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毕业设计论文
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数字电子钟的设计,毕业设计论文
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数字电子钟的设计 实验目的 ： 1、巩固和加强“模拟电子技术”，“数字电子技术”课程的理论知识； 2、掌握电子电路一般的设计方法，并了解电子产品研制开发过程； 3、基本掌握电子电路安装和调试的方法； 4、培养独立分析问题和解决问题的能力以及创新能力和创新思维。 分 析问题和解决问题的能力以及创新能力和创新思维。 实验要求 ： 1、设计的数字钟能直接显示“时”，“分”，“秒”，并以 24 小时为一计时周期； 2、当电路发生走时误差时，要求电路具有校时功能。 3、要求电路具有整点报时功能，报时声响为四低一高，最后一响 正好为整点。 实验器材 :数字电路实验箱一个 ,面包板一块 ,74LS90 9 片 ,74LS48 6 片 ,74LS00 5 片 ,CC4012 2 片， 4.7K 和5.1K 电阻各一个 ,大小电容各一个 ,若干导线 实验原理 ： 数字钟是一个将“ 时”，“分”，“秒”显示于人的视觉器官的计时装置。它的计时周期为 24小时，显示满刻度为 23 时 59 分 59 秒，另外应有校时功能和报时功能。因此，一个基本的数字钟电路主要由译码显示器、“时”，“分”，“秒”计数器、校时电路、报时电路和振荡器组成。 干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 秒发现胡一个“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。译码显示电路将“时”、“分”、“秒”计数器的输出状态菁七段显示译码 器译码，通过六位 LED 七段显示器显示出来。整点报时电路时根据计时系统的输出状态产生一脉冲信号，然后去触发一音频发生器实现报时。校时电路时用来对“时”、“分”、“秒”显示数字进行校对调整的。 一、 振荡器 振荡器的作用是产生时间标准信号。数字钟的精度就是主要取决于时间标准信 的频率和稳定度。所以，在实验中采用 555 定时器构成的多谐振荡器作为时间标准信号源。 二、 计数器 根据计数周期分别组成两个 60 进制（秒、分）和一个 24 进制（时）的计数器。把它们适当连接旧可以构成秒、分、时的计数，实现计时功能。 三、 译码和数码显示电路 译 码和数码显示电路是将数字钟的计时状态直观清晰地反映出来。可被人们的视觉器官所接受。显示器件选用 LED 七段数码管。在译码显示电路输出信号的驱动下，显示出清晰直观的数字符号。 四、 校时电路 数字钟电路由于秒信号的精确性和稳定性不可能做到完全准确无误，又因为电路中其他的原因数字钟总会产生走时误差的现象。所以，电路中就应该有校准时间功能的电路。 五、 报时电路 当数字钟显示整点时，应能报时。要求当数字钟的“分”和“秒”计数器计到 59 分 50 秒时，驱动音响电路，要求每隔一秒音响电路鸣叫一次，每次叫声的时间持续 1 秒， 10 秒中内自动 发出 5 声鸣叫，并且前 4声低，最后一声高，正好报整点。 原理图 ： （分散于各模块） 实现方案 :分别用两片 74LS90 构成时计数器 ,分计数器和秒计数器 .用 3 片 74LS90 构成分频器 .用 555 定时器构造振荡器 .用 74LS48 构造译码电路 .用 6 个 LED 来实验时钟 .用若干与非门构造校时电路和报时电路 . 实验步骤 ： 一、 秒计数器的设计及安装（图 1） nts图 1 秒信号发生器是数字电子钟的核心部分，它的精度和稳定度决定了时信号发生器和分信号发生器的精度。 秒计数器为 60 进制计数器。实现此模数的计数器 是由两片中规模集成计数器 74LS90 构成。首先将两片 74LS90 设置成 10 进制加法计数器。将两片的 74LS90的置数端 s1 和 s0 都接地，将“ CP1” 接到 Q0 端，以 Q3 为位进位端，则构成了 10 进制加法计数器。再将其中一片（以下都称片 1） 74LS90 计数器的进位输出端 Q3 接到另一片（以下都称片 2） 74LS90 的进位输入端 CP0，如此，两片计数器最大的即可实现 100进制的计数器。接下来，利用 74LS90 的“反馈置零”的方法实现 60 进制。 74LS90 属于一步置数，所以计数器输出“ 2Q32Q22Q12Q0、 1Q31Q21Q11Q0=0110、 0000时 ,通过置数脉冲使计数器清零 ,也就是此时 Q2,Q1发出置数脉冲松脂清零端 R1,R0 使计数器清零 . 二、 分计数器的设计及安装（图 2） 图 2 分计数器也是 60 进制计数器。同秒计数器一样是由两片中规 模集成计数器74LS90构成。将两片 74LS90按同秒计数器的方法接成10 进制加法计数器，再按同秒计数器的方法接成可实现100 进制的计数器。再用同秒计数器的方法实现 60 进制。 三、 时计数器的设计及安装（图 3） 图 3 时计数器是 24 进制计数器 。实现此模数的计数器是由两片中规模集成计数器 74LS90 构成。同分、秒计数器一样 ,先将两片计数器 74LS90 连接成 10 进制的加法计数器 , 再 把 两 片 计 数 器nts74LS90 用秒计数器的方法接成可实现 100 进制的计数器 .当计数器状态为 2Q32Q22Q12Q0、1Q31Q21Q11Q0=0010、 0100时 ,要求计数器归零 .通过 2Q1、 1Q2 送出的指数脉冲使两片计数器 74LS90 同时归零 ,这样就构成了 24 进制计数器。 四、实现进位 将秒计数器的第 14 个管脚与分显示器个位上的 C 相连接 ,将分计数器的第 14 个管脚与时显示器个位上的 C 相连接 ,即可实现秒计数器的脉冲打入分显示器 ,分计数器的脉冲打入时显示器 .可达到进位的目的 . 五、译码显示电路（图 4） 图 4 译码电路的功能是将“秒”“分”“时”计数器的输出代码进行编译，变成相应的数 字。用于驱动 LED 七段译码器常用的有74LS47.74LS47是 BCD-7 段译码器 /驱动器，其输出是 OC 门输出且低电平有效，专用于驱动 LED 七段共阳极显示数码管。由 74LS47 和 LED 七段共阳数码管组成的一位数码显示电路。若将“秒”“分”“时”计数器的每位输出分别接到相应七段译码器的输入端，便可 进行不同数字显示。在译码器输出与数码管之间串联的 R 为限流电阻。 当数字钟的计数器在 CP 脉冲的作用下，按 60 秒为一分， 60 分为一小时， 24 小时为 1 天的计数规律计数时，就应将其状态显示成清晰的数字符号，需要将计数器的状态进行译码并将其显示出来。 我们 选用的计数器全部是二 十进制集成片，“秒”，“分”，“时”的个位和十位的状态分别由集成片中的四个触发器的输出状态反映的。每组输出的计数状态都按 BCD 代码以高低电平来表现。因此，需要经过译码电路将计数器输出的 BCD 代码变成能驱动七段数码显示器的工作信号。将计数器和译码显示器连在一起。其电路图 4 所示 六、分频电路 （ 1）振荡电路（图 5） 振荡器是数字钟的心脏，它是产生时间标准 秒 信号的电路。为了制作简便，在精度要求不高的条件下，本系统中的振荡电路选用了 555 定时器构成的多谐振荡器，如下图 ： 图 5 多 谐 振 荡 器 的 振 荡 频 率 可 由 以 下 公 式 估 计f=1/T 1/0.69（ R1+2R2） C 由于实验需要，设 f=1KHZ，由上面的公式推算出： R1=4.7K ， R2=5.1K ， C=0.1 F (2)、分频器电路（图 6） nts由上面 555 定时器构成的多谐振荡器发出的信号经过分频器电路得到时间标准信号，电路图如 左 所示： 图 6 七、校时电路 (图 7) 图 7 当时钟指示不准或停摆时，就需要校准时间。校准的方法很多，常用的有“快速校时法”。 分计时器的校时：与非门 1， 2 构成的双稳态触 发器，可以将 1Hz 的“秒”信号和“秒计数器的进位信号”送至“分计数器的 CP 端”。两个信号的送入由开关 K 控制，其工作过程如下： 当开关 K 置“ B”端时，与非门 1输出低电平，与非门 2 输出高电平。“秒计数器进位信号”通过门 4 和门 5 送至“分计数器的 CP 端”，使“分计数器”正常工作；需要校正“分计时器”时，将开关 K 置“ A”端，与非门 1 输出高电平，与非门 2 输出低电平，门 4 封锁“秒计数器进位信号”，门 3 将 1Hz 的CP 信号通过门 3 和门 5 送至“分计时器”的 CP 控制端，使“分计时器”在“秒”信号的控制下“快速”计数，直至正确的时 间，再将开关置于“ B”端，达到校准时间的目的。 时计时器的校时同分计时器的校时相同。 八、报时电路（图 8） 图 8 数字钟整点报时是最基本的功能之一。实验要求的是在离整点差 10 秒时，每隔一秒鸣叫一次，每次持续时间为一秒，共响 5次，前 4 次为低音500Hz，最后一声为高nts音 1000Hz。整点报时电路如图 6 所示。 整点报时电路主要由控制门电路和音响电路两部分组成。 1、控制门电路部分： 由 11个与非门组成。图中与非门的输入信号 Q4、 Q3、 Q2、 Q1、分别表示“分十位”、“分个位”、“秒十位”、“秒个位”的状态， 下标中的 D、 C、 B、 A 分别表示组成计数器的四个触发器的状态。 由上图可以看出： Y1=QC4*QA4*QD3*QA3 Y2=Y1*QC2*QA 2 以上二式表示当分十位为 5（即 QC4QA4=101）、分个位为 9（即 QD3QA3=1001）、秒十位为 5（即 QC2QA2=101）时，即 59 分 50 秒时发出控制信号。 根据设计要求，数字钟电路要求在 59 分 51秒、 53秒、 55 秒、 59秒时各鸣叫一次。 当计数器达到 59 分 50秒时，分、秒计数器的状态为： QD4QC4QB4QA4=0101（分十位） QD3QC3QB3QA3=1001（分个位） QD2QC2QB2QA2=0101（秒十位） QD1QC1QB1QA1=0000（秒个位） 前四声计数器状态发生在 59分 51 秒至 59 分 58 秒之间。因此，只有秒个位的状态发生变化，而其他计数器的状态无需变化，所以可保持不变。 此时 QC4=QA4=QD3=QA3=QC2=QA2=1不变，将它们相与即得 Y2。 而 51秒、 53 秒、 55秒、 57， 59秒时的秒计数器个位状态分别为 QD1QC1QB1QA1=0001（ 51秒） QD1QC1QB1QA1=0011（ 53秒） QD1QC1QB1QA1=0101（ 55秒） QD1QC1QB1QA1=0111（ 57秒） 并根据需要，前四声为低，则接如 500Hz的脉冲信号。 最后一声的各计数器状态分别如下： QD4QC4QB4QA4=0000（分十位） QD3QC3QB3QA3=0000（分个位） QD2QC2QB2QA2=0000（秒十位） QD1QC1QB1QA1=0000（秒个位） 即只须将分进位信号和 1KHz的脉冲信号接入即可。 2、音响电路 音响电路采用射极输出器，推动 8欧母的喇叭，三极管基极串接 1K 限流电阻，是为了防止电流过大损坏喇叭。 调试方法 ： 一、 计数器的安装与调试 按图 1，图 2，图 3电路在实验箱上连线。连线顺序为秒计数器，分计数器，时计数器。 接好线路后，将秒计数器，分计数器，时计数器连接个位的芯片的第 14 个管脚分别接上脉冲上检验所接电路是否为正确的。 二、 译码显示电路的安装与调试 按图 4电路在数字电路实验箱上连线。按已接好的脉冲调试，看看所接电路是否正确。 三、 振荡器的安装和调试 按图 5电路在实验箱上连线。接上示波器，观察波形可知道振荡器安装是否正确。 nts其波形如图所示： （略） 四、 校时电路的安装和调试 按图 6所示的电路图在数字实验箱上连线。 将电路输出接二极管。拨动开关。观察在 CP作用下，输出端二极管的显示情况。根据开关的不同状态，输出端输出频率之比约为 1： 60，“开关”即数字实验箱上的逻辑电平开关。 五、 整点报时电路的安装和调试 按图 7在数字实验箱上连线。报时电路发出的声响是 59坟 1秒至 59分 60秒之间， 59 分的状态是不变的。测试时， 1KHz的 CP信号可由实验箱上获得， 500Hz的 CP信号可将 1KHz的信号经 K触发器二分频得到。观察计数器 CP信号的作用下，喇叭发出声响的情况。 实验心得 :通过一天半的努力，实验成果比较不理想，只完成了一半的设计 。通过本次实验，我的手动能力和经验有了一定程度的加强。在数字电子技术的理论知识上也有了更深的了解。在调试的过程中，通过排除故障，我学到了许多经验，这些是书本上学不到的。 在此次实验之后， 巩固和运用了在“模拟电子技术”、“数字电子技术”及“电路分析”等课程中所学的理论知识和实验技能，基本掌握了常用电子电路的一般设计方法，提高了设计能力和实验技能。 在做时 ,分 ,秒计数器安装的实验时 , 因所用方法不对 ,故在做此实验时屡屡失败 ,后在同学的指导下正确并成功
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