模擬電子設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)--數(shù)字電子鐘

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　設(shè)計(jì)任務(wù)和基本要求…………….3</p><p>　　設(shè)計(jì)方案…………………………..3</p><p>　　電路設(shè)計(jì)…………………………..3</p><p>　　秒信號(hào)發(fā)生器…………………………3</p><p>　　時(shí)、分、秒計(jì)

2、數(shù)器設(shè)計(jì)………………4</p><p>　　譯碼顯示電路…………………………5</p><p>　　校時(shí)電路………………………………6</p><p>　　元件及工具清單…………………...7</p><p>　　故障分析…………………………..10</p><p>　　心得體會(huì)…………………………..10</p

3、><p><b>　　設(shè)計(jì)任務(wù)和基本要求</b></p><p>　　用中、小規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)一臺(tái)能顯示時(shí)、分、秒的數(shù)字電子鐘，基本要求如下：</p><p>　?。?、采用LED顯示累計(jì)時(shí)間“時(shí)”、“分”、“秒”。</p><p><b>　?。?、具有校時(shí)功能。</b></p><p

4、><b>　　設(shè)計(jì)方案</b></p><p>　　數(shù)字電子鐘的原理方框圖如圖5.7.1 。該電路系統(tǒng)由秒信號(hào)發(fā)生器、“時(shí)、分、秒”計(jì)數(shù)器、譯碼器及顯示器、校時(shí)電路、整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路等組成。秒信號(hào)產(chǎn)生器是整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)基信號(hào)，它直接決定計(jì)時(shí)系統(tǒng)的精度，一般用石英晶體振蕩器加分頻器來實(shí)現(xiàn)。將標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)送入“秒計(jì)數(shù)器”，“秒計(jì)數(shù)器”采用六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，每累計(jì)60秒發(fā)出一個(gè)“分脈沖”信號(hào)，該信號(hào)將

5、作為“分計(jì)數(shù)器”的時(shí)鐘脈沖?！胺钟?jì)數(shù)器”也采用六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，每累計(jì)60分鐘，發(fā)出一個(gè)“時(shí)脈沖”信號(hào)，該信號(hào)將被送到“時(shí)計(jì)數(shù)器”?！皶r(shí)計(jì)數(shù)器”采用24進(jìn)制計(jì)數(shù)器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)一天24小時(shí)的累計(jì)。譯碼顯示電路將“時(shí)”、“分”、“秒”計(jì)數(shù)器的輸出狀態(tài)經(jīng)七段顯示譯碼器譯碼，通過六位LED七段顯示器顯示出來。校時(shí)電路是用來對(duì)“時(shí)”、“分”、“秒”顯示數(shù)字進(jìn)行校對(duì)調(diào)整的。</p><p>　　圖５.７.１　數(shù)字電子鐘系統(tǒng)框圖&

6、lt;/p><p><b>　　電路設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　秒信號(hào)發(fā)生器</b></p><p>　　秒信號(hào)發(fā)生器是數(shù)字電子鐘的核心部分，它的精度和穩(wěn)定度決定了數(shù)字鐘的質(zhì)量，通常用晶體振蕩器產(chǎn)生的脈沖經(jīng)過整形、分頻獲得1HZ的秒脈沖。常用的典型電路如圖5.7.2所示。</p><p>

7、　　CD4060是14位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。它內(nèi)部有14級(jí)二分頻器，有兩個(gè)反相器。CP1(11腳）、CP0(10腳)分別為時(shí)鐘輸入、輸出端，即內(nèi)部反相器G1的輸入、輸出端。圖中R位反饋電阻（10兆歐～100兆歐），目的是為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，取5/30pF，C2是溫度特性校正用電容，一般取20～50pF。內(nèi)部反相器G2起整形作用，且提高帶負(fù)載能力。石英晶體采用32768HZ晶振，若要得到1HZ的脈沖

8、，則需經(jīng)過15級(jí)二分頻器完成。</p><p>　　圖５．７.２　秒信號(hào)發(fā)生器</p><p>　　由于CD4060只能實(shí)現(xiàn)14級(jí)分頻，故必須外加一級(jí)分頻器，可采用CD4013雙D觸發(fā)器完成。</p><p>　?。病⒚?、分、時(shí)計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)</p><p>　　秒、分計(jì)數(shù)器為60進(jìn)制計(jì)數(shù)器。小時(shí)計(jì)數(shù)器為24進(jìn)制計(jì)數(shù)器。實(shí)現(xiàn)這兩種模數(shù)的計(jì)數(shù)器采用

9、中規(guī)模集成計(jì)數(shù)器CD4029。雖然CD4029沒有清零端，但它有“置數(shù)”功能，當(dāng)“置數(shù)”端PE=1時(shí)，接在置數(shù)輸入端的數(shù)據(jù)立即被置到計(jì)數(shù)器輸出端上。所以通過“反饋置數(shù)法”可實(shí)現(xiàn)任意進(jìn)制的計(jì)數(shù)器。</p><p>　?。?）60進(jìn)制計(jì)數(shù)器</p><p>　　由CD4029構(gòu)成的60進(jìn)制計(jì)數(shù)器如圖5.7.3所示。首先將兩片CD4029設(shè)置成十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，例如，將“B/D”接低電平，將 “

10、U/D”接高電平。將第一片CD4029計(jì)數(shù)器的進(jìn)位輸出CO連到第二片CD4029計(jì)數(shù)器的進(jìn)位輸入CI，這樣兩片計(jì)數(shù)器最大可實(shí)現(xiàn)100進(jìn)制的計(jì)數(shù)器。現(xiàn)要設(shè)計(jì)一個(gè)60進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，可利用“反饋置零”的方法實(shí)現(xiàn)。由于CD4029屬于異步置樹，故當(dāng)計(jì)數(shù)器輸出</p><p>　　圖５.７.３?。叮斑M(jìn)制計(jì)數(shù)器</p><p>　　“2Q32Q22Q12Q0、1Q3Q2Q1Q0=0110、0000”時(shí)

11、，通過門電路形成一置數(shù)脈沖，使計(jì)數(shù)器歸零。圖5.7.3電路，可作為秒、分、計(jì)數(shù)器。</p><p>　?。?）24進(jìn)制計(jì)數(shù)器</p><p>　　同理當(dāng)個(gè)位計(jì)數(shù)狀態(tài)為“Q3Q2Q1Q0=0100”,十位計(jì)數(shù)器狀態(tài)為“Q3Q2Q1Q0=0010”時(shí)，要求計(jì)數(shù)器歸零。通過把個(gè)位Q2、十位Q1相與后的信號(hào)送到個(gè)位、十位計(jì)數(shù)器的置數(shù)端PE，使計(jì)數(shù)器復(fù)零，從而構(gòu)成24進(jìn)制計(jì)數(shù)器，如圖5.7.4所示。

12、</p><p>　　圖5.7.4 24進(jìn)制計(jì)數(shù)器</p><p><b>　　譯碼顯示電路</b></p><p>　　譯碼電路的功能是將“秒”、“分”、“時(shí)”計(jì)數(shù)器的輸出代碼進(jìn)行翻譯，變成相應(yīng)的數(shù)字。用于驅(qū)動(dòng)LED七段數(shù)碼管的譯碼器常用的有。74LS47是BCD-7段譯碼器/驅(qū)動(dòng)器，其輸出是OC輸出且低電平有效，專用于驅(qū)動(dòng)LED七段共陽(yáng)極顯

13、示數(shù)碼管。由74LS47和LED七段共陽(yáng)數(shù)碼管組成的一位數(shù)碼顯示電路如圖5.7.5所示。若將“秒”、“分”、“時(shí)”計(jì)數(shù)器的每位輸出分別接到相應(yīng)的七段譯碼器的輸入端，便可進(jìn)行不同數(shù)字的顯示。在譯碼器輸出與數(shù)碼管的R為限流電阻。 </p><p>　　圖5.7.5 譯碼顯示器</p><p><b>　　校時(shí)電路</b></p><p>　　數(shù)字鐘

14、啟動(dòng)后，每當(dāng)數(shù)字鐘顯示與實(shí)際時(shí)間不符時(shí)，需要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間進(jìn)行校時(shí)。簡(jiǎn)單有效的校時(shí)電路如圖5.7.6所示。</p><p>　　?！懊搿睍r(shí)，采用等待校時(shí)。當(dāng)進(jìn)行等待校時(shí)時(shí)，將琴鍵開關(guān)K1按下，此時(shí)門電路G1被封鎖，秒信號(hào)進(jìn)入不到“秒計(jì)數(shù)器”中，</p><p>　　此時(shí)暫停秒計(jì)時(shí)。當(dāng)數(shù)字鐘顯示值與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間秒數(shù)值相同時(shí)，立即松開K1,數(shù)字鐘秒顯示與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間秒計(jì)時(shí)同步運(yùn)行，完成秒校時(shí)。</

15、p><p>　　圖5.7.6 秒、分、時(shí)“校時(shí)”電路</p><p>　　?！胺帧?、“時(shí)”的原理比較簡(jiǎn)單，采用加速校時(shí)。例如分校時(shí)使用G2、G3、G4三與非門，當(dāng)進(jìn)行分校時(shí)時(shí)，按下琴鍵開關(guān)Ｋ２，由于門Ｇ３輸出高電平，秒脈沖信號(hào)直接通過Ｇ２、Ｇ４門電路被送到分計(jì)數(shù)器中，使分計(jì)數(shù)器以秒的節(jié)奏快速計(jì)數(shù)。當(dāng)分計(jì)數(shù)器的顯示與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值相符時(shí)，松開Ｋ２即可。當(dāng)松開Ｋ２時(shí)，門電路Ｇ２封鎖秒脈沖，輸出高電平，門

16、電路Ｇ４接受來自秒計(jì)數(shù)器的輸出進(jìn)位信號(hào)，使分計(jì)數(shù)器正常工作。同理，“時(shí)”校時(shí)電路與“分”校時(shí)電路工作原理完全相同。</p><p><b>　　四、元件及工具清單</b></p><p><b>　　元件清單：</b></p><p><b>　　集成元件：</b></p><p&

17、gt;　　CC4029×6 、74LS47 ×6、LED共陽(yáng)顯示器×6、CC4011 ×2、</p><p>　　CC4081 ×1、CD4060 ×1、CD4013 ×1</p><p><b>　　電阻：</b></p><p>　　360W ×6、1M W

18、×1、10KW ×4</p><p><b>　　電容：</b></p><p><b>　　100pf ×2</b></p><p><b>　　晶體：</b></p><p>　　32768Hz ×1</p><p

19、><b>　　面包板×1</b></p><p><b>　　工具清單：</b></p><p>　　鑷子、剪刀、剝線鉗、尖嘴鉗、表線、工具盒。</p><p><b>　　有關(guān)元件資料</b></p><p>　　1、CD4060——14級(jí)串行二進(jìn)制計(jì)數(shù)器/分

20、頻器和振蕩器</p><p><b>　　說明：</b></p><p>　　Q4～ Q13——10個(gè)輸出端</p><p>　　Q13——214分頻</p><p>　　Q12——213分頻</p><p><b>　　……</b></p><p>

21、　　Cr——清零端（高電平有效）</p><p>　　2、CD4013——雙D主從觸發(fā)器</p><p>　　3、CD4029——二/十、加/減、可預(yù)制的CMOS計(jì)數(shù)器</p><p>　　4、CD4081與門</p><p><b>　　五、故障分析</b></p><p>　　（1）在檢測(cè)顯示

22、器是否正常示數(shù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)秒顯示器的“0”、“8”顯示不正常，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)是連線錯(cuò)誤所致，修正連線后顯示正常。</p><p>　　（2）在接通15V直流電壓后，發(fā)現(xiàn)時(shí)，分，秒均有示數(shù)，但不走。檢查電路后發(fā)現(xiàn)沒有錯(cuò)誤。猜測(cè)是脈沖不穩(wěn)。將振蕩器拔出，重新認(rèn)真插入，發(fā)現(xiàn)顯示器正常示數(shù)了。問題解決。</p><p>　?。?）在接通實(shí)驗(yàn)室15V電源時(shí)，發(fā)現(xiàn)顯示器不亮。按壓各元件，觀察是否接實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)，某

23、個(gè)74SL147元件發(fā)燙，將其他74LS147元件換到該地方時(shí)，發(fā)現(xiàn)示數(shù)正常。所以，分析是該元件已損壞。更換新的74LS147之后，發(fā)現(xiàn)示數(shù)正常。問題得到解決。</p><p><b>　　六、心得體會(huì)</b></p><p>　　通過這次課程設(shè)計(jì)，我的動(dòng)手實(shí)踐能力得到了鍛煉，團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)和能力得到了加強(qiáng)，對(duì)與之相關(guān)的課本知識(shí)加深了認(rèn)識(shí)。</p><

24、;p>　　在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)我們是按照繪制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)連線圖、連接實(shí)驗(yàn)、調(diào)試運(yùn)行、錯(cuò)誤修改的步驟實(shí)施的。系統(tǒng)原理圖的繪制很重要，在畫圖之前我們先畫了幾張草圖，并且參考了其他組的經(jīng)驗(yàn)，把握好系統(tǒng)各個(gè)元件的總體布局。在繪制系統(tǒng)圖尤其是連線圖時(shí)，需要對(duì)連接線路進(jìn)行合理的規(guī)劃，應(yīng)使圖紙盡可能整潔，連線能夠求出的辨別出來，布線要合理，否則連線混亂，極易造成接線錯(cuò)誤，造成電路故障。</p><p>　　在進(jìn)行線路連接時(shí)，我們把整

25、個(gè)系統(tǒng)換分為數(shù)個(gè)小的子系統(tǒng)，子系統(tǒng)內(nèi)元件線路連接的相似性都比較高，也易于完成。首先我們對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)內(nèi)部的元件線路進(jìn)行了連接，在子系統(tǒng)的接線任務(wù)完成后，我們將各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行整合，進(jìn)而完成整個(gè)系統(tǒng)的線路連接。通過這種類似于工業(yè)上模塊化組裝的方式，我們降低了線路連接的難度，也相應(yīng)的節(jié)省了時(shí)間。</p><p>　　系統(tǒng)線路連接完成后，我們對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了運(yùn)行調(diào)試。在初次接通5V的電源后，我們發(fā)現(xiàn)“0”和“8”兩個(gè)數(shù)字沒

26、有按要求進(jìn)行顯示，并且一個(gè)LCD元件無(wú)示數(shù)顯式。首先我們對(duì)照系統(tǒng)設(shè)計(jì)線路圖進(jìn)行對(duì)比檢查，發(fā)現(xiàn)了其中兩處接線錯(cuò)誤，錯(cuò)誤修正后“0”、“8”的顯示效果已恢復(fù)正常，但不亮的LCD仍無(wú)反應(yīng)，然后我們對(duì)實(shí)驗(yàn)元件進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)該LCD所連接的7447集成元件損壞，更換后，整個(gè)系統(tǒng)恢復(fù)了正常的工作。</p><p>　　通過實(shí)驗(yàn)，不僅鍛煉了自己的動(dòng)手能力，也讓我對(duì)相關(guān)的知識(shí)有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)了團(tuán)隊(duì)合作能力。</p&g