数电多功能时钟课设

2 LiaoningLiaoning NormalNormal UniversityUniversity 2 20 00 08 8级级 开放试验室项目研究论文开放试验室项目研究论文 题题 目 目 多功能数字时钟多功能数字时钟 学学 院 院 物理与电子技术学院物理与电子技术学院 专专 业 业 电子信息工程电子信息工程 班级序号 班级序号 学学 号 号 学生姓名 学生姓名 指导教师 指导教师 20102010年年1 12 2月月 1 目目 录录 摘要 3 关键字 3 前言 4 1设计目标及方案 4 1 1设计目标 4 1 2系统方案级框图 4 1 2 1系统方案 4 1 2 2整体框图 4 2 单元电路设计 5 2 1脉冲产生电路 5 2 2时钟计数器电路 5 2 2 1计数器芯片的选择 5 2 2 2六十进制计数器设计 7 2 2 3十二进制计数器设计 8 2 3译码显示电路 9 2 4校时电路 9 2 5报时电路 11 3电路及方案拓展 11 3 1整体电路图 11 3 2 PCB图 11 3 3方案拓展 11 4组装与调试 12 4 1组装 12 4 1 1主要仪器和仪表 12 4 1 2制板与焊接步骤 12 2 4 1 3注意事项 12 4 2调试 13 4 2 1调试仪器 13 4 2 2调试方法 13 4 2 3调试过程 14 5系统元件清单 14 6心得体会 15 参考文献 15 附录 16 多功能数字时钟 3 多功能数字时钟多功能数字时钟 学生 王芳 指导教师 邱红 物理与电子技术学院 电气信息专业08级 摘要摘要 这份设计报告主要介绍了一种用NE555产生脉冲信号 以74LS192为主体 以数码 管为显示器件的数字钟电路的设计 数字时钟用NE555产生脉冲信号 频率为1Hz 其 主体分三个部分 计时电路 校时电路 报时电路 计时电路以数字形式显示时 分 秒 其中秒和分为60进制 时为12进制 校时电路可对分和时进行校时 蜂鸣器每 一个整点报时 显示电路用74LS48和共阴极数码管来实现 关键字 关键字 数字时钟 计时 校时 报时 Abstract This design reports mainly introduces a kind of NE555 produced by pulse signal to 74LS192 as main body digital display device pipe for the digital clock circuit design Digital clock pulse signal with NE555 produce frequency for 1Hz The main body of the three parts and timing circuits reset circuit chime circuit Timing circuits in digital form when displaying minutes and seconds including seconds and into sixty disables for 12 disables reset circuit of points and in school Buzzer implement every time the hour Display circuit with 74LS48 and total Yin digital tube to realize Key words digital clock timing circuits reset circuit chime circuit 多功能数字时钟 4 前言前言 近年来随着数字技术的迅速发展 各种中 大规模集成电路在数字系统 控制 系统 信号处理等方面都得到了广泛的应用 这就迫切要求工科大学生熟悉和掌握 常用中 大规模集成电路功能及其在实际中的应用方法 除通过实验教学培养数字 电路的基本实验方法 分析问题和故障检查方法以及双踪示波器等常用仪器使用方 法等基本电路的基本实验技能外 还必须培养大学生工程设计和组织实验能力 本 次开放性实验的目的在于培养学生对基本电路的应用和掌握 使学生在实验原理的 指导下 初步具备基本电路的分析和设计能力 并掌握其应用方法 自行拟定实验 步骤 检查和排除故障 分析和处理实验结果及撰写实验报告的能力 综合实验的设计目的是培养学生初 步掌握小型数字系统的设计能力 包括选择设计方案 进行电路设计 安装 调试 等环节 运用所学知识进行工程设计 提高实验技能的实践 数字电子钟是一种计 时装置 它具有时 分 秒计时功能和显示时间功能 校时功能和整点报时功能 数字电子钟由于采用了石英技术 走时精度高 稳定性好 不需要经常调校 使用 携带方便 因此 在定时控制 自动报时及时间程序控制等方面都得到广泛的应用 本次设计我查阅了大量的文献资料 学到了很多关于数字电路方面的知识 并且 更加巩固和掌握了课堂上所学的课本知识 使自己对数字电子技术有了更进一步的 认识和了解 1 1设计目标及方案设计目标及方案 1 11 1设计目标设计目标 时钟功能 具有显示时 分 秒的功能 具有校时功能 是时间可调整 具有整点报时功能 在整点时使用蜂鸣器进行报时 1 21 2系统方案及框图系统方案及框图 1 2 11 2 1系统方案系统方案 数字钟一般是由振荡器 计数器 译码器 显示器等几部分组成 这些都是数 字电路中应用最广泛的基本电路 数字钟实际上是一个对标准频率 1HZ 进行计数 的计数电路 并把累加的结果以 时 分 秒 的数字显示出来 秒 的显示由两级计数器和译码器组成的六十进制计数电路实现 分 的显示电路 秒 相同 时 的显示由两级计数器和译码器组所有计时成的十二进制电路来实 现 结果由六位数码管显示 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 多功能数字时钟 5 1 2 21 2 2整体框图整体框图 图1 设计的整体框图 2 2单元电路设计单元电路设计 2 12 1时间脉冲产生电路时间脉冲产生电路 它是数字电子钟的核心部分 它的精度和稳定度决定于数字钟的质量 555定时器引 脚图如图2 以555为主体组成多谐振荡器电路 如图3所示 多谐振荡器为计数器提 供计数脉冲 频率f 1 0 7 R1 R2 C2 本电路中C2为10u 产生振荡信号的周期 为1s的脉冲 R1 R2 143K 在这里R1 68K R2由一个50K 的定值电阻和一个 30K 的滑变电阻器组成 调节滑变电阻器使 R1 R2 143K 得到周期为1秒的 脉冲 显示器显示器显示器 译码器译码器译码器 十二进制 计数器 六十进制 计数器 六十进制 计数器 校时校分 时间脉冲 产生电路 报时电路 多功能数字时钟 6 图2 555引脚图 图3 多谐振荡电路 2 22 2时间计数器电路时间计数器电路 2 2 12 2 1计数器芯片的选择计数器芯片的选择 方案一 用74LS90组成计数器电路 74LS90是异步二 五 十进制加法计数器 它既可以作二进制加法计数 器 又可以作五进制和十进制加法计数器 通过不同的连接方式 74LS90可以实现四种不同的逻辑功能 而且还可借助R0 1 R0 2 对计数器清零 借助S9 1 S9 2 将计数器置9 其具体功能详述如下 计数脉冲从CP1输入 QA作为输出端 为二进制计数器 计数脉冲从CP2输入 QDQCQB作为输出端 为异步五进制加法计数器 若将CP2和QA相连 计数脉冲由CP1输入 QD QC QB QA作为输出端 则构成异步8421码十进 制加法计数器 若将CP1与QD相连 计数脉冲由CP2输入 QA QD QC QB作为输出端 则构成异步5421码十进 制加法计数器 清零 置9功能 74LS90管脚图如图4所示 74LS功能表如表 1所示 图4 74LS90管脚图 表1 74LS90功能表 输 入输 出功 能 多功能数字时钟 7 清 0置 9时 钟 R0 1 R0 2 S9 1 S9 2 CP1 CP2 QD QC QB QA 11 0 0 0000 清 0 0 0 11 1001 置 9 1 QA 输 出二进制计数 1 QDQCQB输出五进制计数 QA QDQCQBQA输出8 421BCD码 十进制计数 QD QAQDQCQB输出5 421BCD码 十进制计数 0 0 0 0 1 1 不 变保 持 方案二 用74LS192组成计数器电路 74LS192是可预置的十进制同步加 减计数器 它的清除端是异步的 管脚图如 图5所示 功能表如表2所示 TCD 错位输出端 低电平有效 TCU 进位输出端 低电平有效 CPD 减计数时钟脉冲输入端 上升沿有效 CPU 加计数时钟脉冲输入端 上升沿有效 MR 异步清除端 P0 P3 并行数据输入端 Q0 Q3并行数据输出端 PL 异步并行置入控制端 低电平有效 图5 74ls192管脚图 表2 74LS192功能表 输 入输 出 MRPLCPUCPDP3P2P1P0Q3Q2Q1Q0 1 0000 00 dcbadcba 多功能数字时钟 8 011 加计数器 011 减计数器 74LS90相对稳定 有二 五 十三种进制可以选择 能直接实现秒分个位十进 制和时时位的二进制 利用强制清零可以实现六进制 74ls192同样可以实现这些功 能 却没有74LS90稳定 但74LS90在实现时12翻1时比较困难 74LS192可以用置数 这一功能来实现 所以实验采用74LS192 综上所述 计数部分电路选用方案二 用74LS192来实现数字钟分秒时之间的转 换 2 2 22 2 2 六十进制计数器的设计六十进制计数器的设计 秒 计数器电路与 分 计数器电路都是60进制 它由一级10进制计数器和 一级6进制计数器连接构成 如图6所示由74LS192构成的60进制计数器 由于74LS192本来就是10进制计数 所以各位直接MR接低电平 UP接时钟脉冲就 可以实现十进制 当 Q3Q2Q1Q0 由1001变为0000的同时TCD进位输出端向十位输出 一个进位脉冲 实现个位向十位进位 当十位 Q3Q2Q1Q0 由0101变为0110时 Q1Q2通过一与门输出 由0变为1 接MR清零 由于是异步清零 所以不会输出0110 即实现6进制 Q1Q2 通过一与门输出由0 变为1 产生一上升 沿 实现进位 6 图6六十进制计数器 2 2 32 2 3 十二进制计数器的设计十二进制计数器的设计 时 计数器为一个特殊的12进制计数器 它由一级10进制计数器和一级2进制 计数器连接构成 但是它从1至12计数 如图7所示 当74LS192十位片计数状态为Q3Q2Q1Q0为0000时 四输入与非门被封锁恒为1 P L为1 个位为10进制计数 进位后当十位计数状态为Q3Q2Q1Q0为0001时 若个位Q3Q 2Q1Q0为0011 与非门输出0 PL为0 置数 设定各位片D3D2D1D0为0001 则个位由 2变1 十位片D3D2D1D0为0000 则十位置零 综合个位十位即实现了12变1 此设计 就是以此来实现12进制 多功能数字时钟 9 图7 十二进制计数器 2 32 3译码及驱动显示电路译码及驱动显示电路 译 码电路的功能是将 秒 分 时 计数器的输出代码进行翻译 变成相应的 数字 本次设计使用74LS48和共阴数码管来 实现 74LS48芯片可以直接对8421BCD码进 行译码 而且74LS48芯片具有脉冲消隐输入 消隐输入 灯测试输入端可以对电路进行 简单测试 方便测试电路和检查错误 把它 对应的管脚与数码管管连接起来 就组成了 显示电路 如图8所示 图8 译码显示电路 2 42 4校时电路校时电路 多功能数字时钟 10 数字种启动后 每当数字钟显示与实际时间不符进 需要根据标准时间进行校时 校 秒 时 采用等待校时 校 分 时 的原理比较简单 采用加速校时 对校时电路的要求是 在小时校正时不影响分和秒的正常计数 在分校正时不影响秒和小时的正常计数 方案一 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9所示为所设计的校时电路 图9 方案一校时电路 方案二 在刚开电源时时分秒可能为任意数值 所以需要调整 置开关为手动 调节档 分别对时分进行调节 原理是在S1接通时屏蔽了秒十位进位脉冲 此时分 计数脉冲为输入的1Hz信号 S2接通时屏蔽了分十位进位脉冲 此时时计数脉冲为连 续1Hz信号 所以可以实现快速调节 多了0 01uf的电容防抖动 图10所示 方案一简单但如果开关不是防抖动开关就会出现校时不是按照安一次开关就变 一次来 方案二加了防抖电路和防抖电容 使校时系统更稳定 综上所述 选择方 案二为校时电路 多功能数字时钟 11 图10 方案二校时电路 如图10所示 当开关打向上时 因为校正信号和0相与的输出为0 而开关的另 一端接高电平 正常输入信号可以顺利通过与或门 故校时电路处于正常计时状态 当开关打向下时 情况正好与上述相反 这时校时电路处于校时状态 进位脉冲 被屏蔽 进位信号始终为0 按一下按钮开关既有一个高电平输入 此时进位信号变 为1 0变1 由一上升脉冲 分 时 个位可进一位 由此来实现校时 与非门可选 74LS00 非门则可用与非门2个输入端并接来代替节省芯片 因此实际使用时 须对 开关的状态进行消除抖动处理 图10为加2个0 01uF的电容 2 52 5报时电路报时电路 整点报时功能是通过74LS123 功能表如表3所示 三极管和蜂鸣器来实现报 时一秒钟 74LS123接收到分位向时位的一个上升沿 将上升沿转换成一个持续一秒 钟矩形脉冲 输出连接在NPN型三极管的基极 当基极为高电平时三极管导通 蜂鸣 器工作 在其他时刻蜂鸣器不工作 整点报时电路图如图11所示 表3 74LS123功能表 多功能数字时钟 12 图11 整点报时电路 3 3整体电路及方案拓展整体电路及方案拓展 3 13 1整体电路图整体电路图 见附录1 3 23 2 PCBPCB图图 见附录2 3 33 3方案拓展方案拓展 以上就是本次设计的电子时钟电路 它经过多次的修改和整理 已经是一个比 较不错的设计 它具有计时 调时 报时功能 可以满足人们对时钟的基本要求 因为74LS192为加 减计数器 所以在时钟的基础上可以增加倒计时功能 实现倒计时功能最主要是需要将原电路的脉冲的输入端由CPU该为CPD 为下一级 提供脉冲的进位输出端TCU 改为借位输出端TCD 用单刀双掷开关来实现时钟和倒 计时的自由转换 因为校时电路在倒计时器时依然工作 所以这个倒计时器是可调 时 可定时的倒计时器 4 4组装与调试组装与调试 4 14 1组装组装 4 1 14 1 1主要仪器和仪表主要仪器和仪表 制板机 腐蚀溶液 三氯化铁 打孔机 风干机 万用表 电烙铁 钳子 镊子 焊锡 导线 4 1 24 1 2制板与焊接步骤制板与焊接步骤 a PCB图设计完成且检查无误后用油印纸打印 b 选择大小合适的电路板并把PCB图用制板机转印到铜板上 c 将铜板放到加热到的70摄氏度到90摄氏度的氯化铁溶液中进行腐蚀 d 将腐蚀好的电路板 在打孔机上进行打孔 e 用溶丙酮液将油墨洗掉 用清水清洗干净 f 给电路板涂抹松香 并让电路板在风干箱中风干 g 依照原理图将元器件依次的焊接在电路板上 多功能数字时钟 13 h 检查电路焊接质量 4 1 34 1 3注意事项注意事项 腐蚀时要留心观察 不要过度腐蚀 腐蚀过度后会出现电路断路的现象 合理地选用电烙铁 对提高焊接质量和效率有直接的关系 电烙铁 一般应选内 热式20 35W恒温230 的烙铁 但温度不要超过300 的为宜 接地线应保证接 触良好 元器件管脚要镀锡 镀锡要点 镀件表面应清洁 如焊件表面带有锈迹或氧化物 可用酒精擦洗或用刀刮 用砂纸打磨 要使用松香助焊 由于金属表面同空气接触后都会生成一层氧化膜 这层氧化膜 阻止焊锡对金属的润湿作用 焊剂就是用于清除氧化膜的一种专用材料 焊锡不要过量 焊点的外观应光滑 圆润 清洁 均匀 对称 整齐 美观 充 满整个焊盘并与焊盘大小比例合适 焊接时间在保证润湿的前提下 尽可能短 一般不超过3秒 焊接时要注意安全 不要烫到手 不焊时 应放在烙铁架上 注意电源线不可搭 在烙铁头上 以防烫坏绝缘层而发生事故 安装之前 一定要对元器件进行测试 参数的性能指标应满足设计要求 并留有裕量 要准确识别各元器件的引脚 以免出错造成人为故障甚至损坏元器件 是先小后大 先轻后重 先里后外 先低后高 先普通后特殊的次序焊装 即先 焊分立元件 后焊集成块 对外联线要最后焊接 集成电路安装要注意 安装时一定要弄清其方向和引线脚的排列顺序 不能插错 现在多采用集成电路插座 先焊好插座再安装集成块 4 24 2调试调试 4 2 14 2 1调试仪器调试仪器 万用表 数字试验箱 4 2 24 2 2调试方法调试方法 电路安装完毕 不要急于通电 先要认真检查电路接线是否正确 包括错线 少 线和多线 第一步 通电观察 把经过准确测量的电源电压加入电路 电源通电之后不要急于测量数据和观察结 果 首先要观察有无异常现象 如果出现异常 应该立即关断电源 待排除故障后 方可重新通电 第二步 分块调试 多功能数字时钟 14 分块调试是把电路按功能分成不同的部分 把每部分看作一个模块进行调试 在 分块调试的过程中逐渐扩大调试范围 最后实现整机调试 比较理想的调试顺序是 按照信号的流向进行 这样可以把前面调试过的输出信号作为后一级的输入信号 为最后的联调创造条件 第三步 整机联调 在分块调试的过程中 因逐步扩大调试范围 实际上已经完成了某些局部联调 工作 下面先要做好各功能块之间接口电路的调试工作 再把全部电路连通 就可 以实现整机联调 整机联调只需观察动态结果 就是把各种测量仪器及系统本身显 示部分提供的信息与设计指标逐一对比 找出问题 然后进一步修改电路的参数 直到完全符合设计要求为止 第四步 系统精度及可靠性测试 系统精度是设计电路时很重要的一个指标 如果是测量电路 被测元器件本身 应该是由精度高于测量电路的仪器进行测试 然后才能作为标准元器件接入电路校 准精度 4 2 34 2 3调试过程调试过程 依照以上正确合理的调试方法 很快的找出的故障点 首先 仔细检查电路发现有一根多余的跳线 拆除多余拆除跳线 然后 焊点焊接不够牢靠 有虚焊 导致了电路不通 数码管现实有残缺 在 仔细检查后重新焊接的虚焊的焊点 使电路无断路 电路逐步出现预期效果 时钟正常计时 可是校时电路不正常工作 无法调时 用万用表测量校时电路各个器件管脚电压 调节脉冲变化 看各个管脚电压是否 真长变化 最后发现两个开关没有工作 开关是损坏的 换掉开关后 电路正常工 作 5 5系统元件清单系统元件清单 74LS192 十进制同步加 减计数器 6个 74LS48 七段译码器 6个 74LS123 单稳态触发器 1个 74LS00 二输入四与非门 2个 74LS08 二输入四与门 1个 74LS20 四输入二与非门 1个 NE555 1个 共阴极数码管 6个 NP