数字钟设计报告.doc

物理与电气工程学院课程设计报告基于数字电路的数字钟设计 姓 名 王秋雨 学 号 111102042 专业 电子信息工程 指导教师 丁电宽 成 绩 日期 2013.5.6 基于数字电路的数字钟设计王秋雨（安阳师范学院 物电学院 河南 安阳 455002）1 前言数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。数字钟从原理上讲是一种典型的数字电路，其中包括了组合逻辑电路和时序电路。数字电子钟由下几部分组成：秒脉冲发生器、校正电路、60进制的秒、分计时器和24进制计时计数器以及秒、分、时的译码显示部分等。因此，我们此次设计与制作数字钟就是通过了解数字钟的原理，从而学会制作数字钟。通过数字钟的制作我进一步了各种中小规模集成电路的作用及使用方法。且由于数字钟包括组合逻辑电路和时序电路，通过它可以进一步学习与掌握各种组合逻辑电路与时序电路的原理与使用方法。2 技术要求2.1秒单元采用555多谐振荡电路产生1s的脉冲送到74LS160的时钟信号口。2.2秒、分为00-59六十进制计数器秒计数：采用60秒进制，用两个74LS160用并行进位的方式组成60进制，同时74LS160的输出端接译码器74LS48，而74LS48的输出端接数码管显示。分计数和秒计数一样2.3时为00-23二十四进制计数器。2.4可手动校正：能分别进行秒、分、时的校正。只要将开关置于手动位置，可分别对分、时进行连续脉冲输入调整。3 方案论证方案一采用晶振产生时钟脉冲。晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定、精确的单频振荡。晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号 。但采用晶振需要较多的元器件，并且电路图比较麻烦，而且也不能达到锻炼同学们思考能力、电路分析的目的。方案二这种方案采用AT89C52单片机作为系统的控制核心。时钟功能采用单片集成的时钟芯片PCF8563实现，可以使用液晶显示LCD测量数据及提示信息，有着智能化的人机界面。由于使用了单片机，整个系统可编程，系统的灵活性大大增加了。而且单片机具有功能强，体积小，功耗低，价格便宜，工作可靠，使用方便等点，因此特别适合于与控制有关的系统，越来越广泛地应用于自动控制。液晶显示器具有体积小、外形薄、重量轻、耗能少、工作电压低、无辐射，特别是视域宽、显示信息量大等优点。另外，本方案可以方便的实现其他功能的扩展。但是使用单片机不能达到训练同学们画PCB图的目的。方案三采用555定时器组成的多谐振荡器产生时钟脉冲。555定时器芯片是一种广泛应用的中规模集成电路，只要外围配以几个适当的阻容元件，就可以构成无稳态触发器、单稳态触发器以及双稳态触发器等应用电路，以此为基础可设计各种实用的电路形式。缺点是：精度不高。优点是：可以学到PCB板怎么布线，学会电路分析，学会怎样纠错系统原理框图图1系统原理框图从以上三种方案，很容易看出，采用方案三比较简单。通过多方面考虑我选择方案三。4 设计4.1秒单元设计555计时器是一种集成电路芯片，常被用于定时器、脉冲发生器和振荡电路。可被作为电路中的延时器件、触发器或起振元件。555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。外接几个电阻和电容可以形成多谐振动器，可以产生脉冲。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 集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器电路的振荡周期T=(R1+2R2)CLn2=1S 电路的振荡频率f=1/(R1+2R2)/C/Ln2=1HZ 占空比q=(R1+R2)/(R1+2R2)=2/3。 综合以上三式可得R1=R2=48K。图3 555与RC组成的秒单元4.2时间计数单元时间计数单元有时计数、分计数和秒计数等几个部分。时计数单元一般为24进制计数器计数器。其输出为两位8421BCD码形式；分计数和秒计数单元为60进制计数器，其输出也为8421BCD码。本实验采取了74LS160 用两块芯片进行级联来产生60进制和24进制的计数器。秒个位计数单元为10进制计数器，无需进制转换，只需将0与CP1（下降沿有效）相连即可。CP0（下降没效）与1HZ秒输入信号相连，3可作为向上的进位信号与十位计数单元的CP1相连。秒十位计数单元为6进制计数器，需要进制转换。将10进制计数器转换为6进制计数器的电路连接，其中2可作为向上的进位信号与分个位的计数单元的CP0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，也是分个位计数单元的3作为向上的进位信号应与分十位计数单元的CP0相连，分十位计数单元的2作为向上的进位信号应与时个位计数单元的CP0相连。时个位计数单元电路结构仍与秒或分位计数单元相同，但是要求，整个时计数单元应为24进制计数器，所以在两块74LS160构成的100进制中截取24，就得在24的时候进行异步清零。4.2.1 秒计数和分计数单元用74LS160制作60进制的秒计数单元，如图4所示。这种同步可预置十进计数器是由四个D型触发器和若干个门电路构成，内部有超前进位，具有计数、置数、禁止、直接（异步）清零等功能。对所有触发器同时加上时钟，使得当计数使能输入和内部门发出指令时输出变化彼此协调一致而实现同步工作。这种工作方式消除了非同步（脉冲时钟）计数器中常有的输出计数尖峰。缓冲时钟输入将在时钟输入上升沿触发四个触发器。 这种计数器是可全编程的，即输出可预置到任何电平。当预置是同步时，在置数输入上将建立一低电平，禁止计数，并在下一个时钟之后不管使能输入是何电平，输出都与建立数据一致。清除是异步的（直接清零），不管时钟输入、置数输入、使能输入为何电平，清除输入端的低电平把所有四个触发器的输出直接置为低电平。图4 60进制计数器 4.2.2 时计数单元时个位计数单元电路结构仍与秒或分位计数单元相同，但是要求，整个时计数单元应为24进制计数器，所以在两块74LS160构成的100进制中截取24，就得在24的时候进行异步清零。如图5所示。图5 24进制计数器4.3 译码驱动及显示单元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CD4511八段共阳LED数码管作为显示单元电路，如图6所示。 图6 译码驱动电路4.3.1 74LS48的基本定义及功能4线七段译码器/驱动器（BCD输入，有上拉电阻），74LS48为有内部上拉电阻的BCD七段译码器/驱动器，共有54/7448、54/74LS48两种4.4 校时、校分调整电路 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。对校时的要求是：在小时校正时不影响分和秒的运行；在分校正是不影响小时和秒的正常运行。另外，校时还有快校时和慢校时两种，“快校时”是:通过开关控制，是计数器对1Hz的校时脉冲计数；“慢校时”是手动产生单脉冲做校时脉冲。这里采用“快校时”方式的校时电路，如图7、8所示 图7 校时电路 图8 校分电路4.5 与非门、非门简介4.5.1 74LS00的基本定义及功能74LS00 为四组 2 输入端与非门（正逻辑），共有 54/7400、54/74H00、54/74S00、54/74LS00。4.5.2 74LS04的基本定义及功能74LS04 为六组反向器，共有 54/7404、54/74H04、54/74S04、54/74LS04 四种线路结构形。5 PCB的设计与制作、布线及焊接调试5.1 PCB布线以及注意事项由于初步接触Protel这个软件，不是太会用，学习熟悉掌握这个软件用了3、4天的时间。学会之后。首先画原理图，因为之前做过仿真，照着仿真图把原理图连接好，之后导入PCB板，导过去之后所有的元器件和线都在一起，首先要把所有的器件摆放好位置，整体布局所占空间不能太大，布线要遵循规范化、美观化、整体化的原则。由于是单层板，而且在布线的过程中考虑美观的因素，我们选用蓝色的线连，一般的线宽为0.6-1.2mm。电源、地线的处理 既使在整个PCB板中的布线完成得都很好，但由于电源、 地线的考虑不周到而引起的干扰，会使产品的性能下降，有时甚至影响到产品的成功率。所以对电、 地线的布线要认真对待，把电、地线所产生的噪音干扰降到最低限度，以保证产品的质量。对于电源线和地线，我选的是1mm，而其他一般的导线我选的是0.8mm，而所有的焊盘大小我都选的是外径2mm，内径1mm，这样打孔的时候才不容易损坏焊盘。所有的数码管连线都一样，所以从数码管开始布线。之后是74LS48的布线，再接着是74LS160，然后是与非门74LS00和非门74LS04的布线。而对于有的交叉的线，我则选用红色的跳线。之后检查原理图的元器件的封装和PCB图中元器件的封装是否一致，不一致的话，还要自己重新画封装，而且原理图和PCB的相应的元器件的编号也要一一照应。当我了解这个过程开始布线的时候，才发现过程不如我想像的那么简单，在布线这块我花费了差不多5、6天的时间，去找老师，一次次的修改，才完成了布线，当时觉得自己布的挺好的，但是现在看来，布线不得不怎么样。5.2 焊接、转印、腐蚀去打过板子之后，还要去4楼的实验室腐蚀板子，用三氯化铁把板子外面的一层铜箔腐蚀掉，腐蚀完之后应及时把板子拿出来，之后把线上的一层碳层用去污粉擦掉。如果有断线的话，用炭笔把断的线补上。之后用无水乙醇和松香在板子上面涂一层，防止板子氧化。干了之后就可以焊接元器件了。我们先焊数码管和IC插座，还有跳线。5.3 调试5.3.1看外观焊接完数码管、IC插座和跳线之后，我们首先查看一下所有的管脚是否有虚焊和短路。5.3.2插芯片我们先把555多谐振荡器插上，上电之后拿示波器测试一下是否出现1ms的脉冲信号，如果没出现的话，和PCB图对比一下是否是焊接有错误，并改正。若有脉冲，则进行下一项检查。插上一片74LS160和一片74LS48，之后上电看一下秒单元的个位上的数码管是否亮和显示数据，并且看数据是否按十进制计数，如果不计数，对比一下PCB图，检查一下错误的地方，并改正。之后依次检查秒单元的十位，分单元的个位和十位，时单元是否按照24进制计数。5.3.3 秒单元调试 我的数字钟在上电之后，首先555振荡器不产生脉冲，经过细心的检查之后，发现连接2管脚和6管脚的那根跳线没有把两个管教接通，换了根跳线后，数码管就亮了。5.3.4计数单元的调试再上电，发现数码管显示的数据开始走动，之后发现发现秒的个位不向十位进位，检查之后才发现是非门那跳线接错了，改正之后，开始进位。之后从秒单元向分单元的进位没有问题。再之后，发现时单元的进位不是24进制，变为了100进制，我也是对比PCB图后发现，后来发现74LS160输出端接错了，改正之后，确实是按照24进制进位。而由于没有用分频器电路，所以可能会有较小的误差出现。5.3.4校时、校分的调试还有校时和校分电路，我把两个0.1uf的电容去掉了，所以在进行校时和校分的时候可能会有抖动现象，但总体来说还是可以用的，只要不怎么晃动电路板、平稳放置电路板就可以。而在秒单元的十位，对应的十位的数码管的b段和f段被摔坏了，所以无法亮。六、总结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。我也得出结论，不同的电路可以实现同样的功能，我们应该设计最简单，最经济，最实用的电路。当然这个不一定所有条件都符合，找到一个最大限度满足各种条件的方案是我们设计的目标。每次课程设计是一次难得的锻炼机会，让我们能够充分利用所学过的理论知识还有自己的想象的能力，另外还让我们学习查找资料的方法，以及自己处理分析电路，设计电路的能力。我相信是对我的一个很好的提高。平时在学习理论知识的时候，我们应该更注重实践，应付考试有考试的方法。这次的课程设计让我懂得了它们在实际中的用途，还有我们身边的很多数字钟电路，这些都是我们自己可以实现的。通过这次课程设计，我还更加深了理论知识的学习。这次的设计电路我用到了74LS160计数器、74LS48译码器等，通过自己分析和设计更好地运用了它们，而且还学会了它们更多的功能，发现它们的功能远比书上说的多很多，可以利用不同的接法设计出各种各样不同的电路出来。这学期本来课不多，课程设计又给得比较早，自己认真做了，觉得还是小有收获。碰到的问题越让人绝望，解决问题之后的喜悦程度就越高。作为工科类的学生，以后工作了难免要碰到许许多多的问题，不要绝望，坚持，直到看到胜利的曙光。而通过这次设计并制作实践中，让我明白了