数字时钟设计报告.doc

2007级电子信息工程数字电路课程设计报告书设计题目数字电子钟逻辑电路设计姓 名 张 琳（20070341002） 王钰鸿（20070341010） 桂蓉峰（20070341049）学 院物理与电子信息工程学院专 业电子信息工程班 级 07级3班指导教师张 新 龙2009年 12 月 15 日一、 设计题目及要求1、设计题目利用数字逻辑电路设计一数字电子钟。2、设计要求（1）基本要求由晶振电路产生1Hz标准秒信号；秒、分为0059六十进制计数器；时为0023二十四进制计数器。（2）提高要求可自动校正：能分别进行秒、分、时的校正。只要将开关置于手动位置，可分别对秒、分、时进行手动校正。指导教师签名： 2009年12月15日1二、指导教师评语指导教师签名： 2009 年 月 日三、成绩 验收盖章 2009年 月 日前言 随着人类科技文明的发展，人们对于时钟的要求在不断地提高。时钟已不仅仅被看成一种用来显示时间的工具，在很多实际应用中它还需要能够实现更多其它的功能。高精度、多功能、小体积、低功耗，是现代时钟发展的趋势。在这种趋势下，时钟的数字化、多功能化已经成为现代时钟生产研究的主导设计方向。本实验要求设计一个数字计时器，可以完成0时0分00秒23时59分59秒的计时功能，并在控制电路的作用下有快速校时，校分功能。数字电子钟设计目录前言-3设计任务-2第1章 电路设计原理与实验电路-41.1设计任务及要求-41.2 计时器的特点及其应用-51.3 设计方案-51.4 单元模块-61.4.1振荡器的设计-71.4.2 分频器的设计-81.4.3 时、分、秒计算器的设计-101.4.4 译码器的设计-131.4.5校时电路的设计-14第2章 电路板的制作及电路焊接与调试-142.1 电路板的制作安装-152.2 电路测试-15心得与体会-17附录-191.原理图-202.作品照片-193.元件清单-21参考文献-21第1章 电路设计原理与实验电路1.1设计题目及要求（1）基本要求由晶振电路产生1Hz标准秒信号；秒、分为0059六十进制计数器；时为0023二十四进制计数器。（2）提高要求可自动校正：能分别进行秒、分、时的校正。只要将开关置于手动位置，可分别对秒、分、时进行手动校正。1.2 计时器的特点及其应用数 字 钟 电 路 系 统 由 石 英 晶 体 振 荡 器 、 分 频 器 、 计 数 器 、 译 码 器 、 显 示 器 及 校 时 电 路 组成 ，此 次 设 计 中 电 路 基 准 脉 冲 由 频 率 相 对 较 高 的 32768 Hz 晶 体 振 荡 器 产 生，以保证时钟足够的精准，此时钟可作为标准时钟来作为广场等地的公开时间基准。而且其可靠性高，显示明确，可作为公开场合的大屏显示。1.3 设计方案数 字 钟 电 路 系 统 由 石 英 晶 体 振 荡 器 、 分 频 器 、 计 数 器 、 译 码 器 、 显 示 器 及 校 时 电 路 组 成，石 英 晶 体 振 荡 器 产 生 稳 定 的 3 2 7 6 8 H z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 信号 。 有 了 秒 脉 冲 信 号 ， 根 据 6 0 秒 为 l 分, 60分 为 1小时, 24小时 为 1 天 的 进 制 ， 分 别 设 计“ 秒 ” （ 六 十 进 制 ） 、 “ 分 ” （ 六 十 进 制 ） 、 “ 时 ” （ 二 十 四 进 制 ） 计 数 器 。 计 数 器 输 出 经 译 码 驱 动 LED 数 码 管 显 示 器 ， 显 示 时 间 。其 组成框如下图所示。 数字时钟系统组成框图1.4 单元模块1.4.1振荡器的设计振 荡 器 是 数 字 钟 的 核 心 ， 其 作 用 是 产 生 一 个 标 准振 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 ，所 以 选 用 石 英 晶 体 构 成 振 荡 电 路 。振 荡 器 由 石 英 晶 体 、 微 调 电 容 、 反 向 器 构 成。 图 中 反 馈 电 阻 ， 电 阻 值 为lOM 左 右 ， 其 作 用 是 为 CMOS 反 向 器 提 供 偏 量 。非 门 起 整 形 放大作 用 。石 英 晶 振 的 频 率 为 3 2 7 6 8 Hz, 经15 级 二分 频 可 得 1Hz 秒 脉 冲 时 基 信 号 。非门由CD4069实现，原先设计中选用74LS04但是其增益不够输出信号波形幅度和形状均不足。原理图如下：CD4069引脚如下图: 1.4.2 分频器的设计由 于 石 英 晶 体 振 荡 器 产 生 的 信 号 频 率 很 高 ， 要 得 到 秒 脉 冲 ， 需 要 分 频 电 路 进 行 分 频 ， 所以 分 频 器 的 功 能 主 要 是 产 生 标 准 秒 脉 冲 时 基 信 号 。本设计中选用两片74LS393作为分频器件，74LS393内部为相同的两部分-两个 4 位二进制计数器 ，其异步清零端（1clear,2clear）为高电平时，不管时钟端 1A，2A 状态如何，均重新开始计数，即可以完成清除功能。 当 1clear,2clear 为低电平时，在 1A,2A 脉冲下降沿作用下进行计数操作，并通过1Qa1Qd、2Qa2Qb 分别输出。本设计中不需要输出所以只是将第一级计数器最高位接入下一级计数器脉冲端 ，作为下一级计数器的脉冲端，经三次十六进制和一次八进制计数后得到1Hz脉冲信号，其中切记各个部分置数端接地，原理图如下：74LS393真值表：74LS393外接管脚图：74LS393逻辑图： 1.4.3 时、分、秒计算器的设计来 自 分 频 器 的 1Hz秒 脉 冲 信 号 经 过 六 级 计 数 器 ， 分 别 得 到 “ 秒 ” 个 位 ， 十 位 ； “ 分 ” 个 位 ，十 位 及 “ 时 ” 个 位 ， 十 位 的 计 时 。 分 和 秒 计 数 器 都 是 六 十 进 制 ， 时 计 数 器 为 二 十 四 进 制 。（1）六十进制计数器设计六 十 进 制 计 数 器 可 由 一 个 十 进 制 计 数 器 和 一 个 六 进 制 计 数 器 连 起 来 构 成 。选 用 两 片 集成 电 路 74LS90 串 起 来 构 成 “ 秒 ” 、 “ 分 ” 计 数 器 。计数结果经74LS90的11脚、8脚、9脚、12脚由高位到低位分别输出8421码。60进制计数器原理图如下：74LS08与门集成电路引脚图如下：（2）24进制计数器设计用 两 片 74ls90 构 成 24 进 制 计 数 器原理图如下：74LS90真值表:74LS90引脚图如下:74LS90逻辑图如下:1.4.4 译码器的设计-译 码 是 编 码 的 逆 过 程 。 也 就 是 把 给 定 的 代 码 进 行 翻 译 ， 变 成 相 应 的 状 态 。 译 码 器 选 用74LS48 ， 它 是 4 线 7 段 译 码 器 驱 动 器 ， 输 人 端 A3、 A2 、A1 、A0为 8421 BCD 码 输 人 ， 有 上 拉 电阻 。 因 此 在 与 LED 数 码 管 连 接 时 不 需 再 外 接 限 流 电 阻 。 74LS48 的 译 码 输 出 (YaYe) 是高 电 平 有 效 ， 适 用 于 驱 动 共 阴 极 LED 数 码 管 。由计数器产生的计数结果经74LS90的11脚、8脚、9脚、12脚由高位到低位输出后分别接入译码器74LS48的6脚，2脚，1脚，7脚，经译码器译码后接LED a、b、c、d、e、f各脚。74LS48 的 字 形 显 示 图 如 下所 示 。1.4.5校时电路的设计当 数 字 钟 刚 接 通 电 源 或 者 计 时 出 现 误 差 时 ， 需 要 校 正 时 间 （ 又 称校 时 ） 。 所 以 ， 校 时 是 对 “ 时 ” 、 “ 分 ” 、 “ 秒 ” 进 行 校 准 。 “ 时 ” 、 “ 分 ” ， 两 只 开 关 (K1 、 K2 ） 分 别 实现 对 “ 时 ” 、 “ 分 ” 的 校 准 。 开 关 选 择 有 “ 正 常 ” 和 “ 校 时 ” 两 挡 。一 般 情 况 开 关 打 在 “ 正 常 ” 挡 ， 当 要 进 行 校 时 时 ， 把 开 关打 在 “ 校 时 ” 挡 。 让 秒 脉 冲 进 人 个 位 计 数 器 ， 计 数 器 快 速 计时 ， 实 现 校 时 功 能 。电路原理图如下所示:第2章 电路板的制作及电路焊接与调试2.1 电路板的制作安装本 次设计采用多孔板作为基板进行焊接，以原理图作为参考合理安排元件布局，仔细按照原理图连接好电路.千万注意元件引脚正确安排好走线.焊接过程中注意预热时间和焊锡的用量,以及所用导线的塑料绝缘皮的受热烧焦,要用硬性物体将被焊接导线紧密按与焊盘上,并且要剩余的线脚尽量短,以免影响后面元件和导线的焊接,还要注意过程中使用导线的颜色,如电源线外包绝缘皮颜色,接地线颜色,和信号线颜色区分开来,以便于后面的检查和调试.2.2 电路测试1、检查电路对照电路图检查电路器件是否连接正确，器件引脚、电容极性、电源线、地线是否对接，连接是否牢靠，电源的数值与方向是否符合设计要求。2、按功能模块分别调试按单元电路，把每一部分单元电路调试得正常工作，才把它们连接成整机，然后在进行整体调试。2.3所遇到的问题及解决（1）此 次 设 计 中 电 路 基 准 脉冲 由 频 率 相 对 较 高 的 32768 Hz 晶 体 振 荡 器 产 生 ，后 经 过 三 次 非 门 对 信 号 进行整形和幅度的相应放大，初次设计只考虑到是用非门，没考虑到对信号的整形和放大，所选用的是74LS04，然而信号产生后其幅度不能达到计数器脉冲所需幅度，后通过老师指导才知道是此集成块对信号增益不够，修改后方检测到正确的脉冲信号.（2）此设计中分频选用的是74LS393对32768Hz信号进行分频三次16分频又一次8分频，产生计数器需要的1Hz脉冲信号， 开 始 32768Hz信号输入分频器总是输出很定低电位，以为是集成电路由于自己不小心烧坏了后对照设计原理图才发现是置数端没接，悬空的置数端逻辑上是高电平，而此集成电路置数端是高电平置数有效，这样就是始终都是在置数，难怪总是没能正常分频呢，然后把两个集成电路四个置数端都接到地终于在128Hz信号时看到了比较理想的脉冲，然而检测1Hz脉冲时又是看到了严重失真的波形,仔细检验逻辑所有的都没有问题，我想来想去总以为是集成电路有问题了，刚好老师指导旁边的同学-这个集成电路没有退耦电容干扰是相当严重的。一语惊醒梦中人，问题出现在这里，我赶紧加了退耦电容,然后得到了很合理1Hz脉冲信号。（3）开始拿到电路板，我并没有按照模板构思好整体布局，最后导致线会拉得很长，会有许多地方压线，后来，我重新拆了重做了，还好问题解决的比较早，没有浪费我太多时间。（5）把这些改好后，发现所有数码管均为0，我就纳闷了，因为我知道电路没有连接错误，老师的提醒下，我检查了74LS90的6，7脚，发现是悬空色，高电平清零，然而悬空相当于高电平。这些脚都接地后问题得到解决。（4）第二天，基本把较分电路做完了，可是当我调试时，首先的问题是，秒十位错误，经检查电路没有连接错误后接入电源开关拨到计时档发现显示时间时个位正确而十位却是1、2、4、5、3、这个序列变化的，我以为是有干扰导致的，当我再次用万用表检测连线才发现前面一个很大的疏漏计数器74LS90的输出8、9脚跟译码器74LS48 的2、1脚相连接，前面检测是竟然没有线这两个脚接反了，这下可受益很多了，一个加深了对821BCD码的认识，也知道了线路焊接检测上面的严谨的重要性，科学就是这么严谨，刚不小心马上就犯个低级错误。实验总结心得与体会1、 本次实验其实电路不是很难，原理很清楚，但是遇到问题却比想象中多，任何一点小错误都会让努力白费，所以细心，耐心很重要。2、 数字电路复杂,因此需要我们连接时要有好的布局和 合理的布线规则,如将电源线,地线,传输线,暂时产生的线分别开来，用不同的颜色,或者以单元电路的形式分开,为以后查错或改进带来极大的方便. 3、 在连接每一根线时，既要注意剥线的长短要适中，使电路板连线清晰美观，最重要的是检查时特别方