EDA课设多功能数字钟Lstorynn.docx
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EDA课设多功能数字钟Lstorynn
目 录
第一章
1、设计目的2
2、设计对象2
3、课程设计环境2
第二章
1、设计原理3
2、子电路设计4
3、子电路分析图表8
第三章数字钟故障诊断
1、故障诊断概述10
2、数字钟计数器故障诊断10
3、故障诊断结束语13
第四章
1、结论14
2、收获与体会14
参考文献13
课程设计图纸16
第一章
一、设计目的
1、EDA是当今世界上最先进的电子电路设计技术,是电子工程师必须具备的基本技能;
2、通过此次课程设计,提高学生工程设计能力,以满足电子设计竞赛。
科技创新,毕业设计、就业等的需要;
3、熟练运用数电、模电基础知识,加深对本专业学科的理解;
4、掌握至少一种EDA仿真软件;
5、锻炼学生的书面表达能力。
二、设计对象及要求:
1、设计对象:
数字时钟
2、基本要求:
1)设计一个有“时”、“分”、“秒”(23小时59分59秒)显示且有校时功能的电子钟。
2)用中小规模集成电路组成电子钟,并在Multisim中进行组装、调试。
3)所设计电路需要有子电路以及电路故障诊断。
4)画出框图和逻辑电路图,写出设计、实验总报告。
3、扩展功能
5)闹钟系统(06:
00:
00)发出闹钟信号,持续1分钟。
三、课程设计环境:
1、条件:
PC一台,NImultisim11应用软件
2.、选用软件概述:
NImultisim是当前EDA技术中流行的、特别适合电子技术教学的一款EDA工具软件。
由加拿大InteractiveImageTechnologies公司推出,本软件是以windows为基础的虚拟仿真软件。
适用于班级的模拟/数字电路板的设计工作。
Multisim是一个完整的设计工具系统。
提供了一个非常大的元件数据库,并提供原理图输入接口,全部的数模SPICE(SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis)仿真功能,VHDL/Verilog设计接口与功能仿真功能,FPGA/CPLD综合,RF(射频)设计能力和后处理(数学运算)功能,还可以进行从原理图到PCB布线工具包(如EWB的Utiboard)的无缝隙数据传输。
这款软件操作界面方便友好,原理图的设计输入快捷,元器件丰富,有数千个器件模型虚拟仪表种类齐全,如同操作仪表一样,分析工具广泛,帮助设计者全面了解电路的性能对电路进行全面的仿真分析和设计,直接打印输出实验数据、曲线、原理图和元件清单等,设计与实验可同步进行,可边设计边实验,修改调试非常方便。
设计和实验成功的电路可以直接在产品中使用。
第二章
一、设计原理
1、主要组成部分:
555震荡器、分频电路、秒计数器、分计数器、时计数器、BCD-七段显示译码/驱动器、LED七段显示数码管、时间校准电路、闹钟子电路。
2、设计思路:
数字钟数字显示部分,采用译码与二极管串联电路,将译码器、七段数码管连接起来,组成十进制数码显示电路,即时钟显示。
要完成显示需要6个数码管,八段的数码管需要译码器械才能显示,然后要实现时、分、秒的计时需要60进制计数器和24进制计数器,在在仿真软件中发生信号可以用函数发生器仿真,频率可以随意调整。
60进制可能由10进制和6进制的计数器串联而成,频率振荡器可以由晶体振荡器分频来提供,也可以由555定时来产生脉冲并分频为1Hz。
计数器的输出分别经译码器送显示器显示。
计时出现误差时,可以用校时电路校时、校分。
扩展电路必须在主题电路正常运行的情况下才能进行功能扩展。
3、电子数字钟系统组成框图:
二、子电路设计
子电路分类
仿真文件中名称
主要包括
555振荡器
555
555
千分频电路
Time_dividing
74LS90N
校时电路
Timing_ciruit
Functiongenerator
秒时钟
Seconds
74LS161N,4511BD_5V
分时钟
Minutes
小时时钟
Hours
闹钟电路
Alarm_clock
Combinationlogiccircuit,sonalert
1、555振荡器(555):
本实验需要1Hz的脉冲,可以用石英晶体振荡器或者555振荡器,它们各有优缺点。
1)石英晶体振荡器:
石英晶体振荡器的特点是振荡频率准确,电路结构简单,频率易调整(常用4MHz的晶振组成)。
2)555振荡器:
555定时器是一种多用途的数字-模拟混合集成电路,可以很方便构成多谐振荡器.只要搭配上合适的电阻,电容就可以产生所需要的脉冲信号.如图所示,此时产生出来的是1kHz的信号,只要经过3个10进制计数器进行分频即可产生1Hz的脉冲。
综合分析考虑上面两种脉冲产生电路,由于在Multisim元件库里面找不到4MHz的晶振,其它晶振很难分频得到1Hz的频率,如果用40MHz的话产生的波形很不稳定。
所以最终选择第二种方案,用555定时器来产生脉冲。
在仿真文件钟采用的是Multisim中自带的555定时器,设置频率为1KHz。
2、千分频电路:
由于振荡器的信号频率太高,要得到标准的秒信号,就需要对所得到的信号进行分频。
这里所采用的分频电路是用三个中规模计数器74LS90来构成的3级1/10分频,经过分频便可得到1Hz的脉冲信号,送入秒各位计数器。
74LS具有多种基本工作方式(包括五分频、十分频8421,、六分频、九分频、十分频5421),在这里选用十分频8421这种工作方式。
3、校时电路
校正信号脉冲(方波信号)选用函数发生器(functiongenerator)产生,由于NImultisim11仿真过于慢了(现实时间过去几分钟了,仿真时间才过去一秒),所谓这里为了仿真效果,将校正脉冲频率设置为25KHz,通过三个单刀双置开关分别控制对小时电路,分电路,秒电路单元的校正。
时、分、秒校正开关分别设置笔记本电脑上的A、S、D三个按键。
需要校正时,将开关打到相应函数发生器的信号输出端。
4、秒时钟与分时钟
秒时钟和分时钟都是六十进制计数器。
从常理可知,数字钟需要六十进制和十二进制计数器,而六十进制可通过十进制和六进制串联而成,从而完成数码显示。
因为同步加法计数器74LS161可构成16进制以下的计数器,所以此电路中分和秒的计时都采用74LS161来进行设计。
而小时是12进制计数,采用74LS191的十进制计数器和D触发器来产生计数和进位。
在数字钟的控制电路中,分和秒的控制都是一样的,都是由一个十进制计数器和一个六进制计数器串联而成的,在电路的设计中我采用的是统一的器件74LS161N的反馈置数法来实现十进制功能和六进制功能,十进制的同步加法计数器有74160和74192,而没有现成的六进制同步加法计数器。
下图中有74LS161构成六进制计数器的结构图,根据74LS161的结构把输出端的0101(十进制为5)用一个与非门74LS00引到Load端便可置0,这样就实现了六进制计数。
下图中有用74LS161构成十进制计数器的结构图,同样,在输出端的1001(十进制为9)用一个与非门74LS00引到Load端便可置0,这样就实现了十进制计数。
在分和秒的进位时,用秒计数器的Load端接分计数器的CLK控制时钟脉冲,脉冲在上升沿来时计数器开始计数。
上图中的分时钟子电路的(m0~m7)IO端口用于接闹钟子电路构成闹钟扩展功能。
分时钟与秒时钟的电路连接非常相似,介绍其一即可。
需要提醒一点的是,这里是将计数器与译码电路一起作为的计数器子电路,在仿真总文件中体现不了这点。
5、小时时钟(24进制计数器)
小时时钟是24进制计数器。
采用的是个位十进制计数,十位当出现00100011时置位。
对于个位,将00100011的Q0,Q1,Q5位接出,与个位的原进位置位端通过一个或们相连接入个位的置位端。
由于电子元器件存在容差现象,个位和十位并不同步。
在这里将小时计数简化改为三十进制计数。
不影响其它的仿真效果
6、闹钟子电路
闹钟响铃是在06:
00:
00,响铃时长是从06:
00:
00到06:
00:
59。
故只对小时时钟子电路(00000110)和分时钟子电路(00000000)的输出信号进行译码。
为了减轻思维量,这里采用全译码。
将其经过译码后的信号S作为与门U32A的屏蔽信号,当信号S为高电平时,与门U32A被打开,与之相连的1KHz方波信号才允许通过,形成一分钟的闹铃声。
三、子电路分析图表
1、555振荡器分析:
将555振荡器接示波器,检查振荡器的信号输出波形与频率。
由下图可以看出555振荡器输出波形为方波,波形一个周期初步估读为998.134
,波形频率估读为1KHz,符合课程设计要求。
2、千分频分析
将千分频电路接逻辑分析仪,连线如下图。
其中IO1为1KHz,紧接着的三个输出端通过波形图可以看出:
后一个的输出频率几乎为前一个的1/10.符合课程设计要求。
3、计数器以及显示数码管分析
分别将小时时钟,分时钟,秒时钟的信号输入端接入1kHz(为了加快仿真速度)数字方波信号。
为了加快仿真时间,便于观察,不将时分秒都进行级联。
将其中小时时钟单独连接一个方波信号,分时钟与秒时钟级联接入另一个方波发生器。
有图可知,计数器均能正常工作,显示数码管也能正确显示时间。
级联能够产生从秒时钟到分时钟的进位。
符合课程设计要求。
第三章数字钟故障诊断
1、故障诊断概述
电子电路故障诊断及维修技术是从事电子电路生产与维修的工程技术人员必备的专业技术Multisim具有丰富的仿真分析能力,仿真结果十分逼近真实结果。
Multisim软件不仅提供了多种电路分析方法,并且具有故障模拟的功能。
Multisim的故障模拟功能在电子电路故障诊断过程中可以发挥重要的作用,掌握这一功能并且灵活应用,有助于快速而有效地提高电子电路故障诊断水平。
按故障程度可分为软故障和硬故障。
其中软故障是指元器件的参数值随时间或环境变化偏离至不能允许的程度,即超出该元件参数的容差范围;硬故障则是故障元器件参数突然发生大的变化,如短路、开路或者元器件损坏等。
在电路中大多为硬故障。
比较而言,模拟电路的故障诊断比数字电路的故障诊断更困难。
因为时间和电压电流的连续性会导致故障状态的多样性;元器件参数的离散性,即容差特性,会使诊断结果失去准确性和稳定性;电路中普遍存在的非线性和反馈回路会使测试的负载型大大增大。
使用Multisim进行电子电路故障诊断,首先要正确读识电路图,看懂电路基本工作原理,其次进行电子电路故障分析,然后根据故障现象画出电子电路故障诊断逻辑关联图,其后使用Multisim模拟故障功能进行电路故障设置,最后进行电路故障仿真及诊断,找出故障元件。
2、数字钟计数器故障诊断
1)正确读识电路图,看懂电路基本工作原理
本课程设计数字钟主要由555震荡器、分频电路、秒计数器、分计数器、时计数器、BCD-七段显示译码/驱动器、LED七段显示数码管、时间校准电路、闹钟子电路组成。
如果计数器发生了故障,在七段数码管上通常会有相应的故障现象。
在第二章子电路分析的时候,通过截图可知即数码管现像可知,数字钟电路时正确的。
这是进行模拟故障的前提条件。
2)电子电路故障分析
为了简化工作量,这里仅对计数器子电路进行分析。
子电路
可能的故障点
相应故障现象
计数器子电路
1)连线人为错误(未接地或未接高电平);
2)计数器接线原理性错误(如EDP和ENT一直接的低电平)
数码管不亮
1)接线人为错误,非原理性接线错误;
2)选取计数器输出信号不当;
3)信号传输延迟时间不一致;
4)忽略技术控制信号的作用范围。
数码管显示数字乱序、缺损
3)根据故障现象画出电子电路故障诊断逻辑关联图
5)使用Multisim模拟故障功能进行电路故障设置
a.假设秒时钟子电路中,与十位计数器相连的数码管不亮。
故障设置1如下:
将十位计数器的译码器U17的enp和ent端断开。
如下图:
b.假设秒时钟子电路中,与个位相连的数码管数字循环由0~9缩短为0~5。
故障设置2如下:
将(个位)Label为U16的74LS161N的QD上的连线引出端移到QC引出端上面。
连线如下图。
6)电路故障仿真与诊断
故障1试验现象:
分时钟和秒时钟十位一直保持0,秒时钟十位不产生进位。
则在秒时钟十位必有故障。
秒时钟个位循环0~9,无异常现象。
产生此种现象的原因:
数码管未接地为不显示,为八有可能是译码器的bt和it端未接高电平,为零则因为计数器74LS161N无输出,问题出在计数器。
检查线路可知,导线节点端未连接到enp和ent端,诊断结果与预先设置的故障点一致,诊断结果正确。
7)故障2的实验现象:
秒时钟个位循环只能进行0~6,能产生十位进位。
初步诊断故障发生在秒时钟个位,有可能的原因:
a.接线人为错误,非原理性接线错误;
b.选取计数器输出信号不当;
c.信号传输延迟时间不一致;
d.忽略技术控制信号的作用范围。
首先检查接线均连接良好,a号原因排除。
在检查选取计数器输出信号的连接,发现引出端为QA和QC,表明个位为0101的时候产生进位,即当技术到5进位。
诊断结果与预先设置的故障点一致,诊断结果正确。
3故障诊断结束语:
本章节给出了使用multisim进行电子电路故障诊断的具体流程,并进行了较为详细的分析。
我们使用multisim进行电子电路故障诊断,既可以节约硬件学习成本,还可以不受场所的限制,从而极大的增加实践机会,进而有效的提高电子电路故障诊断水平。
第四章
一、结论:
数字钟的设计涉及到模拟电子与数字电子技术。
其中绝大部分是数字部分、逻辑门电路、数字逻辑表达式、计算真值表与逻辑函数间的关系、编码器、译码器显示等基本原理。
数字钟是典型的时序逻辑电路,包含了计数器,二进制数,六进制,六十进制,二十四进制,十进制数的概念,涉及到任意进制计数器的设计概念。
数字钟的设计与制作可以进一步加深对数字电路的了解,通过本次电子电路的设计,为数字电路的制作提供了思路。
从结果来看,本次课程设计完成了课程内容,具体包括以下几个方面:
1)设计一个有“时”、“分”、“秒”(23小时59分59秒)显示且有校时功能的电子钟。
2)用中小规模集成电路组成电子钟,并在Multisim中进行组装、调试。
3)所设计电路需要有子电路以及电路故障诊断。
4)画出框图和逻辑电路图,写出设计、实验总报告。
3、扩展功能
5)闹钟系统(06:
00:
00)发出闹钟信号,持续1分钟。
其中,前面三条经过了正确的仿真验证,对于闹钟系统,由于multisim仿真太慢,中间导致了几次电脑过热死机(PC机的风扇坏了,电脑不好),只进行了理论搭建,现象未观测到。
二、收获与体会
总的来说这次的设计经历了很多稀奇古怪的困难,导致设计者心中时常波澜起伏不定。
但最后的收获是很大的。
当初搭建课程设计操作平台的时候,根据老师的建议,是下载的multisim最为经典的版本——multisim2001。
这里谈一下使用的体会,首先来说这款软件的界面是很通俗易懂的,不过进行电路设计时,连线很麻烦,整体移动元件的时候,连线会乱掉。
再次是multisim系列都存在的仿真速度太慢,虽然这点在网上说可以通过更改simulate中的最大步进长度来解决,可要不是报错就是根本没有提速。
最后我是通过直接连方波函数以及提高方波频率(从1Hz提高到50KHz)来解决的。
最后一次的时候,当我基本完成电路连接,开始进行子电路设计的时候,multisim2001自动关闭了,导致所做的工作全部报废。
我问了同学,他们有些也存在类似的现象,所以我决定换用multisim的更高版本——NIMultisim11。
它是向下兼容的,可以打开低版本的同类型软件。
在这个新的设计平台里面,可以说是如鱼得水,非常好用。
几分钟就能熟悉这款软件,进行简单的设计。
我想只有用过multisim2001之后,才会有这样的高兴还存在NImultisim11。
从中我学到了什么:
1)Multisim系列软件的安装与使用。
2)对数电、模电知识进行了复习,加深了对本专业学科的理解。
3)整个课程设计过程中出现了很多故障和意外,在一次次的检查中,提高了自己多方面的能力。
4)锻炼了自己坚忍不拔的精神和求真务实的学习态度。
5)锻炼了自己查阅文献的能力。
6)培养了我对电子电路设计的兴趣。
不足之处:
1)这次设计本来还准备设计整点报时功能,但由于能力和时间的限制,并没有在本次课程设计中实现。
2)这次的校正电路是自己想象设计的,当查阅别人的课程设计时,发现自己的过于简单。
功能上只能进行顺向校时,并不是很智能和人性化。
3)由于mulitisim仿真时过于慢了,当把整个电路连起来进行仿真时,必不能出现试验想象,一直显示的是00:
00:
00.仿真太久,我的破电脑会死掉。
4)对于理论知识的掌握还不是很好,需要自己在课后加强。
参考文献
[1]阎石.数字电子技术基础.北京:
高等教育出版社,2006
[2]童诗白、华成英模拟电子技术基础2006
[3]张新军、许军、王新忠、杨雨迎Multisim10电路仿真及应用
[4]黄智伟基于NIMulitisim的电子电路计算机仿真设计与分析
[5]杨月花使用mulitisim进行电子电路故障诊断沙洲职业工学院报2009.6
课程设计图纸
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