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1、.嘉应学院电子信息工程学院数字时钟课程设计报告专 业班 级姓 名学 号目 录1、 设计目的32、 设计任务33、 数字电子钟的电路系统设计33.1、 设计原理33.2、 方案确定43.2.1 设计方案一43.2.2 设计方案二53.2.3 两种方案的比较53.2.4 设计方案的确定63.3 数字电子钟的电路设计63.3.1、 时间计数电路的设计63.3.2、 校时电路的设计83.3.3、 秒信号发生器的设计93.3.4、 译码驱动显示电路.103.3.5、 数字电子钟的整体电路123.4、设计电路的计算机模拟仿真与调试124、 电路的装配过程124.1、电路模拟仿真调试134.2、电路焊接14
2、4.3、 实物的实际调试.125、实验数据和误差分析145.、1实验数据.145.2、 误差分析.146、 元件清单.157、 课程设计的收获、体会和建议.161、设计目的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。此次设计与制作数字电子钟的目的是让学生在了解数字钟的原理的前提下,运用刚刚学过的数电知识设计并制作数字钟,而且通过数字钟的制作进一步了解各种在制作中用到的中小规模集成电路的作用及其使用方法。由于数字电子钟包括组合逻辑电路和时序电路,通过它可以进一步学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,从而实现理论与实践相结合。总的来说,此次课程设计,有助
3、于学生对电子线路知识的整合和电子线路设计能力的训练,并为后继课程的学习和毕业设计打下一定的基础。2、 设计任务设计制作一个数字电子钟设计指标：1 时间计数电路采用24进制,从00开始到23后再回到00；2 各用2位数码管显示时、分、秒；3 具有自动校时、校分功能,可以分别对时及分进行单独校时,使其校正到标准时间； 4为了保证计时的稳定及准确,须由晶体振荡器提供时间基准信号。3、 数字电子钟的电路系统设计下面将详细介绍整个数字电子钟的电路系统设计过程。其中包括数字电子钟的设计原理,设计方案的确定,数字电子钟的电路设计计算机仿真,电路的设计与调试几个设计部分。3.1、 设计原理数字电子钟是一个对标
4、准频率1HZ进行计数的计数电路。它由振荡器、分配器、计数器、译码器和显示器电路组成。振荡器产生的时钟信号经过分频器形成秒脉冲信号,秒脉冲信号输入计数器进行计数,并把累计结果以时、分、秒的数字显示出来。秒计数器电路计满60后触发分计数器电路,分计数器电路计满60后触发时计数器电路,当计满24小时后又开始下一轮的循环计数。通过校时电路可以对分和时进行校时。3.2、 方案确定通过查找资料并展开讨论,共讨论出两个不同的设计方案,表面上看,似乎两个方案都符合要求,但经过反复深究,并将两个方案加以比较,最终确定一个既符合本设计要求又具有比较强的可行性的方案作为此次设计的对象。3.2.1、 设计方案一方案一
5、的设计主要是由555振荡电路, 时间计数电路,校时电路和译码驱动电路组成。而分频器采用3片集成电路计数器74LS90,每片为1/10分频,3片级联则可获得所需的频率信号。而时间计数电路由74LS90组成,分为一个24进制电路和两个60进制电路。校时电路则由开关组成。设计方案一的设计原理图如图174LS48译码驱动74LS48译码驱动时十位计数位计数数时个位计数位计数数分十位计数位计数数分个位计数位计数数秒十位计数位计数数秒个位计数位计数数无消抖动校时,校分控制电路555振荡器 三级分频电路74LS9074LS48译码驱动74LS48译码驱动74LS48译码驱动74LS48译码驱动图1 设计方案
6、一的设计原理图3.2.2、 设计方案二方案二的设计主要由晶体振荡电路,时间计数电路,校时电路,译码驱动电路。其中,时间计数电路用六个74LS90组成。校时电路主要由 HD74KS00P组成RS触发器,而且加入消抖电路,达到了自动校时的效果。设计方案二的设计原理图如下4511译码驱动4511译码驱动4511译码驱动4511译码驱动4511译码驱动4511译码驱动时十位计数时个位计数分十位计数分个位计数秒十位计数秒个位计数具有消抖动的校分,校时控制电路32768晶体振荡电路 CD4060分频器2Hz 二分频电路74LS741Hz图2 设计方案二的设计原理图3.2.3、 两种方案的比较1、在数字电路
7、设计中,两种方案采用了不同的元器件,但都达到了数字时钟功能。2、第一个方案采用了简单的开关形式进行校时,而第二个方案则采用了由RS触发器组成的具有消抖动的消抖校时电路,消除了输入脉冲的不稳定性,使得在校时过程中不影响计数。3、第一个方案采用了74LS48的译码芯片,而第二个方案则采用了MCI 4511D 译码芯片,显然,前者价格昂贵,后者经济实惠。4、第一个方案采用了555振荡器,输出脉冲既不精确也不够稳定,而第二个方案则采用了晶体振荡电路,其输出脉冲较精确,稳定。5、第一个方案采用了3片74LS90作为分频器,而第二个方案则采用了1片74LS74作为二级分频器,电路较前者简单。3.2.4 设
8、计方案的确定鉴于第一种方案有比较多的局限性,而方案二则比较方便实用,再根据本次设计的具体要求与所学的知识,确定方案二为本次设计采用的方案。3.3、 数字电子钟的电路设计下面将介绍第二个设计方案的设计电路。其中包括时间计数电路的设计、校时电路的设计、秒信号发生器的设计、译码驱动显示电路的设计几个部分。3.3.1、时间计数电路的设计时间计数电路由秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器及时个位和时十位计数器电路构成,其中秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器为60进制计数器,而根据设计要求,小时计数器为24进制计数器。3.3.2、 秒信号发生器的设计振荡器是数字钟的核心,振荡器的稳定度及频率
9、的精确度决定了数字钟计时的准确程度。由集成电路定时器555与RC可组成多谐振荡器,其振荡频率只有1KHz。所以为了达到设计要求,获取更高的计时精度,选用晶体振荡器构成振荡器电路。一般来说,振荡器的频率越高,计时精度越高。此次设计晶体振荡器,其频率为32768Hz,再经过分频芯片4060BD, 其内部有15级2分频集成电路,所以可以其中一个输出端得到2Hz的信号脉冲。再经过二次分频,方可得到1Hz的标准信号脉冲,即秒脉冲。至于分频电路,实际上就是由计数器组成的,因此,还可选用3片集成电路计数器74LS90,每片为1/10分频,3片级联则可获得所需的频率信号。但为了节省芯片及开支,因此选用前者。其
10、原理图和电路图分别入图8和图9。图8 秒信号原理图图9 晶体振荡电路3.3.3、 译码驱动显示电路译码驱动电路将计数器输出的8421BCD码转换为数码管需要的逻辑状态,并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。本设计采用MCI 4511译码器和LED数码管。译码驱动显示电路如图10。图10 译码驱动显示电路3.3.4、 数字电子钟的整体电路图11为数字电子钟的整体电路主模块部分,图12,图13为数字电子钟的整体电路副模块部分。图11电路主模块部分图12 晶体振荡电路图13 校时电路3.4、 设计电路的计算机模拟仿真与调试本次设计后的方案分电源电路、时间计数电路、正点报时电路、校时电路、秒信号
11、发生器电路和译码驱动显示电路等几个模块,设计后分别送到计算机模拟软件EWB8.0和Multisim2001中进行模拟调试。此次模拟仿真调试是在实物调试前展开的,可以及时发现设计方案中存在的问题并进行分析与修正,方便购买器件,也为下一步的实物调试和线路板制作提供正确可行的电路模块。4 电路的装配过程经过电路的模拟仿真调试后,进入实际组装配置过程。其中包括电路模拟仿真调试、电路焊接和实物的实际调试三个阶段。 PCB元件布局4.1 电路模拟仿真调试经过电路的电脑模拟仿真调试后,将芯片插入实验室的实验箱再一次进行调试,首先调试秒计时电路,再接着调试分计时电路,如此一步一步调试下去,一发现问题可以及时分
12、析并更正,并且边调试边焊接,节省了大量时间。4.2 电路焊接在实际组装配置即焊接电路板的过程中,对于裸露在空气中的电线或者芯片引脚,由于受氧化,表层附有一次很薄的氧化物,会导致其导电能力大大下降,因此须用砂纸擦去氧化层。每焊接完一部分电路,就立即进行调试,测试无误后方可进心下一阶段的焊接。焊接时要主要布线和焊点的合理分布,尽量做到美观。实际焊接过程中,要保证焊笔不要碰到已经焊好的线,否则焊好的线很容易脱落。4.3、 实物的实际调试完成焊接后,即进入实物的调试阶段。实际调试中出现了不少问题,如显示不正常,秒计时中满六十后不进位等等。仔细检测后发现主要是电路的某些线脱落和虚焊。后来还发现校时电路中
13、的一个消抖电路设计出现错误,须重新设计。经过认真的分析与纠错后,最终调试成功。5、 实验数据和误差分析5.1、 实验数据在组装器件完毕后,用实验室的秒表进行测试数字钟的精确度,测试结果如表1表1 数字钟时间与秒表时间的比较表秒表时间数字钟时间误差单位：秒0000：00：0003000：00：30060.0100：01：000.019000：01：30012000：02：000150.0200：02：300.02180.0300：03：000.035.2、 误差分析从表1可看出,误差接近于0,而且理论上,误差本来是累积的,但实际上不然,该表的数据已显示数字钟走了90秒和120秒时的误差与走了60秒的误差并不相关联,亦即误差不累积。因此易得出此误差值为人的反应时间包括视觉反应时间和手的反应时间,并不是数字钟本身的误差。因此,此数字钟的精确度相当高,满足设计要求。6、 元件清单本次设计所用的元器件如表2所示。表2 元器件清单一览表元器件数量CD4026BE6共阴数码管6按键开关3CD40601CD4013BE174LS081LM7804110M电阻3二极管
