数字电子时钟设计.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除目 录摘要：10第一章 设计选用元器件介绍11一: 74LS160(十进制计数器)的介绍11二：74LS00介绍12三: 74LS00与74LS160应用举例12四:显示数码管12五: 非门74LS0413六:555定时器13第二章 用multism2001设计时钟电路14一：总体设计思想14二：同步时钟信号的设计14三：秒电路的设计15四：分钟电路的设计15五：小时电路的设计16六：完整的时钟电路设计16七:电路仿真17八：功能拓展17九：综述17第三章：应用protel99se来设计时钟电路的电路板17一：总体设计思路17二：原理图（schematic）的输入17三：网络表（netlist）的生成18四:PCB的生成19第四章：电路板实物的制作20一: 电路板实物制作概述20二:实物的焊制21三: 硬件的检修21结论:21参考书目:21摘要：时钟电路是我们学习电子的一个典型重要设计，能够对整个电子的基础理论做系统的联系和强化。在本设计中主要是能够熟悉一些简单常用的数字芯片,以及两个常见的软件,multism2001与protel99se,并通过这项设计能够熟悉一个电子产品从设计到做成型的一个完整的过程.电子产品的设计最初是功能需求分析,然后是按照功能需求分析设计出能够进行功能的电路原理.(设计要考虑可行性以及经济性要求要能够用最少的电路实现最大的功能),然后就是用multism2001软件仿真电路的工作是不是与自己的设想一样,也可以根据进行某些改进. 下一步就是设计制作电路PCB 我们常用的是protel99se,这样对我们的设计PCB非常有用,最后就是PCB的加工,.然后按照原理图焊入电子元器件,最后进行硬件检测,一直到电路工作正常为止. 现在电子产品的设计与制造的过程都离不开计算机的帮助,现在最新的就是EDA技术能够在CPLD的内部实现使用的电路.实现片内系统的集成.关键字： 时钟电路 multism2001仿真 protel99se Abstract: The reason why the clock circuit is the one of the most typical design for a Lerner of electricity is that it is combination of all fundamental knowledge. For this design I should apply some common digital chip, and the most used software-(CAD computer aided design) multism2001 and protel99se , meanwhile it is a chance for me to acknowledge the progress that a good been made. When you design a good, the first thing you should do us that you should do the acquiring analysis , than you should design the actual circuit meet this acquiring. (while design you must use the least circuit to realize the most useful functions). After this multism2001 can be used to check whether the result you had fit the function you want. Meanwhile you can do some corrections if needed. protel99se can be used ro make the PCB( printed circuit board). All the things left is that embed all components and check whether it can works well. In the electronic design today, almost all the designs must benefit from the computers, EDA(electronic design automatically) can make the whole circuit in one single chip we called the CPLD(complex programmable logic devices)Key words: clock circuit multism2001simulation protel99se第一章 设计选用元器件介绍 时钟电路的设计所能采用的元件很多,我们选用了一些常见的74系列的数字芯片. 包括74LS160(十进制计数器), 74LS00(与非门),74LS04非门,以及用来显示的数码管,产生晶振的555定时器以及一些相关的电阻,电容等.一: 74LS160(十进制计数器)的介绍 74LS160是最为常见的10进制计数器,元件的引脚图如下74LS160的引脚图74LS160的功能是实现0-9的自动计数，芯片工作的时候ENT与ENP必须工作的高电平，CLK 接时钟信号，当有时钟信号输入ENT与ENP接如高电平（而且CLR与LOAD为高电平时，计数器正常计数由QA ，QB，QC，QD 输出，当计数为9时RCO自动发出一个进位信号。 CLR是清零， LOAD 是置数。利用74LS160的这个功能特点可以设计出十分频器，计数器。真值表如下：CLRLOADENP/ENTCLKRCOQA QB QC QD输出十进制111脉冲当输出为1001是为10000-1001输出0-9依次输出0X1脉冲000101脉冲当输出为1001是为1由预置数到1001计数由预置数到9计数XX0X电路不工作电路不工作电路不工作二：74LS00介绍&74LS00采用肖特基二极管作为输入级，组成与门电路，而用三极管作为输出级而实现非的逻辑功能,是一个四个与非门的集成芯片，一脚与使四脚为电源与接地端，其余为四个与非门电路。2脚，3脚，四脚是一个与非门，,其他类推，以其中的一个为例：输出等与两个输入端的与的非形式，真值表为：输入A 输入B输出= 001011101110三: 74LS00与74LS160应用举例1. 74LS04与多个74LS00 (十进制计数器)组合能够组成任意进制的计数器,例如用两个十进制的计数器组成十二进制的计数器.两个74LS160与一个74LS04组成的十二进制度计数器2. 用两片十进制加法计数器74LS160级联构成的一百进制计数器,逻辑图如下： 异步级联法组成的100进制计数器定义集成计数器的高低位，1#芯片为低位（相当于个位）；2#芯片为高位，（相当于十位），从低位开始计数，把计数脉冲CP送入1#（低位）集成计数器的CP端。B寻找进位信号，进位端C发出的就是进位信号，这是从09的计数过程中，计数到Q3Q2Q1Q0=1001（9）时，发出的高电平信号。C74LS160是CP上升沿有效的集成计数器，高位芯片需要一个脉冲上升沿进行触发计数，并且，就进位的时机而言，应该在低位芯片的状态是90（Q3Q2Q1Q0=10010000）时刻，此时，进位输出端C：从10，这是一个下降沿，这也是我们需要的进位信号，只是信号边沿不对。可以用一个非门进行信号边沿的转换，把下降沿变成上升沿。低位计数器的C端通过一个非门连接到高位CP端，完成十进制到100进制的级联扩展。四:显示数码管 集成显示数码管可以用来显示0-F十六进制的数字,它是由七个发光二极管组成，有共阴极和共阳极两种接法。共阴极接法时，哪个管子的阳极接收到高电平，哪个管子发光；共阳极接法时，哪个管子阴极接收到低电平，哪个管子发光。图例如下: 在本设计中用集成显示数码管与74LS160的输出端连接来显示输出连线为: 集成显示数码管与74LS160的输出端连线图此文档仅供学习与交流五: 非门74LS04非门74LS04是一块TTL集成电路，内有六个单端输入的与非门，如果用来表示逻辑非,是能够实现高低电平转换的.其真值表为:输入A 输出011074LS04逻辑表达式 74LS04真值表六:555定时器555电路是一种数字和模拟混合型的中规模集成电路,它能产生时间延迟和多种脉冲信号,应用十分广泛，可以与一些简单的电子元器件组合成触发器电路,震荡电路等,下面是555定时器电路结构以及外管脚排列：THDIS+VCCOUTRDTRGNDCO8 7 6 5555 1 2 3 4（b）（a） & & 1 控制电压VC复位控制TH+VCCQ输出端 DIS放电端 5k 5k 5k C1 C2 G1 G2 G3 T + + RD Q Q 置位控制TR GND它含有3个分压电阻和两个高、低电平比较C1、C2,一个基本RS触发器，一个放电开关管T。高电平比较器C1的同相输入端参考电平为2VCC/3,低电平比较器C2的反相输入端的参考电平为VCC/3,C1与C2的输出端控制基本RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号自6管脚输入并超过参考电平2VCC/3时,触发器置0，定时器的输出端3管脚输出低电平,同时放电开关管导通；当输入信号自2管脚输入并低于VCC/3时,触发器置1,定时器的3管脚输出高电平,同时放电开关管截止。是直接复位端,当0,定时器输出低电平。平时 端开路。VC是外接控制电压输入端(5管脚),当VC外接一个输入电压UVC时,则改变比较器的参考电压(UT+UVC, UT-UVC/2)；不接外加电压时,通常接一个0.01F的电容器到地,起滤波作用,以消除外来干扰,确保参考电平的稳定。T为放电管,当T导通时,将给接于7管脚的电容器提供放电通路。2.555定时器的应用：555定时器主要是通过外接电阻R和电容器C构成充、放电电路,并由两个比较器来检测电容器上的电压,以确定输出电平的高低和放电开关管的通断。这就很方便地构成从微秒到数十分钟的延时电路、以及多谐振荡器、单稳态触发器、施密特触发器等脉冲波形产生和整形电路。第二章 用multism2001设计时钟电路一：总体设计思想这项设计是采用了555定时器组成一个1HZ 的时钟信号，并以其来充当电路工作的同步时钟信号。并且用六个74LS160与相应的与非门来实现时间，分钟，秒的计数。用六个数码管来分别显示小时，分钟，秒的十位 个位。二：同步时钟信号的设计 555定时器是一种较为常见电子芯片,可以与一些简单的电子元器件组合成触发器电路,震荡电路等,在本设计中可以采用:555定时器组成,震荡电路充当CLK信号.下面是用555定时器组成的震荡电路(震荡频率为1HZ)OUT 用555定时器组成的震荡电路三：秒电路的设计 秒电路是由两个74LS160构成，与74LS04 74LS00组合可以组成六十进制的计数电路而且在计数为60时候就需要清零，同时需要给分钟一个进位信号，使分钟电路开始工作。60进位输出60清零当电路计数到60的时候与非门给出一个清零信号，电路重新计数，同时为分钟计数提供一个进位信号，分钟加一。四：分钟电路的设计分钟电路与秒电路基本是一致的。只是分钟电路的工作是秒电路满60时才工作一次。本设计所采用的同步时钟信号。分钟电路进位输出秒电路进位秒电路进位分钟电路原理图五：小时电路的设计小时电路与秒电路，分钟电路有所区别，采用的是24小时进制每当计数字为24的时候可以发出一个进位信号分钟电路进位功能扩展分钟电路进位 小时电路原理图六：完整的时钟电路设计分钟电路小时电路秒电路 时钟电路的原理图整体时钟电路分为时钟发生电路 秒工作电路 分钟工作电路 小时工作电路以及显示电路五个部分.电路层次分明.七:电路仿真 Multism2001是一个完整电子设计工具软件，具有巨大的元件数据库、完整的模拟/数字混合仿真功能、电路原理图编辑功能、强大的分析功能、强大的模拟仪器功能、VHDL和Verilog设计输入和仿真功能、可以与电路板设计软件无缝连接以及远程控制和设计共享功能等等。它的这些种种优点在电路设计的初期，能够验证电路工作的原理，并且进行一些虚拟的实验。使整个电路的设计变得非常简便，大大的提高了效率。八：功能拓展 在本设计中预先留了功能拓展的端口，可以很方便的实现功能的扩展，只要将24小时进制的输出信号接出，可以拓展到计星期 年月日的功能。九：综述在电子设计的过程中先是要进行一些分析，在目的明确的基础上采用相应的电路设计来实现，这必须要对一些常见的电子线路，以及一些常见的芯片的功能作用有一定的了解。要有一些的理论功底，所设计电路是否能正常工作，要通过我们所熟悉的Multism2001来进行仿真，以确定所设计的电路符合自己的要求，如果有不完备的地方，要认真的修改，一直到达到预期的效果为止。第三章：应用protel99se来设计时钟电路的电路板 一：总体设计思路在原理图通过Multism2001仿真正确以后，下面所需要的就是进行电路板的设计，也就是常见的PCB的设计，一般来说经常采用的protel99se来进行设计。用protel99se设计PCB 有两个最基础的要求，首先就是PCB 要能够与原理图完全一致，其次就是PCB 的布局一定要合理，也就是排线要有一定的规则，能够方便的生产。最后还要能够参照电子工艺的一些标准来进行合理的调整。软件首先需要的是进行原理图的编辑，在原理图的基础上创建网络表最后通过网络表的调用来实现PCB的制作。二：原理图（schematic）的输入 元件是原理图的最主要的构成元素。Protel99汇集大部分常用的元件库，并收集了一些著名公司的元件库，用户在使用是可以进行选取。 原理图是PCB 制作的基础，要能够把所设计的电路现实的反映到原理图中，这个是一个比较基础的工作，能够很方便的实现。为了产生PCB每一个元件要有一定的封装，在这个过程中就要认真考虑实际的情况，考虑自己所使用的电子元器件，选择确当的封装形式。三：网络表（netlist）的生成 网络表在原理图到PCB之间起到一个桥梁的作用，也就是原理图形转化成为PCB 的中间媒介。网络表是原理图的另外一种表达方式，它将原理图的连接关系告诉PCB设计软件，其中有两个最主要的要素。第一网络表包含了原理图中所有的元件（包括原理图中元件的名称 参数 以及封装），第二网络表描述了原理图中各个元件的连接关系。可以说网络表就是原理图的文本描述。在设计PCB的时侯，调用了网络表也就是调用了原理图。 本设计的网络表为：U1 SIP4 SHUMAU2 SIP4 SHUMAU3 SIP4 SHUMAU4 SIP4 SHUMAU5 DIP-16 74F160AU6 DIP-16 74F160AU7 DIP-14 74F00U8 SIP4 SHUMAU9 DIP-14 74F04U10 DIP-16 74F160AU11 SIP4 SHUMAU12 DIP-16 74F160AU13 DIP-16 74F160AU14 DIP-16 74F160AY1 XTAL1 1.000MHZ(GND U5-8 U6-8 U7-7 U9-7 U10-8 U12-8 U13-8 U14-8 Y1-2)(NetU5_1 U5-1 U6-1 U7-3 U9-1)(NetU5_2 U5-2 U6-2 U10-2 U12-2 U13-2 U14-2 Y1-1)(NetU5_11 U1-4 U5-11)(NetU5_12 U1-3 U5-12)(NetU5_13 U1-2 U5-13)(NetU5_14 U1-1 U5-14)(NetU5_15 U5-15 U6-7 U6-10)(NetU6_11 U2-4 U6-11)(NetU6_12 U2-3 U6-12 U7-1)(NetU6_13 U2-2 U6-13 U7-2)(NetU6_14 U2-1 U6-14)(NetU7_6 U7-6 U9-3)(NetU9_2 U9-2 U10-7 U10-10)(NetU10_11 U3-4 U10-11)(NetU10_12 U3-3 U10-12)(NetU10_13 U3-2 U10-13)(NetU10_14 U3-1 U10-14)(NetU10_15 U10-15 U12-7 U12-10)(NetU12_11 U4-4 U12-11)(NetU12_12 U4-3 U7-4 U12-12)(NetU12_13 U4-2 U7-5 U12-13)(NetU12_14 U4-1 U12-14)(NetU13_7 U9-4 U13-7 U13-10)(NetU13_11 U8-4 U13-11)(NetU13_12 U8-3 U13-12)(NetU13_13 U8-2 U13-13)(NetU13_14 U8-1 U13-14)(NetU13_15 U13-15 U14-7 U14-10)(NetU14_11 U11-4 U14-11)(NetU14_12 U11-3 U14-12)(NetU14_13 U11-2 U14-13)(NetU14_14 U11-1 U14-14)(VCCU5-7U5-9U5-10U5-16U6-9U6-16U7-14U9-14U10-9U10-16U12-9U12-16U13-9U14-9U14-)四:PCB的生成 网络表生成之后,需要做的,也就是最后的目的就是制作出相对应的PCB.设计一个电路板,调入了网络表在经过合理的布局,需要考虑很多的现实问题. 一般对于简单的电路板,尽量考虑使用单面板进行制作,因为单面板加工方便简单,造价不高,如果单面板不能够满足需要,可以考虑使用双面板,双面板制作比较复杂,但是一般来说加工也不是很复杂的.本设计采用的是双面板电路. 元件的布局与走线是制作PCB的主要需要做的事情,元件布局要合理有规则,走线要结构化,要能够清晰明了,易于制作.需要耗费大量的时间修改得尽量完美.PCB的设计是一个技术性和技巧性都比较强的工作，有时同样的电路从原理上讲都是可以实现的，但由于元件的布局不合理或铜箔走线存在缺陷，致使设计出来的电路可靠性下降，有些甚至无法实现原理的功能。 一般来说总是先考虑信号线的走向,因为一般来说信号线的密度很大,它是把整个电路按照功能划分成若干个电路单元，按照电信号的流向，逐个依次按排各个功能电路单元在板上的位置，使布局便于信号流通，并使信号流尽可能保持一致的方向。然后考虑电源线等.在设计中可以采取自动走线与人工走线相结合的方法,在自动走线结束以后要能够进行人工布局的修改,尽量做到最好。 本设计制作的PCB图如下: 第四章：电路板实物的制作一: 电路板实物制作概述 在完成PCB图形的制作之后，就需要制造出实际的电路板了.目前PCB生产厂家生产PCB的方法主要有两种方法: 1:物理雕刻法 这种方法虽然制作出PCB的精度很高,但是它成本消耗太大,目前厂家使用的也不多.而化学腐蚀法却得到了很多厂家的青睐. 2.化学腐蚀法 蚀刻在生产线上俗称烂板，利用 除去板上不需要的铜箔，留下组成焊盘、印制导线及符号等图形.目前使用较为广泛.二:实物的焊制 将本设计所需要的各种电子元器件焊接到电路板中去,焊接之前要仔细检查，绝缘导线在加工过程中，其绝缘层不允许损坏，否则会降低绝缘性能,在