数字逻辑 数字钟绝版.docx

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数字逻辑数字钟绝版

****学院

课程设计说明书

（2009/2010学年第二学期）

课程名称：

电子技术课程设计

题目：

整点报时数字钟课程设计

专业班级：

学生姓名：

学号：

指导教师：

设计周数：

2周

设计成绩：

2010年7月2日

1课程设计目的1

2系统的方案设计1

3系统的详细设计2

3.1脉冲产生和分频电路2

3.1.1脉冲产生和分频电路的设计2

3.1.2馆建器件74LS74的介绍3

3.1.3关键器件CD4060的介绍3

3.2计时电路5

3.2.1分，秒计时电路的设计5

3.2.2小时计时电路的设计7

3.2.3关键器件CD4510的介绍8

3.3显示译码电路10

3.3.1显示译码电路的设计10

3.3.2关键器件CD4511和数码管的介绍11

3.4校时电路13

3.4.1校时的电路的详细设计13

3.4.2关键器件RS触发器的详细介绍14

3.5整点报警电路16

4设计过程说明17

4.1绘制电路图17

4.2电路板制作19

5心得体会21

6参考文献21

1课程设计目的

※让学生掌握组合逻辑电路、时序逻辑电路及数字逻辑电路系统的设计、安装、测试方法；

※进一步巩固所学的理论知识，提高运用所学知识分析和解决实际问题的能力；

※提高电路布局﹑布线及检查和排除故障的能力；

※培养书写综合实验报告的能力。

2系统的方案设计

2．1简述

数字电子钟是一种用数字显示秒﹑分﹑时﹑日的记时装置，与传统的机械钟相比，他具有走时准确﹑显示直观﹑无机械传动装置等优点，因而得到了广泛的应用：

小到人们的日常生活中的电子手表，大到车站﹑码头﹑机场等公共场所的大型数显电子钟。

2．2课程设计题目描述和要求

（1）设计一个有“时”、“分”、“秒”（12小时59分59秒）显示，且有校时功能的电子钟；

（2）用中小规模集成电路组成电子钟，并在实验箱上进行组装、调试；

（3）画出框图和逻辑电路图，写出设计、实验总结报告；

（4）选做：

整点报时。

在59分50秒输出一高电平驱动鸣声器发生。

2.3数字电子钟基本原理

2.3.1数字电子钟的逻辑图如图1所示由振荡电路、分频器、计数器、显示器和校时电路组成。

振构成的振荡电路产生的信号经过分频器作为秒脉冲，秒脉冲送入秒计数器，秒计数结果通过秒译码器译码并且通过显示器显示出来，当达到60时向分位进位，分位和十位也是如此。

2.3.2可手动校正：

能分别进行秒﹑分﹑时﹑日的校正。

只要将开关置于手动位置，可分别对秒﹑分﹑时﹑日进行手动脉冲输入调整或连续脉冲输入的校正。

2.3.3整点报时。

整点报时电路要求在每个整点前鸣叫。

图1数字钟逻辑电路图

3系统的详细设计

3.1脉冲产生和分频电路

3.1.1脉冲产生和分频电路的设计

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止时，才达到最后稳定。

这用压电谐振的频率即为晶体振荡器的固有频率。

石英振荡电路图如图2所示。

图2石英振荡电路图

3.1.2馆建器件74LS74的介绍

在晶振产生震荡进行第二次分频时用到分频器件74LS74。

其引脚图如图3所示。

图374LS74引脚图

3.1.3关键器件CD4060的介绍

秒脉冲发生器是数字钟的核心部分，它的精度和稳度决定了数字钟的质量，通常用晶体振荡器发出的脉冲经过整形﹑分频获得1Hz的秒脉冲。

如晶振为32768Hz，通过15次二分频后可获得1Hz的脉冲输出。

CD4060引脚图和真值表如图4所示，连接方式如图5所示。

图4CD4060引脚图和真值表

图5CD4060连接方式

3.2计时电路

3.2.1分，秒计时电路的设计

秒﹑分﹑为60﹑60进制计数器。

秒﹑分﹑均为60进制，即显示00—59，它们的各位为十进制，十位为六进制。

数字钟采用计数器使用的是CD4510加减计数器，数字钟采用的是加计数功能。

其

其连接图如图6。

整个系统由脉冲电流从CLK端输入，驱动计数器CD4510计数，CD4510以8421BCD码进行十进制计数，并接把结果传输给译码器CD4511，CD4511将其译码驱动共阴极数码管显示出数字。

其中秒的各位直接向十位进位，其进位信号直接输给十位的CLK端。

秒的十位为六进制计数器，只要将其输出的11.14角接入与门回送到RST端即可。

仅为连接图如图7分位其功能和秒位类似，在此就不一一列出了，不过，其各位的脉冲信号要接秒十位的进位信号，其他都一样。

图6CD4510连接图

图7秒分进位连接图

3.2.2小时计时电路的设计

小时为24进制计数器。

小时为24进制，即显示00—23，它们的各位为十进制，十位为2进制。

数字钟采用计数器使用的是CD4510加减计数器，数字钟采用的是加计数功能。

其连接方法是十位的11角和个位的14角接入一个与门回送到十位和个位的RST端，其连接图如图8。

图8小时进位连接图

3.2.3关键器件CD4510的介绍

3.3显示译码电路

3.3.1显示译码电路的设计

CD4510与CD4511相连，CD4511的连接方式为3.4角接电源。

5角接地。

7.1.2.6角分别接计数器来的信号。

9到15分别接显示器的各角。

其连接图如图9。

图9CD4511连接图

本系统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：

共阳极显示器或共阴极显示器。

连接图如图10所示。

图10CD4511以显示管连接图

3.3.2关键器件CD4511和数码管的介绍

CD4511是一组用来作为BCD对共阴极LED七段显示器译码的包装。

其引脚图如图11所示。

图11CD4511引脚图

在CD4511中LT：

做灯泡测试用，当LT=0，则不论其它输入状态为何，其输出abcdefg=1111111，使七段显示器全亮，即显示8，以便观测七段显示器是否正常。

当LT=1，则正常*。

BI：

空白输入控制，当BI=0（LT为1时）则不论DCBA之输入为何，其输出abcdefg皆为0，即七段显示器完全不亮，此脚可供使用者控制仅对有效数据译码，避免在无意义的数据输入时显示出

来造成字型的系乱。

CD4511和数码管的链接原理图如图12

图12CD4511和数码管的链接原理图

LE：

数据栓锁致能控制；在CD4511中，不但具译码功能，更具有数据栓锁的记忆功能。

当LE=0时（LT=1且BI=1），DCBA数据会被送入IC的缓存器中保存，以供译码器码；当LE=1时，则IC中的暂存器会关闭，仅保存原来在LE=0时的DCBA数据供译码器译码。

换句话说当LE=1时，不论DCBA的输入数据为何，皆不影响其输出，其输出abcdefg仍保留原来在LE由0转为1以

图13CD4511真值表

前的资料。

CD4511真值表如图13。

3.4校时电路

3.4.1校时的电路的详细设计

在刚刚开机接通电源时，由于时﹑分﹑秒均为任意值，所以，需进行调整。

置开关在手动位置，分别对时﹑分﹑秒﹑日进行单独计数，计数脉冲由单次脉冲或连续脉冲输入。

在数字钟中采用了一个74LS00和74LS08两个集成电路块，用到了其内部两个与非门和两个与门。

其连接方法如图14：

图14校时电路图

其中，当正常计时时S1、S2、S3都打向右侧。

让进位信号能够正常进位，当需要调整时，只需将要调整的位的开关打向左侧然后控制S4即可。

3.4.2关键器件RS触发器的详细介绍

在开关S4后加一个有两个与非门构成的RS触发器，其目的是消除因操纵开关而产生的抖动，防止干扰。

电路结构

　　把两个与非门G1、G2的输入、输出端交叉连接，即可构成基本RS触发器，其逻辑电路如图15所示。

它有两个输入端R、S和两个输出端Q、Q。

工作原理

图15RS触发器

　　基本RS触发器的逻辑方程为：

　　根据上述两个式子得到它的四种输入与输出的关系:

　　1.当R=1、S=0时，则Q=0,Q=1,触发器置1。

2.当R=0、S=1时，则Q=1,Q=0,触发器置0。

如上所述，当触发器的两个输入端加入不同逻辑电平时，它的两个输出端Q和Q有两种互补的稳定状态。

一般规定触发器Q端的状态作为触发器的状态。

通常称触发器处于某种状态，实际是指它的Q端的状态。

Q=1、Q=0时，称触发器处于1态，反之触发器处于0态。

S=0,R=1使触发器置1，或称置位。

因置位的决定条件是S=0,故称S端为置1端。

R=0,S=1时，使触发器置0，或称复位。

　　同理，称R端为置0端或复位端。

若触发器原来为1态，欲使之变为0态，必须令R端的电平由1变0，S端的电平由0变1。

这里所加的输入信号（低电平）称为触发信号，由它们导致的转换过程称为翻转。

由于这里的触发信号是电平,因此这种触发器称为电平控制触发器。

从功能方面看，它只能在S和R的作用下置0和置1，所以又称为置0置1触发器，或称为置位复位触发器。

其逻辑符号如图7.2.1（b）所示。

由于置0或置1都是触发信号低电平有效，因此，S端和R端都画有小圆圈。

　　3.当R=S=1时，触发器状态保持不变。

　　触发器保持状态时，输入端都加非有效电平（高电平），需要触发翻转时，要求在某一输入端加一负脉冲，例如在S端加负脉冲使触发器置1，该脉冲信号回到高电平后，触发器仍维持1状态不变，相当于把S端某一时刻的电平信号存储起来，这体现了触发器具有记忆功能。

　　4.当R=S=0时，触发器状态不确定

　　在此条件下，两个与非门的输出端Q和Q全为1，在两个输入信号都同时撤去（回到1）后，由于两个与非门的延迟时间无法确定，触发器的状态不能确定是1还是0,因此称这种情况为不定状态，这种情况应当避免。

从另外一个角度来说，正因为R端和S端完成置0、置1都是低电平有效，所以二者不能同时为0。

3.5整点报警电路

当时计数器在每次计到整点前十秒时，需要报时，这可用译码电路来解决，即当分为59时，则秒在计数到50时，输出一延时高电平，直至秒计数器计到60时，结束这高电平脉冲，输出的高电平驱动鸣声器鸣叫。

在数字钟采用鸣声器作为发声器件，由于与门输出电压太小所以接一三极管放大电流驱动鸣声器。

报时电路开头分别将秒的十位的6、14角接入与门分的个位2、6角十位的6、14角分别接入与门，并且将其输出全部接入一与门，之后连一电阻减小电流输入到三极管，最后由三极管组成的放大电路驱动鸣声器。

其电路图16、17所示。

图16报时电路1

图17报时电路2

图19电路pcb版图

4.2电路板制作

表二实验器材及主要器件

名称

型号

数量

名称

型号

数量

共阴七段显示器

6片

三极管

1片

译码器

CD4511

6片

鸣声器

1片

计数器

CD4510

6片

33pF电容

2片

D触发器

74LS74

1片

电阻

11片

分频器

CD4060

1片

与门

74LS08

2片

晶振

晶振32768

1片

开关

4片

与非门

74LS00

1片

4.2.1打印电路图

将绘制好的电路图打印在一张专用纸上。

4.2.2转印电路图

将电路板有铜的一面擦洗干净与打印好的电路图紧密贴在一起固定好。

放入转印机高温转印。

转印好后去除表面的图纸，此时电路图以转印到铜板上。

4.2.3腐蚀电路板

将转印好的铜板放入三氯化铁饱和溶液进行腐蚀。

过程中轻轻晃动溶液，半小时后铜板复试完毕。

4.2.4打孔

在腐蚀好的电路板应该打孔处用细钻打孔。

注意空不要打歪。

4.2.5上松香水

将腐蚀好的电路板表面的墨迹去处，并且打磨光滑，将板子铜面朝下向上45度放置，在铜面刷两遍松香的饱和酒精溶液。

保持此角度放置约两小时是松香变干。

4.2.6焊接

先将元件安在电路板上，用锡焊将元件与电路板焊接在一起，注意焊接时不要出现少焊或短路情况。

4.2.7调试

将焊接好的电路板加电调试，测量各元器件的电工数据以理论值比对。

使其得到预期结为止。

由图所示的数字中系统组成框图按照信号的流向分级安装，逐级级联。

这里的每一级是指组成数字中的各个功能电路。

级联时如果出现时序配合不同步，或剑锋脉冲干扰，引起的逻辑混乱，可以增加多级逻辑门来延时。

如果显示字符变化很快，模糊不清，可能是由于电源电流的跳变引起的，可在集成电路器件的电源端Vcc加退藕滤波电容。

通常用几十微法的大电容与0.01μF的小电容相并联。

5心得体会

6参考文献

[1]赵广林《看图快速学Protel99SE电路设计与制版》电子工业出版社

[2]康华光《电子技术基础数字部分》高等教育出版社

[3]康华光《电子技术基础模拟部分》高等教育出版社

[4]赵保经，CMOS集成电路[M]. 北京国防工业出版社， 1996

[5]《电子线路设计·实验·测试》第三版，谢自美主编，华中科技大学出版社

课程设计

评语

课程设计

成绩

指导教师

（签字）

年月日

注：

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