十二小時(shí)電子鐘課設(shè)報(bào)告

.PAGE.課程設(shè)計(jì)說明書課程設(shè)計(jì)名稱：數(shù)字邏輯課程設(shè)計(jì)題目：十二小時(shí)電子鐘學(xué)院名稱：信息工程學(xué)院專業(yè)：電子信息工程班級(jí)：130414學(xué)號(hào)：13041432：何貴涵評(píng)分：教師：鄧洪峰、秋香2015年9月14日..數(shù)字邏輯課程設(shè)計(jì)任務(wù)書2015－2016學(xué)年第一學(xué)期第1周－4周題目十二小時(shí)電子鐘容及要求根本要求：利用根本數(shù)字電路制作小時(shí)電子鐘，要求顯示時(shí)分秒；并能實(shí)現(xiàn)校時(shí)校分功能。提高要求：1〕針對(duì)影響電子鐘走時(shí)精度的因素提出改良方案2〕增加日期顯示3〕實(shí)現(xiàn)倒計(jì)時(shí)功能4)實(shí)現(xiàn)整點(diǎn)報(bào)時(shí)〔非語音報(bào)時(shí)〕5〕定時(shí)功能。進(jìn)度安排根據(jù)任務(wù)要求，查閱相關(guān)資料，完成設(shè)計(jì)的前期工作；〔兩天〕根據(jù)資料，進(jìn)展方案設(shè)計(jì)并比照論證，完成參數(shù)計(jì)算；〔三天〕庫房領(lǐng)取元器件，制作電路板，連接電路，完成電路調(diào)試；〔二十五天〕檢查完畢后，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。學(xué)生：家智何貴涵指導(dǎo)時(shí)間：第1~4周指導(dǎo)地點(diǎn)：E樓311室任務(wù)下達(dá)2015年9月7日任務(wù)完成2015年10月2日考核方式1.評(píng)閱□2.辯論□3.實(shí)際操作√4.其它□指導(dǎo)教師鄧洪峰、秋香系〔部〕主任賈杰注：1、此表一組一表二份，課程設(shè)計(jì)小組組長一份；任課教師授課時(shí)自帶一份備查。2、課程設(shè)計(jì)完畢后與"課程設(shè)計(jì)小結(jié)〞、"學(xué)生成績單〞一并交院教務(wù)存檔。摘要這個(gè)設(shè)計(jì)主要以數(shù)字電路的根底理論、低頻電子線路為指導(dǎo)，采用中、小規(guī)模的集成器LM555、CD4060、74LS161和LS248設(shè)計(jì)而成。該電路采用模塊設(shè)計(jì)、分模塊安裝調(diào)試等方法設(shè)計(jì)而成，所選用的器件主要是中小規(guī)模的集成芯片，本產(chǎn)品由于采用多片74LS系列的集成芯片組成，生產(chǎn)本錢低等原因使這個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)既容易實(shí)現(xiàn)，又不會(huì)浪費(fèi)太多本錢。產(chǎn)品由石英晶體振蕩器產(chǎn)生頻率可以調(diào)節(jié)的時(shí)鐘脈沖信號(hào)，經(jīng)十五分頻得到秒信號(hào)秒沖作為數(shù)字鐘計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)，當(dāng)?shù)竭_(dá)整點(diǎn)前一秒時(shí)，電路通過一個(gè)蜂鳴器準(zhǔn)時(shí)報(bào)時(shí)。這個(gè)電路還可以通過手動(dòng)，即過撥動(dòng)開關(guān)來選擇是否進(jìn)展實(shí)踐校準(zhǔn)。關(guān)鍵詞：電子鐘、分頻、計(jì)數(shù)、驅(qū)動(dòng)..目錄前言6電路初步設(shè)計(jì)61.1設(shè)計(jì)容以及要求61.2系統(tǒng)框圖61.3設(shè)計(jì)方案71.4設(shè)計(jì)過程8電路詳參設(shè)計(jì)82.1晶體振蕩器電路82.2分頻器電路92.3時(shí)間計(jì)數(shù)器電路102.4譯碼驅(qū)動(dòng)電路122.5數(shù)碼管132.6整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路及倒計(jì)時(shí)功能16測試及調(diào)試183.1晶體振蕩器電路的測試和調(diào)試183.2分頻器電路的測試和調(diào)試183.3時(shí)間計(jì)數(shù)器電路的測試和調(diào)試193.4譯碼驅(qū)動(dòng)電路的測試和調(diào)試193.5整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路的測試和調(diào)試19結(jié)論19參考文獻(xiàn)20附錄20附錄I總電路圖21附錄II電路圖PCB22附錄III實(shí)物圖25附錄IV元器清單26前言基于十二小時(shí)電子鐘在日常生活中的應(yīng)用，能夠了解生活中一些電子產(chǎn)品的工作原理以及其制作過程，以便能更好的了解生活。本實(shí)驗(yàn)采用的是十分簡易的方法：使用中、小規(guī)模的集成電子器件制作而成。第1章總電路的初步設(shè)計(jì)1.1設(shè)計(jì)容以及要求1.1.1設(shè)計(jì)要求1.根本要求：利用根本數(shù)字電路制作小時(shí)電子鐘，要求顯示時(shí)分秒；并能實(shí)現(xiàn)校時(shí)校分功能。2.提高要求：計(jì)時(shí)過程具有報(bào)時(shí)功能以及倒計(jì)時(shí)功能，當(dāng)時(shí)間到達(dá)整點(diǎn)進(jìn)展蜂鳴器報(bào)時(shí)；1.1.2主要參考元器件LM555、CD4060、74LS161、74LS248、74LS741.2系統(tǒng)框圖圖1.1所示為十二小時(shí)電子鐘的原理框圖，該電路由晶振——分頻電路、74LS161芯片構(gòu)成的計(jì)數(shù)單元、74LS248驅(qū)動(dòng)電路、手動(dòng)校時(shí)電路等主體模塊構(gòu)成。1.3設(shè)計(jì)方案根據(jù)設(shè)計(jì)要求可知，設(shè)計(jì)電路的核心局部是74LS161構(gòu)成的計(jì)數(shù)器，設(shè)計(jì)圍繞著怎樣使計(jì)數(shù)器正常工作，由于數(shù)字電子鐘實(shí)驗(yàn)要求精度高，因此想到的是利用石英晶體振蕩器產(chǎn)生頻率穩(wěn)定信號(hào)，再經(jīng)分頻，得到所需的秒信號(hào)作為74LS161的CP脈沖信號(hào)。其次，電路產(chǎn)生的時(shí)鐘秒信號(hào)也會(huì)有誤差，我們要考慮的是，如何實(shí)現(xiàn)手動(dòng)校時(shí)。經(jīng)過考慮，我們選擇通過雙擲開關(guān)來實(shí)現(xiàn)CP信號(hào)的送入是手動(dòng)還是自動(dòng)，假設(shè)開關(guān)打向手動(dòng)這邊，那么人為送入單次脈沖到CP，假設(shè)開關(guān)打向自動(dòng)這邊，那么電路產(chǎn)生的秒信號(hào)送入CP；然后，我們考慮的是如何產(chǎn)生上面提到的單次脈沖，我們采用的是用RS鎖存器來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的輸出脈沖；最后，當(dāng)電路將要到達(dá)整點(diǎn)時(shí)，通過對(duì)74LS161的輸出端進(jìn)展處理，通過蜂鳴器進(jìn)展整點(diǎn)報(bào)時(shí)。1.4設(shè)計(jì)過程在接到課題之后，首先按照設(shè)計(jì)的課題要求查找資料，獲取設(shè)計(jì)中可能應(yīng)用到的知識(shí)和數(shù)據(jù)信息。根據(jù)所查資料，進(jìn)展數(shù)據(jù)的估算，畫出了符合實(shí)驗(yàn)要求的根本原理圖，對(duì)原理圖各個(gè)局部電路進(jìn)展仿真，并修改產(chǎn)生的錯(cuò)誤，證實(shí)各局部電路的可行性；最后對(duì)整個(gè)電路進(jìn)展仿真和調(diào)試，證實(shí)所設(shè)計(jì)的根本原理圖的可行性。第2章電路設(shè)計(jì)2.1石英晶體振蕩器電路晶體振蕩器是構(gòu)成數(shù)字式時(shí)鐘的核心，它保證了時(shí)鐘的走時(shí)準(zhǔn)確及穩(wěn)定。圖2.2-1所示電路通過非門構(gòu)成的輸出為方波的數(shù)字式晶體振蕩電路，這個(gè)電路中，CMOS非門U1與晶體、電容和電阻構(gòu)成晶體振蕩器電路，并實(shí)現(xiàn)整形功能，將振蕩器輸出近似于正弦波的波形轉(zhuǎn)換為較理想的方波。輸出反應(yīng)電阻P1位非門提供偏置，使電路工作于放大區(qū)域，即非門的功能近似于一個(gè)高增益的反相放大器。電容C1、C2與晶體構(gòu)成一個(gè)諧振型網(wǎng)絡(luò)，完成對(duì)振蕩器頻率的控制功能，同時(shí)提供了一個(gè)180度相移，從而和非門構(gòu)成一個(gè)正反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了振蕩器的功能。由于晶體具有較高的頻率穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性，從而保證了輸出頻率的穩(wěn)定和準(zhǔn)確。晶體XTAL的頻率選為32768HZ。該元件專為數(shù)字鐘電路而設(shè)計(jì)，其頻率較低，有利于減少分頻器級(jí)數(shù)。從有關(guān)手冊(cè)中，可查得C1、C2均為30pF。當(dāng)要求頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度更高是，還可接入校正電容并采取溫度補(bǔ)償措施。由于CMOS電路的輸入阻抗極高，因此反應(yīng)電阻R1可選為22M歐姆。較高的反應(yīng)電阻有利于提高振蕩頻率的穩(wěn)定性。圖2.1石英晶體振蕩器圖2.2CD4060部構(gòu)造圖2.2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1HZ的秒信號(hào)輸入，需要對(duì)振蕩器的輸出信號(hào)進(jìn)展分頻。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)2進(jìn)制計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)。例如，將32768HZ的振蕩信號(hào)分頻為1HZ的分頻倍數(shù)為32768，即實(shí)現(xiàn)分頻功能的計(jì)數(shù)器相當(dāng)于15級(jí)2進(jìn)制計(jì)數(shù)器。本實(shí)驗(yàn)中采用CD4060來構(gòu)成分頻電路。CD4060在數(shù)字集成電路中可實(shí)現(xiàn)的分頻次數(shù)最高，而且CD4060還包含振蕩電路所需的非門，使用更為方便。CD4060計(jì)數(shù)為14級(jí)2進(jìn)制計(jì)數(shù)器，可以將32768HZ的信號(hào)分頻為2HZ，其部框圖如圖2.2-2所示，從圖中可以看出，CD4060的時(shí)鐘輸入端的兩個(gè)串接的非門，因此可以直接實(shí)現(xiàn)振蕩和分頻功能。在CD4060的輸出端再接一個(gè)74LS74，可再進(jìn)展二分頻，從而得到1s的信號(hào)。以下為CD4060、電阻及晶振連接成一個(gè)晶振——分頻電路，CD4060的輸出端3腳得到的是2HZ的脈沖信號(hào)。圖2.3晶振——分頻電路2.3時(shí)間計(jì)數(shù)單元時(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)局部。時(shí)計(jì)數(shù)單元一般為12進(jìn)制計(jì)時(shí)器，其輸出為兩位8421BCD碼形式；分計(jì)數(shù)單元和秒計(jì)數(shù)單元為60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其輸出也為8421BCD碼，我們采用16進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS161來實(shí)現(xiàn)時(shí)間計(jì)數(shù)單元的功能。74LS161管腳圖與真值表如下所示秒個(gè)位計(jì)數(shù)單元為10進(jìn)制計(jì)數(shù)器，需將74LS161的QD與QA接入與非門的輸入腳，與非門的輸出腳接74LS161的清零端CR。秒十位計(jì)數(shù)單元為6進(jìn)制計(jì)數(shù)器，需要進(jìn)制轉(zhuǎn)換。需將QB與QC接入與非門的輸入腳，與非，門的輸出腳接74LS161的清零端CR。將秒個(gè)位的CR接入秒十位的CP腳，這樣，當(dāng)秒個(gè)位計(jì)數(shù)單元完成一個(gè)計(jì)數(shù)循環(huán)時(shí)，CR變?yōu)榈碗娖矫}沖，使秒十位計(jì)一個(gè)數(shù)。分個(gè)位和分十位計(jì)數(shù)單元電路構(gòu)造分別與秒個(gè)位和秒十位計(jì)數(shù)單元完全一樣，時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)單元電路構(gòu)造仍與秒或個(gè)位計(jì)數(shù)單元一樣，但是要求，整個(gè)時(shí)計(jì)數(shù)單元應(yīng)為12進(jìn)制計(jì)數(shù)器，不是10的整數(shù)倍，因此需將個(gè)位和十位計(jì)數(shù)單元合并為一個(gè)整體才能進(jìn)展12進(jìn)制轉(zhuǎn)換。圖2.5由74LS161構(gòu)成的六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器圖2.6由74LS161構(gòu)成的12進(jìn)制計(jì)數(shù)器2.4譯碼驅(qū)動(dòng)電路電路分析：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)碼顯示器件所需的輸出邏輯和一定的電流，選用74LS248作為顯示譯碼電路，選用LED數(shù)碼管作為顯示單元電路。一個(gè)74LS248與一個(gè)LED數(shù)碼管連接起來成一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路如下，數(shù)碼管可以從0到計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)圍變化。2.5手動(dòng)校時(shí)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)展校正。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)展人工出觸發(fā)器計(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)具有時(shí)、分、秒校正功能，因此，應(yīng)截?cái)嗝雮€(gè)位，分個(gè)位和時(shí)個(gè)位的直接計(jì)數(shù)通路，并采用正常計(jì)數(shù)信號(hào)與校正信號(hào)可以隨時(shí)切換的電路接入其中。圖2.8所示即為帶有根本RS觸發(fā)器的校時(shí)電路。當(dāng)開關(guān)打在圖示中的位置時(shí)，其右邊的兩個(gè)與非門的上一個(gè)輸出為高電平，下一個(gè)輸出為低電平，那么電路的最終輸出的信號(hào)為正常輸入信號(hào)。當(dāng)要實(shí)現(xiàn)時(shí)間校準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)將開關(guān)打向另一面，即其右邊的兩個(gè)與非門上一個(gè)輸出高電平，下一個(gè)輸出低電平，那么電路的最終輸出端輸出的信號(hào)為手動(dòng)輸出信號(hào)。圖2.9所示為分單元與時(shí)單元合起來的校時(shí)電路。在上面兩圖中，正常信號(hào)指的是晶振經(jīng)分頻后產(chǎn)生的秒信號(hào)及計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的清零脈沖，校正信號(hào)指的是通過手動(dòng)按鍵，產(chǎn)生所需的脈沖。然后將該校正信號(hào)加到上兩圖中所示的校正信號(hào)輸入端口，即完成了一個(gè)完整的校時(shí)電路，單次脈沖產(chǎn)生電路如下。圖2.10單次脈沖產(chǎn)生電路2.6整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路在時(shí)間出現(xiàn)整點(diǎn)前一數(shù)秒，數(shù)字鐘會(huì)自動(dòng)報(bào)時(shí)，以示提醒。假設(shè)要求簡單，可選為電路在59分在進(jìn)位時(shí)的CLK在接出到一個(gè)整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路。該電路圖如下。倒計(jì)時(shí)功能：我們由于時(shí)間及現(xiàn)實(shí)的原因只是做了秒的個(gè)位倒計(jì)時(shí)，利用的是直接在74LS161接上一些門到達(dá)倒計(jì)時(shí)功能具體如下：A3A2A1A0Z3Z2Z1Z00000091001100018100020010701113001160110401005010150101401006011030011701112001081000100019100100000由上面可得：Z0=EQ\*jc0\*"Font:宋體"\*hps12\o\ad(\s\up11(-),A0)，Z1=A1，Z2=A1EQ\o\ac(○,+)A2，Z3=EQ\*jc0\*"Font:宋體"\*hps12\o\ad(\s\up11(-),A1)EQ\*jc0\*"Font:宋體"\*hps12\o\ad(\s\up11(-),A2)EQ\*jc0\*"Font:宋體"\*hps12\o\ad(\s\up11(-),A3)由于考慮到有競爭冒險(xiǎn)，所以在74LS266D后面加了一個(gè)非門。圖如下：第3章3.1分頻——晶振電路的測試與調(diào)式電路圖如圖2.3所示，電路圖如圖2.3所示，因?yàn)橐婚_場不知道庫房儲(chǔ)件情況，導(dǎo)致開場進(jìn)展實(shí)物連接時(shí)沒有適宜的石英晶體，去電子市場太匆忙也沒找到適宜的石英晶體，最后臨時(shí)改成了555秒脈〔T=(R1+2R2)Cln2=0.9773s)沖進(jìn)展實(shí)物連接.3.2時(shí)間計(jì)數(shù)單元電路的測試與調(diào)試電路圖如圖2.5-2.6所示，接通5V電源，秒計(jì)數(shù)單元，分計(jì)數(shù)單元的計(jì)數(shù)周期與設(shè)計(jì)好的進(jìn)制一致，分別是60進(jìn)制，60進(jìn)制12進(jìn)制，符合設(shè)計(jì)要求。3.3譯碼驅(qū)動(dòng)及顯示的測試與調(diào)試電路模塊如圖2.7所示，由于數(shù)碼管數(shù)字顯示及計(jì)數(shù)器周期均正常，說明74LS248與數(shù)碼管的連接均正常，符合設(shè)計(jì)要求。3.4手動(dòng)校時(shí)電路的測試與調(diào)試由于沒有領(lǐng)到74LS85所以手動(dòng)校時(shí)電路暫時(shí)沒有制作出來3.5整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路的測試與調(diào)試當(dāng)電路正常計(jì)數(shù)以后，時(shí)鐘走到59分時(shí)，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，時(shí)間為1S，然后停息，與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)預(yù)想的一致