数字时钟电路设计.docx
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数字时钟电路设计.docx
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数字时钟电路设计
总目录
第一部分:
任务书
第二部分:
课程设计报告
第三部分:
设计图纸
第一部分
任
务
书
《数字电子技术基础》课程设计任务书
一、课程设计的目的
本课程是在学完《数字电子技术基础》、《数字电子技术实验》之后,集中一周时间,进行的复杂程度较高、综合性较强的设计课题的实做训练。
主要包括:
方案论证、系统电路分析、单元功能电路设计、元器件选择、安装调试、计算机辅助设计、系统综合调试与总结等。
使学生在《数字电子技术》基本知识、实践能力和综合素质、创新意识、水平诸方面得到全面提高,为后续课程的学习,为培养应用型工程技术人才打下重要基础。
通过本课程设计可培养和提高学生的科研素质、工程意识和创新精神。
真正实现了理论和实际动手能力相结合的教学改革要求。
二、课程设计的要求
1、加强对电子技术电路的理解,学会查寻资料、方案比较,以及设计计算等环节,进一步提高分析解决实际问题的能力。
2、独立开展电路实验,锻炼分析、解决电子电路问题的实际本领,真正实现由知识向技能的转化。
3、独立书写课程设计报告,报告应能正确反映设计思路和原理,反映安装、调试中解决各种问题。
三、课程设计进度安排
1、方案设计;(一天)根据设计任务书给定的技术指导和条件,进行调查研究、查阅参考文献,进行反复比较和可行性论证,确定出方案电路,画出主要单元电路,数据通道,输入、输出及重要控制信号概貌的框图。
电路设计:
(一天)根据方案设计框图,并画出详细的逻辑图
装配图设计:
(半天)根据给定的元器件,结合逻辑图,设计出电路制作的具体装配图(即绘出组件数量,管脚号以及器件布置的实际位置)。
同时配以必要的文字说明。
电路制作:
(一天半)对选定的设计,按装配图进行装配,调试实验。
总结鉴定:
(半天)考核样机是否全面达到现定的技术指标,能否长期可靠地工作,并写出设计总结报告。
四、设计题目及内容:
数字时钟电路
(1)、具有“时”“分”的数字显示时钟;
(2)、“秒”不作数字显示,只使“时”和“分”之间“:
”间隔闪亮;
(3)、具有校分和校时功能;
(4)、具有整点报时功能
五、设计要求
用中小型规模集成电路设计出所要求的电路;
在实验箱上安装、调试出所设计的电路。
在EDA编程实验系统上完成硬件系统的功能仿真。
写出设计、调试、总结报告。
六、器件与器材
LED共阴数码管
BS207
4片
BCD七段译码器
74LS48
4片
十进制计数器
74LS160
12片
四2输入与非门
74LS00
3片
双4输入与非门
74LS20
1片
六反相器
74LS04
1片+3
双上升沿D触发器
74LS74
1片
石英晶体
4MHz
1个
发光二极管
2只
开关
K1、K2
2只
电阻
1千欧
5只
电容
0.01微法
1只
电容
10皮法
1只
工具(镊子、剪刀、导线)
七、使用仪器设备
稳压电源(±5V,±15V);
实验电路箱;
低频信号发生器;
PC机(装有Multisim软件);
八、参考文献
1、“模拟电子技术基础”和“数字电子技术基础”
2、“电子技术课程设计指导书”;
3、“集成电路特性应用手册”;
九、设计总结报告主要内容
一、任务及要求;
二、方案特点;
三、各组成部分及工作原理(应结合框图写);
四、单元电路设计与调试;
五、总逻辑图;
六、总装配图;
七、实验仿真结果;
八、实验结果分析(画出必要的波形,进行测量精度和误差分析);
九、调试中出现问题的解决;
十、改进意见及收获体会等。
第二部分
课
程
设
计
报
告
1设计任务及要求…………….………………………………………….…….…(9)
2系统总体设计方案………………………………………….…………………(10)
2.1总体设计方案…………………………...……………..………..…………….….…(10)
2.2方案特点…………………………………………………..………..……………..…(10)
3控制电路设计…………………………………………...……………………(11)
3.1控制电路工作原理………………………………………..…………..……………..(11)
3.2参数计算…………………………………….…………………………………..(11)
3.3器件选型…………………………………….…………………………………..(11)
4振荡电路设计…………………………………………...……………………(12)
4.1振荡电路工作原理………………………………………..………..………………..(12)
4.2参数计算…………………………………….…………………………………..(13)
4.3器件选型…………………………………….…………………………………..(13)
5计数电路设计…………………………………………...……………………(14)
5.1计数电路工作原理………………………………………..………..………………..(14)
5.2参数计算…………………………………….…………………………………..(16)
5.3器件选型…………………………………….…………………………………..(16)
6译码显示电路设计……………………………………...……………………(17)
6.1译码显示电路工作原理…………………………………..………..………………..(17)
6.2参数计算…………………………………….…………………………………..(17)
6.3器件选型…………………………………….…………………………………..(17)
7系统总体电路设计……………………………………...……………………(18)
7.1系统总体电路…………………………………..……….………..………………..(18)
7.2电路说明…………………………………….…………………………………..(18)
8整点报时……………………………………………………………………………………(19)
8.1整点报时电路设计………………………………......………………………………..(19)
8.2整点报时电路图…………………………………….........…………………………...(19)
9电路调试………………………………………………...……………………(20)
8.1振荡电路调试及实验结果分析……………………………………….….….(20)
8.2计数电路调试及实验结果分析…………………………………….…..…….(20)
8.3译码显示电路调试及实验结果分析……………………………………….….(20)
8.4控制电路调试及实验结果分析……………………………………….…….….(20)
8.5系统联调及实验结果分析………………………………………….….…….(20)
10改进意见及收获体会…………………………………...……………………(23)
1设计任务及要求
设计一个数字时钟电路,要求具有以下功能:
1)、具有“时”“分”的数字显示时钟;
2)、“秒”不作数字显示,只使“时”和“分”之间“:
”间隔闪亮;
3)、具有校时和校分功能,且被校的时间闪烁显示;
4)、具有整点报时功能
下载并测试电路功能,校准信号由按键给出,显示由LED七段数码管显示。
1)用中小型规模集成电路设计出所要求的电路;
2)在实验箱上安装、调试出所设计的电路。
3)在EDA编程实验系统上完成硬件系统的功能仿真。
4)写出设计、调试、总结报告。
2系统总体设计方案
2.1总体设计方案
数字钟是一个计时仪器。
T=1s(f=1Hz).它由记数器、译码器、石英晶体振荡器、分频器、显示器和校时电路组成,石英晶体振荡器产生的信号经过分频器作为秒脉冲,秒脉冲送入计数器计数,计数结果通过“时”、“分”译码器进行译码和输出。
数字电子钟的总体框图如下图所示
2.2方案特点
经我们小组的周密分析和深入探讨,我们发现该电路主要实现3个功能:
一、整点报时功能:
由于器件缘故,有发光二极管代替蜂鸣器。
二、12小时制计时功能:
时、分由四个七段数码管显示,秒由小数点显示。
三、
校时校分功能:
通过两个开关分别实现
3控制电路设计
3.1控制电路工作原理
F1-2.控制电路图
设计方框图
时钟的正常使用都需要对其进行校正。
本设计实用的方法是:
通过接地阻断计数通路clk,再进行人工出触发计数或将频率较高的方波信号加到需要校正的计数单元的输入端,校正好后,再转入正常计时状态即可。
图F1-2中J1是校时开关,通过与非门U18A接到“时”电路。
J2是校分开关,通过与非门U19A接到“分”电路。
3.2参数计算
经计算分析和对现有器件的综合考虑,确定选用电阻阻值为1KΩ,其与器件均无需改动。
3.3器件选型
需要4片2输入与非门74LS00,两个开关,电阻(任意阻值)两只。
4振荡电路设计
4.1振荡电路工作原理
晶体振荡器是构成数字式时钟的核心,它保证了时钟的走时准确及稳定。
石英晶体振荡振荡器的特点是振荡频率准确、电路结构简单、频率易调整。
它还具有压电效应,在晶体某一方向加一电场,则在与此垂直的方向产生机械振荡,有了机械振动,就会在相应的垂直面上产生电场,从而使机械振动和电场互为因果,这种循环过程一直持续到晶体的机械强度限制时,才达到最后稳定,这种压电谐振的频率即为晶体振荡器的固有频率。
用反相器与石英晶体构成的振荡电路,利用两个非门G1和G2自我反馈,使它们工作在线性状态,然后利用石英晶体JU来控制振荡频率,同时用电容C1来作为两个非门之间的耦合,两个非门输入和输出之间并联的电阻R1和R2作为负反馈元件用,由于反馈电阻很小,可以近似认为非门的输出输入压降相等。
电容C2是为了防止寄生振荡。
例如:
电路中的石英晶体振荡频率是4MHz时,则电路的输出频率为4MHz。
通常,数字钟的晶体振荡器输出频率较高,为了得到1Hz的秒信号输入,需要对振荡器的输出信号进行分频。
振荡器输出4MHz信号,先送到10分频计数器(74LS160),经过6次10分频而获得4Hz的脉冲信号,再通过D触发器(74LS74)进行4分频变成1Hz。
F1-3.晶振电路图
设计方框图
4.2参数计算
两个1KΩ的电阻,
一个1μF的电容,
一个0.01μF的电容,
一个4MHz的石英晶振。
4.3器件选型
一片74LS04,
六片74LS160,
一片74LS74。
5.计数电路设计
5.1计数电路工作原理
秒脉冲信号经过5级计数器,分别得到“秒”,“分”个位、十位及“时”个位、十位的计时。
“秒”、“分”计数为60进制,小时为12进制。
1.计秒电路:
首先将两片74160接成百进制计数器。
然后将电路的59状态译码产生置数端为0的信号,同时加到两片74160上,在下个计数脉冲(第60个输入脉冲)到达时,将0000同时置入两片74160中,从而得到六十进制计数器。
进位信号直接有与非门的输出端引出。
F1-4.计秒电路图
设计方框图
2.计分电路:
首先将两片74LS160接成百进制计数器。
然后将电路的60状态译码产生置零信号加到2片74LS160的“LOAD”和“CLR”上,从而得到六十进制计数器。
进位信号直接有与非门的输出端引出。
F1-5.计分电路图
设计方框图
3.计时电路
首先将两片74160连成一个一百进制计数器。
当计数器从全0状态开始计数,计入11个脉冲时,经与非门译码产生低电平信号立刻将两片74160同时置零,于是便得到了12进制计数器。
F1-6.计时电路图
设计方框图
5.2参数计算
参数均为固定器件参数,对照资料装配
5.3器件选型
六片74LS160,
一片74LS20,
二片74LS00。
6译码显示电路设计
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。
74LS48译码器对应的显示器是共阴(接地)显示器。
F1-7.译码部分电路图路图
设计方框图
6.2参数计算
高电压取5V
6.3器件选型
4片74LS48,
4片BS207。
7系统总体电路设计
7.1系统总体电路
7.2电路说明
整个数字钟由时间计数电路、晶体振荡电路、校正电路组成。
以校正电路代替时间计数电路中的时、分、秒之间的进位,当校时电路处于正常输入信号时,时间计数电路正常计时,但当分校正时,其不会产生向时进位,而分与时的校位是分开的,而校正电路也是一个独立的电路。
由晶体振荡电路和分频电路产生1Hz的秒脉冲,将秒脉冲信号送人发光二极管和“秒”计数器电路。
8整点报时功能设计
8.1整点报时电路设计
要使电路具有整点报时功能,只需将“分”的到“59”时和“秒”到“50”时通过与非门相连接,然后连接到发光2级管就行了。
8.2整点报时电路图
图中通过与门U22A连接“分”的个位的“9”,通过与门U20A连“分”的十位“5”,通过与门U23A连“秒”的十位“5”,4输入非门U21A的还有一个端子连“秒”的“1”。
X2是整点发光表示报时的发光二极管。
F1-9.报时部分电路图
9电路调试
9.1振荡电路调试及实验结果分析
将振荡电路的输出端接一个发光二极管看是否得到理想的秒脉冲信号。
一开始,发光二极管只亮不闪,经过从后往前逐级检查发现集成块74LS74有问题及振荡电路漏插一根线。
接上线之后,发现发光二极管闪的频率过快,我们认为应该是74LS74不正常的缘故,所以我们又加了一级二分频电路,终于得到理想的秒脉冲。
9.2计数电路调试及实验结果分析
将1秒信号分别送人“时”、“分”计数器,通过译码显示电路,检查各级计数器的工作情况。
9.3译码显示电路调试及实验结果分析
结合计数电路观察,起初“分”十位的显示器时而正常时而不正常,经过反复检查最终发现是地线出了问题,排除问题之后,继续调试,各级计数显示电路工作正常。
9.4控制电路调试及实验结果分析
闭合开关K1对“分”进行校时,闭合开关K2对“时”进行校时。
刚开始,闭合开关K1或K2中的任何一个都对“分”和“时”同时校时,后来我们又加了一个电阻使校“时”电路和校“分”电路完全独立,得到了满足要求的校时电路。
9.5系统联调及实验结果分析
在实验箱上组装电子钟,注意器件管脚的连接一定要准确,“悬空端”、“清零端”、“置1端”要正确处理。
当所有器件调试正常以后,观察电子钟是否准确正常工作。
结果表明得到了满足要求的数字钟。
主要故障现象分析和排除:
(1)数码管能有显示,但不正常:
①计数不正常:
则先检查74LS48和74LS160集成电路块的16与8引脚间是否等于电源电压,(表笔要接到它们的引脚上,测量结果5V,误差≤±0.1V)否则应查找原因。
②错笔划,检查数码管的a、b、c、d、e、f、g连接是否有错。
③缺笔划,检查数码管的a、b、c、d、e、f、g连接有没有连通。
数码管是否完好。
(2)数码管表现“全灭”:
①先把74LS160的MR置低电平,若能正常显示“0”,则按数码管显示“0”继续调试
检查74LS160和74LS48集成电路块的16与8引脚之间是否等于电源电压,(表笔接到它们的引脚上,测量结果+5V,误差:
±0.1V)
②数码管公共阴极与电源地的回路是否开路或所接的电阻阻值过大。
数码管是否良好?
③74LS48的A、B、C、D输入端同时悬空。
(3)输入脉冲时,数码管不是按“0-9”顺序显示:
(用74LS48R的错码判断A-D是否悬空)
先把74LS160的16脚(VCC)悬空,再把74LS160的QA、QB、QC、QD引脚分别置低电平,数码管应分别显示三个相应的错码和“7”。
(参考《数字电子技术基础》175页)如果某个引脚没有反映的(不能显示相应错码),则是该引脚与74LS48的相应的引脚连接开路。
(该故障比较普遍,应该思考和理解这是根据什么道理)
(4)数码管按“0-1”显示:
把74LS160的清零端暂时接高电平(完成后拆除),如能正常按“0-9”顺序显示即可。
(5)确认外围电路没有问题后,还需考虑对应的74LS160、74LS48是否损坏,解决的方法是:
把怀疑损坏的集成电路与其它能正常工作的同型号集成电路调换,作出判断。
然后要求更换。
F1-9.硬件实物图
(2)
10改进意见及收获体会
这一周我们在数字电子技术基础任课年老师的带领下,进行了数电的课程设计。
为期一周的实验课让我收获颇丰,可以说是硕果累累。
这其中有关于书本的基础知识的巩固与强化,有自我品质的检验与提高。
第一天是老师进行相关知识的指导和课题的布置。
我和吴旭伟组成一组进行硬件实验——数字时钟设计。
这里先说一下我当时的感受吧,感觉这个课题其实很简单,相信做起来是不难的,下午我们回去进行了相关的资料的收集,发现其实难度还是很大的。
首先我们要自己设计电路图,而且为了接下来的连接的方便,我们必须找出一套简洁的电路图,经过几小时的讨论我们画出了部分并成功进行模拟。
次日,领取相关的器材,晚上我和吴旭伟决定来个“笨鸟先飞”,因为先前我们有连好的电路图,所以我们奋战到11点,终于连好部分电路图。
第三天,我们在实验室进行电路的测试,成功了!
下午,我们很耐心的花取半天时间对剩下的电路进行整改和校对。
第四天,在最后一次模拟成功后,我们的实验终于在重连数次的情况下第一个十分争气的成功了!
吴旭伟恰好感冒,可是为了不影响进度,他没有半丝的懈怠。
我第二天着了凉,肚子坏了。
可是也没有退缩。
虽然我们遇到了很大的困难。
但是我们坚持了下来,并得到了胜利的慰藉。
不要轻言放弃,我觉得这是我最大的收获。
在实验过程中,相信专业方面的知识已经是其次,重要的是你的心态,是我们应该怎么去对待将要面对的失败和挫折。
硬件实验既能强化我们的专业知识,又能灵活我们的双手,锻炼我们的动手能力。
这些对于我们以后的工作都是一笔巨大的财富。
第三部分
设
计
图
纸
(大图打印时另附)
图纸目录
序号
图纸名称
图幅
图纸编号
备注
1
系统总体方框图
A3
电01
2
系统总电路图
A3
电02
3
系统总接线图
A3
电03
附设计深度规定:
系统总体方框图:
标注各单元模块,图中给出各单元模块的正确连接、标出各信号的流向。
系统总电路图:
标明各器件的型号、标注器件参数、标注集成块各引脚的逻辑符号
系统安装接线图:
以集成块为单位画出各引脚之间的接线,标注各集成块的型号、注明引脚编号。
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- 关 键 词:
- 数字 时钟 电路设计
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