數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)報(bào)告---十二小時電子鐘

1、<p><b>　　課程設(shè)計(jì)說明書</b></p><p>　　課程設(shè)計(jì)名稱： 數(shù)字邏輯 </p><p>　　課程設(shè)計(jì)題目： 十二小時電子鐘 </p><p>　　學(xué) 院 名 稱： 信息工程學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)

2、： 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 班級： xxx </p><p>　　學(xué)號： xxx 姓名： xxx </p><p>　　評分： 教師： </p><p>　　20 12 年 x 月 x 日</p><p>　　數(shù)字邏輯 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</p>

3、<p>　　20 11 －20 12 學(xué)年 第 二 學(xué)期　第 18 周－ 19 周 </p><p>　　注：1、此表一組一表二份，課程設(shè)計(jì)小組組長一份；任課教師授課時自帶一份備查。</p><p>　　2、課程設(shè)計(jì)結(jié)束后與“課程設(shè)計(jì)小結(jié)”、“學(xué)生成績單”一并交院教務(wù)存檔。</p><p><b>　　摘要</b></p&g

4、t;<p>　　這個設(shè)計(jì)主要以數(shù)字電路的基礎(chǔ)理論、低頻電子線路為指導(dǎo)，采用中、小規(guī)模的集成器件LM555、CD4060、74LS161和LS248設(shè)計(jì)而成。該電路采用模塊設(shè)計(jì)、分模塊安裝、調(diào)試等方法設(shè)計(jì)而成，所選用的器件主要是中小規(guī)模的集成芯片，本產(chǎn)品由于采用多片74LS系列的集成芯片組成，生產(chǎn)成本低等原因，使這個產(chǎn)品設(shè)計(jì)既容易實(shí)現(xiàn)，又不會浪費(fèi)太多成本。</p><p>　　產(chǎn)品由石英晶體振蕩器產(chǎn)生

5、頻率可以調(diào)節(jié)的時鐘脈沖信號,經(jīng)十五分頻得到秒信號脈沖作為數(shù)字鐘計(jì)數(shù)器的時鐘信號，當(dāng)?shù)竭_(dá)整點(diǎn)前一秒時，電路通過一個蜂鳴器準(zhǔn)時報(bào)時。這個電路還可以通過手動，即過撥動開關(guān)來選擇是否進(jìn)行時間較準(zhǔn)。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：電子鐘、分頻，計(jì)數(shù)、驅(qū)動</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　前言5<

6、/b></p><p>　　第1章 總電路初步設(shè)計(jì)6</p><p>　　1.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容以及要求6</p><p><b>　　1.2系統(tǒng)框圖6</b></p><p>　　1.3 設(shè)計(jì)方案7</p><p>　　1.4 設(shè)計(jì)過程7</p><p>

7、　　第2章 電路詳參設(shè)計(jì)7</p><p>　　2.1晶體振蕩器電路　7</p><p>　　2.2分頻器電路8</p><p>　　2.3時間計(jì)數(shù)器電路9</p><p>　　2.4譯碼驅(qū)動電路 11</p><p><b>　　2.5數(shù)碼管12</b></p><

8、;p>　　2.6整點(diǎn)報(bào)時電路13</p><p>　　第3章 測試及調(diào)試14</p><p>　　3.1晶體振蕩器電路的測試和調(diào)試14</p><p>　　3.2分頻器電路的測試和調(diào)試14</p><p>　　3.3時間計(jì)數(shù)器電路的測試和調(diào)試15</p><p>　　3.4譯碼驅(qū)動電路的測試和調(diào)試1

9、5</p><p>　　3.5整點(diǎn)報(bào)時電路的測試和調(diào)試17</p><p><b>　　結(jié) 論17</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)18</b></p><p><b>　　附 錄18</b></p><p>　　附錄Ⅰ 總電路圖

10、19</p><p>　　附錄 II 元件清單20</p><p><b>　　前 言</b></p><p>　　基于十二小時電子鐘在日常生活中的應(yīng)用，能夠了解生活中一些電子產(chǎn)品的工作原理以及其制作過程。以便更好地了解生活。本實(shí)驗(yàn)采用的是十分簡易的方法：使用中、小規(guī)模的集成電子器件制作而成。</p><p>　　第

11、1章 總電路初步設(shè)計(jì)</p><p>　　1.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容以及要求</p><p>　　1.1.1 設(shè)計(jì)要求</p><p>　　1.基本要求： 利用基本數(shù)字電路制作小時電子鐘，要求顯示時分秒；并能實(shí)現(xiàn)校時和校分的功能。</p><p>　　2.提高要求： 計(jì)時過程具有報(bào)時功能，當(dāng)時間到達(dá)整點(diǎn)進(jìn)行蜂鳴報(bào)時；</p><

12、p>　　1.1.2 主要參考元器件</p><p>　　LM555，CD4060，74LS161，74LS248，74LS74</p><p><b>　　系統(tǒng)框圖</b></p><p>　　圖1.1所示為十二小時電子鐘的原理框圖，該電路由晶振——分頻電路、74LS161芯片構(gòu)成的計(jì)數(shù)單元、74LS248驅(qū)動電路、手動校時電路等主體模

13、塊構(gòu)成。</p><p>　　圖1.1 電路原理框圖</p><p><b>　　1.3 設(shè)計(jì)方案</b></p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求可知，設(shè)計(jì)電路的核心部分是74LS161構(gòu)成的計(jì)數(shù)器，設(shè)計(jì)圍繞著怎樣使計(jì)數(shù)器正常工作，由于數(shù)字電子鐘實(shí)驗(yàn)要求精度較高，因此想到的時用石英晶體振蕩器產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的信號，再經(jīng)分頻，得到所需的秒信號作為74LS

14、161的CP脈沖信號。其次，電路產(chǎn)生的時鐘秒信號也會有誤差，我們要考慮的是，如何實(shí)現(xiàn)手動校時，經(jīng)過考慮，我們選擇通過雙擲開關(guān)來實(shí)現(xiàn)CP信號的送入是手動還是自動，若開關(guān)打向手動這邊，則人為送入單次脈沖到CP，若開關(guān)打向自動這邊，則將電路產(chǎn)生的秒信號送入CP；然后，我們考慮的是如何產(chǎn)生上面提到的單次脈沖，我們采用的是用RS鎖存器來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的輸出脈沖；最后，當(dāng)電路將要到達(dá)整點(diǎn)時，通過對174LS161的輸出端進(jìn)行處理，通過蜂鳴器進(jìn)行整點(diǎn)報(bào)時。

15、</p><p><b>　　1.4 設(shè)計(jì)過程</b></p><p>　　在接到課題之后，首先按照設(shè)計(jì)課題要求查找資料，獲取設(shè)計(jì)中可能應(yīng)用到的知識和數(shù)據(jù)信息。根據(jù)所查資料，進(jìn)行數(shù)據(jù)的估算，畫出了符合實(shí)驗(yàn)要求的基本原理圖。對原理圖各個部分電路進(jìn)行仿真，并修改產(chǎn)生的錯誤，證實(shí)各部分電路的可行性；最后對整個電路進(jìn)行仿真和調(diào)試，證實(shí)所設(shè)計(jì)的基本原理圖的可行性。 </

16、p><p><b>　　第2章 電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　2.1石英晶體振蕩器電路</p><p>　　晶體振蕩器是構(gòu)成數(shù)字式時鐘的核心，它保證了時鐘的走時準(zhǔn)確及穩(wěn)定。</p><p>　　圖2.2-1所示電路通過非門構(gòu)成的輸出為方波的數(shù)字式晶體振蕩電路，這個電路中，CMOS非門U1與晶體、電容和電阻構(gòu)成晶體振蕩

17、器電路，并實(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高增益的反相放大器。電容C1、C2與晶體構(gòu)成一個諧振型網(wǎng)絡(luò)，完成對振蕩頻率的控制功能，同時提供了一個180度相移，從而和非門構(gòu)成一個正反饋網(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>　　晶體XT

18、AL的頻率選為32768HZ。該元件專為數(shù)字鐘電路而設(shè)計(jì)，其頻率較低，有利于減少分頻器級數(shù)。</p><p>　　從有關(guān)手冊中，可查得C1、C2均為30pF。當(dāng)要求頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度更高時，還可接入校正電容并采取溫度補(bǔ)償措施。</p><p>　　由于CMOS電路的輸入阻抗極高，因此反饋電阻R1可選為22MΩ。較高的反饋電阻有利于提高振蕩頻率的穩(wěn)定性。</p><p&g

19、t;　　圖2.1 石英晶體振蕩器 圖2.2 CD4060內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　2.2 分頻器電路</b></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，需要對振蕩器的輸出信號進(jìn)行分頻。</p><p>　　通常實(shí)現(xiàn)分頻器的電路是計(jì)數(shù)器電路，一般采用多級2進(jìn)制計(jì)

20、數(shù)器來實(shí)現(xiàn)。例如，將32768Hz的振蕩信號分頻為1Hz的分頻倍數(shù)為32768，即實(shí)現(xiàn)該分頻功能的計(jì)數(shù)器相當(dāng)于15極2進(jìn)制計(jì)數(shù)器。</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)中采用CD4060來構(gòu)成分頻電路。CD4060在數(shù)字集成電路中可實(shí)現(xiàn)的分頻次數(shù)最高，而且CD4060還包含振蕩電路所需的非門，使用更為方便。</p><p>　　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2

21、Hz，其內(nèi)部框圖如圖2.2-2所示，從圖中可以看出，CD4060的時鐘輸入端兩個串接的非門，因此可以直接實(shí)現(xiàn)振蕩和分頻的功能。在CD4060的輸出端再接一個74LS74,可再進(jìn)行二分頻,從而得到1S的信號.</p><p>　　以下為CD4060、電阻及晶振連接成一個晶振——分頻電路，CD4060的輸出端3腳得到的是2Hz的脈沖信號。</p><p>　　圖2.3 晶振——分頻電路<

22、/p><p>　　2.3 時間計(jì)數(shù)單元</p><p>　　時間計(jì)數(shù)單元有時計(jì)數(shù)、分計(jì)數(shù)和秒計(jì)數(shù)等幾個部分。</p><p>　　時計(jì)數(shù)單元一般為12進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器，其輸出為兩位8421BCD碼形式；分計(jì)數(shù)和秒計(jì)數(shù)單元為60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其輸出也為8421BCD碼。我們采用16進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS161來實(shí)現(xiàn)時間計(jì)數(shù)單元的功能。</p><p>　

23、　74LS161管腳圖與真值表如下所示</p><p>　　圖2.4 74LS161管腳圖</p><p>　　表2.1 74LS161 功能表 </p><p>　　秒個位計(jì)數(shù)單元為10進(jìn)制計(jì)數(shù)器，需將74LS161的QD與QA接入與非門的輸入腳，與非門的輸出腳接74LS161的清零端CR`。</p><p>　　秒十位

24、計(jì)數(shù)單元為6進(jìn)制計(jì)數(shù)器，需要進(jìn)制轉(zhuǎn)換。需將QB與QC 接入與非門的輸入腳，與非門的輸出腳接74LS161的清零端CR` 。</p><p>　　將秒個位的CR`接入秒十位的CP腳，這樣，當(dāng)秒個位計(jì)數(shù)單元完成一個計(jì)數(shù)循環(huán)時，CR`變?yōu)榈碗娖矫}沖，使秒十位計(jì)一個數(shù)</p><p>　　分個位和分十位計(jì)數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)分別與秒個位和秒十位計(jì)數(shù)單元完全相同，時個位計(jì)數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)仍與秒或個位計(jì)數(shù)單元

25、相同，但是要求，整個時計(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，因此需將個位和十位計(jì)數(shù)單元合并為一個整體才能進(jìn)行12進(jìn)制轉(zhuǎn)換。</p><p>　　圖2.5 由74LS161構(gòu)成的六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器</p><p>　　圖2.6 由74L161構(gòu)成的12進(jìn)制計(jì)數(shù)器</p><p>　　2.4 譯碼驅(qū)動電路</p><p>　　電路分析：計(jì)數(shù)器

26、實(shí)現(xiàn)了對時間的累計(jì)以8421BCD碼形式輸出，選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，選用74LS248作為顯示譯碼電路，選用LED數(shù)碼管作為顯示單元電路。</p><p>　　一個74LS248與一個LED數(shù)碼管連接成一個驅(qū)動電路如下,數(shù)碼管可以從0到計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)范圍內(nèi)變化.</p><p>　　圖2.7 74LS248驅(qū)動電路</p>

27、<p>　　2.5 手動校時電路</p><p>　　當(dāng)重新接通電源或走時出現(xiàn)誤差時都需要對時間進(jìn)行校正。通常，校正時間的方法是：首先截?cái)嗾５挠?jì)數(shù)通路，然后再進(jìn)行人工出觸發(fā)計(jì)數(shù)或?qū)㈩l率較高的方波信號加到需要校正的計(jì)數(shù)單元的輸入端，校正好后，再轉(zhuǎn)入正常計(jì)時狀態(tài)即可。</p><p>　　根據(jù)要求，數(shù)字鐘應(yīng)具有時，分，秒校正功能，因此，應(yīng)截?cái)嗝雮€位，分個位和時個位的直接計(jì)數(shù)通路

28、，并采用正常計(jì)時信號與校正信號可以隨時切換的電路接入其中。</p><p>　　圖2.8所示即為帶有基本RS觸發(fā)器的校時電路，當(dāng)開關(guān)打在圖示中的位置時，其右邊的兩個與非門的上一個輸出為高電平，下一個輸出為低電平，則電路的最終輸出端輸出的信號為正常輸入信號，當(dāng)要實(shí)現(xiàn)時間校準(zhǔn)時，應(yīng)將開關(guān)打向另一面，則其右邊的兩個與非門上一個輸出為高電平，下一個輸出為低電平，則電路的最終輸出端輸出的信號為手動輸入信號。</p&g

29、t;<p>　　圖2.9所示為分單元與時單元合起來的校時電路.</p><p>　　圖2.8 帶有消抖動電路的校正電路</p><p><b>　　圖2.9 校時電路</b></p><p>　　在上面的兩圖中,正常信號指的是晶振經(jīng)分頻后產(chǎn)生的秒信號及計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的清零脈沖,校正信號指的是通過手動按鍵,產(chǎn)生所需的脈沖.然后將該校正

30、信號加到上兩圖中所示的校正信號輸入端口，即完成了一個完整的校時電路，單次脈沖產(chǎn)生電路如下。 </p><p>　　圖2.10 單次脈沖產(chǎn)生電路</p><p>　　該電路產(chǎn)生的波形如下。</p><p>　　圖 2.11 單次脈沖電路輸出波形</p><p><b>　　2.6整點(diǎn)報(bào)時電路</b></p>

31、<p>　　在時間出現(xiàn)整點(diǎn)前一數(shù)秒內(nèi)，數(shù)字鐘會自動報(bào)時，以示提醒。若要求簡單，可選為電路在59分59秒時報(bào)報(bào)警，選蜂鳴器為電聲器件。當(dāng)秒單元與分單元的輸出顯示了59分59秒時，通過對輸出端用與非門進(jìn)行譯碼，再接的一個或非門的輸出會為高電平，使三極管導(dǎo)通，蜂鳴器即刻進(jìn)行報(bào)警。該電路圖如下。</p><p>　　圖2.12 整點(diǎn)報(bào)時電路</p><p>　　第3章 測試及調(diào)試&l

32、t;/p><p>　　3.1 分頻——晶振電路的測試與調(diào)試</p><p>　　電路圖如圖2.3所示，按圖連接好電路，接通電源U=5V，發(fā)現(xiàn)秒個位數(shù)碼管數(shù)字變化間隔太短，不是1S，在檢查該模塊電路時未發(fā)現(xiàn)有錯誤，然后用手碰了碰晶振，看是不是接觸的問題，果然，在用手輕輕觸碰了一下之后，數(shù)碼管的數(shù)字變換間隔正常，為1S，然后我們斷電，再重新接上電源，發(fā)現(xiàn)又不正常了，路轉(zhuǎn)地很快，于是懷疑是否該換一個

33、石英晶體，果然，在換了一個之后，數(shù)碼管正常顯示了，符合設(shè)計(jì)要求。 </p><p>　　3.2 時間計(jì)數(shù)單元電路的測試與調(diào)試</p><p>　　電路圖如圖2.5-2.6所示，接通5V電源,秒計(jì)數(shù)單元,分計(jì)數(shù)單元的計(jì)數(shù)周期與設(shè)計(jì)好的進(jìn)制一致,分別是60進(jìn)制,60進(jìn)制,12進(jìn)制，符合設(shè)計(jì)要求. </p><p>　　3.3譯碼驅(qū)動及顯示的測試與調(diào)試.</p>

34、;<p>　　電路模塊如圖 2.7 所示，由于數(shù)碼管數(shù)字顯示及計(jì)數(shù)周期均正常，說明74LS248與數(shù)碼管的連接均正常，符合設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　3.4手動校時電路的測試與調(diào)試.</p><p>　　電路的初始設(shè)計(jì)并不是如圖2.10那樣用一個555芯片來穩(wěn)定輸出的單次脈沖，原始模塊電路如下，U2A的輸出端為所需單次脈沖波,當(dāng)按如下原始圖作為校時電路的單次脈沖產(chǎn)生電路時

35、， 發(fā)現(xiàn)每按一次按鍵，數(shù)碼管的數(shù)字顯示并不是加1，會加很多，因此，懷疑是該電路輸出電壓不穩(wěn)定，但是它是一個史密特觸發(fā)器構(gòu)成的單次脈沖觸發(fā)器，本應(yīng)該比較穩(wěn)定，我們也不知道該如何解決，最后又去翻閱資料，發(fā)現(xiàn)555芯片用穩(wěn)定輸出電壓，整形的功能，于是把以前的電路改成如圖2.5.2所示電路，焊接完成后，接通電源，將撥動開關(guān)打到手動這一邊，使電路的輸入脈沖為手動單次脈沖，按動按鍵幾下，結(jié)果數(shù)碼管就跳動幾下，這次的顯示結(jié)果是按一下開關(guān)，數(shù)碼管的顯示

36、就加1，顯示正確，符合設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　圖3.1 原始單次脈沖產(chǎn)生電路</p><p>　　3.5整點(diǎn)報(bào)時電路的測試與調(diào)試</p><p>　　當(dāng)電路正常計(jì)數(shù)以后，時鐘走到59分59秒時，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警，時間為1S，然后停息，與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)預(yù)想的一致，符合設(shè)計(jì)要求。</p><p><b>　　結(jié) 論</b>&

37、lt;/p><p>　　接到的這個課題雖然電路圖看起來很繁瑣,但各個模塊功能很清晰,通過對各個功能模塊的仔細(xì)分析和推敲，對計(jì)數(shù)器功能的靈活使用及手動單次脈沖的產(chǎn)生方法都有了已經(jīng)比較清楚的掌握了。</p><p>　　本次實(shí)驗(yàn)的調(diào)試過程耗費(fèi)了大量時間，首先是分計(jì)數(shù)單元向時進(jìn)數(shù)單元的進(jìn)位有問題，在仔細(xì)檢查完該塊電路的接線無誤后，把問題的原因轉(zhuǎn)向于其它的電路模塊的不穩(wěn)定而造成的干擾。</p&g

38、t;<p>　　然后是校時電路出現(xiàn)問題，手動撥動開關(guān)的撥動對數(shù)碼管的數(shù)字顯示會有影響，在苦思冥想這個問題的原因時，發(fā)現(xiàn)加用74LS51芯片來完善這部分功能，果然，在改用了以后，電路就正常工作了。</p><p>　　另外是單次脈沖產(chǎn)生電路，問題是有時一按下開關(guān)，數(shù)碼管又會跳很多下。經(jīng)過幾天的探討和搜尋，當(dāng)把一個以555芯片為核心的穩(wěn)定電路代替原來的單次脈沖產(chǎn)生電路時，才使產(chǎn)生的單次脈沖為穩(wěn)定的輸出波

39、形，終于結(jié)果正常了，這說明555芯片對于穩(wěn)定輸出波形具有很好的效果，還有，有些理論上能實(shí)現(xiàn)的電路實(shí)際上不一定能實(shí)現(xiàn)，還是與客觀很多因素有關(guān)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)一種方案行不通時，應(yīng)尋找另一種解決方案。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　【1】白中英.數(shù)字邏輯.科學(xué)出版社.2011.1 </p><p>　　【2】郁漢琪.數(shù)字電

40、路實(shí)驗(yàn)及課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書.北京高等教育出版社.1995</p><p>　　【3】趙珂 彭嵩.電子技術(shù)實(shí)踐(三).南昌航空大學(xué)電子信息工程學(xué)院電子實(shí)驗(yàn)實(shí)踐中心.2012.2</p><p>　　【4】http://download.csdn.net/detail/mpb2008/1056785</p><p>　　【5】http://wenku.baidu.com/v

41、iew/cacdc0f0f90f76c661371a1e.html</p><p>　　【6】http://resources.ysoho.com/k131009</p><p><b>　　附錄</b></p><p><b>　　附錄Ⅰ 總電路圖</b></p><p>　　附錄II 元件清