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1、数字电子技术课程设计报告数字电子技术课程设计报告课程名称： 数字电子技术课程设计 学 院： 电气与电子信息工程学院 专业班级： 信 科 101 学生姓名： 于 磊 指导教师： 张 玉 红 完成时间： 报告成绩： 评阅意见：评阅教师_ 日期_数字钟设计报告一、设计要求（1）设计指标时间以 12 小时为一个周期；显示时、分、秒；具有校时功能，可以分别对时及分进行单独校时，使其校正到标准时间；计时过程具有报时功能，当时间到达整点前 10 秒进行蜂鸣报时；为了保证计时的稳定及准备由晶体振荡器提供表针时间基准信号。（2）设计要求画出电路原理图（或仿真电路图） ；元器件及参数选择；电路仿真与调试；PCB
2、文件生成与打印输出。（3）制作要求自行装配和调试，并能发现问题和解决问题。（4）编写设计报告写出设计与制作的全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。二、设计目的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。因此，我们此次设计与制作数字钟就是为了了解数字钟的原理，从而学会制作数字钟，而且通过数字钟的制作进一步的了解各种在制作中用到的中小规模集成电路的作用及实用方法，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
3、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。三、设计的具体实现1、系统概述数字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。数字钟电路主体组成框图：图 1该数字钟的工作原理：振荡器产生的稳定的高频脉冲信号，作为数字钟的时间基准，再经过分频器输出标准秒脉冲。秒脉冲器计满 60 秒后向分计数器进位，分计数器计满 60 后向小时计数器进位，小时计数器按照 12 小时规律计数，计到12 点时复位为零点。计数器的输出经过译码器送到显示器。计时出现误差可以用校时电路进行校时，校分，校秒。2、单元电路设计（1） 、秒信号电路 秒信号电
4、路是数字钟的核心部分，它的精度和稳定度决定于数字钟的质量。用于时钟和仪器仪表中作时基的秒脉冲，要求频率稳定度高，一般采用将高频率的振荡器经过分频得到秒脉冲信号。振荡频率越高，秒脉冲精度越高，而需要分频电路的级数就越多。由触发器的分频作用可知，一级触发器能实现二分频。为了使振荡频率稳定，通常用晶体振荡器发出的脉冲经过整形、分频获得秒1Hz信号。时基电路常使用通用集成电路，利用集成电路的多级分频作用对振荡信号频率进行分频，获得秒脉冲，本次选用，为分频电路，再经一4060CD4060CD14次分频即得的标准秒信号。秒信号电路如图 2 所示。 1Hz图 2注：1）简介4060CD引脚功能如图 3 所示
5、。它的内部由一组 14 级二进制串行计数/分频和4060CD振荡电路组成。14 级二进制分频器可以实现 16384（）分频从第 4 级开始至412第 14 级，除 11 级无输出外，各级输出对应。内部的震荡电路通过外4Q14Q接 RC 元件可组成 RC 振荡器，或用石英晶体构成石英晶体振荡器，振荡器最高工作频率电路通过外接 RC 元件可组成 RC 震荡电路，或用石英晶体构成石英晶体振荡器，振荡器最高工作频率可达 690kHz 以上。当作时钟长生秒脉冲时，外接32.768kHz 的石英晶体，以及适当的电阻和电容，可产生 32.768kHz 的方波信号。将 32.768kHz 进行分频，从不同的
6、Q 端可得到不同的分频信号输出，从端4124Q输出信号为 2048Hz，从端输出信号为 2Hz。再对 2Hz 的信号进行而分频，就14Q得到所需要的秒脉冲信号。图 32）石英晶体石英晶体是一种具有压电效应的晶体材料制成的电子元件。在石英晶体两极加上交变电场，晶片会产生机械形变；若在晶片上加机械压力，则会在晶片的相应方向上长生一定的电场。这种效应成为压电效应。在一般情况下，晶片的机械振动的振幅和交变电场的振幅都很小，只有当外加交变电场的频率为某一特定频率时，其振幅比在其他频率下的振幅大得多，这种效应称压电谐振。这与 LC 回路的谐振十分相似，所以，石英晶体又称石英谐振器。石英晶体的谐振频率由生产
7、中晶体的切割方向和几何尺寸决定。石英晶体产品的谐振频率是固定的，用型号表示出振荡频率，对于体积较大的石英晶体振荡器，常将谐振频率标在石英晶体的外封装上。（2） 、时、分、秒计数器 秒信号经秒计数器、分计数器、时计数器之后，分别得到“秒”个位、十位、 “分”个位、十位以及“时”个位、十位的计时输出信号，然后送至译码器显示电路，以便实现用数字显示时、分、秒的要求。 “秒”和“分”计数器应为六十进制，而“时”计数器应为十二进制。要求实现这一要求，可选用的中规模集成计数器较多，本次选择使用。74160LS注：原理介绍74160LS为中规模集成的 4 位同步二进制计数器，除了具有二进74160LS741
8、60LS制加法技术功能外，还具有预置数、保持和异步置零等附加功能。LD为预置数控制端，为数据输入端，C 为进位输出端，为异步置零（复位）端，0D3DDREP 和 ET 为工作状态控制端。图 4 为的功能表，它给出了 EP 和 ET 为不同取值时电路的工作状74160LS态。当=0 时所有触发器将同时被置零，而且置零操作不受其他输入端状态的 DR影响。当=1、=0 时，电路工作在同步预置数状态。这时门的输出始 DR DL16G19G终是，所以输入端 J、K 的状态由的状态决定。例如，若0FF3FF0D3D=1,则=1、=0,CLK 上升沿到达后被置。0D0J0K0FF当=1 而 EP=0、ET=
9、1 时，由于这时门的输出均为 0，亦即 DR DL16G19G均处在 J=K=0 状态，所以 CLK 信号到达时它们保持原来的状态不变。0FF3FF同时 C 的状态也得到保持。如果 ET=0，则 EP 无论为何状态，计数器的状态也将保持不变，但这时进位输出 C 等于 0。当=EP=ET=1 时，电路工作在计数状态。从电路的 0000 状态开始连续 DR DL输入 16 个计数脉冲时，电路将从 1111 状态退回 0000 状态，C 端从高电平跳变至低电平。可以利用 C 端输出的高电平或下降沿作为进位输出信号。图 41)、六十进制计数器 由两块中规模集成十进制计数器，一块组成十进制，另一块组成7
10、4160LS六进制，组合起来就构成六十进制计数器，如图所示:图 52)、十二进制计数器由两块中规模集成十进制计数器构成，当高位出现状态，地74160LS0001位出现为状态，即得到第个来自“分”计数器的进位信号时。产生反馈001012清零信号，如图所示：图 6（3）译码显示电路选用器件时应注意译码器和显示器件的相互配合。一是驱动功率要足够大，二是逻辑电平要匹配。例如，采用公阴型数码管作为显示器件时，则应采LED用输出为高电平的译码电路，且因数码管工作电流较大，不能用普通译码器，TTL应采用功率门或者门。本次设计选择使用显示译码器为。OC24874LS注：）七段字符显示器如图 7 是半导体数码管
11、的外形图和等效电路。这种数码管的每个线段都ABS201是一个发光二极管，因而也将它称为 LED 数码管或 LED 七段显示器。发光二极管使用的材料与普通的硅二极管不同，有磷砷化镓、磷化镓、砷化镓等几种，而且半导体中的杂质浓度很高。当外加正向电压时，大量的电子和空穴在扩散过程中复合，其中一部分电子从导带跃迁到价带，把多余的能量以光的形式释放出来，便发出一定波长的可见光。磷砷化镓发光二极管发出光线的波长与磷和砷的比例有关，含磷的比例越大波长越短，同时发光效率也随之降低。目前生产的磷砷化镓发光二极管发出光线的波长在 6500左右，呈橙红色。 A在等一些数码管中还在右下角处增设了一个小数点，形成了所谓
12、八ABS201段数码管，如图 7a 所示。此外，由图 7b 的等效电路可见，的八段发光ABS201二极管的阴极是做在一起的，属于共阴极类型。为了增加使用的灵活性，同一规格的数码管一般都有共阴极和共阳极两种类型可供选用。半导体数码管不仅具有工作电压低、体积小、寿命长、可靠性高等优点，而且响应时间短，亮度也比较高。它的缺点是工作电流比较大，每一段的工作电流在 10mA 左右。另一种常用的七段字符显示器是液晶显示器。液晶也是一种既具有液体的流动性又具有光学特性的有机化物，它的透明度和呈现的颜色受外加电场的影响，利用这一特点便可做成字符显示器。（a）（b）半导体数码管 BS201A（a）外形图 （b）
13、等效电路2）BCD七段显示译码器半导体数码管和液晶显示器都可以用 TTL 或 CMOS 集成电路直接驱动。为此，就需要使用显示译码器将 BCD 代码译成数码管所需要的驱动信号，以便使数码管用十进制数字显示出 BCD 代码所表示的数值。今以表示显示译码器输入的 BCD 代码，以表示输出的 7 位二3A2A1A0AaYYg进制代码，并规定用 1 表示数码管中线段的点亮状态，用 0 表示线段的熄灭状态。则根据显示字形的要求便得到了真值表。表中除列出了 BCD 代码的 10 个状态与状态的对应关系。aYYg 012 1 2 3011 20 2 30 120 1 2 0 12012 01 223 0 1
14、2 01213 02130 1 2 3 )()(AAAAAAYAAAAAAAYAAAYAAAAAAAAAYAAAAAYAAAAAAAAYAAAAAAAAYgfedcba（4）校时电路在刚接通电源或者时钟走时出现误差时，则需要进行时间的校准。置开关在手动位置，分别对时、分、秒进行单独计数，计数脉冲由单次脉冲或连续脉冲输入。对校时电路的要求是，在进行小时校正时不影响分和秒计数器的正常计数；同理，进行分校正时不影响秒计数器的正常计数。校正时间的方式有“快校时”和“慢校时”两种，其中“快校时”是通过校时开关的控制，使校时脉冲进入校时电路，则计数器对校时脉冲计数，当计到需要校正的时间时，再使计数器转入正
15、常计数。 “慢校时”是用单脉冲发生器的输出做校时脉冲，通过校时开关的控制，每触发一次输出一个单脉冲，则计数器加，当计到需要校正的时间时，再使计数器转入正常计数。由此可见，两种校时方式的电路应基本相同，不同的是校时脉冲的产生与控制方式有所区别。（5）整点报时电路每到整点前的时准备报时。当分计数到时，将分触发器置 ，10s59minHQ1而等秒计数到时，将秒触发器置 ，然后“”和“”相“与” ，结果50sLQ1HQLQ再和秒信号相“与”去控制低音喇叭鸣叫，直至时产生一个复位信号使59s清零。停止低音鸣叫。同时的反相信号又和“”相“与”去控制高音LQ59sHQ喇嘛鸣叫。当计数器从到时，鸣叫结束，完成整点报时，电路如图59:0000:00所示：图 8注：本次采用型双 D 触发器，是上升沿触发的边沿触发器，引脚排列和7474LS功能表如图：a b 图 93、电路的安装与调试（略）四、心得体会及建议通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题
