數(shù)字電子技術課程設計--數(shù)字鐘設計報告

1、<p>　　數(shù)字電子技術課程設計報告</p><p>　　課程名稱： 數(shù)字電子技術課程設計 </p><p>　　學 院： 電氣與電子信息工程學院 </p><p>　　專業(yè)班級： 信 科 101 </p><p>　　學生姓名： </p&g

2、t;<p>　　指導教師： </p><p>　　完成時間： </p><p>　　報告成績： </p><p><b>　　數(shù)字鐘設計報告</b></p><p><

3、b>　　一、設計要求</b></p><p><b>　　（1）設計指標</b></p><p>　?、贂r間以12小時為一個周期；</p><p><b>　?、陲@示時、分、秒；</b></p><p>　?、劬哂行r功能，可以分別對時及分進行單獨校時，使其校正到標準時間；<

4、/p><p>　　④計時過程具有報時功能，當時間到達整點前10秒進行蜂鳴報時；</p><p>　　⑤為了保證計時的穩(wěn)定及準備由晶體振蕩器提供表針時間基準信號。</p><p><b>　　（2）設計要求</b></p><p>　?、佼嫵鲭娐吩韴D（或仿真電路圖）；</p><p>　?、谠骷皡?/p>

5、數(shù)選擇；</p><p><b>　　③電路仿真與調試；</b></p><p>　　④PCB文件生成與打印輸出。</p><p><b>　　（3）制作要求</b></p><p>　　自行裝配和調試，并能發(fā)現(xiàn)問題和解決問題。</p><p><b>　　（4）編

6、寫設計報告</b></p><p>　　寫出設計與制作的全過程，附上有關資料和圖紙，有心得體會。</p><p><b>　　二、設計目的</b></p><p>　　數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術實現(xiàn)時、分、秒計時的裝置，與機械式時鐘相比具有更高的準確性和直觀性，且無機械裝置，具有更長的使用壽命，因此得到了廣泛的使用。</p&g

7、t;<p>　　數(shù)字鐘從原理上講是一種典型的數(shù)字電路，其中包括了組合邏輯電路和時序電路。</p><p>　　因此，我們此次設計與制作數(shù)字鐘就是為了了解數(shù)字鐘的原理，從而學會制作數(shù)字鐘，而且通過數(shù)字鐘的制作進一步的了解各種在制作中用到的中小規(guī)模集成電路的作用及實用方法，且由于數(shù)字鐘包括組合邏輯電路和時序電路。通過它可以進一步學習與掌握各種組合邏輯電路與時序電路的原理與使用方法。</p>

8、<p><b>　　三、設計的具體實現(xiàn)</b></p><p><b>　　1、系統(tǒng)概述</b></p><p>　　數(shù)字鐘一般由六個部分組成，其中振蕩器和分頻器組成標準的秒信號發(fā)生器，由不同進制的計數(shù)器、譯碼器和顯示器組成計時系統(tǒng)。</p><p>　　數(shù)字鐘電路主體組成框圖：</p><

9、p><b>　　圖1</b></p><p>　　該數(shù)字鐘的工作原理：振蕩器產(chǎn)生的穩(wěn)定的高頻脈沖信號，作為數(shù)字鐘的時間基準，再經(jīng)過分頻器輸出標準秒脈沖。秒脈沖器計滿60秒后向分計數(shù)器進位，分計數(shù)器計滿60后向小時計數(shù)器進位，小時計數(shù)器按照12小時規(guī)律計數(shù)，計到12點時復位為零點。計數(shù)器的輸出經(jīng)過譯碼器送到顯示器。計時出現(xiàn)誤差可以用校時電路進行校時，校分，校秒。</p>&

10、lt;p><b>　　單元電路設計</b></p><p>　?。?）、秒信號電路 </p><p>　　秒信號電路是數(shù)字鐘的核心部分，它的精度和穩(wěn)定度決定于數(shù)字鐘的質量。用于時鐘和儀器儀表中作時基的秒脈沖，要求頻率穩(wěn)定度高，一般采用將高頻率的振蕩器經(jīng)過分頻得到秒脈沖信號。振蕩頻率越高，秒脈沖精度越高，而需要分頻電路的級數(shù)就越多。由觸發(fā)器的分頻作用可知，一級

11、觸發(fā)器能實現(xiàn)二分頻。為了使振蕩頻率穩(wěn)定，通常用晶體振蕩器發(fā)出的脈沖經(jīng)過整形、分頻獲得秒信號。</p><p>　　時基電路常使用通用集成電路，利用集成電路的多級分頻作用對振蕩信號頻率進行分頻，獲得秒脈沖，本次選用，為分頻電路，再經(jīng)一次分頻即得的標準秒信號。秒信號電路如圖2所示。 </p><p><b>　　圖2</b></p><p>&l

12、t;b>　　注：</b></p><p><b>　　簡介</b></p><p>　　引腳功能如圖3所示。它的內(nèi)部由一組14級二進制串行計數(shù)/分頻和振蕩電路組成。14級二進制分頻器可以實現(xiàn)16384（）分頻從第4級開始至第14級，除11級無輸出外，各級輸出對應～。內(nèi)部的震蕩電路通過外接RC元件可組成RC振蕩器，或用石英晶體構成石英晶體振蕩器，振蕩器

13、最高工作頻率電路通過外接RC元件可組成RC震蕩電路，或用石英晶體構成石英晶體振蕩器，振蕩器最高工作頻率可達690kHz以上。當作時鐘長生秒脈沖時，外接32.768kHz的石英晶體，以及適當?shù)碾娮韬碗娙?，可產(chǎn)生32.768kHz的方波信號。將32.768kHz進行分頻，從不同的Q端可得到不同的分頻信號輸出，從端輸出信號為2048Hz，從端輸出信號為2Hz。再對2Hz的信號進行而分頻，就得到所需要的秒脈沖信號。</p><

14、;p><b>　　圖3</b></p><p><b>　　石英晶體</b></p><p>　　石英晶體是一種具有壓電效應的晶體材料制成的電子元件。在石英晶體兩極加上交變電場，晶片會產(chǎn)生機械形變；若在晶片上加機械壓力，則會在晶片的相應方向上長生一定的電場。這種效應成為壓電效應。在一般情況下，晶片的機械振動的振幅和交變電場的振幅都很小，只有

15、當外加交變電場的頻率為某一特定頻率時，其振幅比在其他頻率下的振幅大得多，這種效應稱壓電諧振。這與LC回路的諧振十分相似，所以，石英晶體又稱石英諧振器。</p><p>　　石英晶體的諧振頻率由生產(chǎn)中晶體的切割方向和幾何尺寸決定。石英晶體產(chǎn)品的諧振頻率是固定的，用型號表示出振蕩頻率，對于體積較大的石英晶體振蕩器，常將諧振頻率標在石英晶體的外封裝上。</p><p>　?。?）、時、分、秒計數(shù)

16、器 </p><p>　　秒信號經(jīng)秒計數(shù)器、分計數(shù)器、時計數(shù)器之后，分別得到“秒”個位、十位、“分”個位、十位以及“時”個位、十位的計時輸出信號，然后送至譯碼器顯示電路，以便實現(xiàn)用數(shù)字顯示時、分、秒的要求?！懊搿焙汀胺帧庇嫈?shù)器應為六十進制，而“時”計數(shù)器應為十二進制。要求實現(xiàn)這一要求，可選用的中規(guī)模集成計數(shù)器較多，本次選擇使用。</p><p><b>　　注：原理介紹<

17、/b></p><p>　　為中規(guī)模集成的4位同步二進制計數(shù)器，除了具有二進制加法技術功能外，還具有預置數(shù)、保持和異步置零等附加功能。LD`為預置數(shù)控制端，～為數(shù)據(jù)輸入端，C為進位輸出端，`為異步置零（復位）端，EP和ET為工作狀態(tài)控制端。</p><p>　　圖4為的功能表，它給出了EP和ET為不同取值時電路的工作狀態(tài)。</p><p>　　當=0時所有觸發(fā)

18、器將同時被置零，而且置零操作不受其他輸入端狀態(tài)的影響。</p><p>　　當=1、=0時，電路工作在同步預置數(shù)狀態(tài)。這時門～的輸出始終是１，所以～輸入端J、K的狀態(tài)由～的狀態(tài)決定。例如，若=1,則=1、=0,CLK上升沿到達后被置１。</p><p>　　當==1而EP=0、ET=1時，由于這時門～的輸出均為0，亦即～均處在J=K=0狀態(tài)，所以CLK信號到達時它們保持原來的狀態(tài)不變。同時

19、C的狀態(tài)也得到保持。如果ET=0，則EP無論為何狀態(tài)，計數(shù)器的狀態(tài)也將保持不變，但這時進位輸出C等于0。</p><p>　　當==EP=ET=1時，電路工作在計數(shù)狀態(tài)。從電路的0000狀態(tài)開始連續(xù)輸入16個計數(shù)脈沖時，電路將從1111狀態(tài)退回0000狀態(tài)，C端從高電平跳變至低電平?？梢岳肅端輸出的高電平或下降沿作為進位輸出信號。</p><p><b>　　圖4</b&

20、gt;</p><p>　　1)、六十進制計數(shù)器 </p><p>　　由兩塊中規(guī)模集成十進制計數(shù)器，一塊組成十進制，另一塊組成六進制，組合起來就構成六十進制計數(shù)器，如圖所示:</p><p><b>　　圖5</b></p><p><b>　　、十二進制計數(shù)器</b></p>&

21、lt;p>　　由兩塊中規(guī)模集成十進制計數(shù)器構成，當高位出現(xiàn)狀態(tài)，地位出現(xiàn)為狀態(tài)，即得到第個來自“分”計數(shù)器的進位信號時。產(chǎn)生反饋清零信號，如圖所示：</p><p><b>　　圖6</b></p><p><b>　　譯碼顯示電路</b></p><p>　　選用器件時應注意譯碼器和顯示器件的相互配合。一是驅動功率

22、要足夠大，二是邏輯電平要匹配。例如，采用公陰型數(shù)碼管作為顯示器件時，則應采用輸出為高電平的譯碼電路，且因數(shù)碼管工作電流較大，不能用普通譯碼器，應采用功率門或者門。本次設計選擇使用顯示譯碼器為。</p><p>　　注：１）七段字符顯示器</p><p>　　如圖7是半導體數(shù)碼管的外形圖和等效電路。這種數(shù)碼管的每個線段都是一個發(fā)光二極管，因而也將它稱為LED數(shù)碼管或LED七段顯示器。<

23、/p><p>　　發(fā)光二極管使用的材料與普通的硅二極管不同，有磷砷化鎵、磷化鎵、砷化鎵等幾種，而且半導體中的雜質濃度很高。當外加正向電壓時，大量的電子和空穴在擴散過程中復合，其中一部分電子從導帶躍遷到價帶，把多余的能量以光的形式釋放出來，便發(fā)出一定波長的可見光。</p><p>　　磷砷化鎵發(fā)光二極管發(fā)出光線的波長與磷和砷的比例有關，含磷的比例越大波長越短，同時發(fā)光效率也隨之降低。目前生產(chǎn)的磷

24、砷化鎵發(fā)光二極管發(fā)出光線的波長在6500左右，呈橙紅色。</p><p>　　在等一些數(shù)碼管中還在右下角處增設了一個小數(shù)點，形成了所謂八段數(shù)碼管，如圖7a所示。此外，由圖7b的等效電路可見，的八段發(fā)光二極管的陰極是做在一起的，屬于共陰極類型。為了增加使用的靈活性，同一規(guī)格的數(shù)碼管一般都有共陰極和共陽極兩種類型可供選用。</p><p>　　半導體數(shù)碼管不僅具有工作電壓低、體積小、壽命長、可

25、靠性高等優(yōu)點，而且響應時間短，亮度也比較高。它的缺點是工作電流比較大，每一段的工作電流在10mA左右。</p><p>　　另一種常用的七段字符顯示器是液晶顯示器。液晶也是一種既具有液體的流動性又具有光學特性的有機化物，它的透明度和呈現(xiàn)的顏色受外加電場的影響，利用這一特點便可做成字符顯示器。</p><p><b>　?。╝）</b></p><p

26、><b>　　（b）</b></p><p>　　半導體數(shù)碼管BS201A</p><p>　?。╝）外形圖 （b）等效電路</p><p>　　2）BCD—七段顯示譯碼器</p><p>　　半導體數(shù)碼管和液晶顯示器都可以用TTL或CMOS集成電路直接驅動。為此，就需要使用顯示譯碼器將BCD代碼譯

27、成數(shù)碼管所需要的驅動信號，以便使數(shù)碼管用十進制數(shù)字顯示出BCD代碼所表示的數(shù)值。</p><p>　　今以表示顯示譯碼器輸入的BCD代碼，以～表示輸出的7位二進制代碼，并規(guī)定用1表示數(shù)碼管中線段的點亮狀態(tài)，用0表示線段的熄滅狀態(tài)。則根據(jù)顯示字形的要求便得到了真值表。表中除列出了BCD代碼的10個狀態(tài)與～狀態(tài)的對應關系。</p><p><b>　　校時電路</b>&l

28、t;/p><p>　　在剛接通電源或者時鐘走時出現(xiàn)誤差時，則需要進行時間的校準。置開關在手動位置，分別對時、分、秒進行單獨計數(shù)，計數(shù)脈沖由單次脈沖或連續(xù)脈沖輸入。</p><p>　　對校時電路的要求是，在進行小時校正時不影響分和秒計數(shù)器的正常計數(shù)；同理，進行分校正時不影響秒計數(shù)器的正常計數(shù)。校正時間的方式有“快校時”和“慢校時”兩種，其中“快校時”是通過校時開關的控制，使校時脈沖進入校時電路

29、，則計數(shù)器對校時脈沖計數(shù)，當計到需要校正的時間時，再使計數(shù)器轉入正常計數(shù)。“慢校時”是用單脈沖發(fā)生器的輸出做校時脈沖，通過校時開關的控制，每觸發(fā)一次輸出一個單脈沖，則計數(shù)器加１，當計到需要校正的時間時，再使計數(shù)器轉入正常計數(shù)。由此可見，兩種校時方式的電路應基本相同，不同的是校時脈沖的產(chǎn)生與控制方式有所區(qū)別。</p><p><b>　　整點報時電路</b></p><p&

30、gt;　　每到整點前的時準備報時。當分計數(shù)到時，將分觸發(fā)器置，而等秒計數(shù)到時，將秒觸發(fā)器置，然后“”和“”相“與”，結果再和秒信號相“與”去控制低音喇叭鳴叫，直至時產(chǎn)生一個復位信號使清零。停止低音鳴叫。同時的反相信號又和“”相“與”去控制高音喇嘛鳴叫。當計數(shù)器從到時，鳴叫結束，完成整點報時，電路如圖所示：</p><p><b>　　圖8</b></p><p>　　

31、注：本次采用型雙D觸發(fā)器，是上升沿觸發(fā)的邊沿觸發(fā)器，引腳排列和功能表如圖：</p><p><b>　　a </b></p><p><b>　　b</b></p><p><b>　　圖9</b></p><p>　　3、電路的安裝與調試（略）</p>&

32、lt;p><b>　　四、心得體會及建議</b></p><p>　　通過這次課程設計使我懂得了理論與實際相結合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來，從理論中得出結論，才能真正為社會服務，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，這畢竟第一次做的，難免會遇到過各種各樣的問題，同時在設計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己

33、的不足之處，對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。 我深得做課程設計同時也是對課本知識的鞏固和加強，由于課本上的知識太多，平時課間的學習并不能很好的理解和運用各個元件的功能，而且考試內(nèi)容有限，所以在這次課程設計過程中，我們了解了很多元件的功能，并且對于其在電路中的使用有了更多的認識。 平時看課本時，有時問題老是弄不懂，做完課程設計，那些問題就迎刃而解了。而且還可以記住很多東西。比如一些芯片的功能，平時看課本，這次看

34、了，下次就忘了，通過動手實踐讓我們對各個元件映象深刻。認識來源于實踐，實踐是認識的動力和最終目的，實踐是檢驗真理的唯一標準。所以這個期末測試之后的課程設計對我們的作用是非常大的。</p><p>　　此次課程設計，學到了很多課內(nèi)學不到的東西，比如獨立思考解決問題，出現(xiàn)差錯的隨機應變，和與人合作共同提高，都受益非淺，今后的制作應該更輕松，自己也都能扛的起并高質量的完成項目。 這次數(shù)電課程設計,雖然短暫但是讓

35、我得到多方面的提高：我了解到設計實驗是開端，連接是關鍵，測試是必須，既鞏固了課堂上的理論知識，又掌握了常用的集成電路的芯片的使用。在此基礎上學習了數(shù)字系統(tǒng)設計的基本思想和方法，學會了科學的分析實際問題，通過查資料，分析資料及請教老師和同學多種途徑，獨立解決問題，同時，也培養(yǎng)了我嚴謹?shù)膽B(tài)度。</p><p><b>　　五、元器件明細表</b></p><p><

36、;b>　　電路器件清單：</b></p><p><b>　　六、參考文獻</b></p><p>　　①高建新、雷少剛?電子技術實驗與實訓?機械工業(yè)出版社?2006年8月（第076546號）</p><p>　?、陂愂?數(shù)字電子技術基礎?高等教育出版社?2006年5月（第043267號）</p><p&g

37、t;　?、蹖O麗霞 殷俠?實用電子電路設計與調試?中國電力出版社?2011年6月（第060070號） </p><p>　?、茳S科 艾瓊龍 李磊?數(shù)字系統(tǒng)設計案例實踐?清華大學出版社?2010年1月（第197527號）</p><p>　　⑤朱永金 楊開明 唐林?電子技術實訓指導?清華大學出版社?2005年11月（第113105號）</p><p>　?、蘩盍徇h 范