數(shù)字電子鐘課程設(shè)計 (3)

1、<p><b>　　課程設(shè)計報告</b></p><p>　　課程名稱： 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計 </p><p>　　系 部： 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù) </p><p>　　專業(yè)班級： </p><p>　　學(xué)生姓名：

2、 </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　完成時間： 2012-6-19 </p><p>　　報告成績： </p><p>　　數(shù)字電子鐘設(shè)計報告 </p><p><b>　　

3、設(shè)計要求</b></p><p><b>　　數(shù)字部分：</b></p><p>　　設(shè)計一種多功能數(shù)字電子鐘，該鐘具有基本功能和擴(kuò)展功能兩部分。其中，基本功能為準(zhǔn)確計時，以數(shù)字形式顯示時、分、秒的時間。擴(kuò)展功能部分則具有：校時功能，可在任何時候?qū)⑵湔{(diào)至標(biāo)準(zhǔn)時間或者指定時間。</p><p>　　數(shù)字電子鐘的電路也是由主體電路和擴(kuò)展

4、電路兩部分構(gòu)成，在電路中，基本功能部分由主體電路實現(xiàn)，而擴(kuò)展功能部電路實現(xiàn)。這兩部分都要用到振蕩電路提供的1Hz脈沖信號。在計時出現(xiàn)誤差時電路還可以進(jìn)行校時、校分、校秒功能。并且可以用數(shù)碼管顯示時、分、秒，各位均為兩位顯示，擴(kuò)展部分要有相應(yīng)的響應(yīng)電路。</p><p><b>　　要求：</b></p><p>　　（1）電子鐘能夠顯示“時”、“分”、“秒”，（23時

5、59分59秒）。</p><p>　　（2）能實現(xiàn)對“時”、“分”、“秒”的校時。</p><p>　?。?）自己設(shè)計可供數(shù)字電子鐘使用的直流穩(wěn)壓電源。</p><p><b>　　模擬部分：</b></p><p>　?。?）輸出電壓可在5V到15V之間連續(xù)可調(diào)</p><p>　?。?）當(dāng)電網(wǎng)

6、電壓在220V上下波動15%,輸出電流在0~80mA范圍內(nèi)變化時，均可正常穩(wěn)壓，輸出電壓的變化不超過±0.3V。</p><p>　?。?）在保證正常穩(wěn)壓的前提下，盡量減小功率。</p><p>　?。?）具有過流保護(hù)功能。</p><p>　?。?）畫出設(shè)計電路圖，標(biāo)出電路參數(shù)</p><p>　　（6）測試所設(shè)計電路的性能指標(biāo)。

7、</p><p><b>　　設(shè)計的作用、目的</b></p><p>　　數(shù)字系統(tǒng)課程設(shè)計是在學(xué)習(xí)了模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)課程之后進(jìn)行的一個重要的實踐環(huán)節(jié)，目的在于將模擬和數(shù)字這兩部分課程的理論和實踐聯(lián)系起來，在老師指導(dǎo)下對某一設(shè)計課題進(jìn)行電路設(shè)計和實踐。它對鞏固所學(xué)課程的理論知識、培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識解決實際問題的能力有著十分重要的作用，有利于啟發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維

8、和提高學(xué)生工程設(shè)計能力和實踐動手能力。</p><p>　　1.培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)需要選學(xué)參考書，查閱手冊，圖表和文獻(xiàn)資料的自學(xué)能力，通過獨立思考﹑深入鉆研有關(guān)問題，學(xué)會自己分析解決問題的方法。</p><p>　　2.通過實際電路方案的分析比較，設(shè)計計算﹑元件選取﹑安裝調(diào)試等環(huán)節(jié)，初步掌握簡單實用電路的分析方法和工程設(shè)計方法。</p><p>　　3.掌握常用儀表的正確

9、使用方法，學(xué)會簡單電路的實驗調(diào)試和整機(jī)指標(biāo)測試方法，提高動手能力。</p><p>　　4.了解與課程有關(guān)的電子電路以及元器件工程技術(shù)規(guī)范，能按課程設(shè)計任務(wù)書的技術(shù)要求，編寫設(shè)計說明，能正確反映設(shè)計和實驗成果，能正確繪制電路圖。</p><p>　　5.培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)和科學(xué)態(tài)度。</p><p><b>　　設(shè)計的具體實現(xiàn)</b></

10、p><p><b>　　系統(tǒng)概述</b></p><p><b>　　數(shù)字部分介紹：</b></p><p>　　根據(jù)設(shè)計要求，可構(gòu)造出數(shù)字鐘電路的結(jié)構(gòu)框圖，如下圖所示：</p><p>　　該數(shù)字鐘電路的工作原理是：由方波信號發(fā)生器產(chǎn)生穩(wěn)定的高頻脈沖信號，經(jīng)分頻電路輸出標(biāo)準(zhǔn)的秒脈沖信號，作為秒計時器脈

11、沖。秒計數(shù)器滿60后向分計數(shù)器產(chǎn)生進(jìn)位脈沖，分計數(shù)器滿60后向時計數(shù)器產(chǎn)生進(jìn)位脈沖，時計數(shù)器按照模24的規(guī)律計數(shù)。</p><p>　　計數(shù)器的輸出經(jīng)顯示譯碼器譯碼后送達(dá)顯示器顯示。當(dāng)電路計時出現(xiàn)誤差時，可以由校時電路分別對“時”、“分”、“秒”進(jìn)行校時。</p><p><b>　　模擬部分介紹：</b></p><p>　　直流穩(wěn)壓電源是電

12、子系統(tǒng)中的一個必備部分，除了應(yīng)用蓄電池以外，絕大多數(shù)的電子系統(tǒng)都使用直流穩(wěn)壓電源。小功率穩(wěn)壓電源一般由電網(wǎng)供電，再經(jīng)整流、濾波、穩(wěn)壓三個主要環(huán)節(jié)，將電網(wǎng)交流電變換成電子系統(tǒng)所需的穩(wěn)定的低壓直流。</p><p>　　常用的穩(wěn)壓電路有：并聯(lián)型穩(wěn)壓電路、串聯(lián)型穩(wěn)壓電路、集成穩(wěn)壓電路等。</p><p>　　并聯(lián)型穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計容易，但是輸出電壓不可調(diào)，輸出電流較小。</p>

13、<p>　　串聯(lián)型穩(wěn)壓電路使輸出電壓可調(diào)節(jié)輸出電流加大，因此多數(shù)電子系統(tǒng)應(yīng)用中都使用串聯(lián)行穩(wěn)壓電路或根據(jù)此原理實現(xiàn)的集成穩(wěn)壓器來實現(xiàn)的。</p><p>　　直流穩(wěn)壓電源的主要技術(shù)指標(biāo)分性能指標(biāo)和工作參數(shù)兩類，性能參數(shù)是衡量直流穩(wěn)壓電源質(zhì)量優(yōu)劣的重要依據(jù)，工作參數(shù)是穩(wěn)壓電源安全穩(wěn)定工作的條件。</p><p>　　穩(wěn)壓系數(shù)Sr又稱位電壓調(diào)整率，它用來衡量當(dāng)輸入電壓變化而負(fù)載不

14、變的條件下，穩(wěn)壓電源抗輸入電壓變化的能力，是直流穩(wěn)壓電源最主要的性能參數(shù)。其定義是當(dāng)負(fù)載和溫度不變時，輸出電壓的相對變化量與輸入電壓的相對變化量之比。</p><p><b>　　Sr=</b></p><p>　　輸出電阻RO又稱位負(fù)載調(diào)整率，它用來衡量當(dāng)負(fù)載變化（即輸出電流變化）而輸入電壓不變的條件下，穩(wěn)壓電源抗負(fù)載變化的能力，也是直流穩(wěn)壓電源最主要的性能參數(shù)，其

15、定義為當(dāng)輸入電壓和溫度不變時，輸出電流變化⊿I以及所引起的輸出電壓變化⊿U之比。</p><p><b>　　R0=</b></p><p><b>　　功耗P</b></p><p>　　直流穩(wěn)壓電源將交流變成穩(wěn)定直流的過程中要消耗功率，并將其消耗的功率轉(zhuǎn)換成熱能。</p><p>　　2.

16、單元電路設(shè)計、仿真與分析</p><p>　　數(shù)字部分介紹：    </p><p>　　由數(shù)字鐘電路的結(jié)構(gòu)框圖可知，整個電路右方波信號發(fā)生器、分頻電路、計數(shù)顯示器和校時電路幾部分組成。設(shè)計時可以首先分別完成各部分電路電路設(shè)計，然后再將各部分組裝成一個整體。</p><p>　?。?）方波信號發(fā)生器：</p>&

17、lt;p>　　方波信號發(fā)生器是數(shù)字鐘的一個重要組成部分，其穩(wěn)定度及頻率精度決定了數(shù)字鐘計時的準(zhǔn)確度。方波信號發(fā)生器通常選用石英晶體構(gòu)成的振蕩器或者定時器555與RC組成的多諧振蕩器，產(chǎn)生頻率1KHz的方波信號，則可以設(shè)計出相應(yīng)電路，如下圖所示。</p><p>　　該電路模塊，原理是：0.7（2R3+R4+R5）·C4=1ms f=1/t=1kHz</p><p>　

18、　一般來說，方波信號發(fā)生器的頻率越高，計時精度就越高。但耗電量將越大。所以，在設(shè)計電路時要根據(jù)需要而設(shè)計出最佳電路。</p><p><b>　　（2）分頻電路：</b></p><p>　　分頻器的功能是對方波信號發(fā)生器產(chǎn)生的方波信號進(jìn)行分頻處理，一方面形成計時所需的標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號（1kHz的方波信號），另一方面提供數(shù)字鐘功能擴(kuò)充電路所需要的信號。</p>

19、<p>　　在本次設(shè)計中，由于振蕩器產(chǎn)生的信號頻率太高，要得到標(biāo)準(zhǔn)的秒信號，就需要對所得的信號進(jìn)行分頻。這里選用3片中規(guī)模計數(shù)器74LS90來構(gòu)成分頻電路所需信號。</p><p>　　其中，每片為1/10分頻，即第一片輸出頻率500Hz，第二片輸出10Hz，第三片輸出頻率為1Hz。從而可以實現(xiàn)秒脈沖的產(chǎn)生。</p><p>　　相應(yīng)電路如下圖所示：</p>&

20、lt;p>　?。?）時、分、秒計數(shù)器設(shè)計</p><p>　　數(shù)字鐘的“分”和“秒”計數(shù)器均為模60的計數(shù)器，其計數(shù)規(guī)律為：00、01、02、03……58、59、00可選用74LS90作為“分”和“秒”的個位和十位計數(shù)器。其中十位計數(shù)器將74LS90連接成模6計數(shù)器。</p><p>　　數(shù)字鐘的“時”計數(shù)器為模24的計數(shù)器，其計數(shù)規(guī)律為：00、01、……22、23、00即當(dāng)數(shù)字中運(yùn)

21、行到23時59分59秒時，在下一個秒脈沖作用下，數(shù)字計數(shù)器顯示00時00分00秒?？蛇x用2片74LS90，將其連接成模24計數(shù)器作為“時”計數(shù)器。</p><p>　　根據(jù)分析可構(gòu)造出時、分、秒計數(shù)器的邏輯電路，如圖所示：</p><p><b>　?。?）校時電路：</b></p><p>　　當(dāng)數(shù)字鐘出現(xiàn)誤差時，必須對時間進(jìn)行校正，即通常所

22、謂的“校時”。校時是數(shù)字鐘應(yīng)該具備的基本功能，一般要求能對時、分、秒分別進(jìn)行校正。</p><p>　　校時電路的設(shè)計要求是：在進(jìn)行“時”校正時，不影響“分”和“秒”的正常計數(shù)。同理，“分”、“秒”得之。為此，可以設(shè)置K3、K2 、K1的3個開關(guān)分別作為時、分、秒的校時控制開關(guān)。</p><p>　　此外，根據(jù)時間誤差的大小，可考慮兩種校時方法：一種方法是單脈沖進(jìn)行手動校時；另一種是利用秒

23、計時脈沖進(jìn)行自動校時。設(shè)計時只需設(shè)置開關(guān)區(qū)分兩種不同的校時方式。</p><p>　　校時開關(guān)的電路圖具體見下：</p><p>　　根據(jù)功能表，可寫出數(shù)字鐘“時”、“分”、“秒”計數(shù)器個位計數(shù)脈沖信號的表達(dá)式，如下所示：</p><p>　　K時=K3·P分十位進(jìn)位脈沖+K3K0·P單脈沖+K3K0·P秒計數(shù)脈沖</p>

24、<p>　　F分=K2·P秒十位進(jìn)位脈沖+K2K0·P單脈沖+K2K0·P秒計數(shù)脈沖</p><p>　　F秒=K1·P+KK·P+K1K0·P單脈沖+K1K0·P秒計數(shù)脈沖=(K1+K0) ·P秒計數(shù)脈沖+K1K0·P單脈沖</p><p><b>　　模擬部分介紹：</

25、b></p><p>　　小功率穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四個部分組成，原理圖如下所示：</p><p>　?、匐娫醋儔浩鞯淖饔檬菍碜噪娋W(wǎng)的220V交流電壓U1變換為整流電路所需要的交流電壓U2。</p><p>　?、跇蚴秸麟娐芬话阌伤膫€二極管組成，其作用是將交流電壓U2變換成脈動的直流電壓U3。濾波電路一般由電容組成，其作用是把

26、脈動直流電壓U3中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電壓UI。</p><p>　　③穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)外界因素（電網(wǎng)電壓、負(fù)載、環(huán)境溫度）發(fā)生變化時，能使輸出直流電壓不受影響，而維持穩(wěn)定的輸出。穩(wěn)壓電路一般采用集成穩(wěn)壓器和一些外圍元件所組成。</p><p>　　本實驗中主要用到三端集成穩(wěn)壓器。</p><p>　　穩(wěn)壓電源的設(shè)計分為以下三個步驟：</

27、p><p>　　根據(jù)穩(wěn)壓電源的輸出電壓Uo、最大輸出電流Iomax，確定穩(wěn)壓器的型號及電路形式。</p><p>　　根據(jù)穩(wěn)壓器的輸入電壓U1確定電源變壓器副邊電壓U2的有效值U2；根據(jù)穩(wěn)壓電源的最大輸出電流I0max，確定流過電源變壓器副邊的電流I2和電源變壓器副邊的功率P2；根據(jù)P2確定電源變壓器原邊的功率P1。然后根據(jù)所確定的參數(shù)，選擇電源變壓器。</p><p>

28、;　　確定整流二極管的正向平均電流ID、整流二極管的最大反向電壓URM和濾波電容的電容值和耐壓值。由各參數(shù)選擇整流二極管和濾波電容。</p><p>　　最終實驗電路圖如下所示：</p><p>　　3． 電路的安裝與調(diào)試</p><p><b>　　數(shù)字部分：</b></p><p>　　首先出現(xiàn)的是線路連接問題。由

29、于存在太多的導(dǎo)線連接，整個實驗電路箱面板呈現(xiàn)一片混亂之勢。小組先是分工合作，一人負(fù)責(zé)上路時分秒計數(shù)器電路連接，另一人負(fù)責(zé)下路校時電路部分。雖說分工合作效果很好，節(jié)約時間。但整體效率很差。在兩部分連接準(zhǔn)備構(gòu)成全電路時發(fā)生嚴(yán)重混亂，各自相對應(yīng)的導(dǎo)線接口對應(yīng)不上。第一次嘗試以失敗告終。</p><p>　　第二次拆掉重新連接，汲取上次教訓(xùn)，兩人相互配合相互監(jiān)督。終于整體電路連接成功。調(diào)試之下居然發(fā)生短路現(xiàn)象。有點氣餒，

30、不過還是繼續(xù)檢查線路問題不曾想過放棄之類。</p><p>　　最后一次拆掉重連，分開線路。一部分連接起來驗證通過之后再連接下一部分。先成功了秒鐘部分，能模擬60進(jìn)制計數(shù)。然后是分鐘部分，同樣成功作結(jié)。最后的時鐘部分，雖然可以正常顯示，但分鐘60進(jìn)制之后時鐘部分并不能進(jìn)位計數(shù)。各種檢查各種嘗試之后，總算小小成功。</p><p><b>　　模擬部分：</b><

31、/p><p>　　這個實驗比較簡單，電路連接很容易就能完成。除了最后調(diào)試費了好些時間之外，基本很快完成。期間出現(xiàn)的問題，主要是可變電阻的檔位沒有選對導(dǎo)致測量的電壓變化緩慢，不達(dá)實驗要求。</p><p>　　采用可調(diào)三端式集成穩(wěn)壓器，輸出電壓為1.2～22.7V，輸出電流1.5A；實驗要求為3～15V，明顯與其不符。老師解釋是因為實驗器材等原因，導(dǎo)致結(jié)果與理論值偏差較大。但可以肯定的是，最終測

32、得電壓可以小于3V也可以大于15V但不應(yīng)該小于15V。</p><p>　　基本符合要求，完成之。</p><p><b>　　四．心得體會及建議</b></p><p>　　通過本次數(shù)字邏輯課程設(shè)計，可以說收獲頗豐。感覺之前理論學(xué)習(xí)的時候都沒有這么認(rèn)真，同樣的，也沒有這么累人。欣慰的一點是，對學(xué)過的電路、數(shù)字電路、模擬電路等理論知識有了更深一

33、步的了解，同時還鍛煉和培養(yǎng)了一種利用所學(xué)知識去分析問題和解決問題的能力。很肯定地說，對自己以后的學(xué)習(xí)和工作有很大的幫助。</p><p>　　課程設(shè)計剛開始時，同時有兩門程序設(shè)計任務(wù)進(jìn)行。在如此情況下只有先舍遠(yuǎn)求近。先快速結(jié)束其他兩門的作業(yè)設(shè)計，然后全心投入數(shù)字邏輯實驗之中，分析實驗?zāi)康模伎冀鉀Q之道。利用仿真軟件先做出試驗的模擬電路，各種嘗試解決過程中存在的問題。</p><p>　　整

34、個實驗過程，也可以說是一場對教材的重新溫習(xí)。不懂的地方要查書本查資料，不會的要查先前的設(shè)計模板。加之小組間的討論，以及請教老師。仿真設(shè)計中再次熟悉并熟練操作了一次Multisim軟件。仿真實驗時所需的各種芯片材料都有，所以就忽略了實驗室的實際情況。不過最后查看實驗指導(dǎo)書時發(fā)現(xiàn)了這一問題，趕緊換成現(xiàn)有材料。仿真中模擬電路需要的1kHz方波信號時嘗試了兩種方法，感覺都很不錯?？上ё罱K利用試驗箱上直接連接1kHz模塊，沒有用到親自設(shè)計的電路，

35、有點小小的失望?？傮w來說，課程設(shè)計的首期目標(biāo)，仿真部分還好順利完成。</p><p>　　其實，最最困難的還屬現(xiàn)場連接實驗電路部分。所謂“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”。即使是經(jīng)過仿真軟件的模擬，實際情況還是跟頭腦所想有所差距。首先，即使實驗室有的芯片用起來也不是仿真那般好用。再者，電路連接的導(dǎo)線密密麻麻地排布在試驗箱面板之上，看著都頭暈。自然是會發(fā)生各種經(jīng)意不經(jīng)意的錯誤連線。直到實驗成功，電路連接拆了四次連了

36、四次。在驗證的時候還沒有連接到校時電路，最后是通過直接改變信號頻率來驗證實驗?？梢哉＿\(yùn)行至24小時一個循環(huán)，校時部分由于時間關(guān)系沒能及時完成。不過，此部分相對來說比較簡單，按理是可以一次成功的。</p><p>　　小型直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計是由小組另一高手級別完成的，我只負(fù)責(zé)了最后的電路連接。這是個小實驗，沒有太多失誤就能成功。值得肯定之前的努力查閱資料等等準(zhǔn)備工作。</p><p>　　

37、這次課程設(shè)計再次使人明白理論與實踐的差別與聯(lián)系，實踐是檢驗真理的唯一途徑。只有通過實踐，才能提高動手能力和分析問題解決問題能力。</p><p>　　本次試驗中一直堅持認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度，可以說是對試驗成功的最大助力。不僅僅課程設(shè)計，無論什么事情都必須有一種認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度。獨立思考獨立完成，認(rèn)真接線、仔細(xì)檢查等等，這些好的習(xí)慣需要長期培養(yǎng)并堅持下去。在學(xué)習(xí)工作中，它們潛移默化地發(fā)揮著最有效果作用。</p

38、><p>　　以后的學(xué)習(xí)生活中，必當(dāng)沿用次良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，指導(dǎo)未盡的人生長卷。努力走好每一步，這，即是，實驗最強(qiáng)大的目的所在。</p><p><b>　　五．附錄</b></p><p><b>　　元器件明細(xì)表：</b></p><p>　　實驗最終的電路圖附于報告之后，請查閱。</p>

39、<p><b>　　六．參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 歐陽星明.數(shù)字邏輯[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社.2009</p><p>　　[2] 郁漢琪.數(shù)字電路實驗及課程設(shè)計指導(dǎo)書[M].北京：中國電力出版社.2004</p><p>　　[3] 周巍.數(shù)字邏輯電路實驗·設(shè)計·仿真[M].城都：