数字钟课程设计加实验报告综合版.docx
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数字钟课程设计加实验报告综合版
数字钟设计任务书
姓名:
学号:
日期:
2012年12月18日
1,技术指标:
1)用555构成谐波震荡电路,产生秒信号。
2)电路具有“时”、“分”、“秒”显示功能的时钟电路。
用二十四进制显示小时,用六十进制显示分和秒。
3)具有快速校准时、分的功能,即具有手动校正功能。
4)具有整点音响自动报时功能,在整点前的51秒、53秒、55秒、57秒响低音,在59秒响高音,最后一响结束时刻为整点。
5)初步设定还可以实现以下内容,使数字钟的功能更加完善:
闹钟定时的功能。
自动清零功能。
实验前所有原理图经过MULTISIM模拟,均可以实现。
2,方案简介:
数字钟电路应包括振荡器、分频器、计数器、显示器、校时电路、报时电路等。
时分秒用数字译码器显示出来。
实验的产品具有计时功能,二十四小时进制,具有整点报时功能,具有校时功能。
可以实现闹钟功能,可以自动清零。
3,设计要求:
(1)软件:
应用MULTISIM、EWB等软件对电路的功能进行模拟,在实验前本人先进行了MULTISIM模拟,得出了相应的实验成果,实验结果符合预期的设定标准,实验电路图如下文所示。
硬件:
实验箱、cc4518、cc4012、cc4011、cc4049、555定时器、D触发器、74LS160D、二极管、三极管、电阻电容若干。
(2)实验分析:
计时电路采用cc4518进行计时,cc4518为十进制计数器,通过引入进位脉冲给下一个cc4518进位,作为高位,即十位,这样就构成了一个秒计时单位,同理,可以引入分计时单位和小时计时单位。
60进位和24进位电路图分别如原理图所示,通过在相应的位上引出高低电平,通过某些逻辑门实现相应的功能。
例如,对于6而言,二进制码为0110,通过对两个高电平进行与运算,对高位产生脉冲。
通过对555触发器电容电阻的改变,可以产生不同频率的方波,既可以作为秒脉冲信号,也可以作为1000赫兹报警信号的高频频率。
再通过相应的滤波设备,产生500赫兹的方波信号脉冲。
滤波产生的方波信号如图所示,两种信号的频率分别为1000赫兹和500赫兹。
滤波所用的芯片为74LS48,滤波产生的方波如图,原理如下:
74LS48为十进制加法计数器,当输入脉冲Cp为1000hz时,个位脉冲为1000hz,十位脉冲近似为500hz,略微存在误差,这是因为在由9变为0时少一个脉冲,但是这个脉冲对于1000hz的影响来说是非常小的,因此,十位的脉冲近似为500hz,可以用来作为低频报警信号。
此外,另外一种滤波芯片可以应用cc4518作为滤波芯片,这是因为cc4518同样是一个十进制计数器,该芯片的个位为1000hz时,高位近似为500hz,两种不同频率的信号分别可以作为高频和低频的信号。
另外,也可以应用D触发器来作为滤波信号产生电路,这种滤波电路不是应用上面高位比低位频率低一倍的原理,而是应用D触发器特有的接法,这样接法的特点是频率精确,不存在误差。
调时电路的设计原理是通过对下一个单元的脉冲进行手动的调整,进而进行调时,在这里强调一点,在理论上成功的结论,在实际的实验中不一定有效,即便是模拟的结论,也和实际的实验效果存在误差。
原来设计的调时电路是通过引入2个二极管,阻止调时信号对进位信号产生影响,电路图信号结构如下:
这种结构的有点是当进行调时时不会传回清零信号,这样就能起到调时的作用而不会对现有的计时结果产生影响。
但是,在实验中,这种电路是不能正常进行工作的,这是因为,这种状态下在校时电路中接入二极管后,线路不能进行正常的清零,通过分析发现,在这种情况下,清零端被嵌位为低电平,所以此时不能进行清零,也就是说,这时候二极管虽然没有导通,但是两端的电压一直保持导通,又近似相当于导通的状态。
之后,我又重新确定了校时电路,电路图如右图所示。
整点报时电路的设计思路是,利用当秒计时个位分别为1、3、5、7时最低位都为1,最高位都为0,只有当个位为9时,最低位和最高位都为1,这样通过引入逻辑计算电路就可以区分出什么时候1000hz作为蜂鸣器驱动信号,什么时候500hz作为蜂鸣器驱动信号。
整点报时电路是在59分51~59秒的时候蜂鸣器响起,报时电路的原理图如上已经给出。
显示器电路在实验中基本不用考虑。
只需要接入四条线路,分别为从高到低四位线路,另外再注意接通com端和地端。
在模拟前,本人通过译码器接入7线端数码管,虽然接线是一项工程,比较繁琐,但是我还是进行了耐心的模拟。
这样,对数码管的工作原理有了更加深入的认识。
清零端的引入。
要想引入清零端,六个cc4518计数器肯定要同时清零。
这套清零系统不能与正常运行时秒分时高位的清零端冲突,也就是说,秒分时正常清零时不会连带到其他端,不会引起他们清零,因此,需要额外的二极管来构成清零系统而起到隔离的作用。
设想的实验电路图如右图所示。
这样在6端或者7端有清零信号时,不会影响其他的cc4518,这样就能实现正常的计数功能,当需要进行清零动作时,在线路最左端引入触发脉冲,这样就可以实现清零动作。
闹钟功能的实现。
如果想要实现闹钟功能,需要额外的四个cc4518,为了直观,还需要额外的4个数码管。
原理是这样的:
新引入的4个cc4518和4个数码管构成一个新的计时系统,与原来的计时系统构成两个计时系统,只不过一个计时系统是通过手动调时,一个是秒信号自动调时,当两者的输出信号完全相同的时候导通警报系统,这样就可以实现计时的功能,逻辑门的实现过程如上图所示。
例如,假设设定的时间为8:
00,此时当设定电路时分分别为1000、0000,当计时电路时分分别为1000、0000时,这时逻辑门的输出电平为高电平,此时蜂鸣器发出响声,响声时间历时1分钟时间,这一分钟时间的鸣响就作为蜂鸣器的报时。
信号放大电路的搭建。
实验中发现将蜂鸣器最后搭建进去后,声音非常的小,这时需要有信号放大器对信号进行放大,这样才能听到鸣响清晰的蜂鸣声,区分出高频和低频两种不同频率的声音,放大电路的接线如右图所示。
(3)设计原理图:
计时电路:
谐波振荡器原理图:
1000hz-500hz滤波器:
调时电路:
整点报时电路:
显示器电路:
秒分电路:
时电路:
综合大电路(部分功能,仅限计时功能)
有清零端工作的电路:
校时、整点报时综合电路:
(3)元件明细表:
元件
双十进制加法器
555定时器
4入与非门
2入与非门
非门
二极管
数码管
74LS160
导线
个数
3
2
3/8
15/30
6
10
1
若干
型号
Cc4518
Cc4012
Cc4011
Cc4049
元件
电容
电阻
蜂鸣器
面包板
实验箱
74LS48
个数
若干
若干
1
若干
1个
1个
型号
(4)可能用到的元件拐角图:
Cc4518:
Cc4012:
Cc4011:
Cc4013:
Cc4049:
(5)实验心得:
实验前,对所有的实验电路进行了仿真,但是经过实验后发现,经过仿真得到的实验方法在实验中并不一定都能得到应用,比如说用二极管隔离调时信号的做法是不可行的;有些实验在仿真环境下是不能做到的,比如说蜂鸣器在笔记本电脑上不能达到预期的,只有在台式机上才能正常鸣响,因此,在仿真时我们采用灯泡或者发光二极管进行模拟,这样就能用另一种方法得到预期的效果。
仿真和实验是完全不同的两回事,所以,在试验前,模拟和仿真都是必不可少的。
由于前面比较少做这样大型的电路,因此,做实验做到后面越发的感觉到前面芯片布局的不合理性,我的面包板中间部分有很多烧焦的孔洞,让人看起来非常担心那些面包板能不能导通,因此,我大多选用的比较边缘化的面包板,这样间接地增加了后面连线的困难,尤其是与门和非门需要同时应用,两者不宜距离太远,但是由于空间有限的原因,我有两片与门和非门隔开了较大的距离,被迫我不得不用很长的线,这样,我的线路显得非常乱,当然,连线的难度也增大了很多很多。
对于导线的应用,也是很有学问的,也是我应该引起重视的。
实验中有很多线路接法很简单,但是应用导线比较多;有些线路接法有待分析,但是用线很少,都是起到关键作用的导线。
针对这两种接线,应该采用不同的接线风格。
对于前者,应该接线整齐简单,排列分布有很强的规律性,便于整体分析,例如数码管的接线就是这样。
这种导线用线多,不宜选用过长的导线,应该分布紧凑,颜色单一,最好只选用一种颜色,而且尽量都用短线,趴在面包板上。
而对于后者,应该尽量使用颜色特殊的导线,这样便于记忆每根导线的作用,在实验时便于分析理解。
例如各种清零线路就比较适合采用这样的方法。
实验中尽量不用中间裸露铜丝的导线,这样中间部分特别容易短路,而且这种错误不容易察觉。
导线插头处裸露铜线也不容易过长,这是因为在实验时很多导线最后是压倒的,这样的话如果裸露导线部分过长的话,很容易形成短路。
实验中有些部件出问题、甚至是损坏的,这是比较正常的。
实验室是所有人做实验的地方,器件里很容易混进坏掉的器件。
为此,我们有必要掌握一种快速检验器件是否完好的方法。
对于选用的器件,当接入电路以后,如果没有正常工作的话有多种可能,一种是面包板有问题,另一种是器件有问题,对于这两种可能性可以用导线接二极管的方法快速检验,操作如下:
用一个导线一端接如一个发光二极管,令一端作为检测端,用这一端检验芯片拐角上是否存在理论上的高低电平,芯片拐角是裸露在外面的,比较好检验,如果都存在,则证明面包板是没有问题的,这时候就肯定是芯片有问题,这时候直接用导线这一端检测芯片输出拐角,这时候肯定是芯片拐角出问题。
就是应用这种方法,我成功检测出我的一片cc4518是有问题的,仅仅有半个cc4518工作。
这样,我及时更换了芯片,换上了好的芯片,确保了实验的正常进行。
接线有很多技巧,例如用钳子接线就是一个比较好的选择,虽然这种接线看起来比较慢,但是,这样的接线可以保证有比较牢固的接线,不容易出现接虚。
对于这件事我深有感触,我旁边一位同学接线特别虚,甚至手的运动都会对实验的结果产生影响。
当我采用钳子插线后线路非常的牢固,甚至拆线时需要很大的力才能把导线从面包板上拆下来。
这次实验同原来我们的数电实验不太一样,最大的不同就是实验线路过于庞大,需要耐心,在实验中,我又好好的培养了一下自己的耐心。
对于校时电路,是我收获很大的地方。
校时电路我采用了3种方法,最后终于成功了,起先的二极管隔离方法虽然理论上是可行的,也通过仿真进行了证实,但是实验时并没有得到预期的效果。
这是因为这种状态下在校时电路中接入二极管后,线路不能进行正常的清零,通过分析发现,在这种情况下,清零端被嵌位为低电平,所以此时不能进行清零,也就是说,这时候二极管虽然没有导通,但是两端的电压一直保持导通,又近似相当于导通的状态。
电平如右图所示,产生嵌位效果。
下面分析为什么不能直接将校时信号接入原电路图。
如果将校时信号直接接入原电路图,校时电路的工作会引起进位信号的误差,对进位造成误差。
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