电子技术课程设计-直流稳压电源和多功能数字钟电路设计.doc

电气与电子信息工程学院电子技术课程设计设计题目：直流稳压电源和多功能数字钟电路设计 专业班级： 学号： 姓 名： 指导教师： 刘俊 王海华 设计时间： 2012/11/052012/11/16 设计地点： K3204 电子技术课程设计成绩评定表姓 名 学 号 专业班级课程设计题目：直流稳压电源和多功能数字钟电路设计课程设计答辩或质疑记录：1、NE555时基芯片的特点？答：1.只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。 2.它的操作电源范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑闸配合，也就是它的输出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合。 3.其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。 4.它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。2、在设计数字电子钟试验中，为什么要采用此类校时电路？答：由于刚接通电源或走时不准时，都需要进行时间校准。理论上校时电路是可以通过直接与脉冲源相接而获得脉冲频率。但是因为实物电路的硬件缘故。在按下和弹开按钮的瞬间，数码管的数字会因为按钮的接触原因而抖动。这就导致了在较好之间后想结束校时，因为按钮抖动的原因，时间又改变了。相当于无校时功能。实现校时电路的方法有很多，采用基本R-S触发器构成单脉冲发生器是其中的一种。RS触发器具有置位、复位和保持（记忆）的功能，可以消除抖动，所以决定用这个比较简单的校时电路。成绩评定依据：实物制作（40）：课程设计考勤情况（20）：课程设计答辩情况（20）：完成设计任务及报告规范性（20）：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定） 指导教师签字： 2012年 月 日电子技术课程设计任务书 20122013学年第 1 学期一、课程设计题目：直流稳压电源和多功能数字钟电路设计二、课程设计内容（含技术指标）1稳压电源 在输入电压220V、50Hz、电压变化范围+15%20%条件下：a、 输出电压：+5V，-5V，+9V，-9V;b、 最大输出电流：1.5A;c、 具有过流及短路保护功能。2设计一个有时、分、秒（例如23小时59分59秒）显示，且具有校时功能的电子钟。a、用中规模、小规模集成芯片组成电子钟，并在万能板（面包板）上进行组装、调试。b、可用TTL或CMOS芯片设计电路。选做：（1）闹钟系统（2）整点报时。在59分51秒，53秒，57秒时输出750Hz音频信号；在59分59秒时输出1000 Hz信号，音响持续1秒，在1000 Hz音响结束时刻为整点。（3）日历系统。三、进度安排1拟定多功能数字钟的组成框图，设计并安装各单元电路，画出多功能数字钟的整机逻辑电路图； 4天2安装各单元电路，要求布线整齐、美观，且进行调试； 4天3写出设计报告：。 2天四、基本要求1作品要求：直流稳压电源能输出电压正负5V，最大电流1.5A,数字钟以数字形式显示时、分、秒的时间。小时计数器的计时要求为“12翻1”或“24翻1”，要求手动快校时、快校分或慢校时、慢校分。学生可自行扩展功能，如定时控制，其时间自定；仿广播电台正点报时，自动报整点时数或触摸报整点时数（主要体现在理论知识上进行电路设计）以及日历系统。2报告要求：不少于3000字，统一复印封面并用4纸写出报告。 封面、课程设计任务书 方案选择，方案论证 系统功能及原理（系统组成框图、电路原理图） 各模块的功能，原理，器件选择 结果分析 设计小结 附录-系统设计原理图、元器件清单 目录1 系统方案选择与论证1.1 直流稳压电源电路1.2 多功能数字钟电路1.2.1 芯片1.2.2 秒脉冲1.2.3秒脉冲产生器1.3系统功能及原理（系统组成框图、电路原理图）1.3.1系统功能1.3.2系统原理2电路工作原理2.1直流稳压电源电路2.2多功能数字钟电路2.2.1 秒脉冲信号产生电路2.2.2 校准电路2.2.3秒计数、译码/驱动及显示部分的设计2.2.4、分计数、译码/驱动及显示部分的设计2.2.5、时计数、译码/驱动及显示部分的设计2.2.6 译码电路的工作原理3 电路测试与结果分析4 课程设计总结5附录附录1：电路总原理图附录2：使用元器件一览表（序号、名称、型号、规格、数量、备注）附录3：参考文献1 系统方案选择与论证1.1 直流稳压电源电路方案一：采用9v集成电池。该电池体积较小，轻巧，但电池所提供的电流小，同时随着时间的延长，会导致电压不稳定，不能够提供一个稳定的电压。方案二：采用变压器变压。将220V的交流电通过变压器变压，再经过整流、滤波、稳压，产生一个稳定的电压，同时能够长时间供电。 通过以上两种方案的比较，故选方案二。1.2 多功能数字钟电路1.2.1 芯片方案一：采用CMOS电路。CMOS电路是电压控制器件，是一种低功耗器件。虽功耗低，但是当电流过大时，会烧毁芯片，并且COMS电路的速度慢，传输延迟时间长(25-50ns)。方案二：采用TTL电路。TTL电路是电流控制器件，TTL电路的速度快，传输延迟时间短(5-10ns)，能到达很好的精度。通过以上两种方案的比较，故选方案二。1.2.2 秒脉冲方案一：采用1kHz的秒脉冲。方案二：采用1Hz的秒冲。由于1kHZ频率相对较大，所以导致所需的电阻阻值很小，不易于实现。故选方案二1.2.3秒脉冲产生器方案一：采用石英晶体振荡器。石英晶体振荡器具有体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度高等优点。其具有极高的频率稳定性，主要用在要求频率十分稳定的振荡电路中作谐振元件，但成本相对较高。方案二：采用NE555多谐振荡器。NE555多谐振荡器只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。其操作电源范围广 ，可与TTL，CMOS等逻辑电路配合，它的计时精确度高、温度稳定度佳，且成本较低。综上所述分析，故选方案二。1.3系统功能及原理（系统组成框图、电路原理图）1.3.1系统功能数字时钟电路是一个具有有时、分、秒（例如23小时59分59秒）显示，且具有校时功能的电子钟。直流稳压电源能输出电压正负5V，最大电流1.5A,数字钟以数字形式显示时、分、秒的时间。小时计数器的计时要求为“12翻1”或“24翻1”，要求手动快校时、快校分或慢校时、慢校分。还可以实现秒计时。1.3.2系统原理电路系统，其由时、分、秒计数器以及校时和显示电路组成。其主要功能为计时、校时。利用60进制和12进制递增计数器子电路构成数字时钟系统，由2个60进制同步递增计数器完成秒、分计数，由1个12进制同步递增计数器完成小时计数。秒、分、时计数器分别都以两个CD4511同步级联而成，秒、分、时计数器之间采用异步级联的方式。开关J1和J2分别是控制时和分的校时开关。组成框图如下图 （ 电路原理图见附录一） 图1 系统组成框图2电路工作原理2.1直流稳压电源电路 直流稳压电源的工作原理为是通过变压器将220V交流电降到到9V，然后将变压后的交流电通过整流桥整流，再经过电容的滤波和LM7805三端稳压芯片的稳压，将9V的交流电转变为5V的直流电后，再经过电容的滤波、阻尼，将电压输出。其工作原理图如下： 图2.直流稳压电源原理图2.2多功能数字钟电路数字电子钟是一个对标准频率（1HZ）进行计数的计数电路。它由振荡器、分配器、计数器、译码器和显示器电路组成。振荡器产生的时钟信号经过分频器形成秒脉冲信号，秒脉冲信号输入计数器进行计数，并把累计结果以“时”、“分”、“秒”的数字显示出来。秒计数器电路计满60后触发分计数器电路，分计数器电路计满60后触发时计数器电路，当计满24小时后又开始下一轮的循环计数。通过校时电路可以对分和时进行校时，且计时过程具有报时功能，当时间到达整点前10秒开始，蜂鸣器1秒响1秒停地响5次。主电路系统由秒信号发生器、“时、分、秒”计数器、译码器及显示器、校时电路、整点报时电路组成。秒信号产生器是整个系统的时基信号，它直接决定计时系统的精度，一般用石英晶体振荡器加分频器来实现。将标准秒信号送入“秒计数器”，“秒计数器”采用60进制计数器，每累计60秒发出一个“分脉冲”信号，该信号将作为“分计数器”的时钟脉冲。“分计数器”也采用60进制计数器，每累计60分钟，发出一个“时脉冲”信号，该信号将被送到“时计数器”。“时计数器”采用24进制计时器，可实现对一天24小时的累计。一脉冲信号，然后去触发一音频发生器实现报时。总设计框架如图3所示译码显示 译码显示 译码显示24进制 60进制 60进制时计数器 分计数器 秒计数器校时电路 校分电路555多谐 分频器图3 设计框架图由上图的总体结构图可知，该设计大概可以分部分：秒脉冲产生部分、计数部分、显示部分、校时部分。在秒脉冲产生部分中，可以用振荡器或者555定时器予以实现，为了保证准确性，优先选用振荡器，但是由于个人技术问题，我们选用了555定时器来产生秒脉冲；在计数电路中，我们采用CD4518计数器，4518为双BCD同步加法计数器。在显示部分，我们采用CD4511芯片结合数码管来实现。最后的校时部分用四2输入与非门的CD4011芯片结合瓷片电容来完成。2.2.1 秒脉冲信号产生电路振荡器是数字钟的核心部分。振荡器的稳定性及频率的精确度决定了数字钟计时的准确程度，本实验采用555定时器。其中要求R1、 R2为100K的电阻 C1为4.7mF、C2为0.01mF的电容，Vcc为+5V电源,GND接地。如图4所示： 84562731555+VCCR1R2CC1+uC图4 “秒脉冲信号发生器”的设计、原理图“脉冲信号发生器”是采用“555”定时器，555芯片的引脚图如图5所示： 图5 555芯片引脚图2.2.2 校准电路当数字钟走时出现误差时，需要校正时间。校时电路实现对“时”“分”“秒”的校准。在电路中设有正常计时和校对位置。本实验实现“时”“分”的校对。对校时的要求是，在小时校正时不影响分和秒的正常计数；在分校正时不影响秒和小时的正常计数。需要注意的时，校时电路是由与非门构成的组合逻辑电路，开关S1或S2为“0”或“1”时，可能会产生抖动，为防止这一情况的发生我在原本接校时脉冲的端口接到了实验装置的“单次脉冲”端口，这样既时限内了防抖动，又可以利用手动操作来完成校时。如图6所示： 图6.校时电路图 “分校准电路”采用的是CD4011芯片，芯片引脚图如下： 图7. CD4011芯片引脚图223、秒计数、译码/驱动及显示部分的设计 众所周知，秒、分、时分别为六十、六十、二十四进制(十二进制亦可)计数器那么“秒”和“分”计数器用两块十进制计数器级连来实现，它们的个位为十进制，十位为六进制，这样，符合人们通常计秒数的习惯。“时”计数也用两个十进制集成块，只是做成二十四进制，上述计数器均可用反馈清零法来实现。 秒计数采用两个数码管、两个CD4511和一个CD4518来实现，将“秒”信号送入“秒”计数器，秒计数器采用60进制计数器，每累计60秒发出一个“分”脉冲信号，该信号将作为“分”计数器的时钟脉冲，进位脉冲最终用CD4081的一个与门来实现。而CD4511芯片具有锁存译码驱动的功能，可以外接电阻驱动七段口LED数码管显示出来.如下图所示图8.秒计数器2.2.4、分计数、译码/驱动及显示部分的设计 分计数和秒计数的原理差不多，也是采用两个数码管、两个CD4511和一个CD4518来实现，将“秒”计数器的进位脉冲送入“分”计数器，每累计60分发出一个“时”脉冲信号，该信号将作为“时”计数器的时钟脉冲，进位脉冲最终用CD4081的又一个与门来实现，同样是采用CD4511来驱动七位LED数码管显示出来.如下图所示图9.分计数器2.2.5、时计数、译码/驱动及显示部分的设计 时计数和分计数的原理差不多，也是采用两个数码管、两个CD4511和一个CD4518来实现，将“分”计数器的进位脉冲送入“时”计数器，但是是计数器采用的是24进制、且不需要进位脉冲，同样是采用CD4511来驱动七位LED数码管显示出来.时计时器图如下：图10.时计数器 其中秒、分、时计数器都用到芯片CD4511、CD4518、CD4081和数码管，下面就针对秒、分、时的设计原理来介绍这些芯片的引脚及功能。 数码管是数字钟的显示部分，由七段LED和一个点构成，其引脚图如下图11.LED引脚图CD4511是BCD锁存/7段译码器/驱动器，常用的显示译码器件.图图12. CD4511引脚图CD4511引脚功能： BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态是怎么样的，七段数码管都会处于消隐也就是不显示的状态。 LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。LT：3脚是测试信号的输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮全部显示。它主要用来检测数7段码管是否有物理损坏。A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。 CD4518是十进制双BCD同步加法计数器，内含两个单元的加计数器，下图为CD4518的引脚图图13. CD4518引脚图CD4081是四2输入与门电路，其结构和CD4011差不多，具体引脚图如下。2.2.6 译码电路的工作原理通过CD4511来实现电路的译码过程。CD4511是一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码七段码译码器，其特点是：具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器。CD4511中的a b c d 为 BCD 码输入端，a为最低位。LT为灯测试端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检查显示器是否有故障。BI为消隐功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示时， B1端应加高电平。另外 CD4511有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数9(1001)时，显示字形也自行消隐。LE是锁存控制端，高电平时锁存，低电平时传输数据。ag是 7 段输出，可驱动共阴LED数码管。其原理图如图15所示。图 15 译码电路工作原理图3 电路测试与结果分析 当完成数字时钟部分后，我们通电后发现“分”的个位数码管的b中发光管二极管不亮，对照数码管的引脚图，我可以看到b中的发光二极管对应的是6号引脚，然后我们就用万用表的二极管档测试该发光二极管，发现该二极管是亮的，说明数码管本身没问题。于是我就想可能是接线的问题，便着手去找6号引脚对应的接线，当我用万用表测试连线时，突然发现某一根连线两端的电阻为无穷大（理论上应为0），于是我便找原因，发现是一个焊点出现了虚焊，重新焊接后通电调试，发现没有问题，故障完全排除。通过以上方案的论证与电路原理的分析，最终设计出了多功能数字钟，同时制作出了实物，实现了课程设计的内容要求的各项功能。在误差允许的范围内，很好的实现了数字钟调时、调分和秒的正常运转。4 课程设计总结通过此次课程设计，总体来说，收获颇丰，无论是在培养自己的实验动手能力还是培养自己的性情方面。在此次的数字钟设计过程中,更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法.在连接六进制,十进制,六十进制的进位及二十四进制的接法中,要求熟悉逻辑电路及其芯片各引脚的功能,那么在电路出错时便能准确地找出错误所在并及时纠正了.在设计电路中,往往是先仿真后连接实物图,但有时候仿真和电路连接并不是完全一致的,因此仿真图和电路连接图还是有一定区别的，所以在连接线路是就要求非常认真，要清楚了解各个连接点之间的关系，这样才能在实际焊接过程中得心应手，取得事半功倍的效果.在设计电路的连接图中出错的主要原因都是接线和芯片的接触不良以及接线的焊点所引起的.在焊接过程中，组员间配合的非常好，进度相当快，虽然在其中几个焊接中遇到几点非常困难的地方，但是还是被我们解决了，这就是团队的力量。在开始的设计和最后的调试过程是漫长的，有时我们为了一个问题要找很长时间，甚至要熬夜、顾不上吃饭等，我们既要在计算机前收集资料，又要在实验室验证，这个过程非常辛苦，但是也非常快乐。最后我们通过两个星期的艰苦奋斗，终于完成了数字表和直流稳压电源的制作，并调试成功，从中我学到了如何熟悉集成电路的引脚安排及掌握各芯片的逻辑功能及使用方法，电路板的结构及接线方法，了解数字钟的组成及工作原理， 掌握了组合逻辑电路、时序逻辑电路及数字电路系统的设计、安装和测试方法，从进一步巩固理论知识，提高运用所学知识分析和解决问题的能力。 提高了电路的布局、布线及检查和排除故障能力。还有我们的团队协作能力也得到了很