数字钟-电子技术实验及数字温度计

学生实验报告系别电子工程学院课程名称电子技术实验班级实验名称数字钟姓名实验时间学号指导教师报告内容一．实验目的：1．掌握用数字集成电路设计数字钟的基本原理和方法；2．熟悉典型集成电路的逻辑功能，掌握N进制计数器的设计与实现。二．实验原理：如图1所示，数字钟由振荡器，计数器，译码器和显示器电路组成，计时周期为24小时，显示满刻度为23时59分59秒。1．振荡电路振荡器产生的脉冲信号是整个系统的时钟信号，它直接决定计时系统的精度，它可由晶振经分频电路获得,也可由其它振荡电路产生,读者可自行选择。图1数字钟原理框图2．计数器数字钟的计数电路是由两个六十进制和一个二十四进制（或十二进制）计数器实现的。六十进制计数器由一个十进制计数器和一个六进制计数器组成。分别对秒（或分）的个位和十位进行计数。3．译码与显示电路在数字钟的电路中，译码器的输入信号就是计数器的输出信号，计数器输出的四位BCD码经译码后，，变成某个十进制数字对应的控制电平，去驱动数码管的各段发光，从而把该十进制数显示出来。三．设计要求1．设计一个时钟振荡器，再用分频的办法获得一个1Hz的脉冲信号。2．正点报时要求在59分59秒开始。3．具有校时、校分电路。实验过程：I、分秒电路分和秒均为60进制，秒个位和分个位为十进制，秒十位和分十位为六进制。秒个位进位输出连接秒十位CLK输入，秒十位进位输出连接分个位CLK输入；分个位进位输入连接分十位CLK输入，分十位进位输出连接时个位CLK输入。秒和分走到59后，若再来脉冲，则全变为零。II、时电路2)校时电源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.图3-7所示即为带有基本RS触发器的校时电路,四、心得1、加强了团队合作精神，磨练了我们的意志力。我们各人之间好好的配合，分工合作，设计过程没有一团乱麻。更为可贵的是，我们彼此鼓励，同舟共济地处理每个问题。这种团队精神将是我们美好的回忆。我们遇到了许多困难。有些困难甚至看进来难于解决，确实也是打击了我们的信心。但我们毫不气馁，认真地检查电路，检查焊接的好坏，用坚强的意志解决问题，只可惜的是还是没做出来。2、加强我们对电子器件的了解。一直以来，我们都对电子器件都很感兴趣，对电子应用感到好奇。这次我们亲自制作一个电子器件，虽然原理并不太复杂，但我们在这一个过程，了解电子应用的奇妙之处。3、提高了我们使用电脑对电路进行仿真的能力。我们又要学会新的软件EWB来画电路图，并用它进行仿真。这又让我们的知识增多了。4、做到理论联系实际。刚刚学过了数电这门课程，还没完全弄懂某些元器件的原理和用途，而此次课程设计恰恰提供了一个好机会，让我们从实践中加深了对所学知识的理解。成绩教师签名批改时间年月日电子技术课程设计报告题目数字温度计学院名称船山学院指导教师班级电子信息工程学号学生姓名目录TOC\o"1-3"\h\u95341.设计任务与要求 .设计任务与要求1.1设计说明温度是非电量模拟信号，数字显示温度就必须将这一非电量信号转换成电量（电压或电流），然后将模拟电信号经ADC转换成数字信号，最后经译码显示器显示温度值。温度传感器精密放大器温度传感器精密放大器A/D转换器译码显示电路图1.1.1数字温度计框图1.2设计要求1.2.1基本部分（1）自制稳压电源（2）被测温度范围0~200°C。（3）直接用数字电压表显示温度值，可直接读出0~1999°C。也可以用4位数码管显示温度值。1.2.2其它说明：（1）一人完成，直接用数字电压表显示温度值，难度系数为0.9；用4位数码管显示温度值，难度系数为1.1。（2）实验时验证三个值：冰瓶0°C、环境温度、100°C沸水。2.设计思路和方案的选择拿到这个题目之后从网上和书本上查阅了很多资料，经过总结后提出了以下两种方案：方案一：使用数字传感器采集温度信号，然后将被测温度的电压或电流采集过来，用运算放大器（OP-07)放大到合适的倍数，然后在用ADC0809进行模数转换，将转换后的数字进行编码，然后在经过译码器通过7段数码显示管显示出来。7段数码管显示温度译码器编码器A/D转换ADC0809信号处理放大电路数字式温度传感器7段数码管显示温度译码器编码器A/D转换ADC0809信号处理放大电路数字式温度传感器图1.1系统方案框图图2.1.1系统方案框图方案二:使用LM35做温度传感器，再用ICL7107这个芯片进行模数转换，然后再驱动7段的数码显示管进行显示。温度显示数码管驱动A/D转换ICL7107LM35温度传感器温度显示数码管驱动A/D转换ICL7107LM35温度传感器图2.1.2系统方案框图方案分析：如果使用方案一的话功能可以实现，但是里面芯片很多，做起来线路比较复杂，容易出错，而且不易修改线路，而且ADC0809这个芯片要使其工作的话必须要一个500KHZ的时钟脉冲信号，这样的话就又要用555电路来产生一个500KHZ的时钟脉冲信号，然后又要编码器又要译码器，电路做起来十分繁琐，而ICL7107里包含了3又1/2位数字A/D转换器，可以直接驱动LED数码管，内部设有参考电压，独立模拟开关，逻辑控制，显示驱动，自动调零功能等，而LM35是直接将温度转化成电压信号输出，所以只需要很简单的外围电路就可以实现数字温度的显示了，电路相对于方案一简单了很多，综合起来，所以决定选用方案二。3.原理及其电路组成数字温度计的设计原理图见附录1。它通过LM35对温度进行采集，通过温度与电压近乎线性关系，以此来确定输出电压和相应的电流，不同的温度对应不同的电压值，故我们可以通过电压电流值经过放大进入到A/D转换器和译码器，再由数码管表示出来。3.1传感电路LM35具有很高的工作精度和较宽的线性工作范围，该器件输出电压与摄氏温度线性成比例。因而，从使用角度来说，LM35与用开尔文标准的线性温度传感器相比更有优越之处，LM35无需外部校准或微调，可以提供±1/4℃的常用的室温精度。LM35具有以下特点：（1）工作电压：直流4～30V；（2）工作电流：小于133μA（3）输出电压：+6V～-1.0V（4）输出阻抗：1mA负载时0.1Ω；（5）精度：0.5℃精度（在+25℃时）；（6）漏泄电流：小于60μA；（7）比例因数：线性+10.0mV/℃；（8）非线性值：±1/4℃；（9）校准方式：直接用摄氏温度校准；（10）封装：密封TO-46晶体管封装或塑料TO-92晶体管封装；（11）使用温度范围：-55～+150℃额定范围LM35的封装图：图3.1.1LM35封装图LM35温度传感器直接把温度转换成电压的形式输出，它的温度与电压成线性关系：VoutLM35（T）=10mV/℃×T℃由上述公式可以得知温度每上升1摄氏度，电压升高10mV。而且它有两种供电方式，一种是单电源模式，正负双电源模式：图a单电源模式图b正负双电源模式而我们这里采用单电源模式供电，这样我们的温度采集模块就做好了，下面是我们的原理图：3.1.2温度采集电路原理图3.2A/D转换电路ICL7107是高性能、低功耗的三位半A\D转换器，同时包含有七段译码器、显示驱动器、参考源和时钟系统。ICL7107可直接驱动共阳极LED数码管。ICL7107将高精度、通用性和真正的低成本很好的结合在一起，它有低于10uV的自动校零功能，零漂小于1uV/℃，低于10pA的输入电流，极性转换误差小于一个字。真正的差动输入和差动参考源在各种系统中都很有用。在用于测量负载单元、压力规管和其它桥式传感器时会有更突出的特点。ICL7107转化器原理图如图3.2.1所示。其中计数器对反向积分过程的时钟脉冲进行计数。控制逻辑包括分频器、译码器、相位驱动器、控制器和锁存器。驱动器是将译码器输出对应于共阳极数码管七段笔画的逻辑电平变成驱动相应笔画的方波。图3.2.1ICL7107转化器原理图控制器的作用有三个：第一，识别积分器的工作状态，适时发出控制信号，使各模拟开关接通或断开，A/D转换器能循环进行。第二，识别输入电压极性，控制LED数码管的负号显示。第三，当输入电压超量限时发出溢出信号，使千位显示“1"，其余码全部熄灭。

钓锁存器用来存放A/D转换的结果，锁存器的输出经译码器后驱动LED。它的每个测量周期自动调零（AZ）、信号积分（INT）和反向积分（DE）三个阶段。双积分型A/D转换器的电压波形图如图3.2.2所示图3.2.2双积分型A/D转换器的电压波形图ICL7107AD转换器的管脚排列及其各管脚功能如图3.2.3所示。图3.2.3ICL7107管脚排列ICL7107引脚功能介绍：1.V+和V-分别为电源的正极和负极，2.au-gu,aT-gT,aH-gH：分别为个位、十位、百位笔画的驱动信号，依次接个位、十位、百位LED显示器的相应笔画电极。3.Bck：千位笔画驱动信号。接千位LEO显示器的相应的笔画电极。4.PM：液晶显示器背面公共电极的驱动端，简称背电极。5.Oscl-OSc3：时钟振荡器的引出端，外接阻容或石英晶体组成的振荡器。第38脚至第40脚电容量的选择是根据下列公式来决定：Fosl=0.45/RC6.COM：模拟信号公共端，简称“模拟地”，使用时一般与输入信号的负端以及基准电压的负极相连。7.TEST：测试端，该端经过500欧姆电阻接至逻辑电路的公共地，故也称“逻辑地”或“数字地”。8.VREF+VREF-：基准电压正负端。9.CREF：外接基准电容端。10.INT：27是一个积分电容器，必须选择温度系数小不致使积分器的输入电压产生漂移现象的元件11.IN+和IN-：模拟量输入端，分别接输入信号的正端和负端。12.AZ：积分器和比较器的反向输入端，接自动调零电容CAz。如果应用在200mV满刻度的场合是使0.47μF，而2V满刻度是0.047μF。13.BUF：缓冲放大器输出端，接积分电阻Rint。其输出级的无功电流(idlingcurrent)是100μA，而缓冲器与积分器能够供给20μA的驱动电流，从此脚接一个Rint至积分电容器，其值在满刻度200mV时选用47K，而2V满刻度则使用470K。ICL7107工作原理：1.时钟信号源的标准周期Tc作为测量时间间隔的标准时间。它是由内部的两个反向器以及外部的RC组成的。双积分型A/D转换器ICL7107是一种间接A/D转换器。它通过对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后利用脉冲时间间隔，进而得出相应的数字性输出。2.它包括积分器、比较器、计数器，控制逻辑和时钟信号源。积分器是A/D转换器的心脏，在一个测量周期内，积分器先后对输入信号电压和基准电压进行两次积分。比较器将积分器的输出信号与零电平进行比较，比较的结果作为数字电路的控制信一号。3.计数器对反向积分过程的时钟脉冲进行计数。控制逻辑包括分频器、译码器、相位驱动器、控制器和锁存器。分频器用来对时钟脉冲逐渐分频，得到所需的计数脉冲fc和共阳极LED数码管公共电极所需的方波信号fc。4.译码器为BCD-7段译码器，将计数器的BCD码译成LED数码管七段笔画组成数字的相应编码。驱动器是将译码器输出对应于共阳极数码管七段笔画的逻辑电平变成驱动相应笔画的方波。5.控制器的作用有三个：第一，识别积分器的工作状态，适时发出控制信号，使各模拟开关接通或断开，A/D转换器能循环进行。第二，识别输入电压极性，控制LED数码管的负号显示。第二，当输入电压超量限时发出溢出信号，使千位显示“1"，其余码全部熄灭。6.钓锁存器用来存放A/D转换的结果，锁存器的输出经译码器后驱动LED。它的每个测量周期自动调零（AZ）、信号积分（INT）和反向积分（DE）三个阶段。ICL7107芯片参数如下图：电源电压ICL7107V+toGND6V温度范围0℃to70℃ICL7107V-toGND9V热电阻PDIP封装QJA(℃/W)50MQFP封装80模拟输入电压V+toV-最大结温150℃参考输入电压V+toV-最高存储温度范围-65℃to150℃时钟输入GNDtoV+图3.2.4芯片参数表其工作的外围电路图如下：图3.2.5芯片外围电路图3.3数码管显示电路数码管可以分为共阳极与共阴极两种，共阳极是把所有LED的阳极连接到共同接正极，而每一LED的阳极分别为a,b,c,d,e,f,g及sp（小数点），它的内部结构图如图3.3.1所示。aGbaGbcdefgSP图3.3.1共阳极数码管内部结构在本次设计当中，由于ICL7107的特点，它只能驱动共阳极数码管，故我们要选用共阳极七段数码管。在连接数码管时，我们要注意数码管各个管脚所对应的字母，不能接错或接漏。7段共阳极数码管的引脚图：图3.3.2数码管引脚图4.调试与总结4.1调试与测量数据我们要通过调试电路来发现设计电路的相关内容。（1）按照电路图对相关元件进行连接，其中注意芯片各管脚的作用以及该如何进行接线。（2）当上步骤完成后，接通电源，观察数码管和二极管是否亮，若不亮时，要对电路电源进行检测，看是否线路接触不良或者电路短路。（3）（2）完成之后，观察数码管是否显示数值，然后改变LM35的温度值，观察数码管是否随着温度变化而变化。（4）若数码管数值与温度值相差太大，则要检查信号采集电路中各元件值是否对。为了验证设计电路的正确性以及它的实验数据，我们对实物进行验证。用带有温度测量的数字万用表和本次设计的电路对相同温度下物体进行相应的测量并绘成表格进行比较。如表4.1.1。测测量工具测量环境数字万用表数显温度计室温13.5℃13.4℃冰箱温度0.0℃0.2℃温水袋39.6℃38.5℃表4.1.1万用表与设计电路数据的比较由上表的数据可以得出，本系统的误差<1℃,分辨率为0.1℃。4.2设计总结这次课程设计刚开始的时候，只是从网上搜了个大概的电路图，连仿真都没有做就直接开始焊电路了，所以第一次做出来的东西根本不能用，连显示都不能显示，然后我就去查资料，查了很多关于LM35传感器和ICL7107的资料，看他们是怎么工作的，但是第二次焊出来的实物还是不能用，然后我就去问同学，查看了网上别人做的，之后终于知道为什么了，原因就是ICL7107的基准电压问题，还有就是元器件的选择，因为芯片里面有积分电路，所以有几个电容不能用瓷片电容，这两点一定要特别注意，还有就是因为数码管和芯片的引脚比较多，焊电路的时候一定要小心，不能虚焊和错焊，还有就是供电问题，LM35和ICL7107要分别用两组5V电池供电，这样电路才能正常工作。5.心得体会数电课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.回顾起此次课程设计，至今我仍感慨颇多，的