《电子技术》课程设计报告-数字电子钟设计.doc

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1、湖湖南南商商学学院院 电电子子技技术术 课课程程设设计计报报告告 题题 目目 数字数字电电子子时钟设计时钟设计 姓姓 名名: 学学 号号: 专专 业业:电电子信息工程子信息工程 班班 级级:电电信信 0904 指指导导教教师师: 职职 称称:助理助理实验师实验师 计计算算机机与与电电子子工工程程学学院院 2011 年年 6 月月 2 课程设计评审表课程设计评审表 学 号 090910148 姓 名学 院 计算机与电子 工程学院 专业班级电信 0904 题 目电子钟设计电子钟设计 评 审 意 见 评审成绩 指导教师签名职称评审时间 年 月 日 3 课程设计作品验收表课程设计作品验收表 题目电子钟

2、设计 姓 名 班 级电信 0904参与人员 学 号090910148 设计任务与要求：此次设计任务以 Proteus 为仿真软件，由虚拟元器件组成数字电子 钟，它主要由振荡器、分秒计数器、译码器、数码管等部分组成。通过 Proteus 的仿 真，它可以实现分秒的计时功能，最后配以实物焊接组成一个这样的电路板。设计要 求：准确计时，以数字形式显示分秒时的时间并且分和秒的计时要求为 60 进位。 作品完成情况：作品能完成 24 进制和 60 进制的计数，能自动对 24 小时进行准确计 时，并且通过 LED 管进行数码显示。 验收情况： 验收教师签名：_ 年 月 日 注：1. 除“验收情况”栏外，其

3、余各栏均由学生在作品验收前填写。 2. “验收情况”栏由验收小组按实际验收的情况如实填写。 4 目 录 1 课程设计目的1 2 设计任务和要求1 2.1 设计任务.1 2.2 设计要求.2 2.2.1 设计报告要求2 2.2.2 作品要求2 2.2.3 设计要求2 3 数字钟电路系统的工作原理2 4 电路的总体设计2 4.1 数字电子钟逻辑框图.3 4.2 振荡器的设计.4 4.3 分秒计数器的设计.5 4.4 数码驱动及显示电路的设计6 4.5 主体电路图.7 5 电路仿真测试8 6 安装调试与问题分析9 7 心得与体会10 参考资料11 附 录 12 5 数数字字电电子子时时钟钟设设计计

4、1.1. 课程设计目的课程设计目的 电子技术课程设计是在低频电子线路、数字电子技术课程之后,安排的实 践性教学环节。它是高等学校电子信息工程类专业的学生必须进行的一种综合 性训练。其目的是学生运用所学的知识,动脑又动手,在教师指导下,结合某一专 题独立地开展电子电路的设计与实验, 更好地将理论和实际课题相结合，培养 学生的综合应用能力，培养创新意识和提高学生的综合素质。提高对设计课题 的分析能力、解决实际问题的综合能力、动手能力。 （1）熟悉集成电路的引脚安排。 （2）掌握数字钟的设计方法和和计数器相互级联的方法。 （3）掌握各芯片的逻辑功能及使用方法。进一步掌握数字系统的设计和数字系 统功能

5、的测试方法。 （4) 进一步掌握数字系统的制作和布线方法，了解面包板结构及其接线方法。 （5) 熟悉数字钟的设计与制作。 2.2. 设计任务和要求设计任务和要求 2.12.1 设计任务设计任务 本设计以 Proteus 为仿真软件，由虚拟元器件组成数字电子钟，它主要由 振荡器、分秒计数器、译码器、数码管等部分组成。通过 Proteus 的仿真，它 可以实现分秒的计时功能，最后配以实物焊接组成一个这样的电路板。电子技 1 术课程设计的任务是设计、组装并调试一个简单的电子电路装置。 课程设计主要任务内容如下： （1）学生根据设计任务查资料、文献，并进行研究讨论； （2）对设计任务的指标进行分析，构

6、思设计方案； （3）组建功能框图，完成整机电路的系统设计； （4）应用 EDA 软件 proteus 画电路图并进行仿真分析； （5）购买元件，安装调试； （6）撰写设计报告。 2.22.2 设计要求设计要求 2.2.12.2.1 设计报告要求设计报告要求 （1）课程设计报告应符合技术文档的规范要求。其内容一般应包括设计任 务与要求、总体方案设计、系统原理框图及电路图、主要电路设计与计算、系 统功能及指标测试、总结等内容，并附元器件清单； （2）所有电路图的制作应采用 EDA 软件正确绘制，课程设计报告中必须有 Pretus 仿真结果； （3）电路图中的图形符号必须符合国家或国际标准； （4）

7、报告内容完整，格式正确。 2.2.22.2.2 作品要求作品要求 作品元器件布局合理，电路整洁，功能和指标达到设计任务要求。 2.2.32.2.3 设计要求设计要求 （1）准确计时，以数字形式显示分秒的时间。 （2）分和秒的计时要求为 60 进位。 2 3.3. 数字钟电路系统的工作原理数字钟电路系统的工作原理 数字电子钟是一个将“ 时” ， “分” ， “秒”显示于人的视觉器官的计时装置。 它的计时周期为24小时，显示满刻度为23时59分59秒，另外应有校时功能和报 时功能。因此，一个基本的数字钟电路主要由译码显示器、 “时” ， “分” ， “秒” 计数器、校时电路、报时电路和振荡器组成。

8、主电路系统由秒信号发生器、 “时、 分、秒”计数器、译码器及显示器、校时电路、整点报时电路组成。秒信号产 生器是整个系统的时基信号，它直接决定计时系统的精度，一般用石英晶体振 荡器加分频器来实现。将标准秒信号送入“秒计数器” ， “秒计数器”采用60进 制计数器，每累计60秒发出一个“分脉冲”信号，该信号将作为“分计数器” 的时钟脉冲。 “分计数器”也采用60进制计数器，每累计60分钟，发出一个“时 脉冲”信号，该信号将被送到“时计数器” 。 “时计数器”采用24进制计时器， 可实现对一天24小时的累计。译码显示电路将“时” 、 “分” 、 “秒”计数器的输 出状态用七段显示译码器译码，通过七

9、段显示器显示出来。整点报时电路时根 据计时系统的输出状态产生一脉冲信号，然后去触发一音频发生器实现报时。 校时电路时用来对“时” 、 “分” 、 “秒”显示数字进行校对调整。 数字电子钟一般由六个部分组成，其中振荡器和分频器组成标准的秒信号 发生器，由不同进制的计数器、译码器和显示器组成计时系统。秒信号送入计 时器进行计数，把累计的结果以“时” 、 “分” 、 “秒”的十进制数字显示出来。 “时” 显示由二十四进制计数器、译码器和显示器构成， “分” 、 “秒”显示分 别由六十进制计数器、译码器和显示器构成。数字电子钟逻辑框图如图所示。 它由 555 多谐振荡器，分频器，计数器，译码显示器和校

10、正电路组成。 振荡器产生稳定的高频脉冲信号作为数字时钟的时间基准，输出标准秒脉 冲，秒计数器满流逝后向分计数器进位，分计数器满六十后向小时计数器进位。 当计数时间达到 23：59:59 后清零，进行循环计数。计数器的输出经译码器送 显示器。 3 4.4. 电路的总体设计电路的总体设计 数字电子钟由信号发生器、计数器、显示器组成，振荡器产生的信号作为 秒脉冲，秒脉冲送入计数器计数，计数结果通过分秒译码器显示时间。 4.14.1 数字电子钟逻辑框图数字电子钟逻辑框图 逻辑图如图 1： 图 1 数字电子钟逻辑框图 4.24.2 振荡器的设计振荡器的设计 振荡器是计时器的核心，主要用来产生时间标准信号

11、，也叫基信号。数字 钟的精确主要取决于时间标准信号的频率及稳定度。振荡器的频率越高，计时 的精度就越高，但耗电量将增大。石英晶体振荡器的特点是振荡频率准确、电 路结构 简单、频率调整。它还具有压电效应，在晶体某一方向加一电场，则在与此垂 4 直的方向产生机械振动，有了机械振动，就会在相应的垂直面上产生电场，从 而使机械振动和电场互为因果，这种循环过程一直持续到晶体的机械强度限制 时，才达到最后稳定，这种压电谐的频率即为晶体振荡器的固有频率如果精度 要求不高，可采用集成电路 555 定时器与 RC 组成的多谐振荡器。振荡器的稳定 度及频率的精确度决定了数字时钟计时的准确程度。一般来说，振荡器的频

12、率 越高，计时精度越高。在电子手表中，常取的频率为 32768Hz。在本次设计中， 精度要求不是很高，所以选用有集成电路定时器 555 与 RC 组成的多谢振荡器， 振荡频率为 1Hz，由多谐振荡器的工作原理退出的工作公式 f=1.44/（R1+2*R2）C）及频率和周期的关系公式 T=1/f 可知，通过电阻 和电容的值大小选取可以实现秒钟功能。 图 2 555 振荡器 4.34.3 分秒计数器的设计分秒计数器的设计 六十进制计数器，分别用两个显示灯显示“分” 或者“秒” ，它是通过六 进制和十进制显示电路级联起来达到显示效果的。需要用到两个数码管、两片 74LS48 芯片、两片 74LS16

13、0 芯片组成 60 进制计数器；“分”位的计时也为 60 进制；“时”位计时为 24 进制计数器，均选用 74LS160 来实现。实现的方法用 置数法构成。 小时计数电路是由两块 74LS160 芯片组成的 12 进制计数电路。当“时”个 位 74LS160 芯片计数输入端 CP5 来到第 10 个触发信号时，74LS160 芯片计数器 自动清零，进位端 QD5 向 74LS160 芯片“时”十位计数器输出进位信号，当第 24 个“时”(来自“分”计数器输出的进位信号)脉冲到达时，IC5 计数器的状 5 态为“0001” ，74LS160 芯片计数器的状态为“0001” ，此时“时”个位计数器

14、 的 QC5 和“时”十位计数器的 QB6 输出为“1” 。把它们分别送到 74LS160 芯片 和 74LS160 芯片计数器的清零端 R0(1)和 R0(2)，通过 R0(1)和 R0(2)与非后清 零，从而完成 24 进制计数。 24 进制计数器的个位时钟信号来自秒、分电路两个信号相与的结果，当产 生 59 分、59 秒时两者相与的结果为 1，则时进一位，否则不进位。 分和秒计 数器都是 60 的计数器，其计数规律为 00-01-58-59-00，选 74LS160 作为 六进制计数器，74LS160 作为个位计数器，再将 它们级联组成模数 M=60 的计 数器。分计数器与秒计数器原理相

15、同，如图三所示： 6 图 3 秒计数器电路 4.44.4 数码驱动及显示电路数码驱动及显示电路 显示器原理（数码管）：数码管是数码显示器的俗称。常用的数码显示器 有半导体数码管，荧光数码管，辉光数码管和液晶显示器等。 本设计所选用的是半导体数码管，是用发光二极管（简称 LED）组成的字 7 形来显示数字，七个条形发光二极管排列成七段组合字形，便构成了半导体数 码管。半导体数码管有共阳极和共阴极两种类型。共阳极数码管的七个发光二 极管的阳极接在一起，而七个阴极则是独立的。共阴极数码管与共阳极数码管 相反，七个发光二极管的阴极接在一起，而阳极是独立的。 当共阳极数码管的某一阴极接低电平时，相应的二

16、极管发光，可根据字形 使某几段二极管发光，所以共阳极数码管需要输出低电平有效的译码器去驱动。 共阴极数码管则需输出高电平有效的译码器去驱动。 译码器原理（74LS48）：译码为编码的逆过程。它将编码时赋予代码的含 义“翻译”过来。实现译码的逻辑电路成为译码器。译码器输出与输入代码有 唯一的对应关系。74LS48 输出高平有效的七段字形译码器，它在这里与数码管 配合使用，表 2 列出了 74LS48 真值表，表示出了它与数码管之间的关系。 译码器与显示器的配套使用：译码是把给定的代码进行翻译，本设计即是 将时、分、秒计数器输出的四位二进制数代码翻译为相应的十进制数，并通过 显示器显示，通常显示器

17、与译码器是配套使用的。我们选用的七段译码驱动器 （74LS48 和数码管（LED）是共阴极（需要输出低电平有效的译码器驱动） 。 4.54.5 主体电路图主体电路图 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。首先构成一个 555 定时器产生震荡周期为一秒的标准秒脉冲，由 8 74LS90 采用清零法分别组成六十进制的秒记数器、六十进制分记数器、由 74LS191 构成十二进制时记数器。使用 74LS48 为驱动器，数码管作为显示器。 根据设计的主体思想和各分电路，按照流向分级安

18、装，逐级级联，每一级指组 成数字钟的各功能电路.联出总体逻辑电路图，如图四所示： 图 4 总体设计原理图 5 5 电路仿真测试电路仿真测试 连接好电路后进行仿真，基本功能测试。当秒计数器计到 59 时，下一个脉 冲到来时，分的个位加一。当时钟运行到 59 分 59 秒的时候，秒的个位计数器 9 再输入一个秒脉冲时，数字钟自动进入下一个循环，如图五所示： 图 5 基本功能仿真测试 6 6 安装调试与问题分析安装调试与问题分析 这次电子钟的安装，我总共进行了两次，虽然过程中出现了各种各样的问 题，但最终都解决了，实现了其基本功能。 10 第一次安装时，与另外两个同学一起分工合作，同时进行了三个产品

19、的安 装，其中有两个有显示，但都为乱码，最后一个却没有显示，经过线路检查后 发现连线并没有错误，在修补了几条虚焊的电导线后，有显示的两个电子钟出 现了一模一样的乱码，虽然显示是乱码，但进行单个 BCD 管的检测时却仍计了 10 次数，而且“1” 、 “7”为正常显示，通过对共阴极七段显示管引脚的核对， 发现最后的问题是将“f” 、 “g”的管脚连反了，自然在不需 f、g 显示的 1、7 就会正常显示，而其他数字便因 f、g 无法正常显示而成为乱码。至于第三个电 子钟，在检查后发现，由于接地线使用了直接抽离出的铜丝，没有绝缘橡胶的 绝缘作用，导致其与信号源的输入电路短接，从而没有显示。 由于万能

20、板在检查过程中有损坏，且电子钟的实际接线线路十分复杂，不易 更改，于是便用新的板子重新做过。这次有了前次的经验教训，于是开始先做 一个完整的 BCD 电路，检测其能正常工作之后再连接下一级电路。全部焊接好 了之后，安装上芯片进行检测，发现计数不对，分计时器的显示为 00；但时计 时器却可以正常计数，初步估计为 74LS160 的芯片是坏的，于是将 160 的芯片 取出，然后将取下的芯片安装到试验箱上，接通电源，通过控制高低电平输入 来验证此块芯片的真值表，从而确定其好坏。经验证，两块 74LS160 确实被烧 坏了，无法正常工作，通过调换新的芯片，安装好的电子钟终于能够正常的工 作计时了。 7

21、 7 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即初步掌握了电子电路技术，对 电子技术原理及其应用和日常生活电子产品工作性能有了一些初步了解，但那 都是理论的东西，没有实践，通过这次数字电子钟的课程设计，我才把学到的 东西与实践相结合。 在这次数字钟设计过程中，进一步地熟悉了芯片的结构及不同芯片的工作 原理和使用方法，也提高了自己独立思考问题的能力和查阅资料的能力。虽然 这只是一次简单的课程设计，但这次课程设计使我们在一系熟悉了解了课程设 计的一般步骤和设计中出现问题时怎么解决的发放。设计本身并不是最重要的， 11 而是对待问题时的态度和处理事情的能力。在产品成功的时候很有成就

22、感，而 这成就感不仅仅是个人完成了任务，更多的是在这次实践中我们学会的东西。 在此次的数字钟设计过程中，我回顾了以前接触过的数字电路的相关知识，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。 锻炼了自己独立思考问题的能力，同时也注意到查看相关资料来解决问题。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，而是同学 们对待问题时的态度和处理事情的能力。 在这次设计过程中，我对 Proteus 这个软件有了新的了解和重视，这使我 在以后的学习中更加会注重学用结合。同时，也认识到借助仿真软

23、件不仅可以 把课堂中所学到的知识直接加以运用，而且还可以把各个分离的知识点组合为 一个整体，使自己在专业知识和动手能力上有了很大提高。 参考资料参考资料 1 彭介华.电子技术课程设计指导. 北京：高等教育出版社. 12 2 张玉璞，李庆常.电子技术课程设计. 北京：北京理工大学出版社. 3 梁宗善. 电子技术基础课程设计. 武汉：华中理工大学出版社. 4 阎石. 数字电子技术基础（第五版）. 北京：高等教育出版社，2006. 5 康华光.电子技术基础（第五版）. 北京：高等教育出版社，2006. 附录附录 元器件申请表元器件申请表 2011 年 06 月 28 日 13 姓 名唐斌 班 级电信

24、 0904 指导老师曹东坡 课题题目 电子钟设计 元器件 清 单 LED 数码管（7SEG-DIGITAL） 4 个 74LS04 1 个 74LS20 2 个 74LS48 4 个 74LS160 4 个 555 1 个 电容 100uF 1 个 电阻 51K 1 个 电阻 200K 2 个 指导老师 意 见 年 月 日 领件人 年 月 日 ut2ApOdfXXc02GyBKsKCWw97MrqqWhoj5TL15Zt6jIPYytYCummtARp3v1N5luizi3xh3BhWYreKO8d9g7nmZQoWPJeTLDrw08gVS8DsDQQYGC3cE7moO2tLF0Jf1gK

25、74IUXyBmtIVR97CkrfVqULT5fn2t6MpJR6rbzVPSortZvIj5NB5ndVvSr4iWr1TwLFKgLSPzuhRjQ3CmZU98eUOuijdLSZqPmvrw9zKupxf8WFUG9l2G9277g2rTipa1YpCZEuqxpKBhtVDCooQOzxUz3vJrZmOcijyM62zchmeooTYes8EBMm932tbz2Yo09RtsZEYS8Zrd2Yktj8l6jEAzVAjnfbtryLvsm6oFbfToXVRFFn7OwIYgJlamkUNXJYbz5Rrb7r4VsuR9zpfZFMfsjhcfCA37lNW2VVLRKN7R

26、8psz1BN6oRic5hU5Z6HCxAYqyNPOG8duYbAwqSl20CSg06Dh2sM8HLtgPkIcSkrgOPDpuHBj1LmPk7lYdvC6NNMwL3fwhZFTFVYAARY7lHSSxJ10V3pH3Y19BxYR77Ib7CpZSu2tijqe3hKqkKAu9KSkCpHKXUIKvvyJZpg2YijRkqfbGgOvyqKuxNWI9oMnJtt6QilZxtyrF7d20FbmabcfiixrQKUsVNXBPPFUXyQ1fJSKFSUbkgs2DUVQC9sz4JkbgN4Qqv66pyoARjurNFJ3TxyfclZiEePtwFJthphE

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