数字电子电路课程设计报告.docx
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数字电子电路课程设计报告
题目名称：
数字钟的设计与制作
姓名：
赵菊颖
班级：
电气072
学号：
200733495205
日期：
20100704
1、设计目的
1.熟悉集成电路的引脚安排。
2.掌握各芯片的逻辑功能及使用方法。
3.了解面包板结构及其接线方法。
4.了解数字钟的组成及工作原理。
5.熟悉数字钟的设计与制作。
二、设计要求
1.设计指标
Ø时间以24小时为一个周期;
Ø显示时、分、秒;
Ø有校时功能，可以分别对时及分进行单独校时，使其校正到标准时间;
Ø为了保证计时的稳定及准确须由晶体振荡器提供表针时间基准信号。
2.设计要求
Ø画出电路原理图（或仿真电路图）;
Ø元器件及参数选择;
Ø电路仿真与调试;
ØPCB文件生成与打印输出。
3.制作要求自行装配和调试，并能发现问题和解决问题。
4.编写设计报告写出设计与制作的全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。
三、设计原理及其框图
1.数字钟的构成
数字钟实际上是一个对标准频率（1HZ）进行计数的计数电路。
由于计数的起始时间不可能与标准时间一致，故需要在电路上加一个校时电路，同时标准的1HZ时间信号必须做到准确稳定。
通常使用石英晶体振荡器电路构成数字钟。
下图所示为数字钟的一般构成框图。
⑴晶体振荡器电路
晶体振荡器电路给数字钟提供一个频率稳定准确的32768Hz的方波信号，可保证数字钟的走时准确及稳定。
不管是指针式的电子钟还是数字显示的电子钟都使用了晶体振荡器电路。
⑵分频器电路
分频器电路将32768Hz的高频方波信号经32768（）次分频后得到1Hz的方波信号供秒计数器进行计数。
分频器实际上也就是计数器。
⑶时间计数器电路
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，时个位和时十位计数器为12进制计数器。
⑷译码驱动电路
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。
⑸数码管
数码管通常有发光二极管（LED）数码管和液晶（LCD）数码管，本设计提供的为LED数码管。
2.数字钟的工作原理
1）晶体振荡器电路
晶体振荡器是构成数字式时钟的核心，它保证了时钟的走时准确及稳定。
下图所示电路通过CMOS非门构成的输出为方波的数字式晶体振荡电路，这个电路中，CMOS非门U1与晶体、电容和电阻构成晶体振荡器电路，U2实现整形功能，将振荡器输出的近似于正弦波的波形转换为较理想的方波。
输出反馈电阻R1为非门提供偏置，使电路工作于放大区域，即非门的功能近似于一个高增益的反相放大器。
电容C1、C2与晶体构成一个谐振型网络，完成对振荡频率的控制功能，同时提供了一个180度相移，从而和非门构成一个正反馈网络，实现了振荡器的功能。
由于晶体具有较高的频率稳定性及准确性，从而保证了输出频率的稳定和准确。
晶体XTAL的频率选为32768HZ。
该元件专为数字钟电路而设计，其频率较低，有利于减少分频器级数。
从有关手册中，可查得C1、C2均为30pF。
当要求频率准确度和稳定度更高时，还可接入校正电容并采取温度补偿措施。
由于CMOS电路的输入阻抗极高，因此反馈电阻R1可选为10MΩ。
较高的反馈电阻有利于提高振荡频率的稳定性。
非门电路可选74HC00。
2）分频器电路
通常，数字钟的晶体振荡器输出频率较高，为了得到1Hz的秒信号输入，需要对振荡器的输出信号进行分频。
通常实现分频器的电路是计数器电路，一般采用多级2进制计数器来实现。
例如，将32768Hz的振荡信号分频为1HZ的分频倍数为32768（215），即实现该分频功能的计数器相当于15极2进制计数器。
本实验中采用CD4060来构成分频电路。
CD4060在数字集成电路中可实现的分频次数最高，而且CD4060还包含振荡电路所需的非门，使用更为方便。
CD4060计数为14级2进制计数器，可以将32768HZ的信号分频为2HZ，其内部框图如图3-3所示，从图中可以看出，CD4060的时钟输入端两个串接的非门，因此可以直接实现振荡和分频的功能。
3）时间计数单元
时间计数单元有时计数、分计数和秒计数等几个部分。
时计数单元一般为24进制计数器计数器，其输出为两位8421BCD码形式;分计数和秒计数单元为60进制计数器，其输出也为8421BCD码。
可采用计数器74LS161来实现时间计数单元的计数功能。
其内部框图如下图所示。
74LS161接成10进制计数器如下图：
74LS161接成6进制计数器如下图：
24进制计数器如下：
同步时序60进制计数器如下：
4）译码驱动及显示单元
计数器实现了对时间的累计以8421BCD码形式输出，选用显示译码电路将计数器的输出数码转换为数码显示器件所需要的输出逻辑和一定的电流，选用CD4511作为显示译码电路，选用LED数码管作为显示单元电路。
译码器与数码管：
译码显示电路：
5）校时电源电路
当重新接通电源或走时出现误差时都需要对时间进行校正。
通常，校正时间的方法是：
首先截断正常的计数通路，然后再进行人工出触发计数或将频率较高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。
数字钟应具有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3-7所示即为带有基本RS触发器的校时电路。
上图是带有消抖动电路的校正电路。
总布局图如下：
4、元器件
1.实验中所需的器材
Ø电阻510欧42个
Ø线路板1块
ØLED数码管（共阳极）6个
ØCD45116个
Ø74LS1616个
Ø74LS002个
Ø74LS041个
Ø插座（40脚）2个
Ø插座（16脚）16个
Ø插座（14脚）3个
五、总结
1.设计过程中遇到的问题及其解决方法。
1）在检测面包板状况的过程中，出现本该相通的地方却未通的状况，后经检验发现是由于万用表笔尖未与面包板内部垂直接触所至。
2）在检测CD4511驱动电路的过程中发现数码管不能正常显示的状况，经检验发现主要是由于接触不良的问题，其中包括线的接触不良和芯片的接触不良，在实验过程中，数码管有几段二极管时隐时现，有时会消失。
用5V电源对数码管进行检测，一端接地，另一端接触每一段二极管，发现二极管能正常显示的，再用万用表欧姆档检测每一根线是否接触良好，在检测过程中发现有几根线有时能接通，有时不能接通，把接触不好的线重新接过后发现能正常显示了。
其次是由于芯片接触不良的问题，用万用表欧姆档检测有几个引脚本该相通的地方却未通，而检测的导线状况良好，其解决方法为把CD4511的芯片拔出，根据面包板孔的的状况重新调整其引脚，使其正对于孔，再用力均匀地将芯片插入面包板中，此后发现能正常显示，本次实验中还发现一块坏的LED数码管和两块坏的CD4511，经更换后均能正常显示。
3）在连接晶振的过程中，晶振无法起振。
在排除线与芯片的接触不良问题后重新对照电路图，发现是由于12脚未接地所至。
4）在连接六进制的过程中，发现电路只能4、5的跳动，后经发现是由于接到与非门的引脚接错一根所至，经纠正后能正常显示。
5）在连接校正电路的过程中，出现时和分都能正常校正时，但秒却受到影响，特别时一较分钟的时候秒乱跳，而不校时的时候，秒从40跳到59，然后又跳回40，分和秒之间无进位，电路在时、分、秒进位过程中能正常显示，故可排除芯片和连线的接触不良的问题。
经检查，校正电路的连线没有错误，后用万用表的直流电压档带电检测秒十位的QA、QB、QC和QD脚，发现QA脚时有电压时而无电压，再检测秒到分和分到时的进位端，发现是由于秒到分的进位未拔掉所至。
2.设计体会
在此次的数字钟设计过程中，更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法。
在连接六进制、十进制、六十进制的进位及十二进制的接法中，要求熟悉逻辑电路及其芯片各引脚的功能，那么在电路出错时便能准确地找出错误所在并及时纠正了。
在设计电路中，往往是先仿真后连接实物图，但有时候仿真和电路连接并不是完全一致的，例如仿真的连接示意图中，往往没有接高电平的16脚或14脚以及接低电平的7脚或8脚，因此在实际的电路连接中往往容易遗漏。
在设计电路的连接图中出错的主要原因都是接线和芯片的接触不良以及接线的错误所引起的。
3.对该设计的建议
此次的数字钟设计重在于仿真和接线，虽然能把电路图接出来，并能正常显示，但对于电路本身的原理并不是十分熟悉。
总的来说，通过这次的设计实验更进一步地增强了实验的动手能力。
6、参考文献
1.彭介华主编：
《电子技术课程设计指导》，高等教育出版社，2002年出版。
2．郑步生.Multisim2001电路设计及仿真入门与应用.电子工业出版社.2002
3．高吉祥主编．电子技术基础实验与课程设计．北京：
电子工业出版社，2002
4．扬志亮.Protel99SE电路原理图设计技术.西北工业大学出版社.2002
5．
6．
2010年7月4日
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