1、課 程 設(shè) 計(jì) 課程名稱 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) 題目名稱 功能數(shù)字鐘的電路設(shè)計(jì) 學(xué)生學(xué)院 物理與光電工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí) 電子科學(xué)與技術(shù) 學(xué) 號(hào) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 2014年 05 月 27 日目錄1.設(shè)計(jì)題目：功能數(shù)字鐘的電路設(shè)計(jì)12.設(shè)計(jì)任務(wù)和要求12.1設(shè)計(jì)任務(wù)與要求13.原理電路和程序設(shè)計(jì)13.1方案比較23.1.1 振蕩器方案比較23.1.2 計(jì)數(shù)器方案比較33.1.3 譯碼器方案比較33.1.4 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路方案比較33.2單元電路設(shè)計(jì)33.2.1 時(shí)鐘源單元電路設(shè)計(jì)33.2.2 計(jì)數(shù)器單元電路設(shè)計(jì)43.2.3譯碼單元電路設(shè)計(jì)73.2.4 校時(shí)單元電路設(shè)計(jì)83.2.5 整點(diǎn)報(bào)時(shí)單元電路

2、設(shè)計(jì)93.2.6 鬧鐘功能單元電路設(shè)計(jì)94. 電路和程序調(diào)試過(guò)程與結(jié)果104.1 仿真調(diào)試過(guò)程與結(jié)果104.2 電路調(diào)試過(guò)程與結(jié)果115. 總結(jié)125.1 設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)和不足125.2 改進(jìn)方案125.3 心得體會(huì)126. 附件136.1 元件清單136.2實(shí)物圖146.3 電路總圖（不包括鬧鐘電路）156.4 IC芯片引腳圖166.5 參考文獻(xiàn)171.設(shè)計(jì)題目：功能數(shù)字鐘的電路設(shè)計(jì)2.設(shè)計(jì)任務(wù)和要求2.1設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1）時(shí)鐘顯示功能，能夠以十進(jìn)制顯示“時(shí)”、“分”、“秒”。2）具有校準(zhǔn)時(shí)、分的功能。3）整點(diǎn)自動(dòng)報(bào)時(shí)，在整點(diǎn)時(shí)，便自動(dòng)發(fā)出鳴叫聲，時(shí)長(zhǎng)1s。選做： 4）鬧鐘功能，可按設(shè)定的時(shí)間鬧

3、時(shí)。3.原理電路和程序設(shè)計(jì) 一個(gè)具有計(jì)時(shí)、校時(shí)、報(bào)時(shí)、顯示等基本功能的數(shù)字鐘主要由振蕩器、分頻器、計(jì)數(shù)器、譯碼器、顯示器、校時(shí)電路、報(bào)時(shí)電路等七部分組成。石英晶體振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)分頻器得到秒脈沖，秒脈沖送入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)果通過(guò)“時(shí)”、“分”、“秒”譯碼器譯碼，并通過(guò)顯示器顯示時(shí)間。數(shù)字鐘的整機(jī)邏輯框圖如下：3.1方案比較3.1.1 振蕩器方案比較 在本設(shè)計(jì)中，振蕩器是計(jì)時(shí)器的核心，主要用來(lái)產(chǎn)生時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（也叫時(shí)基信號(hào)）。數(shù)字鐘的精確主要取決于時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的頻率及穩(wěn)定度。時(shí)鐘源（秒脈沖信號(hào)）可由555組成的多諧振蕩器構(gòu)成，如圖3.1.1所示。經(jīng)過(guò)參數(shù)計(jì)算可將振蕩器做成頻率為1Hz的振蕩

4、信號(hào)作為時(shí)鐘源，但此方法精度和穩(wěn)定性均達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，所以不用此方案作為信號(hào)源。 圖3.1.1 石英晶體振蕩器的特點(diǎn)是振蕩頻率準(zhǔn)確、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻率易調(diào)整。它還具有壓電效應(yīng)，在晶體某一方向加一電場(chǎng)，則在與此垂直的方向產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，有了機(jī)械振動(dòng)，就會(huì)在相應(yīng)的垂直面上產(chǎn)生電場(chǎng)，從而使機(jī)械振動(dòng)和電場(chǎng)互為因果，這種循環(huán)過(guò)程一直持續(xù)到晶體的機(jī)械強(qiáng)度限制時(shí)才達(dá)到最后穩(wěn)定。 一般說(shuō)來(lái)，這種機(jī)械振動(dòng)的振幅較小，振動(dòng)頻率則是很穩(wěn)定的。但當(dāng)外加交變電壓的頻率與晶片固有頻率相等時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的幅度將急劇增加，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振，所以稱為石英晶體振蕩器。它的品質(zhì)因數(shù)Q處于高達(dá)10 000500 000的范圍內(nèi)。其他

5、元件和雜參數(shù)對(duì)振蕩頻率的影響極微，故頻率穩(wěn)定度高。利用此點(diǎn)我們將32768的頻率通過(guò)4060分頻得到時(shí)間間隔是兩秒，在經(jīng)過(guò)D觸發(fā)器分頻將其頻率變?yōu)?Hz。 石英晶體振蕩器的方案精度高，穩(wěn)定性好，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，故采用此方案。3.1.2 計(jì)數(shù)器方案比較在本設(shè)計(jì)中，只要是十進(jìn)制或十進(jìn)制以上的計(jì)數(shù)器都可以做為秒、分、時(shí)計(jì)數(shù)器。一般使用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器較簡(jiǎn)單，常用的計(jì)數(shù)器有CD4518、74LS90。本設(shè)計(jì)使用學(xué)習(xí)中較為熟悉的74LS90作為計(jì)數(shù)器。74LS90計(jì)數(shù)器是一種中規(guī)模二五十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，可以構(gòu)成任意進(jìn)制的計(jì)數(shù)器。3.1.3 譯碼器方案比較 本設(shè)計(jì)需要用7段LED數(shù)碼管來(lái)顯示時(shí)間，因此需要用到

6、BCD碼七段譯碼驅(qū)動(dòng)器。此類譯碼驅(qū)動(dòng)器型號(hào)有74LS47（共陽(yáng)）、74LS48（共陰）、4511（共陰）等驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)共陰LED數(shù)碼管。本設(shè)計(jì)使用共陰數(shù)碼管，所以相應(yīng)使用4511七位共陰譯碼器。3.1.4 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路方案比較該功能可以通過(guò)兩種方案實(shí)現(xiàn)。一種可以在當(dāng)分秒顯示為00：00的時(shí)候用四輸入的與非門接入由555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路中。由于僅有分秒輸出此時(shí)全為低電平則輸出為高電平，平時(shí)輸出為低電平擇可以觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路，使其工作。另一種是直接從有分鐘向時(shí)鐘進(jìn)位的信號(hào)端口，即從與非門接出來(lái)，直接作為555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路的2端口。由于第二種方案接法比較簡(jiǎn)單。所以選擇第二種。3.2單元

7、電路設(shè)計(jì)3.2.1 時(shí)鐘源單元電路設(shè)計(jì) 如圖3.1所示，時(shí)鐘源由石英晶體振蕩器與CD4060構(gòu)成。將32768的頻率通過(guò)CD4060分頻后變?yōu)?Hz，再經(jīng)過(guò)D觸發(fā)器進(jìn)行再次分頻（2分頻），最終得到穩(wěn)定的1Hz時(shí)鐘源。其原理和計(jì)算過(guò)程是，4060作為14位加法計(jì)數(shù)器，將32768Hz分頻為2Hz（32768/2e15=2），再經(jīng)D觸發(fā)器二分頻為1Hz的信號(hào)。如圖3.13.2.2 計(jì)數(shù)器單元電路設(shè)計(jì)74LS90計(jì)數(shù)器功能很強(qiáng)，利用脈沖反饋法，適當(dāng)改變連線、配合門電路就可以靈活構(gòu)成任意進(jìn)制的計(jì)數(shù)器。本設(shè)計(jì)需要60進(jìn)制和24進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器容量皆為兩位數(shù)，所以只需要兩片74LS90即可構(gòu)成。以下為

8、74LS90的芯片資料。真值表： Reset Inputs復(fù)位輸入 輸出 R0(1) R0(2) R9(1) R9(2) QD QC QB QA H H L X L L L L H H X L L L L L X X H H H L  LH X L X L COUNT COUNT COUNT COUNT L X L X L X X L X L L X H=高電平 L=低電平 ×=不定BCD 計(jì)數(shù)順序（注1） Count 輸出 QD QC QB QA 0 L L L L 1 L L L H 2 L L H L 3 L L H H 4 L H L L 5 L H L H 6 L

9、 H H L 7 L H H H 8 H L L L 9 H L L H 進(jìn)制計(jì)數(shù)順序（注2） Count 輸出 QA QD QC QB 0 L L L L 1 L L L H 2 L L H L 3 L L H H 4 L H L L 5 H L L L 6 H L L H 7 H L H L 8 H L H H 9 H H L L 注1：對(duì)于BCD（十進(jìn)）計(jì)數(shù)，輸出QA 連到輸入B 計(jì)數(shù)注2：對(duì)于5-2 進(jìn)制計(jì)數(shù)，輸出QD 連到輸入A 計(jì)數(shù)            

10、0;  圖3.2.1 74LS90引腳圖 按照下圖的接法，用兩個(gè)74LS90芯片分別構(gòu)成60進(jìn)制和24進(jìn)制計(jì)數(shù)器。圖3.2.2 60進(jìn)制計(jì)數(shù)器圖3.2.3 24進(jìn)制計(jì)數(shù)器60進(jìn)制計(jì)數(shù)器作為秒計(jì)時(shí)模塊和分計(jì)時(shí)模塊，而24進(jìn)制計(jì)數(shù)器則作為時(shí)計(jì)時(shí)模塊。3.2.3譯碼單元電路設(shè)計(jì)譯碼部分使用CD4511芯片作為七段共陰數(shù)碼管的譯碼芯片，引腳圖如圖3.2.44511功能介紹：A、B、C、DBCD碼輸入端。QA、QB、QC、QD、QE、QF、QG譯碼輸出端。LT測(cè)試輸入端，LT =1時(shí)，譯碼輸出全為1。BI消隱輸入端，BI=1時(shí)，譯碼輸出全為0。LE鎖定端，LE=1時(shí)，譯碼器處于鎖定（

11、保持）狀態(tài)，譯碼器輸出保持在LE=0時(shí)的數(shù)值。當(dāng)LE=0，LT=0，BI=0時(shí)為正常譯碼。CD4511是一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)共陰極 LED （數(shù)碼管）顯示器的 BCD 碼七段碼譯碼器，特點(diǎn)如下：具有BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動(dòng)功能的CMOS電路能提供較大的拉電流?？芍苯域?qū)動(dòng)LED顯示器。而限流電阻要根據(jù)電源電壓來(lái)選取，本設(shè)計(jì)電源電壓5V時(shí)使用300的限流電阻。單元電路如圖3.2.5所示。 圖3.2.4 圖3.2.53.2.4 校時(shí)單元電路設(shè)計(jì)作為一個(gè)時(shí)鐘，要實(shí)現(xiàn)其功能，必不可少的就校時(shí)電路。要在時(shí)鐘計(jì)時(shí)功能上加上校時(shí)功能，對(duì)“分”、“小時(shí)”進(jìn)行調(diào)整，對(duì)校時(shí)電路的要求是：在小時(shí)校正時(shí)不影響

12、分、秒的正常計(jì)時(shí)，在分校正時(shí)不影響秒和小時(shí)的正常計(jì)時(shí)。由于校時(shí)電路由組合電路組成，有可能產(chǎn)生抖動(dòng)現(xiàn)象，電容C1與C2可以消除部分抖動(dòng)。電路如圖3.2.6所示。圖3.2.6 其中J1為分校正開關(guān)，J2為時(shí)校正開關(guān)?？紤]到實(shí)際校時(shí)問(wèn)題，校時(shí)脈沖采用2Hz脈沖。其中開關(guān)J1和J2的功能表如下：J1J2功能11計(jì)數(shù)10校時(shí)01校分3.2.5 整點(diǎn)報(bào)時(shí)單元電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)任務(wù)要求整點(diǎn)報(bào)時(shí)為響一秒，所以需要用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器構(gòu)成延時(shí)電路，設(shè)計(jì)如圖3.2.7所示。 圖3.2.7其中555定時(shí)器連接成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，延遲時(shí)間Tw 可以通過(guò)R1與C2 來(lái)控制。Tw=1.1RC，所以R1為91k，C2為10F，Tw約為1s

13、。當(dāng)有進(jìn)位脈沖時(shí)，555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器延遲1s，蜂鳴器鳴叫1s。3.2.6 鬧鐘功能單元電路設(shè)計(jì)由于使用數(shù)字IC芯片作為邏輯控制，所以鬧鐘功能只能預(yù)先設(shè)定好指定時(shí)間，不然則難以連線。本設(shè)計(jì)采用14:59作為鬧鐘預(yù)設(shè)時(shí)間，即到達(dá)14:59后鬧鐘響起，15:00鬧鐘停止。邏輯電路圖如圖3.2.8圖3.2.8當(dāng)0輸入端為0,1輸入端為1時(shí)，74LS08輸出為1，蜂鳴器報(bào)警，8個(gè)輸入端，只要有一個(gè)輸入端不符合要求，74LS08輸出為0，蜂鳴器不報(bào)警。所以本設(shè)計(jì)鬧鐘連接如下表1459 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 Qd Qc Qb Qa Qd Qc Qb Qa Qd

14、 Qc Qb Qa Qd Qc Qb Qa以上特殊輸出端接到鬧鐘電路相應(yīng)輸入端即可實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)時(shí)間的鬧鐘功能。4. 電路和程序調(diào)試過(guò)程與結(jié)果4.1 仿真調(diào)試過(guò)程與結(jié)果本設(shè)計(jì)在mutisim12中進(jìn)行仿真，在仿真過(guò)程中發(fā)現(xiàn)該仿真軟件不能對(duì)晶振分頻電路進(jìn)行仿真，所以采用555定時(shí)器作為時(shí)鐘源進(jìn)行仿真。仿真軟件中555定時(shí)器構(gòu)成的時(shí)鐘源電路工作穩(wěn)定，但精度不夠，時(shí)鐘周期t=991.453ms，其波形圖如圖4.1.1所示。這也說(shuō)明本設(shè)計(jì)中應(yīng)該使用晶振作為時(shí)鐘源。譯碼顯示模塊中，如圖 所示，數(shù)碼管顯示正常，并無(wú)亂碼，計(jì)數(shù)功能正常，進(jìn)位功能正常，而且校時(shí)電路、整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路、鬧鐘電路皆正常。 圖4.1.1 圖4

15、.1.24.2 電路調(diào)試過(guò)程與結(jié)果 焊接好電路后，發(fā)現(xiàn)6個(gè)數(shù)碼管中5個(gè)出現(xiàn)亂碼，參考那個(gè)唯一沒(méi)有亂碼，發(fā)現(xiàn)亂碼的數(shù)碼管并不是譯碼電路的接法問(wèn)題，而是焊接短路和斷路的問(wèn)題，所以把亂碼的數(shù)碼管重新焊接就沒(méi)有出現(xiàn)亂碼。在調(diào)試過(guò)程中，晶振電路并不穩(wěn)定，由于555定時(shí)器構(gòu)成的時(shí)鐘源比較穩(wěn)定，所以使用555定時(shí)器構(gòu)成時(shí)鐘源作為試驗(yàn)時(shí)鐘源，把整體電路調(diào)試好再外接晶振電路，最后整體電路排除故障，調(diào)試正常。5. 總結(jié)5.1 設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)和不足本設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是：1）經(jīng)過(guò)前期的排版，所以即使是使用萬(wàn)能板也只有少量跳線，盡量做到了電路排版規(guī)整，美觀，減少跳線。2）使用晶振作為時(shí)鐘源，使得電路的時(shí)鐘脈沖非常精確。3）本設(shè)計(jì)

16、完成了所有設(shè)計(jì)要求。本設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是：1）設(shè)計(jì)時(shí)缺乏創(chuàng)新，都是使用自身比較熟悉的數(shù)字IC芯片，比如74LS90，CD4511，沒(méi)有采取別的數(shù)字IC芯片。2）本設(shè)計(jì)有一些地方不夠人性化，比如鬧鐘功能和整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能都沒(méi)有設(shè)置關(guān)閉按鈕，鬧鐘功能并不能自己設(shè)置時(shí)間。3）本設(shè)計(jì)并沒(méi)有置零按鈕，所以每次啟動(dòng)，數(shù)碼管都是顯示8。5.2 改進(jìn)方案 在以后的方案中，我會(huì)加入鬧鐘和整點(diǎn)報(bào)時(shí)的關(guān)閉按鈕，置零按鈕，使得設(shè)計(jì)更加人性化；會(huì)采用PCB板，減少焊接時(shí)間和焊接錯(cuò)誤率，節(jié)約成本。5.3 心得體會(huì)在這次課程設(shè)計(jì)中，確實(shí)讓我們遇到了很多之前在理論基礎(chǔ)課上沒(méi)遇過(guò)的問(wèn)題，比如晶振不穩(wěn)定、譯碼器亂碼、脈沖跳躍、芯片相互干擾

17、等問(wèn)題。當(dāng)中有些問(wèn)題對(duì)于我們來(lái)說(shuō)很棘手，同時(shí)在解決這些問(wèn)題過(guò)程中也學(xué)到了很多知識(shí)，比如晶振電路的焊接問(wèn)題，七段共陰數(shù)碼管排版技巧等。鍛煉了自己利用網(wǎng)絡(luò)和書籍進(jìn)行搜索和查閱資料的能力。也掌握了一些芯片的原理以及用途。更加熟練了Multisim仿真軟件的使用。 同時(shí)通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)鞏固和加強(qiáng)了自己的電路和數(shù)字電子技術(shù)的知識(shí)，也發(fā)現(xiàn)了我們很多方面的不足、專業(yè)知識(shí)也還有待提升。沒(méi)有理論知識(shí)的基礎(chǔ)支撐，一切的實(shí)踐顯得是那么的難以實(shí)現(xiàn)！6. 附件6.1 元件清單元件類型數(shù)量型號(hào)備注數(shù)字IC芯片6CMOS_5V, 4511BP_5V譯碼器1CMOS_5V, 4060BD_5V分頻器1CMOS_5V, 4013BD_5VD型觸發(fā)器674LS, 74LS90D計(jì)數(shù)器574LS, 74LS00D174LS, 74LS08D174LS, 74LS21D1TIMER, LM555CM555定時(shí)器電阻4230023.3k1180K1220K115M電容133pf210nf110