数字电子钟课程设计报告1太原理工大学.docx

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数字电子钟课程设计报告1太原理工大学

太原理工大学计算机科学与技术学院

课程设计报告

课程名称：

数字系统课程设计

系部：

计算机科学与技术

专业班级：

计Z1002班

学生姓名：

xxx

指导教师：

武淑红

完成时间：

2012.06.20

报告成绩：

数字电子钟设计报告

一.设计要求

设计一种多功能数字电子钟，该钟具有基本功能和扩展功能两部分。

其中，基本功能为准确计时，以数字形式显示时、分、秒的时间。

扩展功能部分则具有：

校时功能，可在任何时候将其调至标准时间或者指定时间。

数字电子钟的电路也是由主体电路和扩展电路两部分构成，在电路中，基本功能部分由主体电路实现，而扩展功能部电路实现。

这两部分都要用到振荡电路提供的1Hz脉冲信号。

在计时出现误差时电路还可以进行校时、校分、校秒功能。

并且可以用数码管显示时、分、秒，各位均为两位显示，扩展部分要有相应的响应电路。

要求：

（1）电子钟能够显示“时”、“分”、“秒”，（23时59分59秒）。

（2）能实现对“时”、“分”、“秒”的校时。

（3）自己设计可供数字电子钟使用的直流稳压电源。

小型直流稳压电源的设计要求：

（1）输出电压可在5V到15V之间连续可调

（2）当电网电压在220V上下波动15%,输出电流在0~80mA范围内变化时，均可正常稳压，输出电压的变化不超过±0.3V。

（3）在保证正常稳压的前提下，尽量减小功率。

（4）具有过流保护功能。

（5）画出设计电路图，标出电路参数

（6）测试所设计电路的性能指标。

二.设计的作用、目的

数字系统课程设计是在学习了模拟电子技术、数字电子技术课程之后进行的一个重要的实践环节，目的在于将模拟和数字这两部分课程的理论和实践联系起来，在老师指导下对某一设计课题进行电路设计和实践。

它对巩固所学课程的理论知识、培养学生运用所学知识解决实际问题的能力有着十分重要的作用，有利于启发学生创新思维和提高学生工程设计能力和实践动手能力。

1.培养学生根据需要选学参考书，查阅手册，图表和文献资料的自学能力，通过独立思考﹑深入钻研有关问题，学会自己分析解决问题的方法。

2.通过实际电路方案的分析比较，设计计算﹑元件选取﹑安装调试等环节，初步掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法。

3.掌握常用仪表的正确使用方法，学会简单电路的实验调试和整机指标测试方法，提高动手能力。

4.了解与课程有关的电子电路以及元器件工程技术规范，能按课程设计任务书的技术要求，编写设计说明，能正确反映设计和实验成果，能正确绘制电路图。

5.培养严谨的工作作风和科学态度。

三.设计的具体实现

1．系统概述

根据设计要求，可构造出数字钟电路的结构框图，如下图所示：

该数字钟电路的工作原理是：

由方波信号发生器产生稳定的高频脉冲信号，经分频电路输出标准的秒脉冲信号，作为秒计时器脉冲。

秒计数器满60后向分计数器产生进位脉冲，分计数器满60后向时计数器产生进位脉冲，时计数器按照模24的规律计数。

计数器的输出经显示译码器译码后送达显示器显示。

当电路计时出现误差时，可以由校时电路分别对“时”、“分”、“秒”进行校时。

2.单元电路设计、仿真与分析

由数字钟电路的结构框图可知，整个电路右方波信号发生器、分频电路、计数显示器和校时电路几部分组成。

设计时可以首先分别完成各部分电路电路设计，然后再将各部分组装成一个整体。

（1）方波信号发生器：

方波信号发生器是数字钟的一个重要组成部分，其稳定度及频率精度决定了数字钟计时的准确度。

方波信号发生器通常选用石英晶体构成的振荡器或者定时器555与RC组成的多谐振荡器，产生频率1KHz的方波信号，则可以设计出相应电路，如下图所示。

该电路模块，原理是：

0.7（2R3+R4+R5）·C4=1msf=1/t=1kHz

一般来说，方波信号发生器的频率越高，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。

（2）分频电路：

分频器的功能是对方波信号发生器产生的方波信号进行分频处理，一方面形成计时所需的标准脉冲信号（1kHz的方波信号），另一方面提供数字钟功能扩充电路所需要的信号，如仿电台报时用的1000Hz的高音频信号和500Hz的低音频信号等。

在本次设计中，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。

这里选用3片中规模计数器74LS90来构成分频电路所需信号。

其中，每片为1/10分频，即第一片输出频率500Hz，第二片输出10Hz，第三片输出频率为1Hz。

从而可以实现秒脉冲的产生。

相应电路如下图所示：

（3）时、分、秒计数器设计

数字钟的“分”和“秒”计数器均为模60的计数器，其计数规律为：

00、01、02、03……58、59、00可选用74LS90作为“分”和“秒”的个位和十位计数器。

其中十位计数器将74LS90连接成模6计数器。

数字钟的“时”计数器为模24的计数器，其计数规律为：

00、01、……22、23、00即当数字中运行到23时59分59秒时，在下一个秒脉冲作用下，数字计数器显示00时00分00秒。

可选用2片74LS90，将其连接成模24计数器作为“时”计数器。

根据分析可构造出时、分、秒计数器的逻辑电路，如图所示：

（4）校时电路：

当数字钟出现误差时，必须对时间进行校正，即通常所谓的“校时”。

校时是数字钟应该具备的基本功能，一般要求能对时、分、秒分别进行校正。

校时电路的设计要求是：

在进行“时”校正时，不影响“分”和“秒”的正常计数。

同理，“分”、“秒”得之。

为此，可以设置K3、K2、K1的3个开关分别作为时、分、秒的校时控制开关。

此外，根据时间误差的大小，可考虑两种校时方法：

一种方法是单脉冲进行手动校时；另一种是利用秒计时脉冲进行自动校时。

设计时只需设置开关区分两种不同的校时方式。

校时开关的电路图具体见下：

根据功能表，可写出数字钟“时”、“分”、“秒”计数器个位计数脉冲信号的表达式，如下所示：

K时=K3·P分十位进位脉冲+K3K0·P单脉冲+K3K0·P秒计数脉冲

F分=K2·P秒十位进位脉冲+K2K0·P单脉冲+K2K0·P秒计数脉冲

F秒=K1·P+KK·P+K1K0·P单脉冲+K1K0·P秒计数脉冲=（K1+K0）·P秒计数脉冲+K1K0·P单脉冲

（5）小型直流稳压电源

小功率稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成，原理图如下所示：

①电源变压器的作用是将来自电网的220V交流电压U1变换为整流电路所需要的交流电压U2。

②桥式整流电路一般由四个二极管组成，其作用是将交流电压U2变换成脉动的直流电压U3。

滤波电路一般由电容组成，其作用是把脉动直流电压U3中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压UI。

③稳压电路的作用是当外界因素（电网电压、负载、环境温度）发生变化时，能使输出直流电压不受影响，而维持稳定的输出。

稳压电路一般采用集成稳压器和一些外围元件所组成。

本实验中主要用到三端集成稳压器。

稳压电源的设计分为以下三个步骤：

1根据稳压电源的输出电压Uo、最大输出电流Iomax，确定稳压器的型号及电路形式。

2根据稳压器的输入电压U1确定电源变压器副边电压U2的有效值U2；根据稳压电源的最大输出电流I0max，确定流过电源变压器副边的电流I2和电源变压器副边的功率P2；根据P2确定电源变压器原边的功率P1。

然后根据所确定的参数，选择电源变压器。

3确定整流二极管的正向平均电流ID、整流二极管的最大反向电压URM和滤波电容的电容值和耐压值。

由各参数选择整流二极管和滤波电容。

最终实验电路图如下所示：

3．电路的安装与调试

数字电子钟：

首先出现的是线路连接问题。

由于存在太多的导线连接，整个实验电路箱面板呈现一片混乱之势。

小组先是分工合作，一人负责上路时分秒计数器电路连接，另一人负责下路校时电路部分。

虽说分工合作效果很好，节约时间。

但整体效率很差。

在两部分连接准备构成全电路时发生严重混乱，各自相对应的导线接口对应不上。

第一次尝试以失败告终。

第二次拆掉重新连接，汲取上次教训，两人相互配合相互监督。

终于整体电路连接成功。

调试之下居然发生短路现象。

有点气馁，不过还是继续检查线路问题不曾想过放弃之类。

最后一次拆掉重连，分开线路。

一部分连接起来验证通过之后再连接下一部分。

先成功了秒钟部分，能模拟60进制计数。

然后是分钟部分，同样成功作结。

最后的时钟部分，虽然可以正常显示，但分钟60进制之后时钟部分并不能进位计数。

各种检查各种尝试之后，总算小小成功。

小型直流稳压电源：

这个实验比较简单，电路连接很容易就能完成。

除了最后调试费了好些时间之外，基本很快完成。

期间出现的问题，主要是可变电阻的档位没有选对导致测量的电压变化缓慢，不达实验要求。

采用可调三端式集成稳压器，输出电压为1.2～22.7V，输出电流1.5A；实验要求为3～15V，明显与其不符。

老师解释是因为实验器材等原因，导致结果与理论值偏差较大。

但可以肯定的是，最终测得电压可以小于3V也可以大于15V但不应该小于15V。

基本符合要求，完成之。

四．心得体会及建议

通过本次数字逻辑课程设计，可以说收获颇丰。

感觉之前理论学习的时候都没有这么认真，同样的，也没有这么累人。

欣慰的一点是，对学过的电路、数字电路、模拟电路等理论知识有了更深一步的了解，同时还锻炼和培养了一种利用所学知识去分析问题和解决问题的能力。

很肯定地说，对自己以后的学习和工作有很大的帮助。

课程设计刚开始时，同时有两门程序设计任务进行。

在如此情况下只有先舍远求近。

先快速结束其他两门的作业设计，然后全心投入数字逻辑实验之中，分析实验目的，思考解决之道。

利用仿真软件先做出试验的模拟电路，各种尝试解决过程中存在的问题。

整个实验过程，也可以说是一场对教材的重新温习。

不懂的地方要查书本查资料，不会的要查先前的设计模板。

加之小组间的讨论，以及请教老师。

仿真设计中再次熟悉并熟练操作了一次Multisim软件。

仿真实验时所需的各种芯片材料都有，所以就忽略了实验室的实际情况。

不过最后查看实验指导书时发现了这一问题，赶紧换成现有材料。

仿真中模拟电路需要的1kHz方波信号时尝试了两种方法，感觉都很不错。

可惜最终利用试验箱上直接连接1kHz模块，没有用到亲自设计的电路，有点小小的失望。

总体来说，课程设计的首期目标，仿真部分还好顺利完成。

其实，最最困难的还属现场连接实验电路部分。

所谓“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”。

即使是经过仿真软件的模拟，实际情况还是跟头脑所想有所差距。

首先，即使实验室有的芯片用起来也不是仿真那般好用。

再者，电路连接的导线密密麻麻地排布在试验箱面板之上，看着都头晕。

自然是会发生各种经意不经意的错误连线。

直到实验成功，电路连接拆了四次连了四次。

在验证的时候还没有连接到校时电路，最后是通过直接改变信号频率来验证实验。

可以正常运行至24小时一个循环，校时部分由于时间关系没能及时完成。

不过，此部分相对来说比较简单，按理是可以一次成功的。

小型直流稳压电源的设计是由小组另一高手级别完成的，我只负责了最后的电路连接。

这是个小实验，没有太多失误就能成功。

值得肯定之前的努力查阅资料等等准备工作。

这次课程设计再次使人明白理论与实践的差别与联系，实践是检验真理的唯一途径。

只有通过实践，才能提高动手能力和分析问题解决问题能力。

本次试验中一直坚持认真严谨的学习态度，可以说是对试验成功的最大助力。

不仅仅课程设计，无论什么事情都必须有一种认真严谨的学习态度。

独立思考独立完成，认真接线、仔细检查等等，这些好的习惯需要长期培养并坚持下去。

在学习工作中，它们潜移默化地发挥着最有效果作用。

以后的学习生活中，必当沿用次良好的学习习惯，指导未尽的人生长卷。

努力走好每一步，这，即是，实验最强大的目的所在。

五．附录

元器件明细表：

元器件

数量

用途

74LS90N

6

模24、模60计数器

74LS00

2

2输入四与非门

74LS08

1

2输入四与门

74LS10

2

3输入三与门

万用表

1

测量电压

LM7805

1

组成稳压电源

可变电阻

2

调节电源电压

实验最终的电路图附于报告之后，请查阅。

六．参考文献

[1]欧阳星明.数字逻辑[M].武汉：

华中科技大学出版社.2009

[2]郁汉琪.数字电路实验及课程设计指导书[M].北京：

中国电力出版社.2004

[3]周巍.数字逻辑电路实验·设计·仿真[M].城都：

电子科技大学出版社.2003