电子技术课程设计

1、附件一 湖南工业大学课 程 设 计资 料 袋 电气与信息工程学院 学院（系、部） 学年第 学期 课程名称 电子技术课程设计 指导教师 职称 教授 学生姓名 班级 学号 题 目 数字电子钟电路设计与仿真 成 绩 起止日期 目 录 清 单序号材 料 名 称资料数量备 注1课程设计任务书12课程设计说明书13课程设计图纸张456附件二 湖南工业大学课程设计任务书 电气工程 专业 班级课程名称： “电子技术”课程设计 设计题目： 数字电子钟电路设计与仿真 完成期限：自 2015 年 11 月 16 日至 2015 年 11 月 20 日共 1 周内容及任务一、设计的主要技术参数1 数字电子钟设计与仿真

2、（1）根据数字电子钟原理得出逻辑框图。（2）用PROTUES或其它软件对电路进行仿真、测试及计算。二、设计任务1. 每2人一个小组，在规定的课时之内，完成电路的设计并进行仿真。2 每人提交一份设计说明书（打印稿），其中包括不少于500字的收获和体会三、设计工作量112学时在规定的地点（综合楼315）完成电路的设计与仿真。2课后12学时完成设计说明书的撰写并打印。进度安排起止日期工作内容2015-11-162015-11-17工作原理分析及电路图的绘制。2015-11-182015-11-18电路图的计算机仿真以及修改、完善。2015-11-192015-11-19设计验收并撰写设计说明书201

3、5-11-20 下午统一提交设计说明书主要参考资料1.康华光 电子技术基础 数字部分（第5版）M 高等教育出版社2006年2.罗飞，张昌凡等 通用电路的计算机分析与设计PSpice应用教程M 中国水利水电出版社 2004年3.秦曾煌 电工学 第六版 下册 电子技术M 高等教育出版社2003年4.华成英 模拟电子技术基础（第4版）M 高等教育出版社2006年指导教师（签字）： 年 月 日系（教研室）主任（签字）： 年 月 日17附件三电子技术课程设计设计说明书数字电子钟电路设计与仿真起止日期： 2015 年 11 月 16 日 至 2015 年 11 月 20 日学生姓名班级学号成绩指导教师(签

4、字)电气与信息工程学院（部）2015年11 月15日实验 数字电子钟电路设计与仿真1、 设计目的：（1） 掌握数字钟的工作原理及其方法。（2） 熟悉常用数字集成电路。（3） 应用PROTUES软件进行仿真。2、 设计任务（1） 设计要求 1、设计有一个有“时”、“分”、“秒”（23小时59分59秒）显示的数字时钟。（“时”和“分”的校准电路部分为选做内容）。 2、用中小规模集成电路（PROTUES中的74*161/160、74*/90/390、74*/293/393、74*/48以及555定时器等）组成数字电子钟，并对各部分电路（显示部分除外）进行仿真。（2） 撰写设计报告以及设计总结。 1、

5、画出原理框图和逻辑电路图，写出设计实验报告总结。3、 设计流程1、 电路原理分析：A、总体思路：数字电子钟电路通过源脉冲设置，产生为1秒的脉冲进行计数芯片秒计数，通过数字芯片进制设计产生60进制和24进制，加入74*/00/08，与非逻辑变换分别构成“时”、“分”“秒”通过数码管进行显示，构成数字电子钟，最后采用逻辑门（74hc00）搭建校准电路。B、芯片选择：数字电路芯片选择逻辑和功耗，针对时钟方案选择芯片74hc163、74hc161、74ls48、74hc00、74hc08。74hc00、74hc08为逻辑与非和与。74hc163同步清零适合60进制搭建，74hc161异步清零适合搭建二

6、十四进制。74ls48译码器芯片为4-8译码，适用于搭建进制译码，数码管显示。C、总体设计方案：由NE555产生源脉冲，分别采用两片74hc163搭建60进制进行分、秒计数，采用两片74hc161搭建二十四进制，通过74hc00和74hc08进行连接产生分脉冲、时脉冲。D、总体框图如下：图1 总体原理框图2、脉冲电路原理分析：产生脉冲源由NE555定时器（图2）构成，R1、R2、C1、C2为外接定时元件，NE555定时器阀值输入端（引脚6），触发输入端（引脚2）并联在一起，放电引脚（引脚7）连接到R2过C1接地。当输出端（引脚3）Uo为高电平时，NE555内部放电三极管VT截止，VCC经R1、

7、R2向电容C充电，Uc1电压升高，充电时间常数为（R1+R2）*C。当Uc1上升到2/3VCC时，555定时器内基本RS锁存器被复位，多谐振荡输出端U0由高电平翻转到低电平。同时放电三极管VT由截止转为导通，电容C经R2和放电管VT的集电极（引脚7）放电，放电时间常数为R2*C。此后，电容C上电压Uc1伴随着放电过程由2/3VCC点不断下降，当Uc1下降到2/3VCC时，基本RS锁存器被置位，U0翻转为高电平，放电三极管又由到导通变为截止，放电过程结束。此后，VCC经R1、R2再向电容C1充电，电容电压Uc1由1/3VCC开始增大，重复此过程，输出矩形波。图2 NE555内部构造图A、 电容充

8、电时间T1 电容充电时，时间常数t=(R1+R2)*C,计算得值：T1=0.7（R1+R2）*C1。B、 电容放电时间T2 计算得值：T2=0.7R2*C1。C、 电路振荡周期T T=T1+T2=0.7(R1+R2)*C1。 设定R1=R2=10K,实验设计秒脉冲时间周期为1s。计算可得：（0.7(10K+2*10K)*C1）=1s得：C1=47.6uF 鉴于实际情况C1取值50uF。R1、R2、C1取值确定。3、 绘制脉冲产生路原理图并在PROTUES中进行仿真：用555定时器组成多谐振荡器，电路在接通电源后无须外接触发信号就能产生一定频率的矩形脉冲信号。确定R1、R2、C1，电路输出频率确

9、定。产生数字电子时钟所需秒脉冲。A、 运行PROTUES:双击打开，点击导航栏file目录下new design，新建文件。B、 查找元器件： 点击library，在此目录下选择pick device，进行元器件查找。在关键字keyword中输入查询元器件关键字，窗口results出现查找结果，双击选中所要查找元器件。例：电容 CAP、电阻 RES、555定时器 NE555等。C、 搭建电路图：查找元器件完成，在左侧导航栏中选择符号，出现已经查找的元器件，点击其中元器件，添加到编辑窗口，进行电路图绘制。电路图绘制时，点击右键进行各元器件旋转 删除等编辑，双击进行元器件参数设置。D、 选择电源和

10、地：在左侧导航栏点击源选择图标，在此目录下选择power和ground，分别为电源和地。E、 添加示波器：电路图搭建完成后，选择左侧标志，添加示波器（oscilloscope）。F、 保存文件：脉冲产生仿真与测试电路图搭建完成，点击file，在此目录下选择save，进行保存。G、 仿真测试：点击最左下角开始仿真按钮，进行仿真。H、 周期测试：仿真开始，示波器打开后，选择cursors，在图中找到一个周期的长度对波形周期进行测试。在PROTUES中搭建仿真电路图，如图3。仿真脉冲波形图如图3，参数值设计好后，仿真实际产生脉冲T=1.06s。基本符合所需脉冲值1s。确定脉冲源。图3 脉冲仿真电路图

11、 在PROTUES中查找元器件，电路图搭建，添加示波器，进行仿真与测试周期。完成电路图搭建，开始点击仿真按钮。得出仿真结果如图4。图4 仿真结果波形显示4、60进制计数器设计 A、芯片选择中74hc163同步清零、上升沿有效；74hc161可进行异步清零、下降沿有效。举例芯片74hc163，该芯片功能表如下：输入输出清零预置使能时钟预置数据输入端计数进位¯MR¯PECEP CETCPD3 D2 D1 D0Q3 Q2 Q1 Q0TCL×× × × × × ×L L L LLHL× ×D3

12、 D2 D1 D0D3 D2 D1 D0#HHL ××× × × ×保持#HH× L×× × × ×保持LHHH H× × × ×计数H 由表格可得：当¯PE为有效（低），¯MR为无效（高）时有上升沿CP触发则芯片自动置数。当¯MR、¯PE均为无效，CEP、CET有效时，由上升沿触发芯片开始计数。 B、搭建秒计数分析：该芯片能够在秒脉冲下计数，产生的数值大小便是计时秒数。首先确定秒对分的进位是60

13、进制，则首先搭建电路是60进制。先搭建秒的个位10进制，随后搭建6进制的十位，进行相应的逻辑关系处理，秒计数为59时输出脉冲给分，使得输出分脉冲满足秒、分的60进制关系。 C、芯片逻辑：当秒的个位在输出9时，通过逻辑转换给十位送去脉冲并清零个位，十位为5时，个位为9在下一脉冲到来时，芯片清零秒数十位和个位，并通过逻辑转换给分个位送去分脉冲。 图5 10进制电路设计图图5中U3A为与非门（74hc00），仅当Q3=1，Q0=1，时输出1001，输出9，这时通过此与非门输出低电平即0，使得置数引脚有效，把预置数0000，传递给输出，达到清零效果。D、设计思路： 脉冲源产生的秒脉冲作为芯片CP，先给

14、默认设置芯片引脚¯MR、¯PE、CEP、CET都为高，秒脉冲输入时立即从0计数。当达到9时输出Q3 Q2 Q1 Q0为1001，若给下一脉冲使输出清0。本设计采用反馈置数法对其清零，首先在输入端D3 D2 D1 D0设置预置0000，完成9秒计时后输出1001，此时Q3和Q0通过74hc00与非门后输出低使¯PE有效，芯片置数清零完成10进制设计。则秒的个位搭建完成，如图5所示。同理设置十位为6进制。E、仿真波形观察：用示波器观察输出波形如图6。图6 10进制仿真波形图由图6 示波器D连接输出的高位可以看出，当电平在1001时下一个脉冲到来后立马变成0000。说明

15、在达到9时，其自动清0完成，该该10进制搭建正确。F、搭建60进制模型：秒脉冲输入到9时给秒十位脉冲，十位从0开始计数。便于比较本次采用反馈清零，首先在输入端D3 D2 D1 D0设置预置0000。完成50秒计时后十位芯片输出0101，而只有当秒个位输出为1001时才能够清零，此时秒个位Q3和Q0通过74hc00与非门后再通过非门（74hc00）输出得到值，秒十位Q2和Q0相与（74hc08）后得到值，这两值相与非产生低电平送给清零端，芯片反馈清零。完成60进制设计。其构成图如图7所示。G、数码管显示：加上译码器74ls48直接构成译码显示，使得输出直观。图7 60进制仿真电路图图7 可以看出

16、只有在U2即个位芯片达到9即1001时才会使U3A输出低电平，对个位产生置数清零，且对十位芯片U5输出一个脉冲，使其进行加1计数。而60秒要达到，必须要十位芯片输出0101，使U7C输出高电平，且个位必须为1001输出，使U3B产生高电平，从而使U3C，输出为低电平，让十位芯片U5产生反馈清零。H、分60进制模型：分的进位来自于秒脉冲，当秒达到59秒时，产生脉冲时伴随电平变化给秒60进制清零，同时给分60进制的个位送入脉冲，产生加1计数。其中通过与门（74hc08）控制当秒十位为5且秒个位为9时产生清零并输出脉冲进入分个位，分对时的进位和脉冲提供采取的方式一致。I、时钟分电路搭建：直接采用秒6

17、0进制搭建方法搭建。直接把秒60进制的秒总体清零输出连接在分电路的个位脉冲上。当做分电路的个位脉冲，从而形成进位。搭建电路仿真图如图8所示。图9 分秒搭建60进制仿真图图9可以得到当秒产生59秒时，U3C电平由高到低，这时代表秒芯片已经计数到59秒，则在下一脉冲到来之前，该信号通过U17C传递给分计时的分个位，脉冲到来之后，秒芯片开始清零，分开始加1，同理可得其进制原理。5、电子钟的时的24进制搭建A、按照上述操作进行芯片分析，74hc161为异步清零，上升沿触发。个位依旧为十进制，由74hc161进行技术操作，当从0到9时输出个位Q3Q2Q1Q0为1001时反馈置数，使其清零。十位Q3Q2Q

18、1Q0输出为0010证明已经计数到20，则说明十位已经达到20，当下一次脉冲个位加到3时，证明显示数值为23，此时用与门芯片让他们相与。由于异步清零，所以导致产生的23时不能立即清零，而是等待下一脉冲到来立即清0，这是24会瞬间出现即消失。这样芯片搭建24进制的基本分析已经完成。B、按照上述PROTUES操作流程，进行24进制的芯片搭建。改变芯片后，搭建电路仿真图如图10。图10 24进制仿真原理图图10 由于小时为24进制，其脉冲来源有分的十位清零输入到U27C进入U18作为小时的个位脉冲。74hc161在设计时在未到20以前采用十进制，到了20以后采用4进制，所以必须通过与门来控制个位芯片

19、的清零。此时用到U9A,当在20以下，4进制被屏蔽，到了20时，使得U9A被U8B控制，等待加数到24，若到24，U9A立马变低，即立即清零。74hc161是异步清零，所以个位为4时可以立即清0，因此U9B接Q2，当Q2位1时，U9B输出高电平，此时立即清零。这时4会出现一瞬间。同时时计数十位，当等于23时，通过U7D和U9B同时输出高电平，这两者同时成立会使U8B输出低电平从而使十位芯片清零。6、校准电路A、添加校准电路分析：电路仿真分析时，校准电路时很必须的，而等待自动校准周期较长，所以采用模拟校准。即使可以改变555定时器的输出脉冲频率，加快计数从而校准电路是否为24进制，是否为时钟电路

20、，是否符合预期时钟显示。但是，在仿真过程中只能拨动开关的器件，不能改动其他部件的参数值。校准电路只要拨动开关就能切换秒脉冲，以秒来模拟分、时的计时。因此校准电路可以较好的解决此问题。校准电路用74hc00芯片构成锁存功能。如图11搭建。图11 校准电路仿真原理图图11中U8D 引脚12接分脉冲输出端，U10A引脚1接秒脉冲，U8C输出脉冲给时，当开关打向左侧，U10A关闭，分脉冲传递给时，进行正常计时，当开关打向右侧，此时秒脉冲传递给时，此时进行校验时。7、设计总图及仿真效果A、设计总体仿真图：图12所示图12 数字电子钟总体设计图及仿真B、各部分进制波形图：图13为60进制中5进制波形图，图14为小时进制中24进制的十位波形图。图13 分、秒60进制中5进制波形图（D接高位Q3，A接低位Q0）图14 小时24进制中的十位波形图（D接高位Q3，A接低位Q0）数字电子钟设计总结从拿到题目到设计及仿真工作做完，已经近一周的时间。从开始到现在，即使刚结课的时候，把数字电子技术这本书看了很多遍，现在重新再看发现确实有很多新的体会，不管是芯片引脚还是芯片类型还是任意进制搭建。这样的课程设计确实有助于巩固我们学过的知识，也利于我们对电气这个体系的全面把握。 该设计采用的芯片由