数值比较器的设计与仿真.docx
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数值比较器的设计与仿真
电子技术课程设计报告
一、设计题目…………………………………………………2
二、设计要求…………………………………………………2
三、设计的性质和目的…………………………………………2
四、题目分析…………………………………………………2
1）数字钟的工作原理……………………………………2
2）数字电子钟集成电路的构成……………………………2
3）数字时钟的基本原理图…………………………………2
五、总体方案…………………………………………………3
1）振荡器的选择…………………………………………3
2）分频器的选择…………………………………………5
3）计数器………………………………………………6
4）显示器…………………………………………………8
5）较时电路………………………………………………9
六、电路的总体设计与调试…………………………………10
七、元器件清单………………………………………………12
八、设计总结………………………………………………15
九、参考文献………………………………………………16
一、设计题目
数字钟的设计与仿真
二、设计的性质和目的
电子技术基础是机电专业很重要的一门专业基础课，电子课程设计是该课程的实践环节。
该课程的目的是：
通过对电子技术的实际应用课题的设计实践，使学生掌握电子技术的基本设计方法、调试方法、资料的收集整理和电气原理图的绘制方法。
并通过这一实践环节，培养学生从事设计工作的全局理念，为全面提高学生的综合素质及增强工作适应能力打下一定的基础。
三、设计要求
设计并仿真一数字式电子钟，要求：
1）采用24小时制，要有时/分/秒显示；
2）显示采用六只LED数码管分别显示时分秒；
3）时间的小时、分可手动调整；
4）采用+5V电源供电。
主要器件：
1）74LS00、555、74LS90、cc4511
四、题目分析
1）数字钟的工作原理
数字式计数器一般由振荡器、分频器、计数器、译码器、显示器等几部分组成。
其中振荡器和分频器组成标准秒信号发生器，由不同进制的计数器、译码器和显示器组成计时系统。
秒脉冲发生器产生频率稳定度很高的秒脉冲，秒脉冲被送入到一个六十进制秒计数器计数，将计数结果送至秒个位和十位译码器译码，译码结果分别由两只七段半导体数码管以十进制数形式显示出来。
当秒六十进制计数器累计到第59秒时，若再来一个秒脉冲，秒计数器的进位输出就会产生进位脉冲，同时，秒计数器的十位和个位都复位到零。
分计数脉冲又被送到分六十进制计数器计数，经译码电路译码后数码管就显示相应的数字。
当记满59分59秒的时候，要是再来一个秒脉冲，则分计数器便向时计数器送出时计数脉冲，同时，分、秒计数器均复位到零。
时计数器是一个二十四进制计数器，当计数显示23时59分59秒时，若再来一个秒脉冲，则时、分、秒计数器都应回到零，并显示（00.00.00）表示已经达到午夜时刻，第二天开始继续计数。
2）数字电子钟集成电路的构成
有振荡器，分频器，校时电路，计数器，译码器和显示器六部分组成。
振荡器和分频器组成标准秒信号发生器，不同进制的计数器产生计数，译码器和显示器进行显示，通过校时电路实现对时，分的校准。
3）数字时钟的基本原理图
如下所示：
由上图可以看出，振荡器产生的信号经过分频器作为产生秒脉冲，秒脉冲送入计数器，计数结果经过“时”、“分”、“秒”，译码器，显示器显示时间。
其中振荡器和分频器组成标准秒脉冲信号发生器，由不同进制的计数器，译码器和显示电路组成计时系统。
秒信号送入计数器进行计数，把累计的结果以“时”，“分”、“秒”的数字显示出来。
“时”显示由二十四进制计数器，译码器，显示器构成；“分”、“秒”显示分别由六十进制的计数器，译码器，显示器构成；校时电路实现对时，分的校准。
五、总体方案
1）振荡器的选择
秒发生电路---振荡器是计时器的核心，振荡器的稳定度和频率的精确度决定了计时器的准确度。
常见的振荡器有石英晶体振荡器和555与RC构成的多谐振荡器，石英晶体振荡器的特点是振荡器频率准确、电路结构简单、频率易调整，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，这样的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。
石英振荡器的电路图如图2所示：
图表2
555定时器与RC构成的多谢振荡器的特点是电路没有稳态，仅存在两个暂态，电路亦不需要外加触发信号，利用电源通过R1,R2向C1充电，C1通过R2向放电端DIS放电,使电路产生振荡，电容C在（1/3）Vcc和（2/3）Vcc之间充电和放电。
输出信号的时间参数是
T=t1+t2,t1=0.7（R1+R2）C,t2=0.7R2C
当vC上升到2/3VCC时，触发器又被复位发生翻转，如此周而复始，在输出端就得到一个周期性的方波，其频率为
。
555电路要求R1与R2均应大于或等于1
但R1+R2应小于或等于3.3
外部元件的稳定性决定了多谐振荡电路的稳定性，555定时器配以少量的元件即可获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输出能力。
因此这种形式的多谢振荡器广泛应用于信号的产生、变换、控制与检测。
一般来说，振荡器的频率越高，计时精度就越高，但耗电量将越大。
所以，在设计电路时要根据需要而设计出最佳电路。
在本设计中，采用的是精度不高的，由集成电路555与RC组成的多谐振荡器。
具体电路如下图3所示；
图表3
接通电源后，电容C1被充电，vC上升，当vC上升到大于2/3VCC时，触发器被复位，放电管T导通，此时v0为低电平，电容C1通过R2和T放电，使vC下降。
当vC下降到小于1/3VCC时，触发器被置位，v0翻转为高电平。
本设计中，由电路图和f的公式可以算出，微调R3=60k左右，其输出的频率为f=1000Hz。
2）分频器的选择
分频器的功能主要有两个：
一个是产生标准秒脉冲信号；二是提供功能扩展电路所需要的信号。
本设计中，由于振荡器产生的信号频率太高，要得到标准的秒信号，就需要对所得的信号进行分频。
这里所采用的分频电路是由3个总规模计数器74LS90来构成的3级1/10分频。
图表4
从图3可以看出，由振荡器的1000Hz高频信号从U1的14端输入，经过3片74LS90的三级1/10分频，就能从U3的11端输出得到标准的秒脉冲信号。
3）计数器
由图1的方框图可以清楚的看到，显示“时”、“分”、“秒”需要6片中规模计数器；其中“秒”、“分”各为60进制计数，“时”为24进制计数。
在本设计中均用74LS90来实现。
（1）六十进制计数器：
“秒”计数器电路与“分”计数器电路都是六十进制，它由一级十进制计数器和一级六进制计数器连接构成，如图4所示，是采用两片中规模集成电路74LS90串接起来构成的“秒”，“分”计数器。
图表5
（2）二十四进制计数：
小时计数电路是由U1和U2组成的24进制数电路，如图5所示。
当“时”个位U2计数输入端U2来到第10个触发信号时，U2计数器复零，进位端QD向IU1“时”十位计数器输出进位信号，当第24个“时”脉冲到达时，U2计数器的状态为“0100”，U1计数器的状态为“００１０”，此时“时”个位计数器的ＱC和“时”十位计数器的QB输出为１。
把它们分别送到U1和U2计数器的清零端R０1和R０2，通过74LS90内部的R０1和R０2与非后清零，计数器复零，完成２４进制计数。
图表6
4）显示器
显示器件的种类很多，在数字电路中最常用的显。
示器是半导体显示器（又称为发光二级管显示器，LED）和液晶显示器（LCD）。
LED主要用于显示数字和字母，LCD可以显示数字、字母、文字和图形等。
7段LED数码显示器俗称数码管，它的工作原理是将要显示的十进制数码分成7段，每段为一个发光二极管，利用不同发光的组合来显示不同的数字。
用七段发光二极管来显示译码器输出的数字，显示器有两种：
共阴极和共阳极显示器。
74LS48译码器译码的是高电平，所以对应的显示器应为共阴极显示器，故是高电平有效。
在本设计中用的是解码七段排列显示器，即包含译码器的七段显示器。
其图形管脚如下图所示：
图表7
U2是一个解码七段排列显示器，由1、2、3、4脚输入二进制数，就可显示数字；而U3是个译码器，和未解码的七段显示管U1也可以构成显示器，连接如上面所示。
5）较时电路
当刚接通电源或计时出现误时，都需要对时间进行校正，校时电路如下图所示。
六．电路的总体设计与调试
由555和RC构成的振荡器产生的1000Hz的高频信号经过由3片74LS90构成的1/1000分频的分频器后得到标准的秒脉冲信号，进入60进制的“秒”计时，“秒”的分位进入60进制的“分”计时，最后，由分的“时”进位进入24进制的“时”计时。
在电路中，还有由门电路和开关构成的校时电路对电路的“时”，“分”进行校时，得到正确的时间。
总电路图如下所示：
八．元器件清单
74LS90、555定时器、74LS00、cc4511、显示器。
1）74LS90的管脚：
74LS90功能表
2）555定时器
目前生产的定时器有双极型和CMOS两种类型，其型号分别有NE555（或5G555）和C7555等多种。
它们的结构及工作原理基本相同。
通常，双极型定时器具有较大的驱动能力，而CMOS定时器具有低功耗、输入阻抗高等优点。
555定时器工作的电源电压很宽，并可承受较大的负载电流。
双极型定时器电源电压范围为5～16V，最大负载电流可达200mA；CMOS定时器电源电压范围为3～18V，最大负载电流在4mA以下定时器的管脚：
555引脚图
其功能如下表：
清零端
高触发端TH
低触发端
Qn+1
放电管T
功能
0
0
导通
直接清零
1
0
导通
置0
1
1
截止
置1
1
Qn
不变
保持
3）74LS00管脚图：
4）显示译码器
用来驱动各种显示器件，从而将用二进制代码表示的数字、文字、符号等翻译成人们习惯的形式直观的显示出来的电路。
八．设计总结
通过本次设计，使我对已学过的电路、数电、模电等电子技术的知识有了更深一步的了解，锻炼和培养了自己利用已学知识来分析和解决实际问题的能力。
对自己以后的学习和工作有很大的帮助。
同时我也明白了无论做什么事情,都必需养成严谨,认真,善思的工作作风。
刚开始做这个设计的时候感觉自己什么都不知道怎么下手，脑子里比较浮躁和零乱。
但通过一段时间的努力，通过重温数字电路等电子技术的书籍，还有通过查看相关的设计技术以及一些参考文献，再加之在老师的指导和周围同学的帮助下，使我对自己的本设计有了熟练的掌握。
在整个的设计过程中我充满了激情和用心。
所以，我相信自己的实际动手能力，并一向的加强自己在这方面的努力。
在这次的电子技术设计中亦是如此，用自己的双手和满腔的热情来完成各个环节，不断的在图书馆查看相关资料和期刊文献，特别在Internt上也收收获了很多新鲜的东西。
这次设计更让我熟悉了一些常用集成逻辑电路和其相应芯片的使用。
我们没有学习Multisim的仿真软件，但老师希望我们可以利用仿真软件来提高我们设计的质量，一开始接触这个软件的时候真的是无从下手，全是英文版的，什么都不懂，最后在图书馆里找了关于Multisim的指导书，加上自己的不断摸索，终于可以稍微弄懂一些。
到最后仿真软件的效果还是没有达到理想的那样好，自己的仿真图没有向进位，只有秒在那个地方走动，翻看了很多书也没有找到原因。
虽然，在本设计中所用的方案不是最好的，但我想其中的原理是最基本的；虽然其中可能出现的误差会计较大些，但是是最经济的和实用的。
最后，我要衷心的感谢杨楠老师给了我一次实践的机会，让我更加深刻地了解和认识到了自己的优点和不足，通过这个课程设计我发现了我好多知识都不熟悉甚至有的东西我根本就不知道，这让我感到了要学习的东西还有很多很多。
因此使我更坚定了在以后的学习中要扎实好基础，阔广知识面。
由于本次设计准备不够充分，缺点也在所难免，希望老师给予斧正。
九．参考文献
（1）易凡.电子技术基础实验与课程设计.北京：
电子工业出版社;2002.
（2）黄志玮．电子电路计算机仿真设计与分析.北京：
电子工业版社,2005.
（4）郁汉祺.数字电路实验与课程设计指导书.北京:
中国电力出版社；2007.
（5）吕思忠、施齐云.数字电路实验与课程设计.哈尔滨；哈尔滨工程大学出版社；2001.
（6）毛期俭等；数字电路与逻辑设计实验及应用.北京；人民邮电出版社；2005
成绩明细表
考核成绩
设计仿真成绩（20分）
课程设计报告成绩（70分）
答辩（10分）
考核成绩
仿真电路
仿真效果
方案论证
设计计算、绘图、说明
报告
格式
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