课程设计 数字钟Word下载.docx
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功能:
利用CMOS规模集成器设计有校时、校分功能
技术指标:
1)时分秒的十进制数字(小时00~23)计数器
2)有手动校时校分功能
工作量
适中
工作计划
1)分析功能要求,查找分析资料(0.5天)
2)画电路图,分析原理图,列元件表(2天)
3)购元件(0.5天)
4)安装电路(2天)
5)调试(6天)
6)说明书(3天)
7)准备答辩(1天)
8)答辩(1天)
指导教师评语
指导教师:
2010年3月24日
第1章绪论
1.1设计背景
数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置,与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性,且无机械装置,具有更长的使用寿命,因此得到了广泛的使用。
数字钟从原理上讲是一种典型的数字电路,其中包括了组合逻辑电路和时序电路。
目前,数字钟的功能越来越强,并且有多种专门的大规模集成电路可供选择。
1.2设计指标和设计功能
1.2.1设计指标
1.2.1设计功能
第2章电路的方框图
2.1电路的方框图
数字钟的构成:
振荡器、分频器、计数器、译码器、显示器和校时电路等几部分。
图2-1电路方框图
2.2电路的方框图说明
数字钟实际上是一个对标准频率(1HZ)进行计数的计数电路。
由于计数的起始时间不可能与标准时间(如北京时间)一致,故需要在电路上加一个校时电路,同时标准的1HZ时间信号必须做到准确稳定。
晶体振荡器电路给数字钟提供一个频率稳定准确的32768Hz的方波信号,可保证数字钟的走时准确及稳定。
然后分频器电路将32768Hz的高频方波信号经32768次分频后得到1Hz的方波信号供秒计数器进行计数。
分频器实际上也就是计数器。
时间计数电路由秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器及时个位和时十位计数器电路构成,其中秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器为60进制计数器,而根据设计要求,时个
位和时十位计数器为24进制计数器。
所有计数结果由对应的译码器和LED数码管显示出来,如图2-1所示。
第3章单元电路设计和器件的选择
3.1振荡电路与分频电路
根据要求,振荡电路应选择晶体振荡电路,前已述及。
振荡电路可以由图3-1来实现。
为使电路具有更高的Q值以提高振荡频率的稳定性,这里选择CMOS非门,从减小电路功耗的角度来考虑,这也是一种较好的选择,因此,电路的其它部分也应尽量采用CMOS集成电路来实现。
图3-1振荡与分频电路(仿真电路)
晶体XTAL的频率选为32768HZ。
该元件专为数字钟电路而设计,其频率较低,有利于减少分频器级数。
从有关手册中,可查得C1、C2均为30pF。
由于CMOS电路的输入阻抗极高,因此反馈电阻R1可选为10MΩ。
较高的反馈电阻有利于提高振荡频率的稳定性。
由于晶体振荡器输出频率为32768HZ,为了得到1HZ的秒信号输入,由公式(3-1)知需要对振荡器的输出信号进行15级2进制分频。
x=65536-32768=32768=2
公式(3-1)
实际上,从尽量减少元器件数量的角度来考虑,这里可选多极2进制计数电路CD4060和CD4040来构成分频电路。
CD4060和CD4040在数字集成电路中可实现的分频次数最高,而且CD4060还包含振荡电路所需的非门,使用更为方便。
CD4060计数为14级2进制计数器,可以将32768Hz的信号分频为2Hz,其内部框图如图3-2所示,从图中可以看出,CD4060的时钟输入端两个串接的非门,因此可以直接实现振荡和分频的功能。
图3-2CD4046内部框图
图3-3CD4040内部框图
CD4040计数器的计数模数为4096,其逻辑框图如图3-3所示。
如将32768Hz信号分频为1Hz,则需外加一个8分频计数器,故一般较少使用CD4040来实现分频。
综上所述,可选择CD4060同时构成振荡电路和分频电路。
照图3-2,在
和
之间接入振荡器外接元件可实现振荡,并利用74LS74双D触发电路可实现15级2分频,即可得1Hz信号。
3.2译码驱动显示及时间计数单元
选择CD4543作为显示译码电路,选择LED数码管作为显示单元电路,采用10进制计数器来实现时间计数单元的计数功能。
为减少器件使用数量,可选CD4518,其引脚及功能表如图3-4所示。
该器件为双二—十进制加法计数器。
时间计数单元有时计数、分计数和秒计数等几个部分。
具体电路如图3-5
图3-4CD4518引脚图及功能表
时计数单元为24进制计数器,其输出为两位8421BCD码形式,分计数和秒计数单元为60进制计数器,其输出也为8421BCD码。
本设计采用CD4518来实现时间计数单元的计数功能。
欲实现24进制和60进制计数还需进行计数模值转换。
计数器实现了对时间的累计以8421BCD码形式输出,为了将计数器输出的8421BCD码显示出来,需用显示译码电路将计数器的输出数码转换为数码显示器件所需要的输出逻辑和一定的电流,一般这种译码器通常称为7段译码显示驱动器。
LED数码管目前最常用的数字显示器,1个LED数码管可用来显示一位0~9十进制数和一个小数点。
小型数码管(0.5寸和0.36寸)每段发光二极管的正向压降,随显示光(通常为红、绿、黄、橙色)的颜色不同略有差别,通常约2V~2.5V,每个发光二极管的点亮电流在5mA~10mA。
LED数码管要显示BCD码所表示的十进制数字就需要有一个专门的译码器,该译码器不但要完成译码功能,还要有相当的驱动能力。
LED多数情况用于显示十进制数字,要将0~9的数字用7段显示,必须将数字转换为LED对应七段码的信息,比如,要显示“0”,就是让a、b、c、d、e和f段发光,显示“1”,让b和c段发光,然后根据LED是共阴极还是共阳极接法确定LED各输入端应接
图3-5译码驱动显示及时间计数电路(仿真电路)
逻辑1还是逻辑0,如果是共阳接法,要显示“0”时,a、b、c、d、e和f段就要输入逻辑0,共阴极接法则恰巧相反。
也就是说,对于共阴极和共阳极两种不同的接法,显示同一个字符时,对应的显示段码是不同的,互为反码。
数码显示器的管脚图如图3-6。
图3-6数码管引脚图
3.3校时电路
根据要求,数字钟应具有分校正和时校正功能,因此,应截断分个位和时个位的直接计数通路,并采用正常计时信号与校正信号可以随时切换的电路接入其中。
如图3-7所示采用基本RS触发器构成开关消抖电路,其中与非门选用74HC00;
对J1和J2,当开关打向下时,因为校正信号与0相与为0,而开关的另一端接高电平,正常输入信号可以顺利通过与或门,固校时电路处于正常计时状态,当开关打到向上时,情况正好与上述相反,这时电路处于校时状态,另外,在对分进行校时时应不影响时计数器的现状态,即当分校时时,如果产生进位应该不影响时计数的计数或不产生进位作用,因此,可用分校时时RS触发器的0输出状态来封锁进位输入信号。
图3-7带有消抖动电路的校正电路(仿真电路)
第4章整机电路的工作原理
4.1整机电路原理图
整机电路由振荡器、分频器、计数器、译码器、显示器和校时点路等几部分组成,整机原理图见图4-1。
图4-1整机原理图(仿真电路)
4.2整机电路的工作原理
石英晶体振荡器产生32768Hz的脉冲信号送到分频器,分频器将振荡器输出的脉冲信号分成每秒一次(1HZ)的方波作为秒脉冲,秒脉冲信号送入计数器进行计数,并把累计的结果通过译码以“时”、“分”、“秒”的十进制数字显示出来。
“秒”、“分”计数均由两级计数器组成的六十进制计数电路实现。
“时”计数由两级计数器组成的二十四进制计数电路来实现。
所有计数结果由对应的译码器和LED数码管显示出来。
第5章电路的组装调试
在完成电路的初步设计后,再对电路进行仿真调试,目的是为了观察和测量电路的性能指标并调整部分元器件参数,从而达到各项指标的要求。
实际电路测试时,先分级调试,再级联调试,最后整机调试。
用万用表测量各线路之间是否断开,并用示波器测量晶体振荡电路频率是否准确,若一切正常则调试完毕。
结论
本次课程设计基本实现了设计要求,实现了时分秒的十进制数字(小时00~23)计数和有手动校时校分功能的技术指标,使人们能正常校准时间。
但仍存在部分不足,如由于面包板过于老旧,使部分线路接触不良。
又由于电路连接比较复杂且面包板面积有限,使得布线过于密集。
本次课程设计除了能实现基本的显示功能以外,还可增加扩展电路,如:
整点报时、定时电路等。
收获与体会
历时三周的课程设计即将结束了,在这三周里,我们分工明确,每个人都尽力做好自己工作,也正是经过大家的共同努力,使我们的作品成功实现,这也使我感受到了什么叫团队精神。
此次的数字钟设计重在于仿真和接线,虽然能把电路图接出来,并能正常显示,但对于电路本身的原理并不是十分熟悉.所以我觉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强,由于课本上的知识太多,平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能,所以在这次课程设计过程中,我们了解了很多元件的功能,并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。
平时看课本时,有时问题老是弄不懂,做完课程设计,那些问题就迎刃而解了。
而且还可以记住很多东西。
比如一些芯片的功能,平时看课本,这次看了,下次就忘了,通过动手实践让我们对各个元件映象深刻。
认识来源于实践,实践是认识的动力和最终目的,实践是检验真理的唯一标准。
所以这个课程设计对我们的作用是非常大的。
总的来说,通过这次的设计实验更进一步地增强了实验的动手能力,也经过自己的学习与查阅相关书籍,了解了更多电子专业知识,可谓收获颇多。
致谢
在这近三周时间里,我们在连接电路图与调试时遇到了很多问题,如连接电路时对部分电路连接并不是很清楚,是梁舒老师百忙之中抽出时间帮我们分析问题,并设计方案,又如调试时经过逐级检查但电路显示还是不正确,是胡金龙老师一语点醒梦中人指出问题所在。
总之,我们的成功完成任务离不开各位老师的帮助和队友们共同努力,在此表示衷心的感谢。
参考文献
[1]康华光.电子技术基础.数字部分北京:
高等教育出版社,2000
[2]顾永杰.电工电子技术实训教程.上海:
上海交通大学出版社,1999
[3]陈坚.电力电子学[M].北京:
高等教育出版社,2002
[4]宋春荣.通用集成电路速查手册.山东科学技术出版社,1995
[5]高吉祥.电子技术基础实验与课程设计.电子工业出版社,2002
[6]吕思忠.数子电路实验与课程设计.哈尔滨工业大学出版社,2001
[7]谢自美.电子线路设计、实验、测试.华中理工大学出版社,2000
附录元器件清单
序号
名称
型号和参数
数量
1
电阻
15k
3
2
10M
5
1K
10
4
晶振
32768Hz
集成电路
CD4060
6
CD4518
7
74LS74
8
CD4011
9
74HC00
74HC51
11
CD4543
12
开关
单刀双掷
13
电容
30p
14
数码管
BS213
第1章绪论1
1.1设计背景1
1.2设计指标和设计功能1
1.2.1设计指标1
1.2.1设计功能1
第2章电路的方框图2
2.1电路的方框图2
2.2电路的方框图说明2
第3章单元电路设计和器件的选择4
3.1振荡电路与分频电路4
3.2译码驱动显示及时间计数单元6
3.3校时电路8
第4章整机电路的工作原理10
4.1整机电路原理图10
4.2整机电路的工作原理11
第5章电路的组装调试12
结论13
收获与体会14
致谢15
参考文献16
附录元器件清单17
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- 特殊限制:
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