电子钟课程设计.doc

目 录1. 课程设计目的22. 课程设计题目描述和要求.23. 课程设计报告内容.3 3.1设计部分.33.1.1设计名称.33.1.2设计要求. 33.1.3设计原理.33.1.4设计内容.43.1.5设计步骤.43.2调试部分. 93.2.1调试器材. 93.2.2调试要点.103.2.3主体电路装调.103.2.4扩展电路装调.113.2.5调试结果.124. 课程设计总结12参考文献.151.课程设计目的1、掌握数字电子钟的设计、组装与调试方法。2、了解数字钟的组成及工作原理。3、熟悉集成电路的使用方法。4、熟悉集成电路的引脚安排。5、掌握各芯片的逻辑功能及使用方法。6、了解面包板结构及其接线方法。7、提高电路布局布线及检查和排除故障的能力。2.课程设计题目描述和要求（1）设计一个有“时”、“分”、“秒”（12小时59分59秒）显示，且有校时功能的电子钟。（2）用中小规模集成电路组成电子钟，并在实验箱上进行组装、调试。（3）画出框图和逻辑电路图，写出设计、实验总结报告。（4）闹钟系统。整点报时。在59分51秒、53秒、55秒、57秒输出750Hz音频信号，在59分59秒时输出1000Hz信号，音频持续1s，在1000Hz荧屏结束时刻为整点。日历系统（选做）。3.课程设计报告内容3.1 设计部分3.1.1设计名称多功能数字钟电路3.1.2设计要求基本功能如下：1、 准确计时，以数字形式显示时、分、秒的时间。2、 小时的计时要求为“12翻1”，分和秒的计时要求为60进位。3、 校正时间。扩展功能如下：1、 定时控制。2、 仿广播电台正点报时。3、 报整点时数。触摸报整点时数。3.1.3设计原理如图所示，数字钟电路系统有主体电路和扩展电路两大部分所组成。其中，主体电路完成数字钟的基本功能，扩展电路完成数字钟的扩展功能。该系统的工作原理是，振荡器产生稳定的高频脉冲信号作为数字钟的时间基准，再经分频器输出标准秒脉冲。秒计数器计满60后向分计数器进位，分计数器计满60后向小时计数器进位，时计数器按照“12翻1”规律计数。计数器的输出经译码器送显示器，计时出现误差时可以用校时电路进行校时、校分、校秒。扩展电路必须在主体电路正常运行的情况下才能进行功能扩展。 图 多功能数字钟系统组成框图3.1.4设计内容（1） 振荡器的设计（2） 分频器的设计（3） 时分秒计数器的设计（4） 时分秒译码显示电路的设计（5） 60进制电路，12翻1电路设计（6） 校时电路设计（7） 定时电路的设计（8） 仿电台整点报时电路的设计3.1.5设计步骤主体电路的设计与装调主体电路是由功能部件或单元电路组成的。在设计这些电路或选择部件时，尽量选用同类型的器件，如所有功能部件都采用TTL集成电路或都采用CMOS集成电路。整个系统所用的器件种类应尽可能少。下面介绍各功能部件与单元电路的设计。振荡器的设计振荡器是数字钟的核心。振荡器的稳定程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。一般来说，振荡器的频率越高，计时精度越高。图为电子手表集成电路中晶体振荡器电路，常取晶振的频率为32768Hz。因其内部有15级2分频集成电路，所以输出端正好可得到1Hz的标准脉冲。如果精度要求不高也可以采用由集成逻辑门与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。这里采用555构成的多谐振荡器，设振荡频率f。=1KHz，电路参数如图所示。图所示的555振荡器其周期为T=0.7（R1+2R2），调节滑动变阻器，使其产生的频率为1KHZ。分频器的设计分频器的功能主要有两个：一是产生标准秒脉冲信号;二是提供功能扩展电路所需要的信号，如仿电台报时用的1KHz的高音频信号和500Hz的低音频信号等。选用3片中规模集成电路计数器74LS90可以完成上述功能。因每片为1/10分频，3片级联则可获得所需要的频率信号，即第1片的Q0端输出频率为500Hz，第2片的Q3端输出位10Hz，第3片段Q3端输出为1Hz。如图所示。图 分频器时分秒计数器的设计分和秒计数器都是模M=60的计数器，其计数规律为00-01-58-59-00，选74LS92作为十位计数器，74LS90作为个位计数器，再将它们级联组成模数M=60的计数器。时计数器是一个“12翻1”的特殊进制计数器，即当数字钟运行到12时59分59秒时，秒的个位计数器再输入一个秒脉冲时，数字钟应自动显示为01时00分00秒，实现日常生活中习惯用的计时规律。选用74LS191和74LS74，如图所示。校时电路的设计当数字钟接通电源或者计时出现误差时，需要校正时间。校时是数字钟应具备的基本功能。一般电子表都具有时、分、秒等的校时功能。为使电路简单，本实验只进行小时和分的校时。对校时的要求是，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。校时方式有“快校时”和“慢校时”两种，“快校时”是通过开关控制，使计数器对1Hz的校时脉冲计数。“慢校时”是用手动产生单脉冲作为校时脉冲。图为校“时”、校“分”电路。其中S1为校“分”用的控制开关，S2为校“时”用的控制开关，他们的控制功能如表所示。校时脉冲采用分频器输出的1Hz脉冲，当S1或S2分别为“0”时可进行“快校时”。如果校时脉冲由单次脉冲产生器提供，则可以进行“慢校时”。表 校时开关的功能表S2S1Q2Q1功能接2接211计数接1接201校时接2接110校分功能扩展电路（2）仿广播电台正点报时电路仿广播电台整点报时电路的功能要求是，每当数字钟计时快要到整点时发出声响，通常按照4低音1高音的顺序发出间断声响，以最后一声高音结束的时刻为整点时刻。设4声低音（约500Hz）分别发生在59分51秒、53秒、55秒及57秒，最后一声高音（约1KHz）发生在59分59秒，它们的持续时间均为1秒。如表所示。表 秒个位计数器的状态CP（秒）Q3s1Q2s1Q1s1Q0s1功能500000510001鸣低音520010停530011鸣低音540100停550101鸣低音560110停570111鸣低音581000停591001鸣高音000000停由表可得 只有当分十位的Q2M2 Q0M2=11，分个位的Q3M1Q0M1=11，秒十位的Q2S2Q0S2=11及秒个位的Q0S1=1时，音响电路才能工作。仿电台整点报时的电路如图所示。这里采用的都是TTL与非门，如果用其他器件，则报时电路还会简单一些。3.2调试部分3.2.1调试器材（1）七段显示器（共阴极） 6片（2）74LS48 6片（3）74LS90 5片（4）555集成芯片 1片（5）74LS10、74LS00 6片（6）74LS04 1片（7）74LS74 1片（8） 电阻、电容、导线等 若干3.2.2调试要点路板上开始连接电子钟时，要先设计好元件的布局，因为电路板上的空间是有限的，元件也比较多，所以设计好布局，能让布线时更方便，也不用经常换来换去。器件管脚的连接一定要准确，“悬空端”、“清零端”、“置1端”要正确处理。具体调试步骤和方法如下：（1）用示波器检测555振荡器的输出信号波形和频率，看输出的是不是1khz的频率，如果不是，调节滑动变阻器，使其频率为1khz（尽量接近1Khz），再用示波器检测1级分频，2级分频，3级分频上的频率，应为500hz，10hz，1hz，都正确了就进行下一步。（2）将1秒信号分别送入“时”，“分”，“秒”计数器，检查各级计数器的工作情况。检查显示器的数字是否正确显示，进位是否正确。（3）观察校时电路的功能是否满足校时要求。（4）当分频器和计数器调试正常后，把电路都接好，看能否正常工作，特别是秒向分的进位和分向时的进位，观察是否正常。3.2.3主体电路装调由图所示的数字钟系统组成框图按照信号的流向分级安装，逐级级联。这里的每一级是指组成数字钟的各功能电路。观察数码显示器显示，若显示不够亮或太亮，检查一下数码显示器的电压是否正常，如果不正常，则改正。数码显示管显示不正常都有可能是译码芯片供电不正常做成。级联时如果出现时序配合不同步，或尖峰脉冲干扰，引起逻辑混乱，可以增加多级逻辑门来延时。如果显示字符变化很快，模糊不清，可能是由于电源电流的跳变引起的，可在集成电路器件的电源端Vcc加退耦滤波电容。通常用几十微法的大电容与0.01uF的小电容想并联。3.2.4扩展电路装调将两块面包板平行放置并对接，用红色电源线和黑色底线把两块板连接好，扩展电路接上喇叭和脉冲，再用不同颜色的导线将主体电路的时个位、分十位、分个位、秒十位、秒个位与扩展电路相连。用校时电路调节到合适时刻，观测扩展电路功能是否实现。3.2.5调试结果主体电路实现时钟的功能，即秒、分60进制，时12进制。扩展电路实现闹铃功能和整点报时功能。还可根据需要改变闹铃的时间。调试中出现的故障及其排除方法：1.数字显示器显示的数字不正确，象数字不是按顺序变化，而是几个数胡乱显示，首先用示波器检查74ls90芯片的频率是否正确，电压是够正确。一步一步地排查错误。2.时间不进位，就是74ls90芯片有没有连接正确。电压供给是否正常。4.课程设计总结设计电路的特点和方案的优缺点总结：设计电路都是一些很简单的元器件构成的，让我们可以容易明白电路的构成，用555触发器构成的振荡器代替了有石英晶体构成的振荡电路。555组成的振荡电路简单，还可以方便调节频率。缺点是不能稳定和精确，但对实验用的要求就足够了。方法比较简单，但是也是很实用的。闹时电路和报时电路都很实用。比较容易明白其中的道理。缺点是电路不怎么稳定，触发时很容易是时间产生不正常的变化。校时电路没有加装防抖开关，导致校时无法控制，跳得太快。改进方法是，通过与非门芯片加装一个RS去抖动开关，这样才能稳定校时电路。收获，体会 今次的课程设计大概用了接近10天的时间。时间上虽然不是很长，但我在这段时间里遇到的问题比上了几个星期的实验课还要多。我想，这应该是课程设计的意义所在。让我们发现问题，解决问题，从中学会知识。 首先，从整个课程设计的过程来出发。 （1）选课题和准备这次课程设计一共有两个课题可供选择，一个是数字电子钟，另一个是频率计。我选择了数字电子钟。选好课题之后就得做准备。先去图书馆借一些对应的参考书籍，这样会对整个课程设计的帮助是很大的，让你有问题时多一些可靠的帮手。之后就对看教程整个设计的原理，所要应用的元件都要一一学习。还要明白各个元件的接口和使用方法和原理。之后就得画一些电路的草图，让你明白大概在电路板上的布线。摆放整齐，线路清楚，尽量减少飞线的出现。布线工艺布线开始，你会发现一开始不知干什么，就这么大的一块板，而元件却那么多，怕下手后的出错。这是，先吧芯片都放上看看，排一下位置，大概都位置合理（每个芯片的距离一定，不能太靠近，因为这样布线时很容易引起飞线的，也不能太远，因为很可能摆不下全部的芯片。然后就开始布线了。你可以先把线都接好再去检查或接好一部分就检查一部分。当然最好是接好一部分检查一部分，因为这样比较方便检查出错误，这样缩小了范围，让你更容易地找出错误。布线时电源线是红色，地线是黑色，其他信号线是别的颜色。这样会是布线清楚，容易看明白。线最好能连成垂直和平衡，还有不能出现大量的飞线。飞线会使电路上的线重合，可能会发生短路之类的事情发生。调试技巧一开始调试时，数码显示器显示不正确，秒十位的进位进不到。刚遇到这样的情况不知怎么办，经过冷静一下，便开始动手检错。首先，你得缩小范围，那就是秒为附近的芯片出发。先用示波器查一查各芯片的波形的电压是否正常。最后，还真让我找出了错误的原因。我发现4511芯片和74ls90的芯片的电压只有2V，这样就不能让芯片正常工作，因为正常工作的电压在5V左右。之后，我重新布局了电源线。进过改动后，数码显示器能正常显示。但现在问题又出现了，秒个位不能向秒十位进位和数码显示管显示的亮度太高。首先，看看电路图，再看看实验指导上的电路图，最后，问题都给找去来了。首先说说数码显示管，数码显示管的原因是没有连接限流电路，最后我接上个51的电阻，亮度马上减了下来。没进位是我的4511芯片上的一个针脚没有接地，连好后进位也显示正确了。然后就调试分个位和分十位的。因为分和秒都是60进制的，所以结构上一样。在分上我就没犯下同样的错误。到了时的部分，出现了较多的情况。首先，时个位没法正常工作，然后和图对比，发现原来有一个针脚没接地线。接好后本以为就没问题。但更奇怪的错误发生了。分十位逢4向时个位进位。我想，不是逢6进位。那就看74ls191有没有接错。后来发现没接错。再看看附近的电路。发现校时电路上至时个位计数器没接反相器。后面接上问题就解决了。到这里，主电路的问题都解决了。能正常地显示时钟和进位正确，校时功能也是可以的。课题核心及使用价值该课题用一个生活中的实例展示了振荡电路、计数电路、译码电路的作用与衔接过程，揭示了电子钟内部电路图及其各部分的作用。我们通过此课题，结合本学期学习的模拟电子、数字电子技术的理论课知识，可以系统地学习电子设计与测试的流程、方法、原理，为我们以后设计更加专业、复杂的集成电路打下雄厚的基础。课程设计的经验首先得感谢各位指导老师的教导，在有困难时给予我们很多的帮助。还教会我们对付各种错误应用