整点报时数字钟课程设计.doc

科信学院 课程设计说明书课程设计说明书 （2009 /2010 学年第二学期） 课程名称 ： 电子技术课程设计 题 目 ： 整点报时数字钟课程设计 专业班级 ： 科信 08 自动化三班 学生姓名 ： 姚向凯 学 号： 080412317 指导教师 ： 崔春艳 设计周数 ： 2 周 设计成绩 ： 2010 年 7 月 2 日 0 1 1 课程设计目的课程设计目的.1 2 2 系统的方案设计系统的方案设计.1 3 3 系统的详细设计系统的详细设计.2 3.1 脉冲产生和分频电路.2 3.1.1 脉冲产生和分频电路的设计.2 3.1.2 馆建器件 74 LS74 的介绍.3 3.1.3 关键器件 CD4060 的介绍.3 3.2 计时电路.5 3.2.1 分，秒计时电路的设计.5 3.2.2 小时计时电路的设计.7 3.2.3 关键器件 CD4510 的介绍.8 3.3 显示译码电路.10 3.3.1 显示译码电路的设计.10 3.3.2 关键器件 CD4511 和数码管的介绍.11 3.4 校时电路.13 3.4.1 校时的电路的详细设计.13 3.4.2 关键器件 RS 触发器的详细介绍.14 3.5 整点报警电路.16 4 4 设计过程说明设计过程说明.17 4.1 绘制电路图.17 4.2 电路板制作.19 5 5 心得体会心得体会.21 6 6 参考文献参考文献.21 1 1 课程设计目的 让学生掌握组合逻辑电路、时序逻辑电路及数字逻辑电路系统的设计、安装、测试方法； 进一步巩固所学的理论知识，提高运用所学知识分析和解决实际问题的能力； 提高电路布局布线及检查和排除故障的能力； 培养书写综合实验报告的能力。 2 系统的方案设计 21 简述简述 数字电子钟是一种用数字显示秒分时日的记时装置，与传统的机械钟相比，他具有走时准确显 示直观无机械传动装置等优点，因而得到了广泛的应用：小到人们的日常生活中的电子手表，大 到车站码头机场等公共场所的大型数显电子钟。 22 课程设计题目描述和要求课程设计题目描述和要求 （1）设计一个有“时” 、 “分” 、 “秒” （12 小时 59 分 59 秒）显示，且有校时功能的电子钟； （2）用中小规模集成电路组成电子钟，并在实验箱上进行组装、调试； （3）画出框图和逻辑电路图，写出设计、实验总结报告； （4）选做：整点报时。在 59 分 50 秒输出一高电平驱动鸣声器发生。 2.32.3 数字电子钟基本原理数字电子钟基本原理 2.3.1 数字电子钟的逻辑图如图 1 所示由振荡电路、分频器、计数器、显示器和校时电路组成。 振构成的振荡电路产生的信号经过分频器作为秒脉冲，秒脉冲送入秒计数器，秒计数结果 通过秒译码器译码并且通过显示器显示出来，当达到 60 时向分位进位，分位和十位也是 如此。 2.3.2 可手动校正：能分别进行秒分时日的校正。只要将开关置于手动位置，可分别对秒分时 日进行手动脉冲输入调整或连续脉冲输入的校正。 2.3.3 整点报时。整点报时电路要求在每个整点前鸣叫。 2 图 1 数字钟逻辑电路图 3 系统的详细设计 3.1 脉冲产生和分频电路脉冲产生和分频电路 3.1.13.1.1 脉冲产生和分频电路的设计脉冲产生和分频电路的设计 石英晶体振荡器的特点是振荡频率准确、电路结构简单、频率易调整。它还具有压电效应，在晶 体某一方向加一电场，则在与此垂直的方向产生机械振动，有了机械振动，就会在相应的垂直面 上产生电场，从而机械振动和电场互为因果，这种循环过程一直持续到晶体的机械强度限止时， 才达到最后稳定。这用压电谐振的频率即为晶体振荡器的固有频率。石英振荡电路图如图 2 所示。 3 图 2 石英振荡电路图 3.1.23.1.2 馆建器件馆建器件 7474 LS74LS74 的介绍的介绍 在晶振产生震荡进行第二次分频时用到分频器件 74LS74。其引脚图如图 3 所示。 图 3 74LS74 引脚图 3.1.33.1.3 关键器件关键器件 CD4060CD4060 的介绍的介绍 秒脉冲发生器是数字钟的核心部分，它的精度和稳度决定了数字钟的质量，通常用晶体振荡器发 出的脉冲经过整形分频获得 1Hz 的秒脉冲。如晶振为 32768Hz，通过 15 次二分频后可获得 1Hz 的脉冲输出。CD4060 引脚图和真值表如图 4 所示，连接方式如图 5 所示。 4 图 4 CD4060 引脚图和真值表 5 图 5 CD4060 连接方式 3.2 计时电路计时电路 3.2.13.2.1 分，秒计时电路的设计分，秒计时电路的设计 秒分为 6060 进制计数器。秒分均为 60 进制，即显示 0059，它们的各位为十进制，十位为六 进制。数字钟采用计数器使用的是 CD4510 加减计数器，数字钟采用的是加计数功能。其 其连接图如图 6。整个系统由脉冲电流从 CLK 端输入，驱动计数器 CD4510 计数，CD4510 以 8421BCD 码进行十进制计数，并接把结果传输给译码器 CD4511，CD4511 将其译码驱动共阴极数 码管显示出数字。其中秒的各位直接向十位进位，其进位信号直接输给十位的 CLK 端。秒的十位 为六进制计数器，只要将其输出的 11.14 角接入与门回送到 RST 端即可。仅为连接图如图 7 分位 其功能和秒位类似，在此就不一一列出了，不过，其各位的脉冲信号要接秒十位的进位信号，其 他都一样。 6 图 6 CD4510 连接图 7 图 7 秒分进位连接图 3.2.23.2.2 小时计时电路的设计小时计时电路的设计 小时为 24 进制计数器。小时为 24 进制，即显示 0023，它们的各位为十进制，十位为 2 进制。 数字钟采用计数器使用的是 CD4510 加减计数器，数字钟采用的是加计数功能。其连接方法是十 位的 11 角和个位的 14 角接入一个与门回送到十位和个位的 RST 端，其连接图如图 8。 8 图 8 小时进位连接图 3.2.33.2.3 关键器件关键器件 CD4510CD4510 的介绍的介绍 表一 十进制同步加减计数器 CC4511 9 10 3.3 显示译码电路显示译码电路 3.3.13.3.1 显示译码电路的设计显示译码电路的设计 CD4510 与 CD4511 相连，CD4511 的连接方式为 3.4 角接电源。5 角接地。7.1.2.6 角分别接计数 器来的信号。9 到 15 分别接显示器的各角。其连接图如图 9。 图 9 CD4511 连接图 本系统用七段发光二极管来显示译码器输出的数字，显示器有两种：共阳极显示器或共阴极显示 器。连接图如图 10 所示。 11 图 10 CD4511 以显示管连接图 3.3.23.3.2 关键器件关键器件 CD4511CD4511 和数码管的介绍和数码管的介绍 CD4511 是一组用来作为 BCD 对共阴极 LED 七段显示器译码的包装。其引脚图如图 11 所示。 图 11 CD4511 引脚图 在 CD4511 中 LT：做灯泡测试用，当 LT=0，则不论其它输入状态为何，其输出 12 abcdefg=1111111，使七段显示器全亮，即显示 8，以便观测七段显示器是否正常。当 LT=1，则正 常*。 BI：空白输入控制，当 BI=0 (LT 为 1 时) 则不论 DCBA 之输入为何，其输出 abcdefg 皆为 0， 即七段显示器完全不亮，此脚可供使用者控制仅对有效数据译码，避免在无意义的数据输入时显 示出 来造成字型的系乱。CD4511 和数码管的链接原理图如图 12 图 12 CD4511 和数码管的链接原理图 13 LE：数据栓锁致能控制；在 CD4511 中，不但具译码功能，更具有数据栓锁的记忆功能。当 LE=0 时(LT=1 且 BI=1)，DCBA 数据会被送入 IC 的缓存器中保存，以供译码器码；当 LE=1 时，则 IC 中的暂存器会关闭，仅保存原来在 LE=0 时的 DCBA 数据供译码器译码。换句话说当 LE=1 时，不论 DCBA 的输入数据为何，皆不影响其输出，其输出 abcdefg 仍保留原来在 LE 由 0 转为 1 以 图 13 CD4511 真值表 前的资料。CD4511 真值表如图 13。 3.4 校时电路校时电路 3.4.13.4.1 校时的电路的详细设计校时的电路的详细设计 在刚刚开机接通电源时，由于时分秒均为任意值，所以，需进行调整。置开关在手动位置，分别 14 对时分秒日进行单独计数，计数脉冲由单次脉冲或连续脉冲输入。在数字钟中采用了一个 74LS00 和 74LS08 两个集成电路块，用到了其内部两个与非门和两个与门。其连接方法如图 14： 图 14 校时电路图 其中，当正常计时时 S1、S2、S3 都打向右侧。让进位信号能够正常进位，当需要调整时，只需 将要调整的位的开关打向左侧然后控制 S4 即可。 3.4.23.4.2 关键器件关键器件 RSRS 触发器的详细介绍触发器的详细介绍 在开关 S4 后加一个有两个与非门构成的 RS 触发器，其目的是消除因操纵开关而产生的抖动，防 止干扰。 电电路路结结构构 15 把两个与非门 G1、G2 的输入、输出端交叉连接，即可构成基本RS 触发器，其逻辑 电路如图 15 所示。它有两个输入端 R、S 和两个输出端 Q、Q。 工工作作原原理理 图 15 RS 触发器 基本 RS 触发器的逻辑方程为： 根据上述两个式子得到它的四种输入与输出的关系: 1.当 R=1、S=0 时，则 Q=0,Q=1,触发器置 1。 2.当 R=0、S=1 时，则 Q=1,Q=0,触发 器置 0。 如上所述，当触发器的两个输入端加入不同逻辑电平时，它的两个输出端Q 和 Q 有两种互 补的稳定状态。一般规定触发器Q 端的状态作为触发器的状态。通常称触发器处于某种状态 ，实际是指它的 Q 端的状态。 Q=1、Q=0 时，称触发器处于 1 态，反之触发器处于 0 态。 S=0,R=1 使触发器置 1，或称置位。因置位的决定条件是S=0,故称 S 端为置 1 端。R=0,S =1 时，使触发器置 0，或称复位。 同理，称 R 端为置 0 端或复位端。若触发器原来为1 态，欲使之变为 0 态，必须令 R 端的电平由 1 变 0，S 端的电平由 0 变 1。这里所加的输入信号（低电平）称为触发信号， 由它们导致的转换过程称为翻转。由于这里的触发信号是电平,因此这种触发器称为电平控 制触发器。从功能方面看，它只能在S 和 R 的作用下置 0 和置 1，所以又称为置 0 置 1 触 发器，或称为置位复位触发器。其逻辑符号如图7.2.1(b)所示。由于置 0 或置 1 都是触发 信号低电平有效，因此， S 端和 R 端都画有小圆圈。 3.当 R=S=1 时，触发器状态保持不变。 触发器保持状态时，输入端都加非有效电平（高电平），需要触发翻转时，要求在某一输 入端加一负脉冲，例如在 S 端加负脉冲使触发器置 1，该脉冲信号回到高电平后，触发器仍 16 维持 1 状态不变，相当于把 S 端某一时刻的电平信号存储起来，这体现了触发器具有记忆功 能。 4.当 R=S=0 时，触发器状态不确定 在此条件下，两个与非门的输出端Q 和 Q 全为 1，在两个输入信号都同时撤去（回到 1）后，由于两个与非门的延迟时间无法确定，触发器的状态不能确定是1 还是 0,因此称这 种情况为不定状态，这种情况应当避免。从另外一个角度来说，正因为R 端和 S 端完成置 0、置 1 都是低电平有效，所以二者不能同时为0。 3.5 整点报警电路整点报警电路 当时计数器在每次计到整点前十秒时，需要报时，这可用译码电路来解决，即当分为 59 时，则秒 在计数到 50 时，输出一延时高电平，直至秒计数器计到 60 时，结束这高电平脉冲，输出的高电 平驱动鸣声器鸣叫。在数字钟采用鸣声器作为发声器件，由于与门输出电压太小所以接一三极管 放大电流驱动鸣声器。报时电路开头分别将秒的十位的 6 、14 角接入与门分的个位 2 、 6 角十 位的 6、 14 角分别接入与门，并且将其输出全部接入一与门，之后连一电阻减小电流输入到三极 管，最后由三极管组成的放大电路驱动鸣声器。其电路图 16、17 所示。 图 16 报时电路 1 17 图 17 报时电路 2 4 设计过程说明 4.1 绘制电路图 利用 Protel 99SE 在电脑上绘制出电路原理图如图 18 所示，之后由原理图绘制 pcb 版图。然后根 据自己的要求安排元器件的位置，并且用导线连接上，整个电路的电路图如图 19 所示： 18 图 18 电路原理图 19 图 19 电路 pcb 版图 4.2 电路板制作 表二 实验器材及主要器件 名称型号数 量名称型号数 量 共阴七段显示器6 片三极管1 片 译码器 CD4511 6 片鸣声器1 片 计数器 CD4510 6 片33pF 电容2 片 D 触发器 74LS74 1 片电阻11 片 分频器 CD4060 1 片与门 74LS08 2 片 晶振晶振 327681 片开关4 片 与非门 74LS00 1 片 20 4.2.1 打印电路图 将绘制好的电路图打印在一张专用纸上。 4.2.2 转印电路图 将电路板有铜的一面擦洗干净与打印好的电路图紧密贴在一起固定好。放入转印机高温转印。转 印好后去除表面的图纸，此时电路图以转印到铜板上。 4.2.3 腐蚀电路板 将转印好的铜板放入三氯化铁饱和溶液进行腐蚀。过程中轻轻晃动溶液，半小时后铜板复试完毕。 4.2.4 打孔 在腐蚀好的电路板应该打孔处用细钻打孔。注意空不要打歪。 4.2.5 上松香水 将腐蚀好的电路板表面的墨迹去处，并且打磨光滑，将板子铜面朝下向上 45 度放置，在铜面刷两 遍松香的饱和酒精溶液。保持此角度放置约两小时是松香变干。 4.2.6 焊接 先将元件安在电路板上，用锡焊将元件与电路板焊接在一起，注意焊接时不要出现少焊或短路情 况。 4.2.7 调试 将焊接好的电路板加电调试，测量各元器件的电工数据以理论值比对。使其得到预期结为止。 由图所示的数字中系统组成框图按照信号的流向分级安装，逐级级联。这里的每一级是指组成数 字中的各个功能电路。 级联时如果出现时序配合不同步，或剑锋脉冲干扰，引起的逻辑混乱，可以增加多级逻辑门来延 时。如果显示字符变化很快，模糊不清，可能是由于电源电流的跳变引起的，可在集成电路器件 的电源端 Vcc 加退藕滤波电容。通常用几十微法的大电容与 0.01F 的小电容相并联。 21 5 心得体会 通过这次课程设计，我了解了