数电课程设计数字钟.doc

洛阳理工学院课 程 设 计课程名称 数字电子技术 课题名称 多功能数字钟 专 业 电器工程及其自动化 班 级 学 号 姓 名 指导教师 年 月 日洛阳理工学院学院课 程 设 计 任 务 书课程名称 数字电子技术 题 目 多功能数字钟 专业班级 学生姓名 指导老师 审 批 任务书下达日期 年 月 日设 计 完成日期 年 月 日 设计内容与设计要求一设计内容1. 设计一个具有“时”、“分”、“秒”的十进制数字显示钟。2具有校时、校分、校秒功能。3具有整点报时功能，整点前10秒发光二极管闪烁5次，周期为2秒。4设计振荡器。二设计要求1. 设计思路清晰，给出整体设计框图，画出整机原理图；2. 给出具体设计思路，设计各单元电路、电路器件；3. 总电路设计4. 进行实验调试，验证设计结果；5. 编写设计说明书；6. 所有图纸和说明书用计算机打印。 主要设计条件1. 提供数字电路实验箱一台；2. 提供直流电源一台；3. 必要的元器件和导线等；4 计算机。说明书格式1. 课程设计封面；2. 任务书；3. 说明书目录；4. 设计总体思路，基本原理和框图；5. 单元电路设计；6. 仿真结果；7. 实验调试；8. 总结与体会；9. 附录；10. 参考文献；11. 整机原理图。进度安排第一周星期一：下达设计任务书，查找资料；星期二：确定总体设计方案；单元电路设计；星期三：电路仿真，修改方案；星期四：画出整机原理图草图及调试电路图;星期五：安装、调试电路；第二周星期一三：安装、调试电路；星期四五：验收电路，写设计报告，打印相关图纸；星期五：答辩、交设计报告书。参考文献1. 康华光主编. 电子技术基础（数字部分），高等教育出 版社。2. 阎 石主编. 电子技术基础（数字部分），清华大学出 版社。3. 任为民主编. 电子技术基础课程设计，中央广播电视大学出版社。 4. 彭介华主编，电子技术课程设计指导，高等教育出版社。 5电子线路设计、实验、测试谢自美主编 华中理工出版目录一、 设计总体思路、基本原理7二、设计框图8三、单元电路设计91、分秒计数器电路92、24小时计数器电路103、整点报时电路114、校时电路设计135、秒脉冲产生器13四、EWB软件和重要芯片的介绍15五、仿真结果17六、电路的安装与调试21七、总结与体会23八、附录25九、参考文献25十、整机原理图26十一、评分表27多功能数字钟课程设计一、设计总体思路和基本原理数字电子钟是一种用数字显示秒、分、时、日的计时装置，与传统的机械钟相比，它具有走时准确，显示直观、无机械传动装置、具有更长的使用寿命，等优点，因而得到了广泛的应用、小到人们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。数字电子钟由以下几部分组成：秒脉冲发生器；校时电路；六十进制秒、分计数器，二十四进制（或十二进制）计时计数器；秒、分、时的译码显示部分。从课程设计要求来看，数字钟主要分为数码显示器、60进制和24进制计数器、频率振荡器、校时电路和整点报时电路这几个部分。数字钟要完成显示需要6个数码管，八段的数码管需要译码器才能显示，然后要实现时、分、秒的计时需要60进制计数器和24进制计数器，在仿真软件中发生信号可以用函数发生器仿真，频率可以随意调整。频率振荡器可以由晶体振荡器分频来提供，也可以由555定时来产生脉冲并分频为1HZ。方案可以采用74LS160同步十进制加法计数器或采用74LS161十六进制计数器或74LS192十进制异步清零计数器，也可进行组合来组成10进制和6进制的计数器。而小时的24进制也可以采用上述方案。由于我对74LS160的功能比较熟悉，故我分别用六块74LS160芯片来实现，两个60进制和一个24进制的秒、分、时计数。二、 设计框图时显示器分显示器秒显示器时译码器分译码器秒译码器整点报时时计数器分计数器秒计数器校时电路秒脉冲图2.1（1）振荡器电路：一般说来，振荡器的频率越高，计时精度越高。本设计中采用由集成定时器555与RC组成的多谐振荡器，经过调整输出1000Hz脉冲。 （2）时间计数器电路：时间计数电路由秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器及时个位和时十位计数器电路构成，其中秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器为60进制计数器，时个位和时十位计数器为24进制计数器。（3）译码显示电路：译码显示电路将计数器输出的8421BCD码转换为数码管需要的逻辑状态，并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流，我们采用自带译码功能的数码管。（4）整点报时电路：一般时钟都应具备整点报时电路功能,即在时间出现整点前数秒内,数字钟会自动报时。其作用方式是在整点前的十秒内，出现奇数秒时报时灯发光，从而实现在最后十秒内闪烁五次，以示提醒。 （5）校时电路：由于数字钟的初始时间不一定是标准时间，而且在数字钟的运行过程中可能出现误差，所以需要校时电路来对“时、分”显示数字进行校对调整。三、单元电路设计1、分秒计数器电路分和秒的进制一样，都采用60进制计数。本设计选用74LS160作为计数器，将一片74LS160设置成10进制加法计数器，另一片设置成6进制加法计数器。两片74LS160按反馈清零法串接而成，当十位和个位总共计满60个数后计数器清零。因为秒计数器的十位的输出端QB、QC表示6，秒计数器的十位的输出端QB、QC通过与非门输出低电平脉冲用作自身清零，秒计数器的十位的输出端QB、QC通过与非门然后接一个非门输出高电平脉冲作分计数器的输入脉冲。秒计数器接受的信号为振荡器经分频后输出的1HZ的标准脉冲，秒计数器接受来自分频器的60个1HZ脉冲后，QB、QC都为逻辑1通过与门输出一个进位脉冲给分计数器，通过与非门和非门输出一个低电平0给清零端，秒计数器清零。当分计数器接受60个来自秒计数器的进位信号后向时计数器的个位给出一个进位信号。秒、分计数器的计数规律是从005900。秒、分计时器电路：图3.1 分秒计数器仿真电路图2、24小时计数器电路时钟计数器设计为24进制计数，本设计选用74LS160作为计数器，开始将两片74LS160都设置成十进制加法计数器，将时个位的QC和时十位的QB接到与非门，然后分别接到两块芯片的清零端，从而实现24进制。既个位计数器的状态为QD QC QB QA = 0100 、十位计数器的状态为QD QC QB QA = 0010时，要求计数器归零。把个位QC、十位QB通过与非门的输出信号送到个位和十位计数器的清零端，使计数器清零。计数规律是从002300。时计数器电路：图3.2 24小时计数器电路3、整点报时电路数字钟一般都应具备整点报时电路功能,即在时间出现整点前数秒内,数字钟会自动报时。其作用方式是在整点前的十秒内，出现奇数秒1、3、5、7、9时报时灯发光，从而实现在最后十秒内闪烁五次，以示提醒。本设计采用74LS151数据选择器选出整点前最后十秒内的奇数秒。把秒计数个位的QA、QB、QC分别接到74LS151的A、B、C端，当151的输入是001时，选择输出D1，以此类推，当个位出现9时，9的二进制数 1001的后三位是 001 ，刚好就是十进制数的1，从而就巧妙的让只有三个数据输入端的74LS151选出了本不能选出来的9。我们通过多个与门选出当分钟的十位为5、个位为9、秒钟的十位为5时的状态，将三个状态与在一起后再非一下，连接到74LS151的G端，从而控制74LS151在五十九分五十秒的时候开始工作，零分零秒的时候停止工作。74LS151工作时，秒钟是奇数秒时报时灯亮。整点报时电路图：图3.3 整点报时电路图4、校时电路设计通过三个开关分别控制时、分、秒电路的脉冲输入端CLK，当要调时时就把控制时脉冲的开关打开，脉冲就直接输给了时；同样当要调节分和秒时，就分别把分、秒的脉冲开关打开实行调节，电路图如下：图3.4 校时电路图5、秒脉冲产生器由振荡器与分频器组合产生秒脉冲信号。理论计算：555定时器的脉冲时间是由于RC充放电确定的。根据三要素公式 充电过程 充电时间 放电过程 放电时间 一个周期时间 频率 首先确定C1=0.1f ，R2=5.1，需要输出频率f=1HZ，充放电时间算为 1 ms ，可以确定 R1=4.1。图3.5 振荡器电路图： 四、EWB软件和重要芯片的介绍1、EWB提供了仿真实验和电路分析两种仿真分析手段，可用于模拟电路、数字电路、数模混合电路和部分强电电路的仿真实验、分析和设计。与其它软件相比，它的最显著特点是提供一个操作简便且与实际很相似的虚拟实验平台。并且 还能进行实际无法或不便进行的实验内容。在做实验的仿真之前，简单的了解了一下这个软件，并且对它的使用方法有了一定的熟悉。2、74LS160 为可预置的十进制同步计数器，其管脚图如图所示：RCO 进位输出端 ENP 计数控制端QA-QD 输出端ENT 计数控制端CLK 时钟输入端CLR 异步清零端（低电平有效）LOAD 同步并行置入端（低电平有效）74LS160的功能表：CPRDLDEPET工作状态0置零 10预置数1101保持110保持 1111计数74LS160真值表上升沿脉冲个数电路状态十进制数进位输出QAQBQCQD3、74LS151的功能真值表输入输出使能选择GCBAYW1100000D0D00001D1D10010D2D20011D3D30100D4D40101D5D50110D6D60111D7D7五、仿真结果1、秒脉冲的产生电路仿真结果图5.12、整点报时电路仿真结果报时电路仿真的同时，我们可以检测数字钟主体是否运行正常、校时电路是否能正常校时。首先，分钟校时到59分，然后让数字钟自主运行，检验了校时电路、分秒的进位关系、整点报时电路；然后校时到23：59分，检验了时分的进位关系、数字钟的总体运行性能。整点前的报时状态：3、24小时电路仿真4、总机电路仿真六、电路的安装与调试1、 选择实验台和检测各元器件首先，在实验室找了一个实验台，看实验台能不能正常启动，能不能正常加入电源，然后，将领到的元器件一一检测，其中发现运行不正常的芯片，马上就找到班长换。2、安装芯片、连线与调试首先，我们先把显示器和74LS47芯片装到先安装到实验台上；然后，把核心的芯片74LS160，根据实验台的实际情况有序的安装在实验台上；其次，把74LS151和各种门电路芯片装在恰当的位置。按图接线是必须的第一个步骤，为了防止线接完后一开机发现什么都不显示或者显示得乱七八糟的那种情况发生，我们采用分模块接线，接完一个模块就测试一个模块的方法来进行。开始连的是秒钟计数器，接完线后通电测试，发现显示器不正常。故障一：显示器上显示的数字有些地方少了一横或者一竖。我们先是检查了74LS160的输出端有没有接触好，发现的确是没有接触好。然后安装分钟计数器，其线路和秒钟相同，但接完线后却出现了故障。故障二：通电时，发现当秒钟走完59秒后，分钟没有进位。排除故障：首先想到的是检查秒十位的进位输出端有没有连到分钟个位的是能端，通过检查发现这里没有问题，然后想到检查分钟电路的线都有没有接好，果然发现，原来是少接了一根地线，我们讲接地的先加上之后就能正常运行了。排除故障后，就是安装时钟计数器，其原理与分秒计时器差不多，但是通电检测发现时钟计数器的运行有问题。故障三：通电后发现时钟没有正常清零成为二十四进制，而是一百进制。排除故障：试探性的按了一下时计数器的74LS160芯片，发现问题没有解决，然后再检查导线，检查发现都没有没有问题，然后我把QB、QC连与非门的两根线换了，问题还是没有解决，我自己清楚的知道，问题肯定是出在清零那里，于是我就换了一个与非门的接入端，还是不行，接着就干脆换了一块芯片，以为是与非门的其他两个端都坏了，这可是一个大工程，搞了半天，把前面的分和秒重新连接好，把时钟也连接好，发现，终于正常了。接下来安装的是整点报时电路，由于报时电路与前面的电路的联系不大，也比较简单，我们按照电路图接好线之后就能正常工作了。最后安装校时电路，首先我们想到的是利用开关控制接入高电平的形式，按一下开关就输入一个上升沿给秒、分或时电路的时钟输入端，想是这么想的，但是接好线之后通电，出故障了。故障四：只要一按开关就跳十几下，甚至乱跳，根本看不清，所以就不能正常调时了。排故方法：因为实验台上有一个按钮上升沿脉冲，我就把接高电平的一端换成上升沿脉冲，换了之后就能正常工作了。最终，我把总的电路按照流程操作了一次，又发现了一个新问题。故障五：有时候显示器上的数字会从39笔直跳到42，有时候它只显示奇数。先是把所有的线路都检查了一次，发现问题还是没有解决，然后换了一块74LS160芯片，还是有问题，但是如果是手动校时的时候就没有问题，于是就想到时加入的脉冲有问题，我干脆就才实验台上自己重新调了一个1KZ的脉冲加进去，果然问题解决了。自此，数字钟的的安装与调试全部完成，我所设计的数字钟已经可以正常的工作运行了。七、总结与体会通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关数字电子技术线路方面的知识，在设计过程中虽然遇到了很多问题，但经过一次又一次的思考和与同学的讨论，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获得知识，最后在我们三个人的共同努力下，终于顺利完成了这次课程设计。在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可!首先，在设计电路过程中，EWB软件给我们的设计提供了很大的便利，它提供大量的元器件库，提供修改电路设计的灵活性、提供实验室在数量、质量上难以相比的虚拟仪器、仪表，使设计时间大为缩短，设计过程更直观、方便。同时在EWB软件中出现了许多各种各样的错误，最后经过不断的修改以及和同学的讨论得到了比较好的解决，从中我也弄明白了很多东西。出现的问题主要有设计六十进制计数器和二十四进制计数器是各个计数器之间的连接、进位问题，进位问题是我们在设计过程中遇到的最头疼的问题，主要是对同步置数、异步置零方面的知识没有理解透彻，还有就是在操作过程中我们发现在计数器的进位端不能连接非门或者与非门，否则会出现一通电分钟和时钟就变成了1的状况，解决进位问题花了我们将近一天的时间，这主要还要怪我们没有认真学好书本知识；校时电路的连接方式问题，最初的设计是参照老师的建议的思路设计的，但是在实际操作时发现我们设计的校时器会导致计数器一次记两个数，反复修改都没有解决，所以只好改成稳定性没有那么好的直接连入时钟信号的方法。在安装与调试的过程更是遇到了大问题，但是在我们的努力下，都一一解决了，当最终完成之后，心里有一种成就感，尤其是在帮助别人调试成功之后。这次数字电子电路课程设计，让我复习了数字电子的知识同时也学习了许多新的知识。每次课程设计是一次难得的锻炼机会，让我们能够充分利用所学过的理论知识还有自己的创造力，让我们学会了查找资料的方法，培养了自己设计和分析电路的能力。我相信这是对我的一个很好的提高。这次课程设计让我深刻地认识到平时在学习理论知识的时候，我们应该更注重实践，而不是只为应付考试，学习就应该学有所成。这次课程设计让我对我们所学的知识能干什么有了更直观的了解，比如说我就认识到了我们学好了知识就可以设计出我们身边随处可见的数字钟。以前那些神秘的东西在不断的学习过程中变得