数字电子钟课程设计实验报告

1 中北大学 信息与通信工程学院 通信工程专业 电子线路及系统 课程设计任务书 2016 2017 学年第 一 学期 学 生 姓 名 张 涛 学 号 1405024119 李子鹏 学 号 1405024125 课程设计题目 数字电子钟的设计 起 迄 日 期 2017 年 1 月 4 日 2017 年 7 月 10 日 课程设计地点 科学楼 指 导 教 师 姚爱琴 2017 年 月 日 1 课课 程程 设设 计计 任任 务务 书书 1 设计目的 1 综合运用所学的理论知识 掌握一般微机和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 1 时间以 12 小时为一个周期 2 显示时 分 秒 3 具有校时功能 可以分别对时及分进行单独校时 使其校正到标准时间 4 计时过程具有报时功能 当时间到达整点前 10 秒进行蜂鸣报时 5 为了保证计时的稳定及准确须由晶体振荡器提供表针时间基准信号 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 用相关软件进行仿真 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 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 3 电子文档一份 5 主要参考文献 1 1 毕满清主编 电子技术实验与课程设计 第 4 版 北京 机械工业出版社 2013 2 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 2004 3 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 2006 6 工作计划及进度 2017 年 1 月 3 日 分析设计任务书 查阅相关资料及设计手册 2017 年 1 月 6 日 确定系统方案 组成模块框图 提交开题报告 2017 年 6 月 12 日 设计各模块电路 分析电路各参数及其特性并绘制电子线路原理图及仿真分析 并撰写课程设计说明书 2017 年 6 月 19 日 按格式要求完成课程设计说明书 2017 年 6 月 23 日 成绩考核 系主任审查意见 签字 年 月 日 1 中北大学 信息与通信工程学院 通信工程专业 电子线路及系统 课程设计开题报告 2016 2017 学年第 一 学期 题 目 数字电子钟的设计 学生姓名 张 涛 学 号 1405024119 李子鹏 学 号 1405024125 指导教师 姚爱琴姚爱琴 2017 年 1 月 6 日 1 中北大学 信息与通信工程学院 通信工程专业 电子线路及系统 课程设计说明书 2016 2017 学年第 二 学期 题 目 数字电子钟的设计 学生姓名 张 涛 学 号 1405024119 李子鹏 学 号 1405024125 指导教师 姚爱琴姚爱琴 2017 年 月 日 1 目目 录录 1 引言 6 2 数字电子钟设计方案 6 2 1 数字计时器的设计思想 6 2 2 数字电路设计及元器件参数选择 6 2 2 1 秒信号电路 6 2 2 2 时 分 秒计数器 7 2 2 3 计数显示电路 8 2 2 4 校时电路 9 2 2 5 整点报时电路 10 2 2 6 总体电路 10 2 3 安装与调试 11 2 3 1 数字电子钟 PCB 图 11 3 设计单元原理说明 11 3 1 555 定时器原理 12 3 2 计数器原理 12 3 3 译码和数码显示电路原理 12 3 4 校时电路原理 12 4 心得与体会 12 1 1 1 引引 言言 数字钟是一种用数字电子技术实现时 分 秒计时的装置 具有较高的准确性和 直观性等各方面的优势 而得到广泛的应用 此次设计数字电子钟是为了了解数字钟 的原理 在设计数字电子钟的过程中 用 数字电子技术的理论和制作实践相结合 进 一步加深数字电子技术课程知识的理解和应用 同时学会使用 Multisim 电子设计软件 2 2数字电子钟设计方案数字电子钟设计方案 2 12 1 数字计时器的设计思想数字计时器的设计思想 要想构成数字钟 首先应选择一个脉冲源 能自动地产生稳定的标准时间脉冲信 号 而脉冲源产生的脉冲信号地频率较高 因此 需要进行分频 使得高频脉冲信号 变成适合于计时的低频脉冲信号 即 秒脉冲信号 频率为 1Hz 经过分频器输出的 秒脉冲信号到计数器中进行计数 由于计时的规律是 60 秒 1 分 60 分 1 小时 24 小时 1 天 就需要分别设计 60 进制 24 进制计数器 并发出驱动信号 各计数器输 出信号经译码器 驱动器到数字显示器 是 时 分 秒 得以数字显示出来 值得注意的是 任何记时装置都有误差 因此应考虑校准时间电路 校时电路一般 采用自动快速调整和手动调整 自动快速调整 可利用分频器输出的不同频率的脉 冲使显示时间自动迅速调整时间 手动调整 可利用手动的节拍调准显示时间 2 22 2 数字电路设计及元器件参数选择数字电路设计及元器件参数选择 2 2 12 2 1 秒信号电路秒信号电路 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中的质量 通常晶体振 荡器发出的脉冲经过整形 分频获得 1Hz 的秒脉冲 多谐振荡器电路与分频电路如图 1 1 所示 多谐振荡器与分频电路为计数器提供计数 脉冲和为计数器提供校时脉冲 1 图 1 1 多谐振荡器电路与分频电路 f 1 0 7 Rw 2R C 多谐振荡器的频率设计为 2Hz R 为 50k C 为 4 7 F f 1 0 7 Rw 2R C 1 0 7 50 2 51 103 4 7 10 6 2Hz 调节电位器 Rw 使多谐振荡器产生频率为 2Hz 的方波信号 多谐振荡器产生的 2Hz 脉冲信号经过 CD4013 组成的分频器 进行 2 分频 输出 1Hz 的秒脉冲为计数器的 计数脉冲 2 2 2 时 分 秒计数器时 分 秒计数器 秒信号经秒计数器 分计数器 时计数器之后 分别得到显示电路 以便实现用 数字显示时 分 秒的要求 秒 和 分 计数器应为六十进制 而 时 计数器应 为二十四进制 要实现这一要求 可选用的中规模集成计数器较多 这里推荐 74LS160 1 采用两片十进制计数器 74LS160N 扩展连接 设计 60 进制的计数器 显示 0 到 59 在 59 时采用置数的方法 将两片 74LS160N 同时置数至 0 以循环显示 0 到 59 图 1 2 两块 74LS160 构成的六十进制计数器 2 24 进制亦采用两片十进制计数器 74LS160N 扩展连接 设计 24 进制的计数器 显示 0 到 23 在 23 时采用置数的方法 将两片 74LS160N 同时置数至 0 以循环显示 0 到 23 1 图 1 3 两块 74LS160 构成的二十四进制计数器 3 利用秒钟的置数信号 为低电平 取反后作为分钟各位的使能端 EP 和 ET 的控制信号 以实现分秒之间的进位功能 同理可以实现分时之间的进位功能 4 显示功能 采用 Multisim 里面的 DCD HEX 显示管进行时分秒的显示 将 DCD HEX 显示管的四个针脚对应接到 74LS160N 的四个输出端 2 2 32 2 3 计数显示电路计数显示电路 选用器件时应当注意译码器和显示器件相互配合 一是驱动功率要足够大 二是 逻辑电平要匹配 秒计数器 分计数器 和时计数器的计数分别输送给各自的显示译码器 CD4511 在数送给各自的数码管 显示出时 分 秒的计时 电路如图 1 4 所示为计数 译码 显示电路 图 1 4 计数显示电路 1 2 2 42 2 4 校时电路校时电路 在刚接通电源或者时钟走时出现误差时 则需要进行时间的校准 置开关在手动 位置 分别对时 分 秒进行单独计数 计数脉冲由单次脉冲或连续脉冲输入 校时 电路如图 1 5 所示为校时电路 由与非门和二个开关组成 实现对 时 分 的校 准 图 1 5 校时 分电路 当校时开关 J1 J2 扳到下端时 校时的 2Hz 脉冲输送到时计数器和分计数器个位 的 CP 端 进行时计数器和分计数器 时 分 的校准 当校时开关 J1 J2 扳到上 端时 时计数器和分计数器的进位脉冲输送到时计数器和分计数器个位的 CP 端 时钟 正常计时 2 2 52 2 5 整点报时电路 1 图 1 6 报时电路 2 2 62 2 6 总体电路总体电路 图 1 7 数字钟总体电路 2 32 3 安装与调试安装与调试 1 首先调试多谐振荡器 用示波器观察多谐振荡器输出波形 确定多谐振荡器是否 正常工作 振荡频率是否是 2Hz 调节电位器 Rw 使多谐振荡器产生频率为 2Hz 的方 波信号 2 调试分频器 用示波器观察分频器输出波形 确定信号频率是否是 1Hz 3 调试计数 译码显示电路 将秒信号输送给秒计数器 分计数器 和时计数器 观察各计数器是否工作正常 4 调试校时电路 观察校时电路是否起到校时作用 5 整体调试 各部分电路连接起来 观察电子钟是否正常工作 2 3 12 3 1 数字电子钟数字电子钟 PCB 图图 用 EDA 技术来实现 生成的 PCB 如下图所示 1 图 1 8 数字电子钟 PCB 图 3 3设计单元原理说明设计单元原理说明 数字钟以成为人们常生活中数字电子钟一般由振荡器 分频器 译码器 显示器等 部分组成 数字钟的应用非常广泛 应用于人家庭以及车站 码头 剧场 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 特点 它还用于计时 自动报时及自动控制等各个领域 尽管目前市场上以有现成数 字钟集成电路芯片 价格便宜这些都是数字电路中最基本的 应用最广的电路 数字 电子钟的基本逻辑功能框图如下 它是一个将 时 分 秒 显示于人的视觉器 官的计时装置 他的计时装置的周期为 24 小时 显示满刻度为 23 时 59 分 59 秒 另 外应有校时功能 因此 一个基本数字钟主要由五部分组成 3 13 1 555555 定时器原理定时器原理 晶体震荡器的作用是产生时间标准信号 数字钟的精度 主要取决于时间标准信号 的频率及其稳定度 因此 一般用石英震荡器经过分得到 双极型 555 定时器由电阻 分压器 比较器 基本 RS 触发器 双极型三极管 T 和输出缓冲器组成 3 23 2 计数器原理计数器原理 有了时间标准 秒 信号后 就可以根据 60 秒为 1 分 60 分为 1 小时 24 小时 为一天的计数周期 分别组成两个 60 进制 一个 24 进制的计数器 将这些计数器适 当连接 就可以够成秒 分时的计数器 实现计时功能 1 3 33 3 译码和数码显示电路原理译码和数码显示电路原理 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 被人们的视觉器 官所接受 显示器件选用 LED 数码管 在译码及数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 3 43 4 校时电路原理校时电路原理 实际的数字钟电路由于秒信号的精确性和不可能做到完全准确无误 加之电路中其 他原因 数字钟总会产生其他原因 数字钟总会产生走时误差的现象 因此 电路中 就应该有校准时间的功能的电路 4 4 心得与体会心得与体会 我们学习了数字电子电路和模拟电子电路 对电子技术有了一些初步了解 但那都 是一些理论的东西 通过这次数字电子钟的课程设计 我们才把学到的东西与实践相 结合 从中对我们学的知识有了更进一步的理解 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 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 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 同时对普通计数器如何构成 n 进制计数器有了更深的了解和掌握