課程設(shè)計(jì)---數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)與制作

1、<p>　　數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告</p><p>　　題 目： 數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)與制作 </p><p><b>　　一 設(shè)計(jì)目的</b></p><p>　　1 進(jìn)一不了解組合邏輯電路和時(shí)序電路。</p><p>　　2 熟悉數(shù)字鐘的組成以及工作原理。</p><p&g

2、t;　　3 熟悉集成電路的引腳安排，如何在實(shí)驗(yàn)箱上接線，接線時(shí)應(yīng)注意什么。</p><p><b>　　二 設(shè)計(jì)要求</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)指標(biāo)</b></p><p>　　時(shí)間以24小時(shí)為一個(gè)周期；</p><p><b>　　顯示時(shí)、分、秒；</b>

3、</p><p>　　具有較時(shí)功能，可以分別對時(shí)及分進(jìn)行單獨(dú)較時(shí)，使其校正到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間；</p><p>　　計(jì)時(shí)過程具有報(bào)時(shí)功能，當(dāng)時(shí)間到達(dá)整點(diǎn)前5秒進(jìn)行蜂鳴報(bào)時(shí)；</p><p>　　為了保證計(jì)時(shí)的穩(wěn)定及準(zhǔn)確須由晶體振蕩器提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間基準(zhǔn)信號；</p><p><b>　　設(shè)計(jì)要求</b></p><

4、;p>　　畫出電路原理圖（或仿真電路圖）；</p><p><b>　　元器件及參數(shù)選擇；</b></p><p><b>　　電路仿真與調(diào)試；</b></p><p>　　PCB文件生成與打印輸出；</p><p>　　在面包板上安裝此線路并進(jìn)行調(diào)試；</p><p>

5、;　　制作要求 自行裝配和調(diào)試，并能發(fā)現(xiàn)問題和解決問題。</p><p>　　4 編寫設(shè)計(jì)報(bào)告 寫出設(shè)計(jì)與制作的全過程，附上有關(guān)資料和圖紙，有心得體會。</p><p>　　答辯 在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成敘述并回答提問。</p><p><b>　　三 工作原理</b></p><p>

6、　　1 數(shù)字鐘的構(gòu)成</p><p>　　數(shù)字鐘實(shí)際上是一個(gè)對標(biāo)準(zhǔn)頻率（1HZ）進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)電路。由于計(jì)數(shù)的起始時(shí)間不可能與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間（如北京時(shí)間）一致，故需要在電路上加一個(gè)校時(shí)電路，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)的1HZ時(shí)間信號必須做到準(zhǔn)確穩(wěn)定。通常使用石英晶體振蕩器電路構(gòu)成數(shù)字鐘。圖 3—1所示為數(shù)字鐘的一般構(gòu)成框圖。</p><p>　　圖3—1 數(shù)字種組成框圖</p><p&g

7、t;　?、?晶體振蕩器電路　　晶體振蕩器電路給數(shù)字鐘提供一個(gè)頻率穩(wěn)定準(zhǔn)確的32768Ｈz的方波信號，可保證數(shù)字鐘的走時(shí)準(zhǔn)確及穩(wěn)定。不管是指針式的電子鐘還是數(shù)字顯示的電子鐘都使用了晶體振蕩器電路。</p><p>　?、?分頻器 分頻器電路將32769Hz的高頻方波信號經(jīng)32768（215）次分頻后得到1Hz的方波信號供秒計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。分頻器實(shí)際上也就是計(jì)數(shù)器。</p>

8、;<p>　?、?時(shí)間計(jì)數(shù)器電路　　時(shí)間計(jì)數(shù)電路由秒個(gè)位和秒十位計(jì)數(shù)器、分個(gè)位和分十位計(jì)數(shù)器及時(shí)個(gè)位和時(shí)十位計(jì)數(shù)器電路構(gòu)成，其中秒個(gè)位和秒十位計(jì)數(shù)器、分個(gè)位和分十位計(jì)數(shù)器為60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，而根據(jù)設(shè)計(jì)要求，時(shí)個(gè)位和時(shí)十位計(jì)數(shù)器為12進(jìn)制計(jì)數(shù)器。</p><p>　?、?譯碼驅(qū)動電路　　 譯碼驅(qū)動電路將計(jì)數(shù)器輸出的8421BCD碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管需要的邏輯狀態(tài)，并且為保證數(shù)碼管正常工作提供足夠

9、的工作電流。</p><p>　?、?數(shù)碼管　　 數(shù)碼管通常有發(fā)光二極管（LED）數(shù)碼管和液晶（LCD）數(shù)碼管，本設(shè)計(jì)提供的為ＬＥＤ數(shù)碼管。</p><p><b>　　數(shù)字種的工作原理</b></p><p>　　1） 晶體振蕩器電路</p><p>　　晶體振蕩器是構(gòu)成數(shù)字式時(shí)鐘的核心，它保證

10、了時(shí)鐘的走時(shí)準(zhǔn)確及穩(wěn)定。</p><p>　　一般輸出為方波的數(shù)字式晶體振蕩器電路通常有兩類，一類是用ＴＴＬ門電路構(gòu)成；另一類是通過ＣＭＯＳ非門構(gòu)成的電路，如圖3—2所示，從圖上可以看出其結(jié)構(gòu)非常簡單。該電路廣泛使用于各種需要頻率穩(wěn)定及準(zhǔn)確的數(shù)字電路，如數(shù)字鐘、電子計(jì)算機(jī)、數(shù)字通信電路等。</p><p>　　圖 3—2 CMOS晶體振蕩器</p><p>　　圖

11、3—2所示電路中，ＣＭＯＳ非門Ｕ１與晶體、電容和電阻構(gòu)成晶體振蕩器電路，Ｕ２實(shí)現(xiàn)整形功能，將振蕩器輸出的近似于正弦波的波形轉(zhuǎn)換為較理想的方波。輸出反饋電阻Ｒ１為非門提供偏置，使電路工作于放大區(qū)域，即非門的功能近似于一個(gè)高增益的反相放大器。C1、C2均為30pF，當(dāng)要求頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度更高時(shí)，還可接入校正電容并采取溫度補(bǔ)償措施。由于CMOS電路的輸入阻抗極高，因此反饋電阻R1可選為10MΩ。較高的反饋電阻有利于提高振蕩頻率的穩(wěn)定性。非門

12、電路可選74HC00或74HC04等。電容Ｃ１、Ｃ２與晶體構(gòu)成一個(gè)諧振型網(wǎng)絡(luò)，完成對振蕩頻率的控制功能，同時(shí)提供了一個(gè)１８０度相移，從而和非門構(gòu)成一個(gè)正反饋網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了振蕩器的功能。由于晶體具有較高的頻率穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性，從而保證了輸出頻率的穩(wěn)定和準(zhǔn)確。</p><p>　　2） 分頻器電路</p><p>　　通常，數(shù)字鐘的晶體振蕩器輸出頻率較高，為了得到１Ｈz的秒信號輸入，需要對振蕩

13、器的輸出信號進(jìn)行分頻。</p><p>　　為了盡量減少元器件數(shù)量，可選用多極２進(jìn)制計(jì)數(shù)電路CD4060，ＣＤ４０６０計(jì)數(shù)為１４級２進(jìn)制計(jì)數(shù)器，可以將３２７６８ＨZ的信號分頻為２ＨZ，其內(nèi)部框圖如圖　3—3所示，從圖中可以看出，ＣＤ４０６０的時(shí)鐘輸入端兩個(gè)串接的非門，因此在ＣＰ０和ＣＰ０之間接入振蕩器外接元件可實(shí)現(xiàn)振蕩，并利用時(shí)計(jì)數(shù)電路中多一個(gè)２分頻器（后述）可實(shí)現(xiàn)１５級２分頻，即可得１ＨZ信號。</p&g

14、t;<p>　　圖3—3 CD4060內(nèi)部框圖</p><p>　　3） 時(shí)間計(jì)數(shù)電路</p><p>　　一般采用１０進(jìn)制計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)時(shí)間計(jì)數(shù)單元的計(jì)數(shù)功能。為減少器件使用數(shù)量，可選７４ＨＣ３９０，其內(nèi)部邏輯框圖如圖3—4所示。該器件為雙２—５－１０異步計(jì)數(shù)器，并且每一計(jì)數(shù)器均提供一個(gè)異步清零端（高電平有效）。</p><p>　　圖3—4

15、 74HC390內(nèi)部框圖</p><p>　　秒個(gè)位計(jì)數(shù)單元為１０進(jìn)制計(jì)數(shù)器，無需進(jìn)制轉(zhuǎn)換，只需將ＱＡ與ＣＰＢ（下降沿有效）相連即可。ＣＰＡ（下降沒效）與１ＨZ秒輸入信號相連，Ｑ３可作為向上的進(jìn)位信號與十位計(jì)數(shù)單元的ＣＰＡ相連。</p><p>　　秒十位計(jì)數(shù)單元為６進(jìn)制計(jì)數(shù)器，需要進(jìn)制轉(zhuǎn)換。將１０進(jìn)制計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)換為６進(jìn)制計(jì)數(shù)器的電路連接方法如圖3—5所示，其中Ｑ２可作為向上的進(jìn)位信號與分個(gè)

16、位的計(jì)數(shù)單元的ＣＰＡ相連。</p><p>　　圖3—5 十進(jìn)制—六進(jìn)制計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　分個(gè)位和分十位計(jì)數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)分別與秒個(gè)位和秒十位計(jì)數(shù)單元完全相同，只不過分個(gè)位計(jì)數(shù)單元的Ｑ３作為向上的進(jìn)位信號應(yīng)與分十位計(jì)數(shù)單元的ＣＰＡ相連，分十位計(jì)數(shù)單元的Ｑ２作為向上的進(jìn)位信號應(yīng)與時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)單元的ＣＰＡ相連。</p><p>　　時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)仍

17、與秒或個(gè)位計(jì)數(shù)單元相同，但是要求，整個(gè)時(shí)計(jì)數(shù)單元應(yīng)為１２進(jìn)制計(jì)數(shù)器，不是１０的整數(shù)倍，因此需將個(gè)位和十位計(jì)數(shù)單元合并為一個(gè)整體才能進(jìn)行１２進(jìn)制轉(zhuǎn)換。利用１片７４ＨＣ３９０實(shí)現(xiàn)１２進(jìn)制計(jì)數(shù)功能的電路如圖3—6所示。</p><p>　　另外，圖3—6所示電路中，尚余－２進(jìn)制計(jì)數(shù)單元，正好可作為分頻器２ＨZ輸出信號轉(zhuǎn)化為１ＨZ信號之用。</p><p>　　圖3—6 十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路<

18、/p><p><b>　　譯碼驅(qū)動及顯示單元</b></p><p>　　計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)了對時(shí)間的累計(jì)以8421BCD碼形式輸出，為了將計(jì)數(shù)器輸出的8421BCD碼顯示出來，需用顯示譯碼電路將計(jì)數(shù)器的輸出數(shù)碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼顯示器件所需要的輸出邏輯和一定的電流，一般這種譯碼器通常稱為7段譯碼顯示驅(qū)動器。</p><p>　　常用的7段譯碼顯示驅(qū)動器有CD45

19、11。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)中選擇ＣＤ４５１１作為顯示譯碼電路；選擇ＬＥＤ數(shù)碼管作為顯示單元電路。</p><p><b>　　校時(shí)電路</b></p><p>　　根據(jù)要求，數(shù)字鐘應(yīng)具有分校正和時(shí)校正功能，因此，應(yīng)截?cái)喾謧€(gè)位和時(shí)個(gè)位的直接計(jì)數(shù)通路，并采用正常計(jì)時(shí)信號與校正信號可以隨時(shí)切換的電路接入其中。若門電路采用TTL型，則可省去電

20、阻R1和R2。與或非門可選74HC15，非門則可選74HC00或74HC04等。圖3—7所示即為用COMS與或非門實(shí)現(xiàn)的時(shí)或分校時(shí)電路，圖中，In1端與低位的進(jìn)位信號相連；In2端與校正信號相連，校正信號可直接取自分頻器產(chǎn)生的1HZ或2HZ（不可太高或太低）信號；輸出端則與分或時(shí)個(gè)位計(jì)時(shí)輸入端相連。如圖3—7所示，當(dāng)開關(guān)打向下時(shí)，因?yàn)樾Ｕ盘柡?相與的輸出為0，而開關(guān)的另一端接高電平，正常輸入信號可以順利通過與或門，故校時(shí)電路處于正常計(jì)

21、時(shí)狀態(tài)；當(dāng)開關(guān)打向上時(shí)，情況正好與上述相反，這時(shí)校時(shí)電路處于校時(shí)狀態(tài)。顯然，這樣的校時(shí)電路需要兩個(gè)。</p><p>　　圖3—7所示校時(shí)電路存在開關(guān)抖動問題，使電路無法正常工作，因此實(shí)際使用時(shí)，須對開關(guān)的狀態(tài)進(jìn)行消除抖動處理。通常采用基本RS觸發(fā)器構(gòu)成開關(guān)消抖動電路，如圖3—7所示即為帶有該電路的校正電路。</p><p>　　另外，在對分進(jìn)行校時(shí)時(shí)應(yīng)不影響時(shí)計(jì)數(shù)器的現(xiàn)狀態(tài)，即當(dāng)分校時(shí)時(shí)

22、，如果產(chǎn)生進(jìn)位應(yīng)該不影響時(shí)計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)或不產(chǎn)生進(jìn)位作用，因此，可用分校時(shí)時(shí)RS觸發(fā)器的0輸出狀態(tài)來封鎖。進(jìn)位輸入信號。74HC51正好為3—3輸入的與或非門，多出的輸入端可作為封鎖信號輸入之用。</p><p>　　圖3—7 帶有消抖動電路的校正電路</p><p><b>　　整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路</b></p><p>　　根據(jù)要求，電路應(yīng)在整點(diǎn)前1

23、0秒鐘內(nèi)開始整點(diǎn)報(bào)時(shí)，即當(dāng)時(shí)間在59分50秒到59分59秒期間時(shí)，報(bào)時(shí)電路報(bào)時(shí)控制信號。</p><p>　　當(dāng)時(shí)間在59分50秒到59分59秒期間時(shí)，分十位、分個(gè)位和秒十位均保持不變，分別為5、9和5，因此可將分計(jì)數(shù)器十位的QＣ和QＡ 、個(gè)位的QＤ和QＡ及秒計(jì)數(shù)器十位的QＣ和QＡ相與，從而產(chǎn)生報(bào)時(shí)控制信號。</p><p>　　報(bào)時(shí)電路可選74HC30來構(gòu)成。74HC30為8輸入與非門。

24、</p><p>　　選蜂鳴器為電聲器件，蜂鳴器是一種壓電電聲器件，當(dāng)其兩端加上一個(gè)直流電壓時(shí)酒會發(fā)出鳴叫聲，兩個(gè)輸入端是極性的，其較長引腳應(yīng)與高電位相連。</p><p>　　與非門74HC30輸出端應(yīng)與蜂鳴器的負(fù)極相連，而蜂鳴器的正極則應(yīng)與電源相連</p><p><b>　　四 元器件</b></p><p&g

25、t;　　本課程設(shè)計(jì)共用到材料有：</p><p>　　網(wǎng)絡(luò)線2米/人 CD4060集成塊1塊</p><p>　　74HC390集成塊3塊 74HC51集成塊1塊</p><p>　　共陰八段數(shù)碼管6個(gè) 74HC00集成塊4塊</p><p>　　CD4511集成塊6

26、塊 鑷子1把</p><p>　　剪刀1把 10MΩ電阻5個(gè)</p><p>　　74HC390集成塊3塊 74HC30集成塊1塊</p><p>　　500Ω電阻14個(gè) 30p電容2個(gè)</p><p>　　32.768k時(shí)鐘

27、晶體1個(gè) 四連面包板1塊</p><p><b>　　附：面包板結(jié)構(gòu)圖</b></p><p>　　WB—1系列面包板之電源座（邊系）彈片是由每25個(gè)插孔連接在一起的彈片組裝而成的。</p><p>　　五列為一組，共有兩組，組與組不相通，列與列相通，行與行不通。</p><p><b>　

28、　X與Y</b></p><p><b>　　引腳</b></p><p>　　2） 集成快引腳排列圖</p><p>　　五 各功能塊電路圖</p><p>　　1） 通過4511測試數(shù)碼管的好壞，如圖5—1</p><p>　　圖5—1 4511驅(qū)動電路

29、</p><p>　　2） 4060構(gòu)成脈沖發(fā)生及分頻 如圖5—2</p><p><b>　　圖5—2</b></p><p>　　3） 74390 構(gòu)成十進(jìn)制計(jì)數(shù)器如圖5—3</p><p><b>　　圖5—3</b></p><p>　　4） 74

30、390構(gòu)成六進(jìn)制計(jì)數(shù)器如圖5—4</p><p><b>　　圖5—4</b></p><p>　　5） 74390構(gòu)成六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器如圖5—5</p><p><b>　　圖5—5</b></p><p>　　6） 雙六十進(jìn)制電路如圖5—6</p><p&g

31、t;<b>　　圖5—6</b></p><p>　　7） 校時(shí)電路（分校時(shí)時(shí)，不會進(jìn)位到小時(shí)）如圖5—7</p><p><b>　　圖5—7</b></p><p>　　8） 十二小時(shí)計(jì)數(shù)器如圖5—8</p><p><b>　　圖5—8</b></

32、p><p>　　9） 分頻—晶振電路如圖5—9</p><p><b>　　圖5—9</b></p><p>　　整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路如圖5—10</p><p><b>　　圖5—10</b></p><p>　　六 總接線元件布局簡圖</p><

33、p>　　總接線電路圖要求具有12小時(shí)制數(shù)字鐘，計(jì)數(shù)器，并具有整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能，分</p><p>　　與時(shí)校正功能，以及正確的頻率（1HZ）。</p><p>　　七 芯片連接圖</p><p>　　八 設(shè)計(jì)總結(jié)</p><p>　　實(shí)驗(yàn)中遇到的問題及解決方法</p><p>　　實(shí)驗(yàn)中遇到的最大

34、問題不是不會接線，而是所接的線是否相同，又或者芯片接觸是否良好。我在做實(shí)驗(yàn)過程中，也碰到了類似的問題。如在做整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路中，本應(yīng)該在分的十位和個(gè)位以及秒的十位為5，9，5時(shí)，蜂鳴器才會叫，而我有三種情況會叫（1，9，5；3，9，5；5，9，5）。會發(fā)生這種情況，應(yīng)該是芯片74HC30D中的引腳1和2有問題。可我仔細(xì)檢查，接線是對的，那哪里出問題了。我再用萬用表測量這兩個(gè)引腳與對應(yīng)的引腳是否相同，結(jié)果顯示是相同的。那就沒理由會發(fā)生這三種情

35、況了。而別的毛病又找不到，只好再把問題投向這引腳1和2。我把與引腳1，引腳2相連的線拔了，用臨時(shí)線搭一下。再來測量，居然正確了。這就怪了。前面線也相同的，沒道理出錯(cuò)啊。唯一能給出的解釋就是我不是用一根線就把它們給連起來，而是通過介質(zhì)把他們連起來。那樣做，是為了整體能夠更美觀。那想的到美麗的背后竟然是錯(cuò)誤。</p><p>　　至于碰到的芯片接觸問題，則出現(xiàn)在最后驗(yàn)收過程中。校時(shí)，蜂鳴都好好的，偏偏分不會進(jìn)位到時(shí)。

36、也不知道當(dāng)時(shí)十二小時(shí)計(jì)數(shù)器的分怎么進(jìn)位到時(shí)去的呢。檢查，再檢查，還是不會進(jìn)位。沒辦法，只能去請教老師。最后發(fā)現(xiàn)由74HC30D中的引腳8，6引出到74HC00D，而這74HC00D上的引腳12，13是低電平，而正常顯示應(yīng)該是高電平。老師就把這芯片重新插可一次，不用說，正常進(jìn)位。</p><p>　　這兩類問題遇到的人特別多。還有不少數(shù)問題存在，如沒有接高電平，低電平，看錯(cuò)引腳位置等等。</p>&l

37、t;p><b>　　設(shè)計(jì)體會</b></p><p>　　在設(shè)計(jì)電路時(shí)，應(yīng)先仿真，再接線。但仿真與實(shí)際操作有所不同。有時(shí)，在仿真中不能實(shí)現(xiàn)的。在實(shí)際操作中卻是不行的，如在本次實(shí)驗(yàn)十進(jìn)制器，74390本身就是一個(gè)十進(jìn)制器。在實(shí)際操作中無需反饋電路即可實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制。但在仿真中，一定要有反饋電路才能實(shí)現(xiàn)。所以仿真與實(shí)際操作有所不同。有時(shí)，達(dá)到的效果也不同。如在本次實(shí)驗(yàn)分頻—晶振電路，實(shí)際操作中

38、用2HZ 的頻率比仿真200HZ 頻率速度要快得多了。</p><p><b>　　3） 設(shè)計(jì)建議</b></p><p>　　在給定一個(gè)電路圖時(shí)，老師應(yīng)該多講講工作原理，使同學(xué)更能掌握實(shí)驗(yàn)的過程。以達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。做?shí)驗(yàn)，難免會出錯(cuò)。有時(shí)候，我們所學(xué)的知識根本檢查不出問題的所在。這就希望老師能提醒我們一下，一來可以順利完成實(shí)驗(yàn)，二來也可以增加知識。</p&g