电子线路综合设计课程设计-数字电子钟设计

华南农业大学电子线路综合设计数字电子钟设计姓名班级14级电气类3班组别10指导教师2016年6月24日1摘要作为一个大学生，每天要在固定的时间上各种各样的课程，那么按时到达课室是每个优秀的大学生必须做到的事，所以我们就需要知道具体的时间，进而安排自己的行程，数字电子钟就是我们平时学习生活中所必需的。既然分配到了数字电子钟课题，那么通过研究电子技术基础（数字部分）中的基础知识，分析出数字电子钟基本电路由秒脉冲发生电路、校分校时电路、时间计数电路、译码驱动显示电路、整点报时电路等几部分组成。秒脉冲发生电路主要用来产生时间标准信号，因为时钟的精度主要取决于时间标准信号的频率及稳定度，所以采用石英晶体振荡器。因为振荡器产生的标准信号频高，要是要得到“秒”信号，需一定级数的分频器进行分频，最终得到1HZ的脉冲信号。校时校分电路分别通过“与非门”组成的SR锁存器输出信号到时计数器或者分计数器来对“时”、“分”显示数字进行校对调整。时间计数电路有了“秒”脉冲信号，则可以根据60秒为1分钟，60分为1小时，分别设定“时”、“分”、“秒”的计数器，分别为60进制、60进制、24进制计数器，并输出1分钟，1小时的进位信号。译码驱动显示电路将“时”“分”“秒”显示出来。将时间计数电路的输出状态，输入到译码器CD4511，产生驱动数码管的信号，呈现出对应的进位数字字型。整点报时电路根据计时系统的的各个输出状态通过“与非门”产生一脉冲信号，通过三极管的导通或截止使得电源驱动蜂鸣器实现报时功能。本文在MULTISIM110的仿真设计基础上，自行选择芯片，焊接电路板，完成了一个具有多功能的数字电子时钟。关键词秒脉冲SR锁存器计数器译码器与非门2目录1前言311设计目的312设计任务及指标313设计相关提示32总体方案确定321设计原理322制定方案4221总体设计方案4222各部分设计方案52221时间计数电路的设计52222整点报时电路的设计62223校分校时电路的设计72224秒脉冲发生电路的设计82225译码驱动显示电路的设计9223整体电路93电路仿真、焊接及调试过程1031电路仿真1032电路焊接1033实际电路调试1134误差分析114课程设计收获及建议11参考文献1231前言11设计目的较传统的机械时钟而言，数字电子钟准确性更高、功能更丰富，所以广受人们的喜爱。通过数字逻辑电路，其中包括组合逻辑电路、时序电路等基本部分构成数字电子钟。根据课题要求，利用所学所查原理制作出简单能显示时分秒计数功能的电子钟。12设计任务及指标1、设计制作一个数字电子钟；2、时间计数电路采用24进制，从00开始到23后再回到00；3、各用2位数码管显示时、分、秒；4、具有手动校时、校分功能，可以分别对时、分进行单独校正；5、计时过程具有报时功能，当时间到达整点前10秒开始，蜂鸣器响1秒停1秒地响5次。13设计相关提示1、为了保证计时的稳定及准确，须由晶体振荡器提供时间基准信号；2、数字钟由振荡器、计数器、译码器和显示器电路所组成；3、振荡器产生的时钟信号经过分频器形成1秒信号，秒信号输入计数器进行计数，并把累计结果以“时”、“分”、“秒”的数字显示出来；4、校时、校分考虑消除机械开关的触点抖动；5、蜂鸣器不够响，要考虑加放大电路。2总体方案确定下面将对数字电子钟的整个电路系统设计过程（包括设计原理、方案确定、电路设计及仿真、焊接与调试等部分）进行介绍。21设计原理数字钟是一个将“时”、“分”、“秒”显示于人的视觉器官的计时装置。它的计时周期为24小时，显示满刻度为23时59分59秒，另外应有校时功能和报时等附加功能。因此，一个基本的数字钟电路主要由译码显示器“时”，“分”，“秒”、计数器、校时电路、报时电路和振荡器组成。干电路系统由秒信号发生器、“时、分、秒”计数器、译码器及显示器、校时电路、整点报时电路组成。秒信号产生器是整个系统的时基信号，它直接决定计时系统的精度，一般用石英晶体振荡器加分频器来实现。将标准秒4信号送入“秒计数器”，“秒计数器”采用60进制计数器，每累计60秒发出一个“分脉冲”信号，该信号将作为“分计数器”的时钟脉冲。“分计数器”也采用60进制计数器，每累计60分钟，发出一个“时脉冲”信号，该信号将被送到“时计数器”。“时计数器”采用24进制计时器，可实现对一天24小时的累计。译码显示电路将“时”、“分”、“秒”计数器的输出状态送到七段显示译码器译码，通过七位LED七段显示器显示出来。整点报时电路时根据计时系统的输出状态产生一脉冲信号，然后去触发一音频发生器实现报时。校时电路时用来对“时”、“分”、“秒”显示数字进行校对调整的。可以通过校时电路对分和时进行校时，且具有整点报时功能，当时间到达整点前10秒开始，蜂鸣器将以1秒响1秒停的形式响5次。22制定方案根据课题要求，通过整理互联网网上、图书馆馆藏资料和对电子技术基础（数字部分）的学习，讨论确定一个既符合本设计要求又具有比较强的操作性的方案作为此次设计的对象。221总体设计方案本电路系统由晶体振荡电路，时间计数电路，校时电路，译码驱动电路组成，报时电路。其中，时间计数电路用六个74LS90组成。校时电路主要由74LS00组成RS触发器，报时电路由74LS30与74LS00组成。5图1总体设计图222各部分设计方案下面将介绍设计电路。含时间计数电路的设计、整点报时电路的设计、校分校时电路的设计、秒脉冲发生电路的设计、译码驱动显示电路的设计几个部分。2221时间计数电路的设计时间计数电路由60进制的秒计数器、60进制的分计数器以及24进制的时计数器组成。秒计数器以及分计数器都是采用60进制电路。当秒的74LS90芯片的8端以及9端信号变化产生的脉冲进位信号传到时的脉冲输入端时，分计数器便计数一次。6U1474LS90DQA12QB9QD11QC8INB1R916R927R012INA14R023GND10VCC5U1574LS90DQA12QB9QD11QC8INB1R916R927R012INA14R023GND10VCC5图260进制电路时计数器采用的是24进制电路。当分的74LS90芯片的8端以及9端信号变化产生的脉冲进位信号传到时的脉冲输入端时，时计数器便计数一次，并且其十位和个位的进位关系与分（秒）的十位和个位的进位关系一样。U1074LS90DQA12QB9QD11QC8INB1R916R927R012INA14R023GND10VCC5U1174LS90DQA12QB9QD11QC8INB1R916R927R012INA14R023GND10VCC5R110K图324进制电路2222整点报时电路的设计7据设计要求，时钟电路应在整点前10秒钟内开始整点报时，而且要求蜂鸣器响1秒停1秒地响5次。即当时间在59分50秒到59分59秒期间时，分十位、分个位和秒十位均保持不变，分别为5、9和5，在秒到达1、3、5、7和9时，蜂鸣器鸣叫，即整点时开始产生每隔1S鸣叫一次的响声，共鸣五次，每次持续时间为1S。其电路如下图4所示。U1674LS30NABCDEFGNDYNC1NC2GHNC3VCCU17A74LS00DQ12N1711U18BUZZER200HZVCC5VVCC5V图4整点报时电路2223校分校时电路的设计初次启动时，数字电子钟需要校准到当地时间，而实现这一功能则由校分校时电路来实现和调整。根据要求，数字钟应具有手动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。其电路图如下。8U2174LS00D1A1B1Y2A2B2YGND3Y3B3A4Y4B4AVCCU2274LS32D1A1B1Y2A2B2YGND3Y3A3B4Y4A4BVCCU2374LS08D1A1B1Y2A2B2YGND3Y3A3B4Y4A4BVCCJ1KEYBJ2KEYAVCC5VVCC5VR110KR210KR310KR410K图5校分校时电路2224秒脉冲发生电路的设计电子钟之所以能进行秒计数，主要是源于振荡秒脉冲的产生，所以多谐振荡器则为电子钟的核心区。由于我们要制作高精度的电子时钟，我们需要获取更高的计时精度，因此选用晶体振荡器构成振荡器电路，这样能完好地达到要求。振荡器的频率越高，计时精度越高。而我们选用R14532的晶体振荡器，其频率为32768KHZ，再经过分频芯片4060，其内部有15级2分频集成电路，所以我们在其中一个输出端得到2HZ的信号脉冲，再经过二次分频，方可得到1HZ的标准信号脉冲，即秒脉冲。其电路图和原理图分别如下。U204060BD_5VO122O133RTC10O37MR12RS11O45O54O66O714O813O915O111CTC9X1R2632768KHZR522MC125PFC210PF图6秒脉冲发生电路9图7秒脉冲发生原理图2225译码驱动显示电路的设计译码驱动显示电路是将计数器输出的8421BCD码译成数码管显示所需要的高低电平，所以在译码电路和数码管的选择上一定要注意配套。如我们采用共阴极七段数码管，则译码电路就应选接与它配套的共阴极七段译码驱动器。译码显示电路可采用CD4511BCD7段译码驱动器，其芯片引脚如下图所示。其中A0、A1、A2、A3与74LS90的四个输出端相连接，YA、YB、YC、YD、YE、YF、YG输出驱动七段数码显示器的信号。计数器实现了对时间的累计并以8421BCD码的形式输送到CD4511芯片，再由4511芯片把BCD码转变为十进制数码送到数码管中显示出来。译码驱动显示电路如图8所示。U1ABCDEFGHABCDEFGHCKU2ABCDEFGHABCDEFGHCKU3ABCDEFGHABCDEFGHCKU44511BP_5VA1A2LTBILEA3A0VSSYEYDYCYBYAYGYFVDDU54511BP_5VA1A2LTBILEA3A0VSSYEYDYCYBYAYGYFVDDU64511BP_5VA1A2LTBILEA3A0VSSYEYDYCYBYAYGYFVDDU74511BP_5VA1A2LTBILEA3A0VSSYEYDYCYBYAYGYFVDDU84511BP_5VA1A2LTBILEA3A0VSSYEYDYCYBYAYGYFVDDU94511BP_5VA1A2LTBILEA3A0VSSYEYDYCYBYAYGYFVDDVCC5V图8译码驱动显示电路10223整体电路综上所述，我们的数字电子钟整体电路由晶体振荡电路产生秒信号脉冲，然后产生的秒信号累计在秒计数器上并通过译码电路显示在数码管上，通过进制器再进行时分秒的累加和显示，整点时分则触发报时电路。最后按实际要求校准当地时间。整体电路如下图图9整体电路3电路仿真、焊接及调试过程31电路仿真通过使用MULTISIM软件进行数字电子时钟的仿真操作。仿真结果数字电子时钟能正常工作，校时准确，并且能在整点前10秒开始报时，响一秒停一秒。32电路焊接完成电路仿真之后开始进行电路焊接，在焊接过程中，因为一开始赶时间所以没有细心地去划分走线的线路图，所以形成了许多的飞线，布线繁琐而且易造成错乱，但我们后来在线路布局方面与其他小组较为不同的是，我们将电源和地线焊接在电路板上，并贯穿了整块电路板，因此能够减少在这方面的飞线，使布局变得更为简单。之后在焊11接过程中遇到的一些问题，包括烙铁头的温度过高时，使得焊锡在电路板上的的衔接质量不够好，局部电路经后期再处理后，使电路变得平滑，提高电路的衔接质量。33实际电路调试将秒脉冲产生电路产生的1HZ秒脉冲分别送入时、分、秒计数器，检查各组计数器的工作情况；通过调校校时电路是否能校准时间；当分频电路和计数器调试正常后，观察电子钟是否准确；观察电子钟到整点之前报时电路是否正常工作。34误差分析经测试，该系统在运行时有一定的误差，其原因是晶体振荡的特点所决定的，同时与芯片的内部结构有关，并且存在人为误差。4课程设计收获此次数字电路课程设计，不仅仅是对近半年学习以来的检验，更是锻炼我们动手能力、培养团队合作精神的一次良机。在紧张的考试周里进行课程设计，而且平时还要上课，这次的课程设计不仅是要求我们对时间的合理安排，更体现了我们对于数字电路知识的掌握与应用，以及对焊接手法的熟悉掌握。在两周不到的时间里，我们除了要进行有条不紊的信号与系统复习与考试以及四六级的复习以及完成各种科目的作业外，我们小组更收获了以下几点收集、整理以及学习数字电子钟的相关知识和要点，再结合本阶段所学知识画出电路图、分析相关芯片、学习使用仿真软件对所制电子钟电路进行检验，完成了基础知识要求储备。在电路图设计方面，不仅要求我们对芯片内部、管脚了解熟知，更要求我们就实际功能选用相关芯片以及进行正确的接线。在电路功能的实现上遇到问题时，我们会对芯片的每一个门电路以及实现的功能进行检查，对此，加深认识了常见芯片的功能及使用方法。在焊接电路方面出现了布线不合理等问题，由于不常焊接电路，所以在熟悉的过程中耗时较长，另外由于没有把握好时间所以布线仍是问题的关键所在，仍需加强学习焊接技术以及合理的布线规划。经过对本次的电路焊接，焊接速度、焊接质量等方面有了很大的提升，对使用吸锡器、剥线钳等工具熟练程度也有所加强。12调试电路部分最为关键、最为费力。因最初并不知道电路故障是出现在哪个部分，在发现问题的过程中非常耗时，需要利用到万用电