数电课设报告-数字电子钟

《数字电子技术基础》课程设计学生姓名:徐慧晖学号:110900３34专业班级:微电子指导教师：施隆照二○一一年十二月三十日摘要:加入世贸组织以后,中国会面临激烈的竞争。这种竞争将是一场科技实力、管理水平和人才素质的较量，风险和机遇共存,同时电子产品的研发日新月异,不仅是在通信技术方面数字化取代于模拟信号，就连我们的日常生活也进于让数字化取缔。说明数字时代已经到来,而且渗透于我们生活的方方面面。就拿我们生活的实例来说明一下“数字”给我们带来的便捷。下面我们就以数字钟为例简单介绍一下。数字钟我们听到这几个字，第一反应就是我们所说的数字，不错数字钟就是以数字显示取代模拟表盘的钟表,在显示上它用数字反应出此时的时间,相比模拟钟能给人一种一目了然的感觉，不仅如此它还能同时显示时、分、秒。而且能对时、分、秒准确校时，这是普通钟所不及的。与此同时数字钟还能准确定时，在你所规定的时间里准确无误的想你发出报时声音,提醒你在此时所需要去做的事。与旧式钟表相比它更适用于现代人的生活前言:近年来随着数字技术的迅速发展，各种中、大规模集成电路在数字系统、控制系统、信号处理等方面都得到了广泛的应用。这就迫切要求理工科大学生熟悉和掌握常用中、大规模集成电路功能及其在实际中的应用方法,除通过实验教学培养数字电路的基本实验方法、分析问题和故障检查方法以及双踪示波器等常用仪器使用方法等基本电路的基本实验技能外,还必须培养大学生工程设计和组织实验能力。本次课程设计的目的在于培养学生对基本电路的应用和掌握,使学生在实验原理的指导下,初步具备基本电路的分析和设计能力,并掌握其应用方法；自行拟定实验步骤,检查和排除故障、分析和处理实验结果及撰写实验报告的能力。综合实验的设计目的是培养学生初步掌握小型数字系统的设计能力,包括选择设计方案，进行电路设计、安装、调试等环节，运用所学知识进行工程设计、提高实验技能的实践。数字电子钟是一种计时装置，它具有星期、时、分、秒计时功能和显示时间功能；具有整点报时功能。数字电子钟由于采用了石英技术，走时精度高、稳定性好,不需要经常调校，使用携带方便。因此,在定时控制、自动报时及时间程序控制等方面都得到广泛的应用。本次设计我查阅了大量的文献资料，学到了很多关于数字电路方面的知识,并且更加巩固和掌握了课堂上所学的课本知识，使自己对数字电子技术有了更进一步的认识和了解。目录1、课程设计的目的....．......．.．.......．...．．.........．４2、课程设计要求．..．．....．.．.．．....．........．..．....．．...4３、课程设计内容．．．．.．...．..．..............．.．..．..．..43.1设计方案．..．..............．.．．........．．....．.......．....．．.............．.．...．......．．........．...．．...．....．43.2方案选取．．．..．...．...．.．.．.．.．......．.．....．..．....．.．.......．．......．...．．．....．．．....．..．..．....．.....．.．．.．．.53.3数字钟方案三的设计思路．.．．．.．.．...．........．．........．．..．．.....．..．.........．...．..．..．.........5３.4数字钟的工作原理.....．........．.．．.....．．..．．．....．.．.....．..．.......．.．．．.......．...．.....．...．.....．.8３.5、电路仿真．．....．.......．........．.．．..．.．．.............．...．....．......．...．...．...．．..．........．...．...．...103.6、电路调试..．..．....．...........．...........．.．.．．....．．．....．..．......．.....．.．...．.．．.．.．.．.......．.．．....．103.７pｃb布线图....．．..．.．.．......．....．........．..........．.................．..．.......．．.....．．．．.．...．．．....．．.11设计总结....．.．...．．.......．..．..．．．.................１24.1设计过程中遇到的问题及其解决方法...．......．..．．........．．.．...．．.124.2设计体会．．．..．．...．..．.......．..．.．........．...........．.．......．.1２4．3.对该设计的建议．．.．....．....．..．．..．..．.．．...．.....．..．..．．..．...．145、致谢．．..．..．.．．..............．....．．..．......．．.．..．..146、参考文献.．．.....．．...．．.．.．.....．.....．........．．．...147、附录.．.．..．．.．．.．．.......．．....．......．............．..15ﻬ1、 课程设计目的1)熟悉集成电路的引脚安排,掌握各芯片的逻辑功能及使用方法.了解面包板结构及其接线方法.了解数字钟的组成及工作原理．２) 熟悉数字钟的设计与制作.进一步掌握数字电子技术的理论知识，培养工程设计能力和综合分析问题、解决问题的能力。3).ﻩ基本掌握常用电子电路的一般设计方法,提高电子电路的设计和实验能力。4) 掌握常用元器件的识别和测试,熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法。5)学会使用模块化的思想设计电路分块实现2、课程设计要求用中小规模集成电路设计一台能显示日、时、分秒的数字电子钟，要求如下：１.由晶振电路产生1Hz标准秒信号。2．秒、分为00—５９六十进制计数器。３．时为０0—２3二十四进制计数器。4．星期显示从—到日为七进制计数器。5．可手动校正:能分别进行秒、分、时、日的校正。只要将开关置于手动位置,可分别对秒,分、时、日进行手动脉冲输入调整或连续脉冲输入的校正。6.整点报时。整点报时电路要求在每个整点前鸣叫五次低音(５00Hz),整点时再鸣叫一次高音（1000Hz)。课程设计内容：3.1设计方案：方案一:55５定时器设计的多谐振荡器产生振动周期为1s的脉冲。并将信号送入计数器进行计算，并把累加的结果以“时”、“分”、“秒”的数字显示出来。“秒”的显示由两级计数器和译码器组成的六十进制计数电路实现;“分”的显示电路“秒”相同,“时”的显示由两级计数器和译码器组成的二十四进制电路来实现。所有计时结果由六位数码管显示。采用5５5定时器能够极方便的构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。由于使用灵活、方便,所以在施密特触发器的基础上改接成多谐振荡器。方案二：设计也可以采用单片机进行控制。晶体振荡器的振荡信号从XTＡL２端输出到片内的时钟发生器上。时钟发生器为二分频器。向CPＵ提供两相时钟信号P1和P２。每个时钟周期有两个节拍(相)Ｐ1和P2，CPU就以两相时钟Ｐ1和P2为基本节拍指挥AT89S52单片机各部件协调工作。方案三：采用石英晶体振荡来及简单的门电路实现。（下面将详细说明）3.2方案选取：方案二中虽然以单片机核心的数字式时钟制作方便，但成本太高,不太适合。方案一中时钟频率可调范围小，且由于电路器件的限制故选方案三。3.3数字钟方案三的设计思路原理框图如下：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.上图所示为数字钟的一般构成框图.具体模块如下：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15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24进制计数器.星期为7进制计数器,从1到7可用置数法。图为采用7４lｓ１６1实现6０进制图为采用74ls1６1实现2４进制图为采用74ls161实现７进制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.报时电路在59分的时候，运用四输入与非门开启总的电路；同样还是用四输入与非门检测54秒和５9秒的信号,然后用D触发器的置位功能,实现在54秒的时候让51２Hz通过或门加到蜂鸣器上,在59秒的时候让1０２４Hz的信号通过或门加到蜂鸣器上。在信号输入的同时还要通过与门加上1Hz的信号，这样可以让蜂鸣器每隔一秒响一声。（7)单次脉冲、连续脉冲这主要是供手动校时用。若开关Ｓ5打在单次端,要调整日、时、分、秒即可按单次脉冲进行校正。如S5-1在单次,S5-2在手动，则此时按动单次脉冲键，使周计数器从星期１到星期日计数。若开关S5－１处于连续端，则校正时,不需要按动单次脉冲，即可进行校正。单次、连续脉冲均由门电路构成。3.4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．图3－2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20pF.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22MΩ.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.图３－2COMS晶体振荡器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.常用的２进制计数器有74ＨＣ74等．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.一般采用１6进制计数器74lｓ161来实现时间计数单元的计数功能.并且每一计数器均提供一个异步清零端(低电平有效).秒个位计数单元为１0进制计数器，无需进制转换,只需将QＡ与CPＢ(下降沿有效)相连即可.CPA(下降沿无效）与１HＺ秒输入信号相连，Ｑ3可作为向上的进位信号与十位计数单元的CＰA相连.秒十位计数单元为6进制计数器,需要进制转换.将1０进制计数器转换为６进制计数器的电路连接方法,其中Q２可作为向上的进位信号与分个位的计数单元的CPA相连.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．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.根据要求，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.6)整点报时电路一般时钟都应具备整点报时电路功能,即在时间出现整点前数秒内,数字钟会自动报时，以示提醒.其作用方式是发出连续的或有节奏的音频声波,较复杂的也可以是实时语音提示．根据要求,当时间在59分５４秒到59分５9秒期间时鸣低音在00分0０秒时鸣高音。报时电路选7４ＨC7４，选蜂鸣器为电声器件.7）单次脉冲、连续脉冲通过锁存器和开关提供适时的高低电平,这主要是供手动校时用。3．５、电路仿真: 在本次的课设中,我们是通过采用面包板连接的方式来进行电路的仿真测试。在面包板上对每个模块分别进行连接测试，并得出最佳的电路连接方式。3.6、电路调试：调试环境:实验室电源一个,万用表一个。调试方法：加快时钟频率的输入,然后观察数码管的显示数值,找出显示不正常的数码管。用电压表逐个检查各个引脚的电压来确定芯片的工作状态来判定芯片是否处于正常的工作状态来检查错误。3.6.3测试结果：ﻩ经过调解检测,本作品可以实现基本的功能，即可以显示时钟并可以手动调节各个数码管的显示数值。但是由于时间上没有安排好，最后时间不够所以蜂鸣器部分并没有焊接上去,但是在面包板上面可以调试成功。３.7pcb布线图顶层模块底层模块4、设计总结:4.1设计过程中遇到的问题及其解决方法．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.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.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．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.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．在制作报时电路的过程中，发现蜂鸣器在57分５9秒的时候就开始报时,后经检测电路发现是由于把7４HC74芯片当16引脚的芯片来接,以至接线都错位,重新接线后能正常报时.4.２设计体会设计,给人以创作的冲动。但凡涉及设计都是一件良好的事情,因为她能给人以美的幻想,因为她能给人以金般财富，因为她能给人以成就之感,更为现实的是她能给人以成长以及成长所需的营养，而这种营养更是一种福祉,一辈子消受不竭享用不尽。安排课程设计的基本目的，在于通过理论与实际的结合、人与人的沟通,进一步提高思想觉悟。尤其是观察、分析和解决问题的实际工作能力,以便培养成为能够主动适应社会主义现代化建设需要的高素质的复合型人才。课程设计发端之始，思绪全无,举步维艰，对于理论知识学习不够扎实的我深感“书到用时方恨少”,于是想起圣人之言“温故而知新”,便重拾教材与实验手册，对知识系统而全面进行了梳理，遇到难处先是苦思冥想再向同学请教,终于熟练掌握了基本理论知识,而且领悟诸多平时学习难以理解掌握的较难知识,学会了如何思考的思维方式,找到了设计的灵感。课程设计的过程中，由于对理论掌握的不熟练,或者是操作过程中发生失误,都会导致最后结果出不来。至善至美,是人类永恒的追求。但是,不从忘却“金无足赤，人无完人”,我们换种思维方式，去恶亦是至善，改错亦为至美。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正,不断领悟,不断获取。最终的检测调试环节,本身就是在践行“过而能改,善莫大焉”的知行观。对我们微电子专业的本科生来说，实际能力的培养至关重要,而这种实际能力的培养单靠课堂教学是远远不够的,必须从课堂走向实践。这也是一次预演和准备毕业设计工作。通过课程设计,让我们找出自身状况与实际需要的差距,并在以后的学习期间及时补充相关知识,为求职与正式工作做好充分的知识、能力准备，从而缩短从校园走向社会的心理转型期。作为整个学习体系的有机组成部分,课程设计虽然安排在独立单周进行,但并不具有绝对独立的意义。它的一个重要功能,在于运用学习成果，检验学习成果。运用学习成果，把课堂上学到的系统化的理论知识，尝试性地应用于实际设计工作,并从理论的高度对设计工作的现代化提出一些有针对性的建议和设想。检验学习成果，看一看课堂学习与实际工作到底有多大距离,并通过综合分析，找出学习中存在的不足，以便为完善学习计划，改变学习内容与方法提供实践依据。通过课程设计,我还更加明白了一个真理。时至今日，课程设计基本告成,才切身领悟“实践是检验真理的唯一标准”，才明晓实践出真知。因为在教材上，数字钟不过是由计数器和译码显码器组合而成，也便不以为然搭建电路图,结果电路出现诸多问题,譬如短路开路，EWＢ中引脚悬空即为低电平,现实中引脚悬空呈现大电阻特性即高电平，不为则不知，无为则无知，实践出真知。课程设计达到了专业学习的预期目的。在一个星期的课程设计之后,我们普遍感到不仅实际动手能力有所提高,更重要的是通过对设计过程的了解,进一步激发了我们对专业知识的兴趣,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,六十进制的进位及二十四进制的接法中,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.在连接电路中,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