123.5 譯碼及顯示電路15

3、4 調(diào)試與檢測(cè) 164.1 調(diào)試中故障及解決辦法 174.2 調(diào)試與運(yùn)行結(jié)果 185 仿真操作步驟及使用說明 19結(jié)束語(yǔ)20參考文獻(xiàn)21附錄 電路圖23本科生課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表引言20世紀(jì)末，電子技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展，在其推動(dòng)下，現(xiàn)代電子產(chǎn)品幾乎滲透了社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，有力地推動(dòng)了社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展和社會(huì)信息化程度的提高，同時(shí)也使現(xiàn)代電子產(chǎn)品性能進(jìn)一步提高，產(chǎn)品更新?lián)Q代的節(jié)奏也越來越快。數(shù)字鐘已成為人們?nèi)粘Ｉ钪校罕夭豢缮俚谋匦杵?，廣泛用于個(gè)人家庭以及車站、碼頭、劇場(chǎng)、辦公室等公共場(chǎng)所，給人們的生活、學(xué)習(xí)、工作、娛樂帶來極大的方便。由于數(shù)字集成電路技術(shù)的發(fā)展和采用了先進(jìn)的石英技術(shù)，使數(shù)字鐘具有走時(shí)

4、準(zhǔn)確、性能穩(wěn)定、集成電路有體積小、功耗小、功能多、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，因此在許多電子設(shè)備中被廣泛使用。電子鐘是人們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｓ玫挠?jì)時(shí)工具，而數(shù)字式電子鐘又有其體積小、重量輕、走時(shí)準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耗電量少等優(yōu)點(diǎn)而在生活中被廣泛應(yīng)用，因此本次設(shè)計(jì)就用數(shù)字集成電路和一些簡(jiǎn)單的邏輯門電路來設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字式電子鐘，使其完成時(shí)間及星期的顯示功能。數(shù)字鐘已成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢缮俚谋匦杵罚o人們的生活，學(xué)習(xí)，工作帶來極大的方便。數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)方法有許多種，例如,可用中小規(guī)模集成電路組成數(shù)字鐘，也還可以利用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)數(shù)字鐘等。這些方法都各有其特點(diǎn)，其中利用中小規(guī)模集成電路組建數(shù)字鐘，原理簡(jiǎn)單，但由于集成電路集成度

5、有限，對(duì)于需要實(shí)現(xiàn)較多功能的電路設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，對(duì)于制作者焊接和布線有較高的要求。用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的電子鐘具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并便于功能的擴(kuò)展，但需要涉及到匯編以及C語(yǔ)言編寫程序，對(duì)設(shè)計(jì)者有較高的要求。本次設(shè)計(jì)為用中小規(guī)模集成電路組成數(shù)字鐘。本文介紹的數(shù)字鐘是一種利用數(shù)字電路來顯示時(shí)、分、秒的裝置，與傳統(tǒng)的機(jī)械鐘相比，它具有走時(shí)準(zhǔn)確，性能穩(wěn)定，顯示直觀，無機(jī)械傳動(dòng)裝一、設(shè)計(jì)意義及要求1.1 設(shè)計(jì)意義通過這次課程設(shè)計(jì)可以讓我們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，了解數(shù)字鐘的組成及工作原理。1.2 設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個(gè)有“時(shí)”，“分”，“秒”（23小時(shí)59分59秒）顯示且具有校時(shí)功能的電子鐘；

6、擴(kuò)展功能：整點(diǎn)報(bào)時(shí)即在某分某秒能輸出某一音頻信號(hào)；二、方案設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)思路數(shù)字鐘要有計(jì)時(shí)報(bào)時(shí)和校時(shí)功能。脈沖信號(hào)是一般用555構(gòu)成的振蕩器來產(chǎn)生。將標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)送入“秒計(jì)數(shù)器”，該計(jì)數(shù)器采用60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，從0到59然后發(fā)出一個(gè)“分脈沖”信號(hào)，該信號(hào)將作為“分計(jì)數(shù)器”的時(shí)鐘脈沖。“分計(jì)數(shù)器”也采用60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，從0到59然后發(fā)出一個(gè)“時(shí)脈沖”信號(hào)，該信號(hào)將被送到“時(shí)計(jì)數(shù)器”?！皶r(shí)計(jì)數(shù)器”采用24進(jìn)制計(jì)數(shù)器，從0到23。整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路是根據(jù)計(jì)時(shí)系統(tǒng)的時(shí)脈沖加一個(gè)喇叭去實(shí)現(xiàn)報(bào)時(shí)。校時(shí)電路是來對(duì)“時(shí)、分、”顯示數(shù)字進(jìn)行校對(duì)調(diào)整。可以采用邏輯門電路控制分和時(shí)的計(jì)數(shù)器脈沖輸入即可。數(shù)字鐘實(shí)際上是一個(gè)

7、對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率進(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。構(gòu)成方框圖如下：時(shí)顯示器秒顯示器分顯示器時(shí)譯碼器秒譯碼器分譯碼器時(shí)計(jì)數(shù)器秒計(jì)數(shù)器分計(jì)數(shù)器校時(shí)電路振蕩器圖1由圖可見：本數(shù)字鐘電路主要由震蕩器、校時(shí)電路、時(shí)分秒計(jì)數(shù)器、譯碼顯示器構(gòu)成。它們的工作原理是：由震蕩器產(chǎn)生的高頻脈沖信號(hào)作為數(shù)字鐘的時(shí)間基準(zhǔn)，送入秒計(jì)數(shù)器，秒計(jì)數(shù)器采用60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，每累計(jì)60秒發(fā)出一個(gè)“分脈沖”信號(hào)，該信號(hào)作為分計(jì)數(shù)器的脈沖信號(hào)，分計(jì)數(shù)器也采用60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，每累計(jì)60分鐘發(fā)出一個(gè)“時(shí)脈沖”信號(hào)，該信號(hào)將被送到時(shí)計(jì)數(shù)

8、器，時(shí)計(jì)數(shù)器采用12進(jìn)制計(jì)數(shù)器。譯碼顯示電路將時(shí)、分、秒計(jì)數(shù)器的輸出狀態(tài)送到七段譯碼顯示器，通過六位LED七段顯示器顯示出來。校時(shí)電路用來對(duì)時(shí)、分顯示數(shù)字進(jìn)行調(diào)整。2.2方案設(shè)計(jì)2.2.1設(shè)計(jì)方案一電路圖2.2.2設(shè)計(jì)方案二電路圖簡(jiǎn)單說明方案一由于74ls161是4位二進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器，是上升沿觸發(fā)，所以十進(jìn)制需要將Q1Q3與非接到清零端，六進(jìn)制則需要把Q1Q2與非接到清零端。24進(jìn)制則需要用一個(gè)與門接到清零端實(shí)現(xiàn)兩種命令的清零方式。然后加開關(guān)進(jìn)行校時(shí)，每按下一次就是一個(gè)脈沖可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的校時(shí)。然后在時(shí)脈沖的輸出端加一個(gè)喇叭就可以實(shí)現(xiàn)整點(diǎn)報(bào)時(shí)，每有一個(gè)整點(diǎn)脈沖信號(hào)就報(bào)時(shí)一次。2.3方案比較

9、方案一采用的是74ls161構(gòu)成，然后利用與非門進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)60進(jìn)制24進(jìn)制，使用較多門電路。而方案二則是巧妙的利用了74ls90的功能表，74ls90是下降沿觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)了60進(jìn)制和24進(jìn)制，相對(duì)于方案一要簡(jiǎn)潔。，但是方案一的校時(shí)電路比較簡(jiǎn)單，只需要直接在脈沖輸出端加一個(gè)開關(guān)就可以實(shí)現(xiàn)校時(shí)，而方案一需要考慮開關(guān)兩端的電位變化，需要加單刀雙擲開關(guān)來調(diào)節(jié)兩端的電位實(shí)現(xiàn)校時(shí)。總的比較，方案二比方案一更簡(jiǎn)潔。三、部分電路設(shè)計(jì)3.1秒脈沖信號(hào)發(fā)生器震蕩器電路是數(shù)字鐘的核心，主要用來產(chǎn)生時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，數(shù)字鐘的精度，主要取決于時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的頻率及穩(wěn)定度。一般來說，震蕩器的頻率越高，計(jì)時(shí)精度越高。通常采用

10、石英晶體震蕩器經(jīng)過分頻得到這一信號(hào)，也可采用由門電路或555定時(shí)器構(gòu)成的多諧震蕩器作為時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源。本設(shè)計(jì)方案采用的是集成電路定時(shí)器555與RC組成的多諧震蕩器，如下圖所示：秒脈沖發(fā)生器參考電路圖如下所示，由555集成定時(shí)器組成的多諧振蕩器。利用公式t=0.7(R5+2R6)C2 R5=0由f=1t=10.7*2R6C2=1Hz取R6=10k.則C1=71.5uf.3.2 秒、分、時(shí)計(jì)時(shí)器電路設(shè)計(jì)3.2.1 六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器圖1-3所示為74LS161構(gòu)成的六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，可以作為秒和分的計(jì)數(shù)單元。圖中U3的Q1、Q2與R0a、R0b相連，當(dāng)輸出為“6” （0110）時(shí)，則反饋信號(hào)使得MR清“

11、0”，以實(shí)現(xiàn)六十進(jìn)制。 圖1-3二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器圖1-3所示為74LS90構(gòu)成的六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，可以作為秒和分的計(jì)數(shù)單元。圖中IC1的Q1、Q2與R0a、R0b相連，當(dāng)輸出為“6” （0110）時(shí)，則反饋信號(hào)使得IC1清“0”，以實(shí)現(xiàn)六十進(jìn)制。圖1-5是74LS90的功能表。圖1-6是其管腳圖。3.2.3 74ls161的引腳圖和功能表管腳圖介紹：時(shí)鐘CP和四個(gè)數(shù)據(jù)輸入端P0P3清零/MR使能CEP，CET置數(shù)PE數(shù)據(jù)輸出端Q0Q3以及進(jìn)位輸出TC. (TC=Q0Q1Q2Q3CET)輸 入 輸 出 CR CPLD EPETD3 D2 D1 D0 Q3 Q2 Q1 Q0 0 0 0 0 0 1

12、0 d c b a d c b a 1 1 0 Q3 Q2 Q1 Q0 1 1 0 Q3 Q2 Q1 Q0 1 1 1 1 狀態(tài)碼加1 從74LS161功能表功能表中可以知道，當(dāng)清零端CR=“0”，計(jì)數(shù)器輸出Q3、Q2、Q1、Q0立即為全“0”，這個(gè)時(shí)候?yàn)楫惒綇?fù)位功能。當(dāng)CR=“1”且LD=“0”時(shí)，在CP信號(hào)上升沿作用后，74LS161輸出端Q3、Q2、Q1、Q0的狀態(tài)分別與并行數(shù)據(jù)輸入端D3，D2，D1，D0的狀態(tài)一樣，為同步置數(shù)功能。而只有當(dāng)CR=LD=EP=ET=“1”、CP脈沖上升沿作用后，計(jì)數(shù)器加1。74LS161還有一個(gè)進(jìn)位輸出端CO，其邏輯關(guān)系是CO= Q0Q1Q2Q3CET。

13、合理應(yīng)用計(jì)數(shù)器的清零功能和置數(shù)功能，一片74LS161可以組成16進(jìn)制以下的任意進(jìn)制分頻器。3.3譯碼顯示電路譯碼和數(shù)碼顯示電路是將數(shù)字鐘和計(jì)時(shí)狀態(tài)直觀清晰地放映出來，被人們的視覺器官所接受，它的任務(wù)就是將計(jì)數(shù)器輸出的8421BCD碼譯成數(shù)碼器顯示所需要的高低電平。這里所選用的譯碼器就是常用的BCD譯碼/驅(qū)動(dòng)器74LS48，其中A1、A2、A3、A4與計(jì)數(shù)器的四個(gè)輸出端按設(shè)計(jì)要求相連或接地，a、b、c、d、e、f、g則與七段數(shù)碼顯示器對(duì)應(yīng)端相連。具體電路圖見總圖部分。圖53.4 校時(shí)電路校時(shí)電路計(jì)劃為如下功能，以分校時(shí)為例由于分脈沖接的是Q1、Q2，而Q1、Q2在六進(jìn)位制時(shí)不能同時(shí)為高電平。所

14、以與門之后始終輸出低電平。從而不斷的按壓開關(guān)可以產(chǎn)生脈沖實(shí)現(xiàn)校時(shí)功能。圖1-93.5整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路當(dāng)時(shí)脈沖來的時(shí)候，喇叭導(dǎo)通然后開始進(jìn)行整點(diǎn)報(bào)時(shí)。四、調(diào)試與檢測(cè)4.1 調(diào)試中的故障及解決辦法數(shù)碼管不亮故障：數(shù)碼管沒有任何顯示，解決方法：由于是共陽(yáng)極數(shù)碼管，所以應(yīng)該接高電平而非低電平、4.1.2數(shù)碼管亂碼故障：顯示一堆亂碼，而且沒有0到9的變換。解決辦法：，首先用萬用表檢查74ls48的輸出，發(fā)現(xiàn)有個(gè)輸出端沒有變化導(dǎo)線是好的，說明芯片壞了。然后換了一個(gè)芯片。結(jié)果檢測(cè)每個(gè)輸出端都有變換卻發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管不能正常嫻熟數(shù)字，結(jié)果發(fā)現(xiàn)是班級(jí)買數(shù)碼管買錯(cuò)了，74ls48要跟共陰極數(shù)碼管搭配使用結(jié)果買成共陽(yáng)極了。換

15、成共陰極就能夠正常計(jì)數(shù)。4.1.3數(shù)碼管顯示不正常故障：數(shù)碼管無法正常計(jì)數(shù)解決辦法：進(jìn)行分部檢查，發(fā)現(xiàn)問題出在74ls48這一塊，發(fā)現(xiàn)芯片沒問題。輸出信號(hào)沒問題導(dǎo)線沒問題但是就是得不出來結(jié)果。后來發(fā)現(xiàn)是面包板太舊了底部接觸不良松動(dòng)了無法使用。而且我們需要插20多個(gè)芯片無法將芯片換個(gè)位置插。不得不換了一個(gè)面包板從新連接電路。4.1.4數(shù)碼管顯示差一段故障：數(shù)碼管顯示差一段解決辦法：進(jìn)行分部檢查，問題出在74ls48這一塊，其他輸出端沒有問題就是某個(gè)輸出端出現(xiàn)故障，發(fā)現(xiàn)是導(dǎo)線斷了無法接通導(dǎo)致的，換了一根導(dǎo)線問題就得到了解決。4.1.4數(shù)碼管顯示無變化故障：數(shù)碼管顯示沒有隨時(shí)間的變化而變化。解決辦法

16、：進(jìn)行分部檢查，發(fā)現(xiàn)555輸出的電平低電平達(dá)到了2V以上。致使沒有脈沖變化，換了一個(gè)555定時(shí)器后問題得到了解決。4.2 調(diào)試與運(yùn)行結(jié)果4.2.1 組裝電路方法由于數(shù)字鐘電路比較復(fù)雜，接線非常多，而且所用芯片也比較多，因此，接線時(shí)應(yīng)注意技巧：先把每個(gè)數(shù)碼管的譯碼電路和計(jì)數(shù)器電路接好，即分別接6個(gè)部分，把每個(gè)部分接成10進(jìn)制的，當(dāng)每個(gè)部分都正常計(jì)數(shù)時(shí)就開始級(jí)聯(lián)。級(jí)聯(lián)形成24進(jìn)制和兩個(gè)60進(jìn)制的三個(gè)部分組成的數(shù)字鐘時(shí)就開始接校時(shí)電路和整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路。另外，一旦出現(xiàn)問題，可以只撤退一步開始檢查，分開模塊實(shí)驗(yàn)。這樣才能較快校準(zhǔn)地接好電路，而且便于解決遇到的問題。4.2.2 運(yùn)行結(jié)果接通電源后，數(shù)字中開始

17、工作。秒個(gè)位以十進(jìn)制循環(huán)計(jì)數(shù)，依次往十位進(jìn)位，60秒往分鐘個(gè)位進(jìn)1,60分鐘往小時(shí)進(jìn)1.另外，23:59:59后歸零。當(dāng)按一下開關(guān)時(shí)校時(shí)開關(guān)時(shí)，小時(shí)加一，按一下分校時(shí)開關(guān)加一。如果開關(guān)一直是斷開的。每次到達(dá)整點(diǎn)的時(shí)候，喇叭會(huì)發(fā)聲，。五、仿真操作步驟與使用說明5.1仿真操作步驟1、執(zhí)行電路；2、通過校時(shí)開關(guān)分校時(shí)和時(shí)校時(shí)調(diào)成59分，觀察揚(yáng)聲器的現(xiàn)象。3、按下暫停鍵。按壓分校時(shí)、時(shí)校時(shí)開關(guān)。觀察校時(shí)的情況5.2使用說明把暫停開關(guān)彈起，把分校準(zhǔn)，時(shí)校準(zhǔn)壓下，數(shù)字鐘開始計(jì)時(shí)。校時(shí)有兩種方式，可以直接按壓時(shí)校時(shí)和分校時(shí)來實(shí)現(xiàn)校時(shí)，也可以先將時(shí)暫停開關(guān)壓下，使時(shí)鐘暫停。然后再按壓時(shí)校時(shí)和分校時(shí)來實(shí)現(xiàn)校時(shí)。

18、校時(shí)完畢后按下時(shí)校時(shí)分校時(shí)，彈起暫停鍵。結(jié)束語(yǔ)通過這次對(duì)數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)與制作，讓我了解了設(shè)計(jì)電路的程序，也讓我了解了關(guān)于數(shù)字鐘的原理與設(shè)計(jì)理念，加強(qiáng)了我們動(dòng)手、思考和解決問題的能力。在此次的數(shù)字鐘設(shè)計(jì)過程中,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，鞏固和加強(qiáng)了課本知識(shí)。我做的是數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)，然而，要完成一個(gè)課題的設(shè)計(jì)要涉及到許多方面的知識(shí)。通過上網(wǎng)查詢和查閱相關(guān)書籍資料，讓我知道了大量關(guān)于數(shù)字鐘設(shè)計(jì)的知識(shí)，同時(shí)又重新將從前學(xué)過的知識(shí)復(fù)習(xí)了一遍，做到對(duì)各個(gè)集成塊的引腳功能和工作原理都很清晰。從而讓我更深一步掌握了時(shí)序邏輯電路的功能，學(xué)會(huì)了做課程設(shè)計(jì)的一般步驟。設(shè)計(jì)也是一個(gè)團(tuán)隊(duì)的任務(wù)，一起的工作需要相互幫