电子技术课程设计-数字电子钟.doc

电子线路 课程设计说明书学生姓名： 班级学号： 学 院： 专 业： 题 目： 数字电子钟 指导教师： 2010 年 1 月 11 日 中北大学电子线路课程设计任务书 2009/2010 学年第 一 学期学 院： 信息与通信工程学院 专 业： 通信工程 学 生 姓 名： 学 号： 课程设计题目： 数字电子钟 起 迄 日 期：2010年1 月 11日2010年 1月 22日课程设计地点： 指 导 教 师： 系 主 任： 下达任务书日期: 2010 年 1 月11 日课 程 设 计 任 务 书1设计目的：1）综合运用所学的理论知识，掌握一般电子线路分析和设计的基本方法和步骤；2）培养一定的独立分析问题、解决问题的能力；3）实践利用EDA软件绘制电子线路原理图、PCB图及仿真；4）学会说明书的规范整理和书写。2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：设计任务与要求：（1） 设计一个具有时、分、秒显示的电子钟。应具有校时功能；（2） 用小规模集成电路组成电子钟；（3） 设计显示装置。数字电子钟的逻辑组成原理：它由石英晶体振荡器、分频器、计数器、译码器、显示器和校时电路组成，石英晶体振荡器产生的信号经过分频器作为秒脉冲，秒脉冲送入计数器计数，计数结果通过“时”、“分”、“秒”译码器显示时间。3设计工作任务及工作量的要求1）分析设计任务，查阅相关资料；2）确定系统方案，设计各模块电路，计算参数，分析其特性，使其满足题目要求；3）利用PROTEL或其他软件绘制所设计系统的原理图及PCB图；4）按格式要求撰写课程设计说明书。4设计成果形式及要求：1）课程设计说明书一份；2）电子文档一份。课 程 设 计 任 务 书4主要参考文献：1 毕满清主编电子技术实验与课程设计.第3版.北京：机械工业出版社，20052 陈晓文主编电子线路课程设计.第1版.北京：电子工业出版社，20043 谢自美主编. 电子线路综合设计. 第1版.武汉：华中科技大学出版社，20065设计成果形式及要求：1) 用计算机仿真软件制图或仿真；2) 课程说明书用计算机打印，并装订；6工作计划及进度：2010年1月11日 1月13日 分析设计任务书，查阅相关资料及设计手册；2010年1月14日 1月17日 确定系统方案，组成模块框图，设计各模块电路；2010年1月18日 1月21日 分析电路各参数及其特性并绘制电子线路原理图、PCB图及仿真分析，并撰写课程设计说明书；2010年1月21日 1月22日 按格式要求完成课程设计说明书；2010年1月22 日 成绩考核系主任审查意见： 签字： 年 月 日目录引言71. 系统设计71.1 设计要求71.2总体设计方案81.2.1设计思路81.2.2方案论证与比较81.2.3 系统组成102.单元电路设计102.1多谐振荡器电路102.2分频器电路112.3计数器电路112.3.1秒计数器电路122.3.2分计数器电路132.3.3时计数器电路132.4译码驱动电路142.5显示电路142.6校时电源电路153数字电子钟整体电路图163.1由Protel生成的电路图173.2由MAX+plusII生成的整体仿真图184安装与调试185 参数计算196电路生成的PCB图197心得与体会20附录一 元器件明细表21引言数字钟已成为人们日常生活中必不可少的必需品，广泛用于个人家庭以及 办公室等公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。由于数字集成电路技术的发展和采用了先进的石英技术，使数字钟具有走时准确、性能稳定、携带方便等优点，它还用于计时、自动报时及自动控制等各个领域。尽管目前市场上已有现成的数字钟集成电路芯片出售，价格便宜、使用也方便，但鉴于数字钟电路的基本组成包含了数字电路的主要组成部分，因此进行数字钟的设计是必要的。在这里我们将已学过的比较零散的数字电路的知识有机的、系统的联系起来用于实际，来培养我们的综合分析和设计电路的能力。本次设计以数字电子为主，实现对时、分、秒数字显示的计时装置,周期为24小时，显示满刻度为23时59分59秒，并具有校时功能的数字电子钟。电路主要采用中规模TTL集成电路.本系统的设计电路由脉冲逻辑电路模块、时钟脉冲模块、时钟译码显示电路模块、校时模块等几部分组成。1. 系统设计1.1 设计要求（1） 设计一个具有时、分、秒显示的电子钟。应具有校时功能；（2） 用小规模集成电路组成电子钟；（3） 设计显示装置。数字电子钟的逻辑组成原理：它由石英晶体振荡器、分频器、计数器、译码器、显示器和校时电路组成，石英晶体振荡器产生的信号经过分频器作为秒脉冲，秒脉冲送入计数器计数，计数结果通过“时”、“分”、“秒”译码器显示时间。图1数字电子钟原理图1.2总体设计方案1.2.1设计思路数字电子钟的原理方框图如上所示。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、校时电路组成。秒信号发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，也可以采用多谐振荡器加分频器实现。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经过七段显示译码器译码，通过六位LED七段显示器显示出来。校时电路是用来对时、分、秒显示数字进行校对调整的。1.2.2方案论证与比较1.秒信号发生器方案一： 由集成逻辑门与RC组成的时钟源振荡器或由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器作为时间标准信号源。图2由集成定时器与RC组成的多谐振荡器方案二:振荡器是数字钟的核心。振荡器的稳定度及频率的精确度决定了数字钟计时的准确程度，通常选用石英晶体构成振荡器电路。石英晶体振荡器的作用是产生时间标准信号。因此，一般采用石英晶体振荡器经过分频得到这一时间脉冲信号。图3 晶体振荡器电路图（3）为电子手表集成电路的晶体振荡器电路，目前市场比较常用的是集成5C702，从其输出端15刚好可以输出1HZ的脉冲信号作为秒信号。考虑到数电中我们刚学过多谐振荡器，因此在此用多谐振荡器实现秒脉冲。2 计数器电路在数电中，我们主要学了74LS161、74LS160和74LS290计数器，其中74LS160是采用异步清零、同步置数的十进制，而74LS161采用的是异步清零、同步置数的16进制计数器，74LS290是二-五-十进制的异步清零、异步置九计数器。采用哪种芯片都一样，这里我们采用74LS290的异步清零来实现秒、分、时计数。1.2.3 系统组成 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。图1所示为数字钟的一般构成框图。图4 数字钟的组成框图2.单元电路设计2.1多谐振荡器电路多谢振荡器可以自己产生一定频率的脉冲，然后经过分频器后得到需要的秒脉冲信号。图5 由555定时器构成的多谐振荡器2.2分频器电路分频器电路将多谐振荡器产生的脉冲信号经74LS4060和74LS250的二分频的分频后得到1Hz的方波信号，可以供秒计数器进行计数。分频器实际上也就是计数器。 图6 分频器电路2.3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可以设计为12进制计数器或者24进制计数器，我们这里根据自己的意愿设计成24进制计数器。计数器的实现用的是74LS290采用8421BCD码制。时间计数单元有时计数、分计数和秒计数等几个部分。2.3.1秒计数器电路秒个位计数单元为进制计数器，无需进制转换，只需将与（下降沿有效）相连即可。（下降没效）与Z秒输入信号相连，可作为向上的进位信号与十位计数单元的相连。秒十位计数单元为进制计数器，需要进制转换。将进制计数器转换为进制计数器的电路连接方法如图3-5所示，其中可作为向上的进位信号与分个位的计数单元的相连。分个位和分十位计数单元电路结构分别与秒个位和秒十位计数单元完全相同，只不过分个位计数单元的作为向上的进位信号应与分十位计数单元的相连，分十位计数单元的作为向上的进位信号应与时个位计数单元的相连。图7 10进制6进制计数器转换电路图8 秒计数器电路2.3.2分计数器电路分计数器电路与秒计数器电路一样，采用的都是74290的8421码制异步清零接成60进制。图9 分计数器电路2.3.3时计数器电路时个位计数单元电路结构仍与秒或个位计数单元相同，但是要求，整个时计数单元应为24进制计数器，所以在两块74LS290构成的100进制中截取24，就得在24的时候进行异步清零。两块74LS290构成的60进制计数器电路图如图3 7所示，两块74LS390构成的24进制计数功能的电路如图38所示。图10时计数器电路2.4译码驱动电路译码驱动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。译码驱动电路采用74LS48七段译码器实现，74LS48七段显示译码器的输出是高电平有效，用以驱动共阴极显示器。图11 74LS85显示译码器2.5显示电路计数器实现了对时间的累计以8421BCD码形式输出，选用显示译码电路将计数器的输出数码转换为数码显示器件所需要的输出逻辑和一定的电流，选用74LS48作为显示译码电路，选用74LS546八段共阳LED数码管作为显示单元电路，如图3-9所示。图12 译码驱动和显示电路 2.6校时电源电路当重新接通电源或走时出现误差时都需要对时间进行校正。通常，校正时间的方法是：首先截断正常的计数通路，然后再进行人工出触发计数或将频率较高的方波信号加到需要校正的计数单元的输入端，校正好后，再转入正常计时状态即可。根据要求，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。图310所示即为带有基本RS触发器的校时电路，用74LS51构成的校正电路如图311。图13校正电路3数字电子钟整体电路图 3.1由Protel生成的电路图 图14 Protel生成的整体电路图图15 Protel生成的部分电路图3.2由MAX+plusII生成的整体仿真图图16 整体电路仿真图4安装与调试 单元电路安装好后，应该先认真进行通电前的检查，通电后，检查每片集成电路的工作电压是否正常（TTL型集成电路电源电压为50.25V），这是电路有效工作的基本保证。调试该单元电路直至正常工作。调试可分为静态调试和动态调试两种，一般组合电路应静态调试，时序电路应动态调试。 统调主电路的方法是将已调试好的若干单元电路连接起来，然后跟踪信号流向，由输入到输出，由简单到复杂，依次测试，直至正常工作。因此时控制电路尚未安装，需人为地给受控电路加以特定信号使其正常工作。 调试控制电路分为两步：第一步单独调试控制电路本身，施加于控制电路的各个信号可以人为设定为某种状态，直至正常工作。第二步将控制电路与系统主电路中各个功能部件联接起来，进行电路统调。5 参数计算脉冲产生电路：用555组成的脉冲产生电路: R1=15*103 R2=68*103 C=10F则555所产生的脉冲的为:f=1.43/(R1+2*R2)*103*10*106=0.947Hz,而设计要求为1Hz,因此其误差为5.3%,在精度要求不是很高的时候可以使用.6电路生成的PCB图图17 电路PCB印制版图7心得与体会学贵以致用，我们刚学完模电和数点的知识，对两种电路有了一定的理论认识，但是还欠缺实践操作能力的培养，通过几天的数字钟设计过程，将从书本上学到的知识应用于实践，学会了初步的电子电路仿真设计，虽然过程中遇到了一些困难，但是在解决这些问题的过程无疑也是对自己自身专业素质的一种提高。当最终调试成功的时候也是对自己的一种肯定。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，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的课程设计，但通过这次课程设计我们了解了课程设计的一般步骤，和设计中应注意的问题。虽然设计过程中出现了很多的问题的，但是通过请教同学、老师并且查找网上相关资料都得到了解决，这也是对自己处理问题能力的锻炼。设计本身并不是有很重要的意义，而是我们对待问题时的态度和处理事情的能力。至于设计的成绩无须看的太过于重要，而是设计的过程，设计的思想和设计电路中的每一个环节，电路中各个部分的功能是如何实现的。各个芯片能够完成什么样的功能，使用芯片时应该注意那些要点。同一个电路可以用那些芯片实现，各个芯片实现同一个功能的区别。另外，我们设计要从市场需求出发，既要有强大的功能，又要在价格方面比同等档次的便宜。虽然我们现在作的不可能到市场上去销售，但我们要为以后作设计培养出好的习惯。在这次设计过程中，进一步提高了我对Protel,max-plusII，word，画图板软件的操作能力，而且使自己在查找资料方面能力有了提高。参考文献1 韩焱主编数字电子技术基础北京：电子工业出版社，2009.2 梁宗善编著电子技术基础课程设计武汉：华中科技大学出版社，2009