電工電子基礎強化訓練說明書

1、電工電子基礎強化訓練題 目數(shù)字時鐘設計學 院自動化學院專 業(yè)自動化班 級1401姓 名指導教師電工電子基礎強化訓練任務書學生姓名 專業(yè)班級： 自動化 指導教師： 工作單位： 自動化學院 題 目: 數(shù)字時鐘設計 初始條件：1 運用所學的模擬電路和數(shù)字電路等知識；2 用到的元件：實驗板、電源、連接導線、74系列芯片、555芯片或微處理器等。要求完成的主要任務:1 設計一個有“時”，“分”，“秒”（23小時59分59秒）顯示且具有校時功能的電子鐘；2 擴展功能：整點報時即在某分某秒能輸出某一音頻信號；3 嚴格按照課程設計說明書要求撰寫課程設計說明書。時間安排：第1天 下達課程設計任務書，根據(jù)任務書查

2、找資料；第2天 進行方案論證，軟件模擬仿真并確定設計方案； 第3天 方案補充，提交電路圖，經(jīng)審查后領取元器件；第45天 小組方案設計仿真，組裝電路并調(diào)試，檢查錯誤并提出問題；第6天 結(jié)果分析整理，撰寫設計報告，驗收調(diào)試結(jié)果；第7天 補充完成電工電子基礎強化訓練報告和答辯。指導教師簽名： 2015年 7月1日系主任（或責任教師）簽名： 2015年 7月1日 目錄引言2.方案設計2.1 設計思路3.1秒脈沖產(chǎn)生電路53.2計數(shù)電路3.3報時電路3.4校時電路3.5譯碼及顯示電路引言自古就有:“一寸光陰,一寸金”的說法。而隨著人類的進步科學技術(shù)的發(fā)展，時間觀也越來越被人們重視,而更準確的知道時間能夠

3、提高人們的工作效率,能更好的在規(guī)定的時間內(nèi)完成所規(guī)定的工作 。因此能有隨時隨地的知道當前時間是非常重要的。隨著科學隨著科學技術(shù)的發(fā)展,單片機技術(shù)的不斷完善,使得鐘表的設計變得更加的靈便、更加簡單、功能更加的完善、計時也更加的準確。數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術(shù)實現(xiàn)時、分、秒計時的鐘表。與機械鐘相比具有更高的準確性和直觀性，具有更長的使用壽命，廣泛地應用于數(shù)字鐘是采用數(shù)字電路實現(xiàn)對時、分、秒數(shù)字顯示的計時裝置，以其顯示的直觀性、走時準確穩(wěn)定而受到人們的歡迎，廣泛用于個人家庭、車站、碼頭、辦公室等公共場所，給人們的生活、學習、工作、娛樂帶來了極大的方便，已成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢缮俚谋匦杵?，由于?shù)字集成

4、電路的發(fā)展和石英晶體與555振蕩器的廣泛應用，使得數(shù)字鐘的精度遠遠超過老式鐘表，鐘表的數(shù)字化給人們生產(chǎn)生活帶來了極人的方便，而目大大地擴展了鐘表原先的報時功能。諸如定時自動報警、按時自動打鈴、時間程序自動控制、定時廣播、通斷動力設備、以及各種定時電氣的自動啟用等，所有這些，都是以鐘表數(shù)字化為基礎的。因此，研究數(shù)字鐘及擴大其應用，有著非常現(xiàn)實的意義。1.1設計意義數(shù)字電子技術(shù)的迅速發(fā)展使各類集成電路在數(shù)字系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、信號處理等方面得到了廣泛的應用。為了更好地了解數(shù)字電子技術(shù)的應用，了解并掌握數(shù)字鐘的設計及工作原理，本次訓練選擇選擇數(shù)字鐘的設計。數(shù)字鐘的設計原理中包括了組合邏輯電路及時序邏輯電

5、路，可以讓我們進一步地學習和掌握組合邏輯電路和時序邏輯電路的原理及應用方法。1.2設計要求初始條件：1.運用所學的模擬電路和數(shù)字電路等知識；2.用到的元件：實驗板、電源、連接導線、74系列芯片、555芯片或微處理器等。要求完成的主要任務:1.設計一個有“時”，“分”，“秒”（23小時59分59秒）顯示且具有校時功能的電子鐘；2.擴展功能：整點報時即在某分某秒能輸出某一音頻信號；3.嚴格按照課程設計說明書要求撰寫課程設計說明書。2.1 設計思路數(shù)字時鐘電路由秒脈沖產(chǎn)生電路、計數(shù)電路、報時電路、校時電路、譯碼及顯示電路組成。秒脈沖產(chǎn)生電路發(fā)出秒脈沖，經(jīng)計數(shù)器計數(shù)后傳給譯碼電路，經(jīng)譯碼電路譯碼后由七

6、段數(shù)碼管顯示電路顯示十進制的時、分、秒。其邏輯框圖如下：時、分、秒計時器分別為二十四進制、六十進制、六十進制計數(shù)器。當電路運行到整點前十秒時（如13:59:50時），報時電路發(fā)出信號報時；校時電路通過開關控制發(fā)出脈沖，改變時、分的輸出數(shù)據(jù)。2.2 方案設計電路由兩個555多諧振蕩器、6個計數(shù)器、6個譯碼器、6個LED-7段數(shù)碼管、校時電路以及報時電路組成。555多諧振蕩器分別為計數(shù)器和揚聲器提供1Hz和500Hz的脈沖頻率，計數(shù)器、譯碼器、LED-7段數(shù)碼管分別一一對應，校時電路校正時和分，報時電路在整點前十秒內(nèi)持續(xù)報時。555振蕩器產(chǎn)生的頻率信號經(jīng)計數(shù)器計數(shù)后傳遞給相應的譯碼器譯碼，精譯碼后

7、的信號再由LED-7段數(shù)碼管顯示出來，達到計時的目的。3.1 秒脈沖產(chǎn)生電路555定時器成本低，性能可靠，只需要外接幾個電阻、電容，就可以實現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。它也常作為定時器廣泛應用于儀器儀表、家用電器、電子測量及自動控制等方面。555 定時器的內(nèi)部電路框圖如圖所示。它內(nèi)部包括兩個電壓比較器，三個等值串聯(lián)電阻，一個 RS 觸發(fā)器，一個放電管 T 及功率輸出級。它提供兩個基準電壓VCC /3 和 2VCC /3。功能555 定時器的功能主要由兩個比較器決定。兩個比較器的輸出電壓控制RS 觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當 5 腳懸空時，則

8、電壓比較器 C1 的同相輸入端的電壓為 2VCC /3，C2 的反相輸入端的電壓為VCC /3。若觸發(fā)輸入端 TR 的電壓小于VCC /3，則比較器 C2 的輸出為 0，可使 RS 觸發(fā)器置 1，使輸出端 OUT=1。如果閾值輸入端 TH 的電壓大于 2VCC/3，同時 TR 端的電壓大于VCC /3，則 C1 的輸出為 0，C2 的輸出為 1，可將 RS 觸發(fā)器置 0，使輸出為低電平555定時器是一種集模擬、數(shù)字于一體的中規(guī)模集成電路，其應用極為廣泛。該電路為由555和RC組成的多諧振蕩器，電路簡單，成本極低。多諧振蕩器也稱無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，它沒有穩(wěn)定狀態(tài)，同時無需外加觸發(fā)脈沖就能輸出一定頻率的

9、矩型脈沖（自激振蕩）。用555集成電路實現(xiàn)多諧振蕩，需要外接電阻R1、R2和電容C并外接+5V的直流電源。脈沖頻率為f=1.44/（R1 + 2R2）C13.2 計數(shù)電路 分、秒計數(shù)器電路如圖所示：本電路中通過采用74LS90計數(shù)器來實現(xiàn)十進制與六進制的功能。秒計數(shù)器和分計數(shù)器各由一個十進制計數(shù)器（十位）和一個六進制計數(shù)器（十位）串接組成，形成兩個六十進制計數(shù)器，其中個位奇數(shù)器接成十進制形式。十位計數(shù)器選擇Qb與Qc端做反饋端，經(jīng)與非門輸出至控制清零端CLR，接成六進制計數(shù)形式（計數(shù)至0110時清零）。個位于十位計數(shù)器之間采用同步級聯(lián)復位方式，將個位計數(shù)器的僅為輸出端RCO接至十位計數(shù)器的時鐘

10、信號輸入端CLK，完成個位對十位計數(shù)器的進位控制。將十位計數(shù)器的反饋清零信號經(jīng)非門輸出，作為六十進制的進位輸出脈沖信號，即當計數(shù)器至60時，反饋清零的低電平信號輸入CLR端，同時經(jīng)非門變?yōu)楦唠娖?，在同步級?lián)方式下，控制高位計數(shù)器的計數(shù)分、秒計數(shù)器均為六十進制計數(shù)器，電路產(chǎn)生的秒脈沖信號首先送到秒計數(shù)器進行累加計數(shù)，秒計數(shù)器在完成一分鐘的計數(shù)，即達到六十妙時產(chǎn)生一個進位信號，同時計數(shù)器清零。進位信號輸入到分計數(shù)器，同樣分計數(shù)器在達到六十分時產(chǎn)生另一個進位信號，同時計數(shù)器清零。時計數(shù)器為二十四進制計數(shù)器，在得到分計數(shù)器產(chǎn)生的進位信號時進行計數(shù)。計數(shù)規(guī)律為“00-01-02-21-22-23-00-

11、01-02”循環(huán)計數(shù)，每經(jīng)過一個循環(huán)即為一天。其中“24”作為過渡項不顯示。時計數(shù)器電路如圖所示：74LS00的兩個輸入引腳接到了十位的Q1和個位的Q2 上輸出引腳接到了電路板上所有161芯片的Rest端。也就是說當十位為0010個位為0100的時候（24）使所有161復位歸0。3.3 報時電路電路在整點前十秒開始報時，到整點時終止，即在59分50秒和00分00秒之間進行報時。此時分十位、分個位、秒十位不變，分別為5、9、5，因此將分計數(shù)器十位的Qc、Qa,個位的Qd、Qa以及秒計數(shù)器十位的Qc、Qa相與，從而產(chǎn)生控制信號。如圖為報時電路：揚聲器的頻率信號由555多諧振蕩器提供，通過

12、改變電路的電阻使輸出頻率為500Hz左右。3.4 校時電路校時是數(shù)字鐘應具備的基本功能，當數(shù)字鐘接通電源或者計時出現(xiàn)錯誤時都需要對時間進行校正。一般數(shù)字鐘都具有時、分、秒等校正功能。為使電路簡單，這里只進行分和時的校正。校正電路的要求在校正時位時不影響分和秒的正常計數(shù)，在校正分位時不影響秒和時的正常計數(shù)。校時電路中對時和分的校正，原理為手動對時、分計數(shù)器脈沖信號輸入端輸入脈沖信號該電路通過開關將脈沖信號輸入端與脈沖信號相連，通過手動按動開關，輸入脈沖信號實現(xiàn)時、分的校準。由于脈沖信號輸入端與前一計數(shù)器脈沖信號輸出端直接相連，且計數(shù)器脈沖信號輸出端與自身R1相連，為避免在校時時脈沖信號影響分計數(shù)

13、器，或在校分時脈沖信號影響秒計數(shù)器，通過幾個與非門將脈沖信號輸入端與前一計數(shù)器輸出端相連。3.5 譯碼及顯示電路譯碼驅(qū)動電路是將“秒”、“分”、“時”計數(shù)器輸出的8421BCD碼進行編譯，轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管需要的邏輯狀態(tài)，驅(qū)動LED-7段數(shù)碼管顯示，并且為保證數(shù)碼管正常工作提供足夠的工作電流。若將秒、分、時計數(shù)器的每位輸出分別與相應七段譯碼器的輸出端連接，在脈沖的作用下，便可進行不同的數(shù)字顯示。由于使用的譯碼器74LS48輸出端高電平有效，所以選擇共陰極的數(shù)碼管來與之搭配。各個譯碼器引腳A、B、C、D與計數(shù)器引腳Q1、Q2、Q3、Q4一一對應相連，譯碼器引腳Qa、Qb、Qc、Qd、Qe、Qf、Qg與

14、LED-7數(shù)碼管管腳一一對應相連，以達到譯碼及顯示電路的目的。4.1 調(diào)試中故障及解決辦法在電路調(diào)試時時，出現(xiàn)了不少的錯誤與問題。1.初次接好電路，開始調(diào)試并執(zhí)行后，LED-7數(shù)碼管無顯示；解決辦法：通過在調(diào)試時觀察電路中高低電位的分布（電路中的紅點、藍點），發(fā)現(xiàn)部分電路線未連通，明顯是由于接線時錯誤，及時改正；2.數(shù)字鐘電路所顯示時間走的過快；解決辦法：改變秒脈沖發(fā)生器中的電阻及電容大小，通過555多諧振蕩器脈沖頻率的計算公式f=1.44/（R1 + 2R2）C1，選擇合適的電阻、電容；3.初次接入校時電路后，在調(diào)試時校時的同時會影響分十位的顯示，校分的同時會影響秒十位的顯示； 解決辦法：經(jīng)

15、查找資料，加入與非門等元件，使兩者互不影響； 4.報時電路揚聲器沒有聲音； 解決辦法：在電路圖中接入一個555多諧振蕩器，并調(diào)整輸出頻率為500Hz左右。4.2 調(diào)試與運行在調(diào)試過程中，采用先局部后整體的原則，按照信號的流向逐塊進行調(diào)試，確定各個功能塊都能達到預期的效果，讓后將它們按信號流向連接起來，以達到整體的功能。仿真秒部分時，應先仿真顯示器而后是74LS248 譯碼器，然后是74LS161 計數(shù)器組成的60進制計數(shù)器。然后按上述順序分別連成秒、分、時計數(shù)電路。  1. 啟動Proteus軟件，在原理圖編輯窗口的藍色方框內(nèi)繪制原理圖；2. 原理圖繪制完畢后，單

16、擊軟件左下角的運行按鈕，檢測電路能否運行，左下角仿真工具欄從左到右分別為運行、單步運行、暫停、停止按鈕；3.若電路有明顯錯誤，軟件會給出提示，或者在左下方的“Message（s）”中查找錯誤并改正；4.觀察電路LED-7數(shù)碼管有無顯示，若沒有顯示則檢查電路的高低電位及通斷，從中尋找錯誤并改正。電工電子基礎強化訓練不同于我們以前傳統(tǒng)意義上的學科，不僅僅是要告訴我們一種知識，更要我們在了解了知識的基礎上自己動手將其驗證。老師只是在最開始的一堂課上，告訴了我們一些注意事項及需要用到的知識范圍。剩下的就都是我們自己的工作了。實驗結(jié)束后，我們覺得這門課真的很考驗綜合能力，要求我們具有專業(yè)知識的同時，動手能力也一定要強。還要考驗組員的默契及合作能力，是真正考驗全面能力的一門學科。通過這次設計，制作，調(diào)試的全過程，提高了我們在電工電子基礎知識和實際操作方面的綜合能力，初步培養(yǎng)了在完成工程項目中應具備的基本素質(zhì)和要求 。1 康華光.電子技術(shù)基礎-數(shù)字部分（第五版），高等教育出版