数字逻辑数字时钟课程设计报告.doc

18计算机学院数字系统课程设计目录第一章 系统概述31.1 设计题目31.2 系统设计目的和内容31.2.1 设计目的31.2.2 设计要求31.2.3 设计内容和步骤31.3 设计数字钟的可行性分析3第二章 设计总体方案42.1 总体方案框图42.2 设计原理42.3 元器件的选择及功能分析52.3.1 选择器件52.3.2 555定时器的应用52.3.3 74290的应用72.3.4与门8第三章 功能模块93.1 单元电路的设计93.1.1 秒脉冲发生器93.1.2时间技术单元103.2总体设计电路图12第四章 EWB24小时计时数字钟仿真结果134.1使用 EWB作为24小时计时数字钟设计平台134.1.1 EWB 概述及其仿真软件的特点134.1.2 EWB介绍144.2 EWB24小时计时数字钟基本功能仿真结果144.3EWB电子钟整体仿真结果15结束语16参考文献17第一章 系统概述1.1 设计题目课程设计题目：数字钟 1.2 系统设计目的和内容1.2.1 设计目的通过本次课程设计，学生学会通过进行查阅资料、方案设计、单元和系统电路设计、绘图等工作，独立完成本次数字电路系统的设计，提高学生独立分析问题、独立解决问题、独立动手设计的能力；提高学生在数字电路应用方面的实践技能，培养创造性思维及综合运用理论知识解决实际问题的能力。1.2.2 设计要求 1.用中小规模集成电路设计并制作一台能显示时、分、秒数字钟 2. 由振荡器产生时钟信号。 3. 小时计数器用24进制计数器。 4. 可以手动校正时间，能分别进行时、分的校正。 5. 采用LED显示时、分、秒。1.2.3 设计内容和步骤1. 根据选题要求，进行方案比较，画出系统框图，进行初步设计。2. 设计单元电路，计算参数，选择元器件。3. 画出系统电路原理图初稿。4. 利用EWB软件组装调试所设计的系统电路，修改设计中的疏漏。5. 撰写课程设计说明书。6. 绘制正式的系统电路原理图。1.3 设计数字钟的可行性分析选用EWB软件，以计算机作为载体。通过使用EWB软件，设计实现一个24小时计时的数字钟，并实现它的校时功能，通过电路分析，本次试验可用六块74290芯片分别实现时24进制和分秒60进制，脉冲信号由振荡器产生，方案设计是可行的第二章 设计总体方案2.1 总体方案框图图 2.1 总体方案框图2.2 设计原理由555定时器构成的振荡器产生稳定的1Hz的脉冲信号，作为标准秒脉冲。秒计数器计60后向分计数器进位，分计数器计满60后向小时进位，小时计数器设置成24进制计数器，满24后清零，重新开始计时。计数器的输出直接送到LED显示器。计时出现误差时可以用校时电路进行校时，校分，校时电路是由一开关接到一个高电位上，当全按一下开关就传来一个高位脉冲，计数器加一。2.3 元器件的选择及功能分析2.3.1 选择器件本次课程设计所用器件如表2-1： 名称数目脉冲信号发生器1十进制加法计数器6与门2单刀双掷开关3表2-1 本试验所有器材如2.3.2 555定时器的应用国产双极型定时器CB555电路结构图。它是由比较器C1和C2，基本RS触发器和集电极开路的放电三极管TD三部分组成。 VH是比较器C1的输入端，v12是比较器C2的输入端。C1和C2的参考电压VR1和VR2由VCC经三个五千欧电阻分压给出。在控制电压输入端VCO悬空时，VR1=2/3VCC,VR2=1/3VCC。如果VCO外接固定电压，则VR1=VCO,VR2=1/2VCO.RD是置零输入端。只要在RD端加上低电平，输出端v0便立即被置成低电平，不受其他输入端状态的影响。正常工作时必须使RD处于高电平。下图为EWB软件555定时器逻辑符号图：图 2.2 555定时器逻辑符号555定时器是一种中规模集成电路，只要在外部配上适当阻容元件，就可以方便地构成脉冲产生和整形电路。 图2.3 555定时器内部结构图1. 555集成定时器由五个部分组成。基本RS触发器：由两个“与非”门组成比较器：C1、C2是两个电压比较器分压器：阻值均为5千欧的电阻串联起来构成分压器，为比较器C1和C2提供参考电压。晶体管开关和输出缓冲器：晶体管VT构成开关，其状态受端控制。输出缓冲器就是接在输出端的反相器G3，其作用是提高定时器的带负载能力和隔离负载对定时器的影响。2. 基本功能：当时，输出电压为低电平，VT饱和导通。当时，时，时，C1输出低电平，C2输出高电平，Q0，饱和导通。当、时，C1、C2输出均为高电平，基本RS触发器保持原来状态不变，因此、VT也保持原来状态不变。当、时，C1输出高电平，C2输出低电平，Q1，VT截止。 表22 555定时器逻辑功能表555定时器功能表输 入输 出阈值输入(vI1)触发输入(vI2)复位()输出()放电管T00导通 11截止10导通1不变不变2.3.3 74290芯片的功能及应用74290由两个计数器组成，一个是FF0构成的一位二进制计数器，另一个是FF1,FF2,FF3构成的五进制计数器。它们独立使用时，分别是二进制计数器和五进制计数器。当计数脉冲CP冲CP1端输入，Q0接到CP2端，Q3,Q2,Q1,Q0为计数器输出时，构成8421编码的十进制加法计数器。而计数脉冲CP从CP2端输入，Q3接到CP1端，Q3,Q2,Q1,Q0为计数器输出时，则构成5421编码的十进制加法计数器。74290功能如表23所示。表23 74290功能表由其功能表看出，当R0(1)和R0(2)为两个置0输入端，R0(1)和R0(2)全为1时，将计数器置成0000，S9(1)和S9(2)为置9输入端，S9(1)和S9(2)全为1时，将计数器置成1001。8图2.4 74290的逻辑符号 图2.5 74290输出真表82.3.4与门 真值表如下表25所示：A BF0 00 11 01 1O111图2.9 逻辑符号逻辑功能描述如下： 其中A、B为输入端，Y为输出端。 当输入端A=0，B=0时，输出端Y为低电平，即Y=0； 当输入端A=0，B=1时，输出端Y为高电平，即Y=1； 当输入端A=1，B=0时，输出端Y为高电平，即Y=1； 当输入端A=1，B=1时，输出端Y为高电平，即Y=1； 即两个输入端A、B的输入电平只要有一个是低电平0，输出端Y就为低电平0；只要A、B两个输入端的电平有一个为1时，输出端Y便为高电平1。第三章 功能模块3.1 单元电路的设计 3.1.1 秒脉冲发生器本实验采用555定时器组成多谐振荡器，产生1.0HZ的脉冲。振荡器是构成数字式时钟的核心,它的稳定度及频率的准确度决定了数字钟计时的准确程度。计算频率公式为F=（1.43/（R1+R2）*C）如图3.1所示，输出波形如图3.2所示。图3.1 由555定时器构成的1.0HZ振荡器脉冲发生器图3.2 由振荡器产生的方针波形3.1.2时间技术单元时间计数单元有时、分和秒计数3个部分. 时计数单元为24进制计数器;分计数和秒计数单元为60进制计数器。 我采用10进制计数器74290来实现时间计数单元的计数功能.每一计数器均提供一个异步清零端(高电平有效).图3.3为秒计数器，CLKA为信号输入端，由振荡器提供1Hz的秒脉冲。当计数达到60后向分计数器进位。当秒十位上达到6（即0110）时，R0(1)和R0(2)接到QB、QC上，十位数清零个位数到10后也自动清零。在QB、QC接一个与门然后接到分计数器上可向分计数器进一位。分计数器与秒计数器原理相同。， 图3.3 60进制分、秒计数器图3.4为24进制时计数器，个位和十位均为十进制计数器，当走24（即十位为0010，个位为0100）时，将对计数器进行清零。将个位和十位另个计数器的R0(1)和R0(2)都分别接到十位计数器的QB和个位计数器的QC即可。如图3.4所示。图3.4 24进制时计数器仿真结果图3.5仿真结果为当“秒”计数器到60时的进位图3.6为分到时的进位 3.2总体设计电路图给出总体电路原理图，说明电路整体工作情况以及模块间的连接关系经过对以上各个步骤的总结可以的到最终的结果，通过软件对最后的结果进行仿真，验证本次试验设计的正确性。总电路图如下： 图3.7 24小时计时数字钟的总体设计电路图第四章 EWB24小时计时数字钟仿真结果4.1使用 EWB作为24小时计时数字钟设计平台4.1.1 EWB 概述及其仿真软件的特点Electronic Workbench（EWB）软件是专门用于电子电路仿真的“虚拟电子工作台”软件，它是目前全球最直观、最高效的EDA软件。它的功能强大，能够提供电阻、电容、三极管、集成电路等数十大类几千种元件，能够提供示波器、万用表等十几种常用的电子仪器；具有强大的电路图绘制功能，可绘制出符合标准的电子图纸；它还具有强大的波形显示功能，并且结果可轻松放入各类文档。用该软件进行设计、分析非常方便。本文在EWB基础上设计电子时钟，是由数字集成电路构成、用数码管显示的一种现代计时器，与传统机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更长的使用寿命，因此广泛使用。EWB是加拿大Interactive Image Technologies公司于20世纪90年代推出的专门用于电子线路仿真实验与设计的“虚拟电子工作平台”。EWB是一种在电子技术工程与电子技术教学中广泛应用的优秀计算机仿真软件，被誉为“计算机里的电子实验室”。EWB仿真软件的特点1.界面直观。绘制的电路图需要的元器件、测试仪都以图标方式出现，而且仪器的操作开关、按钮同实际操作非常相似，EWB提供交互式的电路模拟，方便使用的人机图形界面。 2EWB具有完整的混合模拟与数字信号模拟的功能，可任意地在系统中集成数字及模拟元件。EWB会自动地进行信号转换。EWB具备即时波形显示功能。3EWB具有下拉式的电路编辑功能表，可使电路元件的输入更为简易快速。4EWB具有虚拟的仪表设备，包含万用电表、示波器及逻辑分析仪等，可具体地模拟实际的测量情况。5提供了各种分析手段。有静态分析、动态分析、时域分析、频域分析、噪声分析、失真分析、离散傅立叶分析、温度分析等各种分析方法。4.1.2 EWB介绍本文使用的EWB版本是5.12，界面如图4.1所示：图4.1 EWB 5.12版本界面 使用EWB可以实现大部分模拟电子线路与数字电子线路实验的功能，易学、易用、真实、准确、快捷、方便、在以往进行电子线路设计时，最初的设计电路往往是不可能一次达到设计要求，而需要经过反复多次仿真、测试，才能符合设计要求。这样既费时费力，又增加了产品的成本。此外，因受工作场所、仪器设备等因素的限制，许多实验难以进行。利用EWB仿真软件就可以在虚拟器件库中随意选择并改变器件的参数，在虚拟的仪器库中随意选择需要的仪器设备，在虚拟的试验平台上进行实验，以使设计电路最终达到最佳设计要求。4.2 EWB24小时计时数字钟基本功能仿真结果 首先，由方波电源输出稳定的脉冲信号，输出标准的秒脉冲信号，秒计数电路为六十进制计数器，秒计数电路将振荡器产生的秒脉冲信号作为输入信号，进行计数，并通过秒显示器显示秒；其次，当秒计数器完成60个秒计数后，秒计时电路清零，输出一个“分计时信号”，分计时电路收到秒计时电路产生的信号后，开始计数并显示分；再次，当分计时电路完成60个分计数后，分计数器清零，输出一个“时计时信号”，时计时电路收到分计时电路产生的信号后，开始计数并显示时；最后，时计时电路完成24个时计数后，清零。完成电子钟基本功能仿真结果。4.3 EWB电子钟整体仿真结果使用EWB将各模块连接成完整的电路,实现了数字电子钟的基本功能和扩展功能，完成EWB仿真数字电子钟。使用EWB仿真的数字电子钟电路图，如图4.2所示:图4.2个人心得体会我觉得这次的课程设计不仅可以很好地锻炼学生的综合设计开发能力和动手能力，而且可以激发学生的学习兴趣，还可以大大节约数字电路课程设计实验的成本，提高设计效率。EWB软件，可方便地在计算机上进行电路设计、仿真，其电路结构及设计观念可以很容易地被修正；也可方便地更换所需要的元件。通过模拟可快速地反映出所设计电路的性能。若能利用计算机辅助设计进行电路模拟与分析，则可有效地节约资源、缩短产品研发的成本与时间。而且电路简洁明了，容易连接也容易修改。整个过程花了我不少时间，可当做完时才发现做这个数字钟是很简单的一件事，主要是在调试时花了不少时间，其间换了不少器件，有的器件在理论上可行，但在实际运行中就无法看到效果，所以调试花了我不少时间，有时无法找出错误便更换器件重新接线以使电路正常运行。在实际的操作过程中，能把理论中所学的知识灵活地运用起来，并在调试中会遇到各种各样的问题，电路的调试提高了我们解决问题的能力，学会了在设计中独立解决问题，也包括怎样去查找问题。似乎所有的事都得自己新手去操作才会在脑海中留下深刻的印象，这个小小的课程设计让我可以熟练的操作EWB软件