數(shù)字鐘課程設計--直流穩(wěn)壓電源和多功能數(shù)字鐘電路設計

1、<p>　　電氣與電子信息工程學院</p><p><b>　　電子技術課程設計</b></p><p>　　設計題目：直流穩(wěn)壓電源和多功能數(shù)字鐘電路設計</p><p>　　專業(yè)班級： </p><p>　　學　　號：　

2、 　</p><p>　　姓 名： </p><p>　　指導教師： </p><p>　　設計時間： 2012/11/05～2012/11/16 </p><p>　　設計地點： K3

3、—204 </p><p>　　電子技術課程設計成績評定表</p><p>　　指導教師簽字： </p><p>　　2012年 月 日</p><p>　　電子技術課程設計任務書</p><p>　　2012～2013學年第 1 學期</p>

4、<p>　　一、課程設計題目：直流穩(wěn)壓電源和多功能數(shù)字鐘電路設計</p><p>　　二、課程設計內容（含技術指標）</p><p>　　1．穩(wěn)壓電源 在輸入電壓220V、50Hz、電壓變化范圍+15%~——20%條件下：</p><p>　　輸出電壓：+5V，-5V，+9V，-9V;</p><p>　　最大輸出電流：1.

5、5A;</p><p>　　具有過流及短路保護功能。</p><p>　　2．設計一個有時、分、秒（例如23小時59分59秒）顯示，且具有校時功能的電子鐘。</p><p>　　a、用中規(guī)模、小規(guī)模集成芯片組成電子鐘，并在萬能板（面包板）上進行組裝、調試。</p><p>　　b、可用TTL或CMOS芯片設計電路。</p>&l

6、t;p><b>　　選做：</b></p><p><b>　?。?）鬧鐘系統(tǒng)</b></p><p>　　（2）整點報時。在59分51秒，53秒，57秒時輸出750Hz音頻信號；在59分59秒時輸出1000 Hz信號，音響持續(xù)1秒，在1000 Hz音響結束時刻為整點。</p><p><b>　　（3）日

7、歷系統(tǒng)。</b></p><p><b>　　三、進度安排</b></p><p>　　1．擬定多功能數(shù)字鐘的組成框圖，設計并安裝各單元電路，畫出多功能數(shù)字鐘的整機邏輯電路圖； 4天</p><p>　　2．安裝各單元電路，要求布線整齊、美觀，且進

8、行調試； 4天</p><p>　　3．寫出設計報告：。 2天</p><p><b>　　四、基本要求</b></p><p>　　1．作品要求：直流穩(wěn)壓電源能輸出電壓正負5V，最大電流1.5A,數(shù)字鐘以數(shù)字形式顯示時、分、秒的時間。小時

9、計數(shù)器的計時要求為“12翻1”或“24翻1”，要求手動快校時、快校分或慢校時、慢校分。學生可自行擴展功能，如定時控制，其時間自定；仿廣播電臺正點報時，自動報整點時數(shù)或觸摸報整點時數(shù)（主要體現(xiàn)在理論知識上進行電路設計）以及日歷系統(tǒng)。</p><p>　　2．報告要求：不少于3000字，統(tǒng)一復印封面并用Ａ4紙寫出報告。</p><p>　　封面、課程設計任務書</p><p

10、><b>　　方案選擇，方案論證</b></p><p>　　系統(tǒng)功能及原理（系統(tǒng)組成框圖、電路原理圖）</p><p>　　各模塊的功能，原理，器件選擇</p><p><b>　　結果分析</b></p><p><b>　　設計小結</b></p>&

11、lt;p>　　附錄---系統(tǒng)設計原理圖、元器件清單 </p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1 系統(tǒng)方案選擇與論證</p><p>　　1.1 直流穩(wěn)壓電源電路</p><p>　　1.2 多功能數(shù)字鐘電路</p><p><b>　　1.2.

12、1 芯片</b></p><p><b>　　1.2.2 秒脈沖</b></p><p>　　1.2.3秒脈沖產(chǎn)生器</p><p>　　1.3系統(tǒng)功能及原理（系統(tǒng)組成框圖、電路原理圖）</p><p><b>　　1.3.1系統(tǒng)功能</b></p><p>&l

13、t;b>　　1.3.2系統(tǒng)原理</b></p><p><b>　　2電路工作原理</b></p><p>　　2..1直流穩(wěn)壓電源電路</p><p>　　2.2多功能數(shù)字鐘電路</p><p>　　2.2.1 秒脈沖信號產(chǎn)生電路</p><p>　　2.2.2 校準電路<

14、;/p><p>　　2.2.3秒計數(shù)、譯碼/驅動及顯示部分的設計</p><p>　　2.2.4、分計數(shù)、譯碼/驅動及顯示部分的設計</p><p>　　2.2.5、時計數(shù)、譯碼/驅動及顯示部分的設計</p><p>　　2.2.6 譯碼電路的工作原理</p><p>　　3 電路測試與結果分析</p>&

15、lt;p><b>　　4 課程設計總結</b></p><p><b>　　5附錄</b></p><p>　　附錄1：電路總原理圖</p><p>　　附錄2：使用元器件一覽表（序號、名稱、型號、規(guī)格、數(shù)量、備注）</p><p><b>　　附錄3：參考文獻</b>

16、</p><p>　　1 系統(tǒng)方案選擇與論證</p><p>　　1.1 直流穩(wěn)壓電源電路</p><p>　　方案一：采用9v集成電池。該電池體積較小，輕巧，但電池所提供的電流小，同時隨著時間的延長，會導致電壓不穩(wěn)定，不能夠提供一個穩(wěn)定的電壓。</p><p>　　方案二：采用變壓器變壓。將220V的交流電通過變壓器變壓，再經(jīng)過整流、濾波、

17、穩(wěn)壓，產(chǎn)生一個穩(wěn)定的電壓，同時能夠長時間供電。 </p><p>　　通過以上兩種方案的比較，故選方案二。</p><p>　　1.2 多功能數(shù)字鐘電路</p><p><b>　　1.2.1 芯片</b></p><p>　　方案一：采用CMOS電路。CMOS電路是電壓控制器件，是一種低功耗器件。雖功耗低，但是當

18、電流過大時，會燒毀芯片，并且COMS電路的速度慢，傳輸延遲時間長(25-50ns)。</p><p>　　方案二：采用TTL電路。TTL電路是電流控制器件，TTL電路的速度快，傳輸延遲時間短(5-10ns)，能到達很好的精度。</p><p>　　通過以上兩種方案的比較，故選方案二。</p><p><b>　　1.2.2 秒脈沖</b><

19、;/p><p>　　方案一：采用1kHz的秒脈沖。</p><p>　　方案二：采用1Hz的秒沖。</p><p>　　由于1kHZ頻率相對較大，所以導致所需的電阻阻值很小，不易于實現(xiàn)。故選方案二</p><p>　　1.2.3秒脈沖產(chǎn)生器</p><p>　　方案一：采用石英晶體振蕩器。石英晶體振蕩器具有體積小、重量輕、

20、可靠性高、頻率穩(wěn)定度高等優(yōu)點。其具有極高的頻率穩(wěn)定性，主要用在要求頻率十分穩(wěn)定的振蕩電路中作諧振元件，但成本相對較高。</p><p>　　方案二：采用NE555多諧振蕩器。NE555多諧振蕩器只需簡單的電阻器、電容器，即可完成特定的振蕩延時作用。其延時范圍極廣，可由幾微秒至幾小時之久。其操作電源范圍廣 ，可與TTL，CMOS等邏輯電路配合，它的計時精確度高、溫度穩(wěn)定度佳，且成本較低。</p>&l

21、t;p>　　綜上所述分析，故選方案二。</p><p>　　1.3系統(tǒng)功能及原理（系統(tǒng)組成框圖、電路原理圖）</p><p><b>　　1.3.1系統(tǒng)功能</b></p><p>　　數(shù)字時鐘電路是一個具有有時、分、秒（例如23小時59分59秒）顯示，且具有校時功能的電子鐘。直流穩(wěn)壓電源能輸出電壓正負5V，最大電流1.5A,數(shù)字鐘以數(shù)字

22、形式顯示時、分、秒的時間。小時計數(shù)器的計時要求為“12翻1”或“24翻1”，要求手動快校時、快校分或慢校時、慢校分。還可以實現(xiàn)秒計時。</p><p><b>　　1.3.2系統(tǒng)原理</b></p><p>　　電路系統(tǒng)，其由時、分、秒計數(shù)器以及校時和顯示電路組成。其主要功能為計時、校時。利用60進制和12進制遞增計數(shù)器子電路構成數(shù)字時鐘系統(tǒng)，由2個60進制同步遞增計

23、數(shù)器完成秒、分計數(shù)，由1個12進制同步遞增計數(shù)器完成小時計數(shù)。秒、分、時計數(shù)器分別都以兩個CD4511同步級聯(lián)而成，秒、分、時計數(shù)器之間采用異步級聯(lián)的方式。開關J1和J2分別是控制時和分的校時開關。組成框圖如下圖 （ 電路原理圖見附錄一）</p><p>　　圖1 系統(tǒng)組成框圖</p><p><b>　　2電路工作原理</b></p><p

24、>　　2..1直流穩(wěn)壓電源電路</p><p>　　直流穩(wěn)壓電源的工作原理為是通過變壓器將220V交流電降到到9V，然后將變壓后的交流電通過整流橋整流，再經(jīng)過電容的濾波和LM7805三端穩(wěn)壓芯片的穩(wěn)壓，將9V的交流電轉變?yōu)?V的直流電后，再經(jīng)過電容的濾波、阻尼，將電壓輸出。其工作原理圖如下：</p><p>　　圖2.直流穩(wěn)壓電源原理圖</p><p>　　

25、2.2多功能數(shù)字鐘電路</p><p>　　數(shù)字電子鐘是一個對標準頻率（1HZ）進行計數(shù)的計數(shù)電路。它由振蕩器、分配器、計數(shù)器、譯碼器和顯示器電路組成。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，當計滿24小時后又開始下一輪的循環(huán)計數(shù)。通過校時電路可以

26、對分和時進行校時，且計時過程具有報時功能，當時間到達整點前10秒開始，蜂鳴器1秒響1秒停地響5次。主電路系統(tǒng)由秒信號發(fā)生器、“時、分、秒”計數(shù)器、譯碼器及顯示器、校時電路、整點報時電路組成。秒信號產(chǎn)生器是整個系統(tǒng)的時基信號，它直接決定計時系統(tǒng)的精度，一般用石英晶體振蕩器加分頻器來實現(xiàn)。將標準秒信號送入“秒計數(shù)器”，“秒計數(shù)器”采用60進制計數(shù)器，每累計60秒發(fā)出一個“分脈沖”信號，該信號將作為“分計數(shù)器”的時鐘脈沖?！胺钟嫈?shù)器”也采用6

27、0進制計數(shù)器，每累計60分鐘，發(fā)出一個“時脈沖”信號，該信號將被送到“時計數(shù)器”?！皶r計數(shù)器”采用24進制計時器，可實現(xiàn)對一天24小時的累計。一脈沖信號，然后去觸發(fā)一音頻發(fā)生器實現(xiàn)報時?？?lt;/p><p>　　譯碼顯示 譯碼顯示 譯碼顯示</p><p>　　24進制 60進制

28、 60進制</p><p>　　時計數(shù)器 分計數(shù)器 秒計數(shù)器</p><p>　　校時電路 校分電路</p><p><b>　　分頻器</b></p><p><b>　　圖3 設計框架圖</b><

29、/p><p>　　由上圖的總體結構圖可知，該設計大概可以分部分：秒脈沖產(chǎn)生部分、計數(shù)部分、顯示部分、校時部分。在秒脈沖產(chǎn)生部分中，可以用振蕩器或者555定時器予以實現(xiàn)，為了保證準確性，優(yōu)先選用振蕩器，但是由于個人技術問題，我們選用了555定時器來產(chǎn)生秒脈沖；在計數(shù)電路中，我們采用CD4518計數(shù)器，4518為雙BCD同步加法計數(shù)器。在顯示部分，我們采用CD4511芯片結合數(shù)碼管來實現(xiàn)。最后的校時部分用四2輸入與非門的

30、CD4011芯片結合瓷片電容來完成。</p><p>　　2.2.1 秒脈沖信號產(chǎn)生電路</p><p>　　振蕩器是數(shù)字鐘的核心部分。振蕩器的穩(wěn)定性及頻率的精確度決定了數(shù)字鐘計時的準確程度，本實驗采用555定時器。其中要求R1、 R2為100K的電阻 C1為4.7F、C2為0.01F的電容，Vcc為+5V電源,GND接地。如圖4所示：</p><p>　　圖4 “

31、秒脈沖信號發(fā)生器”的設計、原理圖</p><p>　　“脈沖信號發(fā)生器”是采用“555”定時器，555芯片的引腳圖如圖5所示：</p><p>　　圖5 555芯片引腳圖</p><p>　　2.2.2 校準電路</p><p>　　當數(shù)字鐘走時出現(xiàn)誤差時，需要校正時間。校時電路實現(xiàn)對“時”“分”“秒”的校準。在電路中設有正常計時和校對位置

32、。本實驗實現(xiàn)“時”“分”的校對。對校時的要求是，在小時校正時不影響分和秒的正常計數(shù)；在分校正時不影響秒和小時的正常計數(shù)。需要注意的時，校時電路是由與非門構成的組合邏輯電路，開關S1或S2為“0”或“1”時，可能會產(chǎn)生抖動，為防止這一情況的發(fā)生我在原本接校時脈沖的端口接到了實驗裝置的“單次脈沖”端口，這樣既時限內了防抖動，又可以利用手動操作來完成校時。如圖6所示：</p><p><b>　　圖6.校時電

33、路圖</b></p><p>　　“分校準電路”采用的是CD4011芯片，芯片引腳圖如下：</p><p>　　圖7. CD4011芯片引腳圖</p><p>　　2．2．3、秒計數(shù)、譯碼/驅動及顯示部分的設計</p><p>　　眾所周知，秒、分、時分別為六十、六十、二十四進制(十二進制亦可)計數(shù)器那么“秒”和“分”計數(shù)器用兩

34、塊十進制計數(shù)器級連來實現(xiàn)，它們的個位為十進制，十位為六進制，這樣，符合人們通常計秒數(shù)的習慣?！皶r”計數(shù)也用兩個十進制集成塊，只是做成二十四進制，上述計數(shù)器均可用反饋清零法來實現(xiàn)。</p><p>　　秒計數(shù)采用兩個數(shù)碼管、兩個CD4511和一個CD4518來實現(xiàn)，將“秒”信號送入“秒”計數(shù)器，秒計數(shù)器采用60進制計數(shù)器，每累計60秒發(fā)出一個“分”脈沖信號，該信號將作為“分”計數(shù)器的時鐘脈沖，進位脈沖最終用CD40

35、81的一個與門來實現(xiàn)。而CD4511芯片具有鎖存\譯碼\驅動的功能，可以外接電阻驅動七段口LED數(shù)碼管顯示出來.如下圖所示</p><p><b>　　圖8.秒計數(shù)器</b></p><p>　　2.2.4、分計數(shù)、譯碼/驅動及顯示部分的設計</p><p>　　分計數(shù)和秒計數(shù)的原理差不多，也是采用兩個數(shù)碼管、兩個CD4511和一個CD4518

36、來實現(xiàn)，將“秒”計數(shù)器的進位脈沖送入“分”計數(shù)器，每累計60分發(fā)出一個“時”脈沖信號，該信號將作為“時”計數(shù)器的時鐘脈沖，進位脈沖最終用CD4081的又一個與門來實現(xiàn)，同樣是采用CD4511來驅動七位LED數(shù)碼管顯示出來.如下圖所示</p><p><b>　　圖9.分計數(shù)器</b></p><p>　　2.2.5、時計數(shù)、譯碼/驅動及顯示部分的設計</p>

37、;<p>　　時計數(shù)和分計數(shù)的原理差不多，也是采用兩個數(shù)碼管、兩個CD4511和一個CD4518來實現(xiàn)，將“分”計數(shù)器的進位脈沖送入“時”計數(shù)器，但是是計數(shù)器采用的是24進制、且不需要進位脈沖，同樣是采用CD4511來驅動七位LED數(shù)碼管顯示出來.時計時器圖如下：</p><p><b>　　圖10.時計數(shù)器</b></p><p>　　其中秒、分、時計

38、數(shù)器都用到芯片CD4511、CD4518、CD4081和數(shù)碼管，下面就針對秒、分、時的設計原理來介紹這些芯片的引腳及功能。</p><p>　?、贁?shù)碼管是數(shù)字鐘的顯示部分，由七段LED和一個點構成，其引腳圖如下</p><p>　　圖11.LED引腳圖</p><p>　?、贑D4511是BCD鎖存/7段譯碼器/驅動器，常用的顯示譯碼器件.</p>&

39、lt;p><b>　　圖</b></p><p>　　圖12. CD4511引腳圖</p><p>　　CD4511引腳功能： BI：4腳是消隱輸入控制端，當BI=0 時，不管其它輸入端狀態(tài)是怎么樣的，七段數(shù)碼管都會處于消隱也就是不顯示的狀態(tài)。 LE：鎖定控制端，當LE=0時，允許譯碼輸出。 LE=1時譯碼器是鎖定保持狀態(tài)，譯碼器輸出被保持在LE=0時的數(shù)值。L

40、T：3腳是測試信號的輸入端，當BI=1，LT=0 時，譯碼輸出全為1，不管輸入 DCBA 狀態(tài)如何，七段均發(fā)亮全部顯示。它主要用來檢測數(shù)7段碼管是否有物理損壞。A1、A2、A3、A4、為8421BCD碼輸入端a、b、c、d、e、f、g：為譯碼輸出端，輸出為高電平1有效。</p><p>　?、跜D4518是十進制雙BCD同步加法計數(shù)器，內含兩個單元的加計數(shù)器，下圖為CD4518的引腳圖</p>&l

41、t;p>　　圖13. CD4518引腳圖</p><p>　?、蹸D4081是四2輸入與門電路，其結構和CD4011差不多，具體引腳圖如下。</p><p>　　2.2.6 譯碼電路的工作原理</p><p>　　通過CD4511來實現(xiàn)電路的譯碼過程。CD4511是一個用于驅動共陰極 LED （數(shù)碼管）顯示器的 BCD 碼—七段碼譯碼器，其特點是：具有BCD

42、轉換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅動功能的CMOS電路能提供較大的拉電流?？芍苯域寗覮ED顯示器。CD4511中的a b c d 為 BCD 碼輸入端，a為最低位。LT為燈測試端，加高電平時，顯示器正常顯示，加低電平時，顯示器一直顯示數(shù)碼“8”，各筆段都被點亮，以檢查顯示器是否有故障。BI為消隱功能端，低電平時使所有筆段均消隱，正常顯示時， B1端應加高電平。另外 CD4511有拒絕偽碼的特點，當輸入數(shù)據(jù)越過十進制數(shù)9(1001)時，顯

43、示字形也自行消隱。LE是鎖存控制端，高電平時鎖存，低電平時傳輸數(shù)據(jù)。a～g是 7 段輸出，可驅動共陰LED數(shù)碼管。其原理圖如圖15所示。</p><p>　　圖 15 譯碼電路工作原理圖</p><p>　　3 電路測試與結果分析</p><p>　　當完成數(shù)字時鐘部分后，我們通電后發(fā)現(xiàn)“分”的個位數(shù)碼管的b中發(fā)光管二極管不亮，</p><p&

44、gt;　　對照數(shù)碼管的引腳圖，我可以看到b中的發(fā)光二極管對應的是6號引腳，然后我們就用萬用表的二極管檔測試該發(fā)光二極管，發(fā)現(xiàn)該二極管是亮的，說明數(shù)碼管本身沒問題。于是我就想可能是接線的問題，便著手去找6號引腳對應的接線，當我用萬用表測試連線時，突然發(fā)現(xiàn)某一根連線兩端的電阻為無窮大（理論上應為0），于是我便找原因，發(fā)現(xiàn)是一個焊點出現(xiàn)了虛焊，重新焊接后通電調試，發(fā)現(xiàn)沒有問題，故障完全排除。通過以上方案的論證與電路原理的分析，最終設計出了多功

45、能數(shù)字鐘，同時制作出了實物，實現(xiàn)了課程設計的內容要求的各項功能。在誤差允許的范圍內，很好的實現(xiàn)了數(shù)字鐘調時、調分和秒的正常運轉。</p><p><b>　　4 課程設計總結</b></p><p>　　通過此次課程設計，總體來說，收獲頗豐，無論是在培養(yǎng)自己的實驗動手能力還是培養(yǎng)自己的性情方面。在此次的數(shù)字鐘設計過程中,更進一步地熟悉了芯片的結構及掌握了各芯片的工作

46、原理和其具體的使用方法.在連接六進制,十進制,六十進制的進位及二十四進制的接法中,要求熟悉邏輯電路及其芯片各引腳的功能,那么在電路出錯時便能準確地找出錯誤所在并及時糾正了.在設計電路中,往往是先仿真后連接實物圖,但有時候仿真和電路連接并不是完全一致的,因此仿真圖和電路連接圖還是有一定區(qū)別的，所以在連接線路是就要求非常認真，要清楚了解各個連接點之間的關系，這樣才能在實際焊接過程中得心應手，取得事半功倍的效果.在設計電路的連接圖中出錯的主要

47、原因都是接線和芯片的接觸不良以及接線的焊點所引起的.在焊接過程中，組員間配合的非常好，進度相當快，雖然在其中幾個焊接中遇到幾點非常困難的地方，但是還是被我們解決了，這就是團隊的力量。在開始的設計和最后的調試過程是漫長的，有時我們?yōu)榱艘粋€問題要找很長時間，甚至要熬夜、顧不上吃飯等，我們既要在計算機前收集資料，又要在實驗室驗證，這個過程非常辛苦，但是也非?？鞓贰Ｗ詈笪覀兺ㄟ^兩個星期的艱苦奮斗，終于</p><p>&

48、lt;b>　　附錄</b></p><p>　　附錄1：電路總原理圖</p><p>　　附錄2：使用元器件一覽表（序號、名稱、型號、規(guī)格、數(shù)量、備注）</p><p>　　主要工具及附加材料：電烙鐵、烙鐵架、焊錫絲、松香、導線、絕緣膠布、透明膠帶、鑷子、鉗子、數(shù)字萬用表、吸錫器、剝線鉗、一字起子一套等等。</p><p>