电子技术课程设计-数字电子时钟的设计.doc

数字电子时钟的设计-数字秒表数字电子时钟的设计-数字秒表全套设计加扣3012250582 摘 要：在体育比赛、时间准确测量等场合通常要求计时精度到1%秒（即10 ms）甚至更高的计时装置，数字秒表是一种精确的计时仪表，可以担当此任。本课题的设计任务设计一个以数字方式显示的计时器，即数字秒表。数字式秒表是一种常用的计时工具，以其价格低廉、走时准确、使用方便、功能多而广泛用于体育比赛中，下文介绍了如何利用中小规模集成电路和半导体器件进行数字式秒表的设计。本设计中数字秒表的最大计时是59分59秒，也就是说分辨率是1秒，最后计数结果用数码管显示，需要实现清零、启动计时、暂停计时、继续计时等功能。在本次设计中由四片74LS161构成计数器来实现秒表的计数功能。由于需要比较稳定的信号，555定时器与电阻和电容组成的多谐振荡器产生1HZ的信号，用四个数码管显示计时，最后在电路中加入了两个控制开关一个控制电路的启动和暂停；另一个控制电路的清零。关键词 数字秒表；Multisim 2001；Protues 6.9；计时1 数字秒表设计指标及要求1.1课题说明在体育比赛、时间准确测量等场合通常要求计时精度到1%秒（即10 ms）甚至更高的计时装置，数字秒表是一种精确的计时仪表，可以担当此任。本课题的设计任务设计一个以数字方式显示的计时器，即数字秒表。数字式秒表是一种常用的计时工具，以其价格低廉、走时准确、使用方便、功能多而广泛用于体育比赛中，下文介绍了如何利用中小规模集成电路和半导体器件进行数字式秒表的设计。本设计中数字秒表的最大计时是59分59秒，也就是说分辨率是1秒，最后计数结果用数码管显示，需要实现清零、启动计时、暂停计时、继续计时等功能。在本次设计中由四片74LS161构成计数器来实现秒表的计数功能。由于需要比较稳定的信号，用555定时器与电阻和电容组成的多谐振荡器产生1HZ的信号，用四个数码管显示计时，最后在电路中加入了两个控制开关一个控制电路的启动和暂停；另一个控制电路的清零。1.2设计内容a) 数字秒表需求分析，信号及属性定义；b) 电路原理设计、分析、参数计算，画出电路原理图；c) 电路安装与实验测试。1.3设计要求a)量程99.99 S，计时精度1%秒，计时结果动态显示，十进制格式；b)设置启动、清除信号，清除信号使输出结果，使电路复位到初始状态；c)设置暂停、停止信号，暂停、停止时均保持当前结果，直到清除信号有效时止；1.4总体设计思路数字秒表由4个部分组成：精确的时钟源、十进制计数器、译码器、七段码或液晶显示电路。时钟源产生符合精度要求的基准时钟，本设计中取10毫秒即可。十进制计数器需要4个，分别对应4个十进制位，输出为BCD码。若采用七段码显示器则译码器完成BCD到七段码的译码，由4位显示电路动态显示结果。综上所述，数字秒表应具有以下结构（如图1.4所示）：高位计数器低位计数器译码驱动电路显示电路基准时钟电路输入控制逻辑 四图 1.41.5设计方案比较方案一：数字时钟是由脉冲发生器、计数器、译码器显示驱动电路和校时电路组成。振荡器产生稳定的高频脉冲信号,作为数字钟的时间基准,然后经过分频器输出标准秒脉冲。秒计数器满60后向分计数器进位,分计数器满60后向小时计数器进位,小时计数器按照“24翻1”规律计数。计数器的输出分别经译码器送显示器显示。由于计时会出现误差时,则需加校时电路对时、分进行校准。其组成框图如下图1.6.1：图1.6.1方案二： 设计一种多功能数字钟，该数字钟具有基本功能和扩展功能两部分。其中，基本功能部分的有准确计时，以数字形式显示时、分、秒的时间和校时功能。扩展功能部分则具有：定时控制、仿广播电台正点报时、自动报整点时数和触摸报正点的功能。数字钟的电路也是由主体电路和扩展电路两部分构成，在电路中，基本功能部分由主体电路实现，而扩展功能部电路实现。这两部分都有一个共同特点就是它们都要用到振荡电路提供的1Hz脉冲信号。在计时出现误差时电路还可以进行校时和校分，为了使电路简单所设计的电路不具备校秒的功能。并且要用数码管显示时、分、秒，各位均为两位显示，扩展部分要有相应的响应电路。根据设计要求首先建立了一个多功能 数字钟电路系统的组成框图，框图如图1.6.2所示。时显示器分显示器秒显示器时译码器分译码器秒译码器时计数器分计数器秒计数器校时电路振荡器分频器整点报时触摸报时仿电台报定时控制图1.6.2方案三： 数字钟实际上是一个对标准频率（1HZ）进行计数的计数电路。由于计数的起始时间不可能与标准时间（如北京时间）一致，故需要在电路上加一个校时电路，同时标准的1HZ时间信号必须做到准确稳定。通常使用石英晶体振荡器电路构成数字钟。计数部分分为一个二十四进制和两个六十进制计数，采用74HC390芯片。显示部分，采用CD4511译码器，而CD4511输出的是高电平有效，所以数码管采用的共阴数码管。校时部分为了防抖动采用了串联RS触发器。方案四：数字秒表由4个部分组成：精确的时钟源、十进制计数器、译码器、七段码或液晶显示电路。时钟源产生符合精度要求的基准时钟，本设计中取10毫秒即可。十进制计数器需要4个，分别对应4个十进制位，输出为BCD码。若采用七段码显示器则译码器完成BCD到七段码的译码，由4位显示电路动态显示结果。高位计数器低位计数器译码驱动电路显示电路基准时钟电路输入控制逻辑 四无图 1.6.31.6设计方案的论证在方案四中，采用分立元件构成数字集成电路，技术要求比较低。从经济方面考虑，则该方案所耗费的资金相对较少，同时也能很好地实现计时的功能。由于本次课程设计的目的是以电子技术为基础对电子线路的设计，加之在有些实际竞赛的场合，只要满足显示计时有效和有效的组别即可。因此本实验课程采用方案四的想法去执行。2 单元电路设计2.1分频、进位功能的实现：数字秒表由四部分组成：精确的时钟源，十进制计数器，译码器，七段码显示电路。数码管的一种是半导体发光器件，数码管可分为七段数码管和八段数码管，区别在于八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元，其基本单元是发光二极管。数码管是一类价格便宜 使用简单，通过对其不同的管脚输入相对的电流，使其发亮，从而显示出数字能够显示 时间、日期、温度等所有可用数字表示的参数的器件。在电器特别是家电领域应用极为广泛，如显示屏、空调、热水器、冰箱等等。绝大多数热水器用的都是数码管，其他家电也用液晶屏与荧光屏。需要使其具有恒定的工作电流。采用恒流驱动电路后可防止短时间的电流过载可能对发光管造成永久性损坏， 以此避免电流故障所引起的七段数码管的大面积损坏。超大规模集成电路还具有热保护功能，当任何一片的温度超过一定值时可自动关断，并且可在控制室内看到故障显示。74LS08：本实验设计时钟脉冲源采用电路板上的1000HZ脉冲，74ls90芯片具有2-5-10进制功能，由5片74ls90芯片构成分频、计数电路，第一片74ls90芯片将直接输入的1000HZ脉冲源分成100HZ，后四片74ls90芯片再逐次进行10H、1HZ、0.1HZ的分频工作，与此同时后4片74ls90芯片组成十进制计数器与四个终端显示由七段译码显示器连接以显示电路输出结果。74ls90功能表：CPaQ3Q2Q1Q001234567890000000011000011110000110011000101010101 图2 74ls90管脚图 表1 74ls90 BCD十进制计数时序2.2 分频电路如图3： 如图三2.3 计数电路：此电路需要4个十进制计数器，4个计数器由低位到高位连接起来，每一级的输入脉冲是前一级的十分之一，输出则需要正确连接七段码显示电路，其电路如图4。 图 4（注：12，9，8，11脚分别接数码管）2.4 计数、清零功能的实现：将CKB与Q0相连，时钟脉冲从CKA输入，构成8421BCD码十进制计数器。74ls90有两个清零端R0(1)、R0(2)和两个置九端R9(1)、R9(2)。在此电路中仅使用其清零功能见表2：R0(1) R0(2) R9(1) R9(2)Q3 Q2 Q1 Q011 0 X11 X 0X X 1 10 0 0 00 0 0 01 0 0 1X 0 X 00 X 0 X0 X X 0X 0 0 X计数 表 2当R0(1) R0(2)都接高电平时，实现清零功能。当R0(1) R0(2)都接低电平时，实现计数功能。故将4个十进制计数器的R0(1) R0(2)相连，由开关S2控制，实现计数和清零功能。2.5 开关驱动电路如图5：图 5当S1打开时，脉冲不可以通过与门，计数电路就会停止，实现暂停功能，当S1闭合时，恢复计数；当S1闭合，S2断开时，R0(1) R0(2)都接低电平，实现计数功能。当S1闭合，S2闭合时，R0(1) R0(2)都接高电平，实现清零功能。将S1和S2想与是为了实现当电路处于暂停状态时不能使用清零功能。2.6 总体电路设计：把三部分电路连接起来就得到了整个秒表的电路图（如图6）。 图 6首先将S1置为闭合状态，S2置为闭合状态，秒表显示为四个0，即清零状态；这时如果突然将S2断开，则秒表开始工作，如果再将S1断开的话，秒表就会暂停；要想将秒表清零，先把S1闭合，再将S2闭合即可。3单元电路仿真分析借助Multisim 2001和Proteus软件对电路进行仿真。Multisim 2001软件是EWB软件的最新版本，专门用于电路仿真，是迄今为止使用最方便、最直观的仿真软件，增加了大量的PLC元件模型，可以仿真更复杂的数字电路，在保留了EWB形象直观等优点的基础上，大大增强了软件的仿真测试和分析功能，大大扩充了元件库中的元件的数目，特别是增加了大量与实际元件对应的元件模型，使得仿真设计的结果更精确、更可靠、更具有实用性。Proteus软件有十多年的历史，在全球广泛使用，除了其具有和其它EDA工具一样的原理布图、PCB自动或人工布线及电路仿真的功能外，其革命性的功能是，它的电路仿真是互动的，针对微处理器的应用，还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，并实现软件源码级的实时调试。3.1分频电路仿真 图3.1 分频电路仿真3.2计数电路仿真此电路需要4个十进制计数器，4个计数器由低位到高位连接起来，每一级的输入脉冲是前一级的十分之一，输出则需要正确连接七段码显示电路。 图3.2 计数电路仿真3.3开关驱动电路仿真 图3.3 分频电路仿真4计时器电路及原理说明 数字秒表由4个部分组成：精确的时钟源、十进制计数器、译码器、七段码或液晶显示电路。 时钟源产生符合精度要求的基准时钟，本设计中取10毫秒即可。十进制计数器需要4个，分别对应4个十进制位，输出为BCD码。若采用七段码显示器则译码器完成BCD到七段码的译码，由4位显示电路动态显示结果。总体电路图是电子设计的结晶，是重要的设计文件，它不仅仅是电路安装和电路板制作等工艺设计的主要依据，而且是电路实验和维修时不可缺少的文件。总体电路涉及的方面和问题很多，不可能一次就把它画出来而不存在任何问题，它尚未通过试验的检验，所以不能算是正式的总体电路图，而只能是一个总体电路草图。 总体电路图应能清晰工整的反映出电路的组成、工作原理、各部分之间的关系以及各种信号的流向。总体电路图的绘制应注意以下几点：合理的布局；尽量把总体电路图画在一张纸上；电路图中各元器件必须采用国家标准规定的图形符号如电气图用图形符号GB4728.5。在Protel 99 SE绘图软件下绘制抢答器总体电路图，如附录A所示4.1原理说明该系统由时钟脉冲信号模块、计数模块和译码显示模块三部分组成。数字秒表由4个部分组成：精确的时钟源、十进制计数器、译码器、七段码或液晶显示电路。 时钟源产生符合精度要求的基准时钟，本设计中取10毫秒即可。十进制计数器需要4个，分别对应4个十进制位，输出为BCD码。若采用七段码显示器则译码器完成BCD到七段码的译码，由4位显示电路动态显示结果。4.2总体电路仿真把三部分电路连接起来就得到了整个秒表的电路图 图4.3.1 分频电路仿真总的原理图图4.3.2 分频电路仿真4.3 PCB设计印刷电路板或印制线路板，通常简称印制板或PCB,它是在一块绝缘板上覆着由铜箔构成的电路连线图的电路板，它的功能是连接电路和固定元器件。印制板的设计，就是印刷电路板上连线图的设计，以便为印刷电路板制作提供版图。印制板的设计应根据电路原理图和所用的元器件，合理地设计出连线图。印刷电路板根据其布线方式可分单面板、双面板、多层板等。若电路连线少且较简单时，可以采用单面板；若电路连线较多，可以采用双面板。由于该电路具有较多的连线，因此决定采用双面板，双面板布线至少要绘制两张版图。数字钟应具有分校正和时校正功能，因此，应截断分个位和时个位的直接计数通路，并采用正常计时信号与校正信号可以随时切换的电路接入其中。当开关J2打向下时，就选择了对分的校对；J2打向上，开关J3打向下就选择了对时的校对。 图4.4 图4.4 5实验总结和心得体会： 通过本次课程设计，把我们在课堂上学到的数字电路知识运用到实际当中。如各种常见芯片的功能，各种组合逻辑电路和时序逻辑电路的设计，在此次设计中，当然会遇到许多问题，毕竟这是第一次做一个很实际的硬件的器件。在进行一个综合性的硬件设计时，要全面考虑问题，如想用其他信号来控制一个信号，就要考虑到和这个信号直接或间接关系的信号，必须是最重要相关的信号，然后用真值表来解决他们的关系，通过门电路来实现。当我们拿到一个课题时，一定要先仔细分析要求，然后做出总体设计方案，再进一步细化各单元电路，最后将整个电路组合在一起，画出最终的逻辑电路图。下来就是在实际动手连接电路时的问题，由于种种客观方面的原因，导致我们连电路的时候要非常的仔细，尽量一次成功，毕竟连好再回来查已经是非常的麻烦了，那花的就是大功夫了。最后，在通过这两个礼拜地设计实习，让我真正理解了书本上知识，也让我知道我们课本上的知识在实际中怎么应用，理论联系实践，相互关系。通过此次设计，我对理论知识的学习有了很大的兴趣，现在我可以主动的去学习，我明白自己该学习那个方面，重点是什么？我也掌握的了在理论中遇到问题，应该怎样去解决，在实际中遇到迷团应该怎样去检查调试。实验中电路接线仍然是一个很麻烦的过程，由于这个实验门电路较多，所以一不小心就会接错线路，或者忘记接了哪个端口。理论上成熟之后，实际操作是一个很重要的过程。 对于夜间行车的设计，我是把这个功能电路单独的分出来进行接线，有两个开关控制夜间行车“小红灯”的状态。 实验还有很多应该改进的地方，最好在设计一个总开关，相当于车钥匙，拔掉钥匙就熄灭所有车灯，这就会更完善一点。 在这次实训过程，由于对设计软件的使用不熟悉，在设计过程中出现了许多问题，在画原理图的时候，线的节点没有处理好，在检查电器特性时，会出现许多错误。在老师的指导下，慢慢对连线节点进行处理，最后完成原理图设计。在制作PCB电路时，导入元件的过程中，元件的封装没有处理好，导致了大量的元件错误，不能一次性完成PCB制作。为此，返回原理图，修改元件封装。在印制电路板元器件封装编辑器中制作LED-7的封装，然后导入封装库，完成PCB的布局、自动连线、规则检测以及网络表的比较等。“实践是检验真真理的唯一标准。”的确如此，通过这次数字时钟的设计，我把理论知识与实践很好的结合，从而对我们以前所学的知识有了进一步的了解。同时，我也明白了一个道理，不论做什么事都要养成认真细心，善于思考，勤于动手的好习惯。在此次数字时钟设计的过程中，我更进一步的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。也锻炼了自己独立思考问题的能力和通过查看相关资料来解决问题的习惯。虽然这只是一次简单实训，但通过这次实训我了解了设计的一般步骤和设计中应注意的问题。通过这次实训，使我掌握了一些元器件的用途及它们的参数、性能。同时提高了我理论与实际相结合的能力，增加了把理论用于实践的兴趣，提高了我分析问题和解决问题的能力。俗话说：“世上无难事，只怕有心人“，我相信，通过这次实训，它给我的帮助是很大的，它教会了我如何去面对困难，解决困难，它使我明白，只有战胜自我，才能超越自我。有实力才有魅力。的确是这样，这次实训过后，我会更好的了解自己，向自己的目标看齐，用自己的努力来实现人生观、价值观。只有明白自己该何去何从，才能做到“长风破浪会有时，直挂云帆济沧海”。 通过本次课程设计，把我们在课堂上学到的数字电路知识运用到实际当中。如各种常见芯片的功能，各种组合逻辑电路和时序逻辑电路的设计，在此次设计中，当然会遇到许多问题，毕竟这是第一次做一个很实际的硬件的器件。 在进行一个综合性的硬件设计时，要全面考虑问题，如想用其他信号来控制一个信号，就要考虑到和这个信号直接或间接关系的信号，必须是最重要相关的信号，然后用真值表来解决他们的关系，通过门电路来实现。当我们拿到一个课题时，一定要先仔细分析要求，然后做出总体设计方案，再进一步细化各单元电路，最后将整个电路组合在一起，画出最终的逻辑电路图。下来就是在实际动手连接电路时的问题，由于种种客观方面的原因，导致我们连电路的时候要非常的仔细，尽量一次成功，毕竟连好再回来查已经是非常的麻烦了，那花的就是大功夫了。 最后，在通过这两个礼拜地设计实习，让我真正理解了书本上知识，也让我知道我们课本上的知识在实际中怎么应用，理论联系实践，相互关系。通过此次设计，我对理论知识的学习有了很大的兴趣，现在我可以主动的去学习，我明白自己该学习那个方面，重点是什么？我也掌握的了在理论中遇到问题，应该怎样去解决，在实际中遇到迷团应该怎样去检查调试。参考文献1康华光.电子技术基础.数字部分 北京:高等教育出版社,20002顾永杰.电工电子技术实训教程.上海:上海交通大学出版社,1999 3陈小虎.电工实习（I）.北京:中国电力出版社，1996