数字钟设计报告.docx
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数字钟设计报告
目录
1设计目的3
2设计任务3
3数字电子钟的电路系统设计3
3.1设计原理3
3.2方案确定4
3.2.1设计方案一4
3.2.2设计方案二5
3.2.3两种方案的比较5
3.2.4设计方案的确定6
3.3数字电子钟的电路设计6
3.3.1电源电路的设计6
3.3.2时间计数电路的设计7
3.3.3正点报时电路的设计8
3.3.4校时电路的设计9
3.3.5秒信号发生器的设计9
3.3.6译码驱动显示电路..................................................11
3.3.7数字电子钟的整体电路11
3.4设计电路的计算机模拟仿真与调试14
4电路的装配过程15
4.1电路模拟仿真调试15
4.2电路焊接15
4.3实物的实际调试......................................................15
5实验数据和误差分析15
5.1实验数据............................................................15
5.2误差分析............................................................16
6元件清单..............................................................16
7课程设计的收获、体会和建议............................................17
致谢19
参考文献20
1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．计时过程具有报时功能，当时间到达整点前10秒开始，蜂鸣器1秒响1秒停地响5次。
5．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，且计时过程具有报时功能，当时间到达整点前10秒开始，蜂鸣器1秒响1秒停地响5次。
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1
图1设计方案一的设计原理图
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
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MCI4511D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。
其中包括电源电路的设计、时间计数电路的设计、正点报时电路的设计、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电源电路的设计
由于本设计所用芯片的数目较多，而且数字钟需要比较稳定的电压才能使得计数正常、稳定、精确。
所以采用L7805CV稳压集成块做稳压电路，并为了更好的消除电压谐波，所以采用了2000µf的滤波电容，以此得到稳定的电压。
电源电路:
用7805集成块做稳压电路。
如图3
图3电源电路
3.3.2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。
用6个74LS90组成两个60进制和一个24进制计数器。
分别如图4和5。
图460进制电路
对于上图，74LS90芯片的引脚8、9、11、12分别对应QC、QB、QD、QA四个输出端，而第5端和第10端分别接高电平和地，上图已默认，就不画出，下面的电路图凡涉及到芯片本身就需要接高电平和地的引脚亦不画出。
当分的74LS90芯片的进位输入端11端的脉冲进位信号传到时的脉冲输入端时，时便计数一次，并且其十位和个位的进位关系与分（秒）的十位和个位的进位关系一样，此处不再重述。
24进制电路图如图5。
图524进制电路
3.3.3正点报时电路的设计
为了达到正点报时的功能，当时间的分十位为5，分个位为9，秒的十位为5时，利用与门的相与功能，使得时间在59分50秒到59分59秒期间，蜂鸣器1秒响1秒停地响5次。
如图6。
图6正点报时电路
3.3.4校时电路的设计
一般情况下，数字电子钟开机时并不立即显示当前时间，所以需要一个校时电路来调整以此来获得所需要的时间。
根据设计要求，采用自动实现对时和分的校时，为了使校时不干扰计时，在校时电路中还加入了消抖电路，用于消除输入脉冲的不稳定性，确保校时和计时的稳定与准确。
其主要原理是：
先截断正常的计数通路，然后再将频率为2Hz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，数字钟应具有自动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7所示即为带有基本RS触发器的校时电路。
图7校时电路
对于上图，与非门74LS00的U1C片中的第9端为晶体振荡器所产生的2Hz的信号脉冲，而第U1D片的第13端则接进位信号（若为小时校正电路，则为分的进位信号，同理，分的校时电路则为秒的进位信号，当不校时的时候，计时电路将正常计数）。
第U2B片的第6端则为分或者小时的个位脉冲输入端。
3.3.5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。
此次设计选用R145－32的晶体振荡器，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
3.3.6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MCI4511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
3.3.7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，图14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
图14正点报时电路
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。
例如时间计数电路的仿真模拟调试如图15。
图15时间计数电路的仿真模拟调试图
又如晶振电路的仿真波形图如图16。
图16晶振电路的仿真波形图
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。
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自制电源的电压谐波太大所致。
后来还发现校时电路中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（单位：
秒）
数字钟时间
误差（单位：
秒）
00
00：
00：
00
0
30
00：
00：
30
0
60.01
00：
01：
00
0.01
90
00：
01：
30
0
120
00：
02：
00
0
150.02
00：
02：
30
0.02
180.03
00：
03：
00
0.03
5.2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
SN74LS90N
6
HD74KS00P
3
MCI4511
6
CD4060
1
CD4081BE
3
74LS74
1
LM7805
1
10MΩ电阻
5
1000μF电容
4
33μF电容
2
R145－32晶体振荡器32768HZ
1
数字IC插座（双列直插式）
20
单刀双掷开关
2
9V-12W变压器
1
蜂鸣器（双引脚）
1
电路板
2
双引脚导线
若干
电源插头
1
数码管
6
稳压管L7805CV
1
整流桥RS207
1
7课程设计的收获、体会和建议
收获与体会：
1、加强了团队合作精神。
很难想象，如果我们各人之间没有好好的配合，设计过程将成为一团乱麻。
正是由于各人做好了应该做的工作，整个过程才能一气呵成。
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。
2、提高了对芯片的认识。
为了在实验室里做好测试工作，我们必须对所用到的芯片了解得一清二楚。
通过查阅手册，或者询问老师，我们终于对芯片的引脚功能熟透，这样不但测试起来可靠，对以后的学习也是有极大的帮助。
3、加强了对元件市场的了解。
为了得到我们需要的元件，我们要亲自去电子城购买元件，看到电子应用繁荣的一面，我们对电子方面的知识更有兴趣了。
4、磨练了我们的意志力。
我们花了很多心血来做这个课程设计，但凡事不是一帆风顺的，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。
例如在做电源这一部分时，我们不断地修正方案，示波器也显示出了很完美的波形，但还是无法让电路正常运行。
在我们无比失望之际，我们没有放弃，最后找出问题的根本，换了两个大电容，达到了消除电压谐波，终于解决这大问题。
5、提高了我们使用电脑对电路进行仿真的能力。
在这之前，我们用电脑软件完成了自动控制的课程设计。
同样地，我们又要学会新的软件Multisim和EWB8.0来画电路图，并用它进行仿真。
这又让我们的知识增多了。
6、加强我们对电子器件的了解。
一直以来，我们都对电路板感到神奇，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。
7、加深了“项目”这一词汇的理解。
明白这类似这样的一个设计，我们其实可以把它当成一个项目工程来看待。
我们的小组长起着协调组内成员工作的作用，而每个成员也非常配合他的安排，这就是一个项目管理的小例。
8、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，让我们从实践中悟出电子技术的深奥之处。
9、由于我们这一小组的所有成员都未曾焊过电路板，所以此次设计给我们上了一课，虽然焊得不是很好，但是提高了我们的动手能力，也为我们以后做毕业设计打下了坚定的基础。
建议：
1、建议不定期检修实验室的实验箱等仪器。
因为在焊接前，我们到实验室进行模拟调试，由些电路是正确的，但由于实验箱出现故障，影响调试进度。
2、建议多提供一些课题，让我们有更多的选择空间。
3、建议实验室开放的时间长一些，这样好让我们有更充裕的时间进行电路的调试。
4、建议指导老师指导我们怎样购买器件等细节。
因为据了解，有些小组的单单买器件就跑了好几趟，不是忘记买这个元器件就是忘了买那个，而且很多元器件价格昂贵，或者型号不对。
有了老师的指导，我们在购买器件时就得心应手了。
致谢
指导老师：
许利霞，宋淑然，赵文锋，洪德梅
参考文献
康华光.2000年.电子技术基础数字部分（第四版）.北京：
高等教育出版社.
王慧玲.2003年.电工电子实验与实训.北京：
机械工业出版社.
吴建强.2004年.电工学新技术实践.北京：
机械工业出版社.
付家才.2003年.电工电子学习指导.北京：
化学工业出版社.
王建华吴道悌.2003年.电工学实验.北京：
高等教育出版社.
邓玉元蒋卓勤.2003年.Multisim2001及其在电子设计中的应用.西安:
西安电子科技大学出版社.
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