數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計---數(shù)字電子鐘設(shè)計

1、<p><b>　　電子工程學(xué)院</b></p><p>　　數(shù)字電子技術(shù)綜合設(shè)計</p><p><b>　　數(shù)字電子鐘設(shè)計</b></p><p><b>　　指導(dǎo)老師 </b></p><p><b>　　摘 要</b></

2、p><p>　　數(shù)字鐘實際上是一個對標(biāo)準(zhǔn)頻率（1Hz）進行計數(shù)的計數(shù)電路。振蕩器產(chǎn)生的時鐘信號經(jīng)過分頻器形成秒脈沖信號，秒脈沖信號輸入計數(shù)器進行計數(shù)，并把累計結(jié)果以“時”、“分”、“秒”的數(shù)字顯示出來。秒計數(shù)器電路計滿60后觸發(fā)分計數(shù)器電路，分計數(shù)器電路計滿60后觸發(fā)時計數(shù)器電路，當(dāng)計滿24小時后又開始下一輪的循環(huán)計數(shù)。一般由振蕩器、分頻器、計數(shù)器、譯碼器、數(shù)碼顯示器等幾部分組成。</p><p&

3、gt;　　振蕩電路：主要用來產(chǎn)生時間標(biāo)準(zhǔn)信號，因為時鐘的精度主要取決于時間標(biāo)準(zhǔn)信號的頻率及穩(wěn)定度，所以采用石英晶體振蕩器。</p><p>　　分頻器：因為振蕩器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)信號頻率很高，要是要得到“秒”信號，需一定級數(shù)的分頻器進行分頻。</p><p>　　計數(shù)器：有了“秒”信號，則可以根據(jù)60秒為1分，24小時為1天的進制，分別設(shè)定“時”、“分”、“秒”的計數(shù)器，分別為60進制，60進制

4、,24進制計數(shù)器，并輸出一分，一小時，一天的進位信號。</p><p>　　譯碼顯示：將“時”“分”“秒”顯示出來。將計數(shù)器輸入狀態(tài)，輸入到譯碼器，產(chǎn)生驅(qū)動數(shù)碼顯示器信號，呈現(xiàn)出對應(yīng)的進位數(shù)字字型。</p><p>　　由于計數(shù)的起始時間不可能與標(biāo)準(zhǔn)時間（如北京時間）一致，故需要在電路上加一個校時電路可以對分和時進行校時。另外，計時過程要具有報時功能，當(dāng)時間到達(dá)整點前10秒開始，蜂鳴器1秒

5、響1秒停地響5次。</p><p>　　為了使數(shù)字鐘使用方便，在設(shè)計上使用了一個變壓器和一個整流橋來實現(xiàn)數(shù)字鐘電能的輸入，使得可以方便地直接插入220V的交流電就可以正常地使用了。</p><p>　　關(guān)鍵詞 數(shù)字鐘 振蕩 計數(shù) 校正 報時</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　

6、1 設(shè)計目的...........................................................4</p><p>　　2 設(shè)計任務(wù)...........................................................4</p><p>　　2.1設(shè)計指標(biāo)...................................

7、.......................4</p><p>　　2.2設(shè)計要求..........................................................4</p><p>　　3數(shù)字電子鐘的組成和工作原理..........................................4</p><p>　　3.1數(shù)

8、字鐘的構(gòu)成........................................................4</p><p>　　3.2原理分析...........................................................4</p><p>　　3.3數(shù)字點鐘的基本邏輯功能框圖.............................

9、..............5</p><p>　　4．?dāng)?shù)字鐘的電路設(shè)計..................................................5</p><p>　　4.1 電源電路的設(shè)計...................................................5</p><p>　　4.2 秒信號發(fā)生器的設(shè)

10、計...............................................6</p><p>　　4.2.1方案一...........................................................6</p><p>　　4.2.2方案二.................................................

11、..........6</p><p>　　4.2.3兩個方案的比較....................................................8</p><p>　　4.3時間計數(shù)電路的設(shè)計................................................9</p><p>　　4.4譯碼顯示電路.....

12、.................................................11</p><p>　　4.5正點報時電路的設(shè)計................................................13</p><p>　　4.6校時電路的設(shè)計...................................................

13、.14</p><p>　　5數(shù)字電子鐘的整體電路................................................15</p><p>　　6電路的裝配與調(diào)試過程................................................15</p><p>　　6.1電路焊接...................

14、.......................................16</p><p>　　6.2調(diào)試過程..........................................................16</p><p>　　7收獲、體會和建議....................................................17<

15、;/p><p>　　致謝..................................................................18</p><p>　　參考文獻..............................................................19</p><p>　　附錄 元件清單.........

16、................................................20</p><p><b>　　1設(shè)計目的</b></p><p>　　1．使學(xué)生在學(xué)完了《電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程的基本理論，基本知識后，能夠綜合運用所學(xué)理論知識、拓寬知識面，系統(tǒng)地進行電子電路的工程實踐訓(xùn)練，鍛煉動手能力，培養(yǎng)工程師的基本技能，提高分析問題和解決問題的能力。

17、</p><p>　　2．熟悉集成電路的引腳安排， 掌握各芯片的邏輯功能及使用方法了解面包板結(jié)構(gòu)及其接線方法，了解數(shù)字鐘的組成及工作原理。學(xué)會檢查電路的故障與排除故障的一般方法</p><p>　　3．學(xué)會檢查電路的故障與排除故障的一般方法，掌握虛擬設(shè)計，學(xué)會使用一種電路分析軟件（EWB或PSPICES）在計算機上進行電路設(shè)計與分析的方法。</p><p><

18、b>　　2設(shè)計任務(wù)</b></p><p><b>　　2.1設(shè)計指標(biāo)</b></p><p>　　1．時間計數(shù)電路采用24進制，從00開始到23后再回到00；</p><p>　　2.各用2位數(shù)碼管顯示時、分、秒；</p><p>　　3.具有手動校時、校分功能，可以分別對時及分進行單獨校時，使其校正

19、到標(biāo)準(zhǔn)時間； </p><p>　　4.計時過程具有報時功能，當(dāng)時間到達(dá)整點前10秒開始，蜂鳴器1秒響1秒停地響5次。</p><p>　　5.為了保證計時的穩(wěn)定及準(zhǔn)確，須由晶體振蕩器提供時間基準(zhǔn)信號。</p><p><b>　　2.2設(shè)計要求</b></p><p>　　1.小組集中查找資料，討論，確定設(shè)計方案；&l

20、t;/p><p>　　2.根據(jù)選定方案確定實現(xiàn)設(shè)計要求的基本電路和擴展電路，畫出電路原理圖（或仿真電路圖）；</p><p>　　3.根據(jù)經(jīng)濟原則選擇元器件及參數(shù)；</p><p>　　4..小組進行電路焊接、調(diào)試、測試電路性能，撰寫整理設(shè)計說明書。</p><p>　　3數(shù)字電子鐘的組成和工作原理</p><p><

21、;b>　　3．1數(shù)字鐘的構(gòu)成</b></p><p>　　數(shù)字鐘一般由振蕩器、分頻器、計數(shù)器、譯碼器、顯示器、較時電路、報時電路等部分組成，這些都是數(shù)字電路中應(yīng)用最廣的基本電路</p><p><b>　　3．2原理分析</b></p><p>　　數(shù)字鐘實際上是一個對標(biāo)準(zhǔn)頻率（1Hz）進行計數(shù)的計數(shù)電路。振蕩器產(chǎn)生的時鐘信號

22、經(jīng)過分頻器形成秒脈沖信號，秒脈沖信號輸入計數(shù)器進行計數(shù)，并把累計結(jié)果以“時”、“分”、“秒”的數(shù)字顯示出來。秒計數(shù)器電路計滿60后觸發(fā)分計數(shù)器電路，分計數(shù)器電路計滿60后觸發(fā)時計數(shù)器電路，當(dāng)計滿24小時后又開始下一輪的循環(huán)計數(shù)。由于計數(shù)的起始時間不可能與標(biāo)準(zhǔn)時間（如北京時間）一致，故需要在電路上加一個校時電路可以對分和時進行校時。另外，計時過程要具有報時功能，當(dāng)時間到達(dá)整點前10秒開始，蜂鳴器1秒響1秒停地響5次。</p>

23、<p>　　3．3數(shù)字點鐘的基本邏輯功能框圖</p><p>　　圖1 數(shù)字鐘的基本邏輯框圖</p><p><b>　　4數(shù)字鐘的電路設(shè)計</b></p><p>　　下面將介紹設(shè)計電路具體方案。其中包括電源電路的設(shè)計、秒信號發(fā)生器的設(shè)計、時間計數(shù)電路的設(shè)計、譯碼驅(qū)動顯示電路的設(shè)計、正點報時電路的設(shè)計、校時電路的設(shè)計幾個部分。&l

24、t;/p><p>　　4．1 電源電路的設(shè)計</p><p>　　用一個變壓器把220V的家用交流電壓變?yōu)?V的小電壓。利用二極管單向?qū)ǖ脑恚盟膫€二極管構(gòu)成一個橋堆，對交流電進行半波整形，再經(jīng)過一個電容對其整形，變成供這個近似直流的電壓，但由于還有許多文波，再用一個W7805穩(wěn)壓管變成5V的穩(wěn)定直流電壓，供這個電路的使用。 如圖2。

25、 </p><p><b>　　圖2電源電路</b></p><p>　　4．2 秒信號發(fā)生器的設(shè)計</p><p>　　通過查找資料并展開討論，我們共同討論了兩個不同的秒信號發(fā)生器的設(shè)計方案。</p><p>　　4．2．1方案一 555構(gòu)成的多諧振蕩器 如圖3</p><p>　　電

26、容C1放電時間為：t1=R2*C1*ln2,充電時間為：t2=(R1+R2)*CI*ln2,則其振蕩頻率為f=1/(t1+t2)。選擇適當(dāng)?shù)腞1、R2、C1值可使f＝1HZ。</p><p>　　圖3 555構(gòu)成的多諧振蕩器</p><p>　　4．2．2方案二 晶體振蕩分頻電路石英晶體振蕩電路</p><p>　　采用頻率fs＝32768Hz的石英晶體。<

27、;/p><p>　　D1、D2是反相器，D1用于振蕩，D2用于緩沖整形。Rf為反饋電阻（10~100MΩ），反饋電阻的作用是為CMOS反相器提供偏置，使其工作在放大狀態(tài)。C1是頻率微調(diào)電容，改變C1可對振蕩器頻率作微量調(diào)整，C1一般取5~35pF。C2是溫度特性校正用的電容，一般取20~405pF，電容C1、C2與晶體共同構(gòu)成Ⅱ型網(wǎng)絡(luò)，完成對振蕩器頻率的控制，并提供必要的1800相移。最后輸出fs=32768Hz&l

28、t;/p><p>　　圖4 石英晶體振蕩電路</p><p><b>　　多級分頻電路</b></p><p>　　將32 768Hz脈沖信號輸入到CD4060（內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4－4）組成的脈沖振蕩的14位二進制計數(shù)器，所以從最后一級Q14輸出的脈沖信號頻率為：32768/214 = 32768/16384 = 2Hz 如圖6。再經(jīng)過二次分頻，得到1

29、Hz的標(biāo)準(zhǔn)信號脈沖，即秒脈沖如圖7。</p><p>　　圖5 CD4060內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　圖6 脈沖分頻電路</b></p><p><b>　　圖7 秒信號原理圖</b></p><p>　　4．2．3兩個方案的比較</p><p>　　1．采用55

30、5多諧振蕩器</p><p>　　優(yōu)點：555內(nèi)部的比較器靈敏度較高，而且采用差分電路形式，它的振蕩頻率受電源電壓和溫度變化的影響很小。</p><p>　　缺點：要精確輸出1Hz脈沖，對電容和電阻的數(shù)值精度要求很高，所以輸出脈沖既不夠準(zhǔn)確也不夠穩(wěn)定。</p><p>　　2．采用晶體振蕩分頻電路</p><p>　　優(yōu)點：由石英晶體的阻抗頻

31、率響應(yīng)可知，它的選頻特非常好，有一個極為穩(wěn)定的串聯(lián)諧振頻率fs，且等效品質(zhì)因數(shù)Q很高。只有頻率為fs的信號最容易通過，且其他頻率的信號均會被晶體所衰減。</p><p><b>　　3．比較結(jié)果</b></p><p>　　振蕩器是數(shù)字鐘的核心，振蕩器的穩(wěn)定度及頻率的精確度決定了數(shù)字鐘計時的準(zhǔn)確程度。</p><p>　　為了達(dá)到設(shè)計要求，獲取

32、更高的計時精度，選用晶體振蕩器構(gòu)成振蕩器電路。一般來說，振蕩器的頻率越高，計時精度越高。 如圖8。</p><p>　　圖8 晶體振蕩及分頻電路</p><p>　　4．3時間計數(shù)電路的設(shè)計</p><p>　　秒信號經(jīng)秒計數(shù)器、分計數(shù)器、時計數(shù)器之后，分別得到“秒”個位、十位、“分”個位、十位以及“時”個位、十位的計時輸出信號，然后送至譯碼顯示電路，以便實現(xiàn)用數(shù)字

33、顯示時、分、秒的要求?！懊搿焙汀胺帧庇嫈?shù)器應(yīng)為六十進制，而“時”計數(shù)器應(yīng)為二十四進制。采用10進制計數(shù)器74LS90來實現(xiàn)時間計數(shù)單元的計數(shù)功能，其為雙2-5-10異步計數(shù)器，并且每一計數(shù)器均有異步清零端（高電平有效）。</p><p>　　4．3．1“分”、“秒”六十進制計數(shù)器</p><p>　　選用兩塊74SL290采用異步清零的方法完成60進制。以“秒”計數(shù)為例：計秒時，將秒個位計

34、數(shù)單元的QA與ＣＰB（下降沿有效）相連，將74SL290連接成10進制計數(shù)器，ＣＰA（下降沿有效）與１ＨZ秒輸入信號相連，QD可作為向上的進位信號與十位計數(shù)單元的ＣＰA相連。秒十位計數(shù)單元為６進制計數(shù)器，需要進制轉(zhuǎn)換。將１０進制計數(shù)器轉(zhuǎn)換為６（0110）進制計數(shù)器，當(dāng)十位計數(shù)器計到QD QC QB QA為0110時，同時對秒的個位和十位進行清0，另外QC可作為向上的進位信號與分個位的計數(shù)單元的ＣＰA相連。其具體連接圖如圖9ＣＰA相

35、連。其具體連接圖如圖9</p><p>　　圖9 六十進制計數(shù)器</p><p>　　4．3．2二十四進制計數(shù)器</p><p>　　同樣可以選用兩塊74SL290采用異步清零的方法完成24進制計數(shù) 如圖10</p><p>　　圖10二十四進制計數(shù)器</p><p><b>　　4．4譯碼顯示電路<

36、/b></p><p>　　譯碼顯示電路是將計數(shù)器輸出的8421 BCD碼譯成數(shù)碼管顯示所需要的高低電平，我們采用陰極七段數(shù)碼管，引腳如圖11。</p><p>　　其則譯碼電路就應(yīng)選接與它配套的共陰極七段數(shù)碼驅(qū)動器。譯碼顯示電路可采用CD4511BC-7段譯碼驅(qū)動器，其芯片引腳如圖12。譯碼器A、B、C、D與十進制計數(shù)器的四個輸出端相連接，a、b、c、d、e、f、g即為驅(qū)動七段數(shù)碼

37、顯示器的信號。根據(jù)A、B、C、D所得的計數(shù)信號，數(shù)碼管顯示的相對應(yīng)的字型。其具體電路圖如圖13。</p><p>　　圖11 陰極七段數(shù)碼管</p><p>　　圖12 芯片CD4511BC-7段譯碼驅(qū)動器引腳</p><p>　　圖13 譯碼顯示電路</p><p>　　4．5正點報時電路的設(shè)計</p><p>　

38、　要求當(dāng)時間到達(dá)整點前10秒開始，蜂鳴器1秒響1秒停地響5次。即當(dāng)時間達(dá)到xx時59分50秒時蜂鳴器開始響第一次，并持續(xù)一秒鐘，然后停鳴一秒，這樣響五次。在59分50秒到59分59秒之間，只有秒的個位計數(shù)，分的十位QD QC QB QA輸出0101,個位QD QC QB QA 輸出1001，秒的十位QD QC QB QA 輸出0101均不變，而秒的個位QA計數(shù)過程中輸出在0和1之間轉(zhuǎn)。所以可以利用與非門的相與功能，把分十位的QC 、QA

39、 ,分個位的QD、QA，秒十位的QC、QA 和秒個位的QA相“與非”作為控制信號控制與非門的開斷，從而控制蜂鳴器的響和停。如圖14。 </p><p>　　圖14 整點報時電路</p><p>　　4．6校時電路的設(shè)計</p><p>　　時鐘出現(xiàn)誤差時，需校準(zhǔn)。校對時間總是在標(biāo)準(zhǔn)時間到來之前進行，分四個步驟：首先把小時計數(shù)器置到

40、所需的數(shù)字；然后再將分計數(shù)器置到所需數(shù)字；在此同時或之后，將秒計數(shù)器在零時停計數(shù)，處于等待啟動；當(dāng)選定的標(biāo)準(zhǔn)時刻到達(dá)的瞬間，按起動按鈕，電路則從所預(yù)置時間開始計數(shù)。由此可知，校時電路應(yīng)具有預(yù)置小時，預(yù)置分、等待啟動、計時四個階段，因此，我們設(shè)計的校時電路，方便、可靠地實現(xiàn)這四個階段所要求的功能。如圖17。</p><p>　　5數(shù)字電子鐘的計數(shù)校正電路5數(shù)字電子鐘的計數(shù)校正電路</p><p&

41、gt;　　圖17數(shù)字電子鐘的計數(shù)校正電路</p><p>　　6電路的裝配與調(diào)試過程</p><p><b>　　6．1電路焊接</b></p><p>　　焊接時要主要布線和焊點的合理分布，盡量做到美觀。實際焊接過程中，要保證焊筆不要碰到已經(jīng)焊好的線，否則焊好的線很容易脫落。每焊接完一部分電路，就立即進行調(diào)試，測試無誤后方可進心下一階段的焊接

42、。插拔集成芯片時用力要均勻，避免芯片管腳在插拔中變彎、折斷</p><p><b>　　6．2調(diào)試過程</b></p><p>　　實際調(diào)試中出現(xiàn)了不少問題，如顯示不正常，秒計時中滿六十后不進位等等。仔細(xì)檢測后發(fā)現(xiàn)主要是電路的一些接線有錯以及輸出脈沖不行。下面是我們的通電源逐級調(diào)試，逐級排除故障錯誤的調(diào)試調(diào)試過程：</p><p>　　1.用萬

43、用表測量電壓源是否穩(wěn)定輸出5V電壓。</p><p>　　2.用萬用表在CD4060的3腳測輸出電壓，如果讀數(shù)有規(guī)律地跳動，且周期為近似為0.5s，則正常。同樣，用萬用表測分頻電路的輸出信號為1s，則正常。</p><p>　　3.檢查各級計數(shù)器的工作情況。將“秒”信號直接接入計數(shù)器的CPA端，檢查“秒”計數(shù)器和“秒”譯碼驅(qū)動器和顯示器的工作是否正常，計數(shù)器是否為六十進制、是否能正常進位。

44、以同樣的方法檢查“分”“時”計數(shù)器是否計數(shù)正常。</p><p>　　4.校時電路經(jīng)分析可以工作但電路工作時校時電路的功能始終不能滿足校時要求。</p><p>　　5.整機不能進行工作，但將那塊顯示電路板接數(shù)字電子實驗箱的5V電源和脈沖發(fā)現(xiàn)電路能記數(shù)并可以進位，制作的電源和脈沖能正常工作，實驗不成功。</p><p><b>　　7收獲、體會和建議<

45、;/b></p><p><b>　　收獲與體會：</b></p><p>　　1、加強了團隊合作精神，磨練了我們的意志力。我們各人之間好好的配合，分工合作，設(shè)計過程沒有一團亂麻。更為可貴的是，我們彼此鼓勵，同舟共濟地處理每個問題。這種團隊精神將是我們美好的回憶。我們花了很多心血來做這個課程設(shè)計，由于這兩個星期又要考試所以很緊的時間，后面出錯的時候經(jīng)常檢查電路到

46、凌晨2點多，但凡事不是一帆風(fēng)順的，我們遇到了許多困難。有些困難甚至看進來難于解決，確實也是打擊了我們的信心。但我們毫不氣餒，認(rèn)真地檢查電路，檢查焊接的好壞，用堅強的意志解決問題，只可惜的是還是沒做出來。</p><p>　　2、加強我們對電子器件的了解。一直以來，我們都對電子器件都很感興趣，對電子應(yīng)用感到好奇。這次我們親自制作一個電子器件，雖然原理并不太復(fù)雜，但我們在這一個過程，了解電子應(yīng)用的奇妙之處。</

47、p><p>　　3、提高了我們使用電腦對電路進行仿真的能力。我們又要學(xué)會新的軟件 EWB來畫電路圖，并用它進行仿真。這又讓我們的知識增多了。</p><p>　　4、做到理論聯(lián)系實際。剛剛學(xué)過了數(shù)電這門課程，還沒完全弄懂某些元器件的原理和用途，而此次課程設(shè)計恰恰提供了一個好機會，讓我們從實踐中加深了對所學(xué)知識的理解。</p><p>　　5、以前我們在電路實習(xí)中學(xué)習(xí)了焊

48、接電路板，但只是學(xué)了很短的時間，此次設(shè)計給我們上再多一次機會，提高了我們的動手能力，焊接技術(shù)也有了很大提高。</p><p>　　6、通過撰寫說明書，掌握了畢業(yè)論文的寫作規(guī)范，我們以后撰寫畢業(yè)設(shè)計論文打下了堅定的基礎(chǔ)。</p><p><b>　　建議：</b></p><p>　　總的來說這次課程設(shè)計一切都安排得很合理，唯獨時間跟考試的排期沖

49、突，以至考試跟課程設(shè)計兩頭都很難兼顧。希望以后課程設(shè)計的時間安排得更恰當(dāng)。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p><b>　　指導(dǎo)老師：許利霞</b></p><p><b>　　參 考 文 獻</b></p><p>　　1、康華光.2006年.

50、電子技術(shù)基礎(chǔ) 數(shù)字部分（第五版）. 北京：高等教育出版社. </p><p>　　2、模擬電子技術(shù) 第五版 康華光主編 高等教育出版社 2006</p><p>　　3、數(shù)字電路實驗與課程設(shè)計 施云 編著 哈爾濱工程大學(xué) 2001</p><p>　　4、電子線路實驗-數(shù)字電路實驗 沈小豐主編 清華大學(xué)出版社 2007</p><p><