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電子電路課程設(shè)計(jì)報(bào)告 (硬件制作部分) 課題名稱 電子電路課程設(shè)計(jì) 課題編號(hào) 數(shù)字鐘設(shè)計(jì) 學(xué)院（系） 機(jī)械與能源工程學(xué)院 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化 學(xué)生姓名 張 華 學(xué) 號(hào) 1151593 指導(dǎo)老師 2014 年 9 月 12 日 一、設(shè)計(jì)要求 基本要求：準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，以數(shù)字形式顯示時(shí)、分、秒的時(shí)間；小時(shí)的計(jì)時(shí)要求為24 進(jìn)位,分和秒的計(jì)時(shí)要求為60 進(jìn)位；能快速校正時(shí)、分的時(shí)間。 根據(jù)指定的元器件設(shè)計(jì)數(shù)字鐘電路（只要求實(shí)現(xiàn)24 分60 秒的計(jì)數(shù)），按照自己的設(shè)計(jì)方案在面包板上搭建實(shí)際電路，達(dá)到設(shè)計(jì)要求并通過驗(yàn)收。 撰寫并提交設(shè)計(jì)報(bào)告（打印版），設(shè)計(jì)報(bào)告具體格式及內(nèi)容要求見模板文件。 二、電路圖 數(shù)字電子鐘由信號(hào)發(fā)生器、“時(shí)、分、秒”計(jì)數(shù)器、譯碼器及顯示器、校時(shí)電路、整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路等組成。秒信號(hào)產(chǎn)生器是整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)基信號(hào)，它直決定計(jì)時(shí)系統(tǒng)的精度，一般用555構(gòu)成的振蕩器加分頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)。將標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)送入“秒計(jì)數(shù)器”，該計(jì)數(shù)器采用60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，每累計(jì)60秒發(fā)出一個(gè)“分脈沖”信號(hào)，該信號(hào)將作為“分計(jì)數(shù)器”的時(shí)鐘脈沖。“分計(jì)數(shù)器”也采用60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，每累計(jì)60分，發(fā)出一個(gè)“時(shí)脈沖”信號(hào)，該信號(hào)將被送到“時(shí)計(jì)數(shù)器”?！皶r(shí)計(jì)數(shù)器”采用24進(jìn)制計(jì)數(shù)器，可以實(shí)現(xiàn)一天24h的累計(jì)。譯碼顯示電路將“時(shí)、分、秒”計(jì)數(shù)器的輸出狀態(tài)經(jīng)七段顯示譯碼器譯碼，通過六位LED顯示器顯示出來(lái)。整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路是根據(jù)計(jì)時(shí)系統(tǒng)的輸出狀態(tài)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，然后去觸發(fā)音頻發(fā)生器實(shí)現(xiàn)報(bào)時(shí)。校時(shí)電路是來(lái)對(duì)“時(shí)、分、秒”顯示數(shù)字進(jìn)行校對(duì)調(diào)整。其數(shù)字電子鐘系統(tǒng)框圖如下： 三、工作原理 1. 555計(jì)時(shí)器： 1) 振蕩器設(shè)計(jì) 秒脈沖信號(hào)發(fā)生器是數(shù)字電子鐘的核心部分，它的精度和穩(wěn)定度決定了數(shù)字鐘的質(zhì)量。由振蕩器與分頻器組合產(chǎn)生秒脈沖信號(hào)。一般說來(lái)，振蕩器的頻率越高，計(jì)時(shí)精度越高。本設(shè)計(jì)中采用由集成定時(shí)器555與RC組成的多諧振蕩器，經(jīng)過調(diào)整輸出1000Hz脈沖。電路圖如下圖所示： 555定時(shí)器的脈沖時(shí)間是由于RC充放電確定的。根據(jù)三要素公式： （1） 充電過程的方程式： (2) 充電時(shí)間為： (3) 放電過程的方程式： （4） 放電時(shí)間為： (5) 總時(shí)間為： （6） 頻率為： （7） 首先確定C1=0.1uf，R2=5.1K?，需要輸出頻率f=1KHZ，將充放電時(shí)間算出，確定電阻R1。通過確定R1=4.1K?。 2. 分頻器設(shè)計(jì) 分頻器功能主要有兩個(gè)，一是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)，一是提供功能擴(kuò)展電路所需要的信號(hào)，選用三片74LS90進(jìn)行級(jí)聯(lián)，74LS90是二—五—十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。因?yàn)?55定時(shí)器產(chǎn)生1KHZ的信號(hào)，第一片的Q3輸出100HZ，第二片的Q3輸出10HZ，第三片輸出1HZ。經(jīng)過3次1/10分頻后正好是1HZ，為標(biāo)準(zhǔn)的秒輸入脈沖。電路圖如下圖所示： 3. 秒、分、時(shí)計(jì)時(shí)器電路設(shè)計(jì) 秒、分計(jì)數(shù)器為60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，小時(shí)計(jì)數(shù)器為24進(jìn)制計(jì)數(shù)器。實(shí)現(xiàn)這兩種模數(shù)的計(jì)數(shù)器采用中規(guī)模集成計(jì)數(shù)器74LS160D構(gòu)成。 本設(shè)計(jì)選74LS160D作為計(jì)數(shù)器，將一片74LS160D設(shè)計(jì)成10進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，另一片設(shè)置6進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。兩片74LS160D按反饋清零法串接而成。秒計(jì)數(shù)器的十位和個(gè)位，輸出脈沖除用作自身清零外，同時(shí)還作為分計(jì)數(shù)器的輸入脈沖CP1。當(dāng)分（秒）計(jì)數(shù)部分的個(gè)位接受秒計(jì)數(shù)部分的信號(hào) （秒計(jì)數(shù)接受的信號(hào)為振蕩器經(jīng)分頻后輸出的1HZ的標(biāo)準(zhǔn)脈沖），計(jì)數(shù)滿60后向時(shí)計(jì)數(shù)部分的十位給出一個(gè)進(jìn)位信號(hào)。分（秒）十位計(jì)數(shù)部分接受個(gè)位的進(jìn)位信號(hào)并進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)滿6就想前一級(jí)給出進(jìn)位信號(hào)。當(dāng)十位和個(gè)位計(jì)滿60個(gè)數(shù)后計(jì)數(shù)器清零。計(jì)數(shù)規(guī)律是從00——59——00。設(shè)計(jì)電路圖如圖： 時(shí)間計(jì)數(shù)設(shè)計(jì)為24進(jìn)制計(jì)數(shù)，本設(shè)計(jì)選74LS160D作為計(jì)數(shù)器，將一片74LS160D設(shè)計(jì)成十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，另一片設(shè)置2進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。既個(gè)位計(jì)數(shù)狀態(tài)為Qd Qc Qb Qa = 0100十位計(jì)數(shù)狀態(tài)為Qd Qc Qb Qa = 0010時(shí)，要求計(jì)數(shù)器歸零。通過把個(gè)位Qc、十位Qb相與后的信號(hào)送到個(gè)位、十位計(jì)數(shù)器的清零端，使計(jì)數(shù)器清零，從而構(gòu)成24進(jìn)制計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)規(guī)律是從00——23——00。設(shè)計(jì)電路圖如圖： 4. 譯碼顯示電路設(shè)計(jì) 譯碼電路的功能是將秒、分、時(shí)計(jì)數(shù)器的輸出代碼進(jìn)行翻譯，變成相應(yīng)的數(shù)字，由數(shù)碼管和譯碼器74LS47D組成。74LS47D是BCD-7段譯碼器/驅(qū)動(dòng)器，輸出高電平有效，專用于驅(qū)動(dòng)LED七段共陽(yáng)極顯示數(shù)碼管。若將秒、分、時(shí)計(jì)數(shù)器的每位輸出分別送到相應(yīng)七段譯碼管的輸入端，便可以進(jìn)行不同數(shù)字的顯示。在譯碼管輸出與數(shù)碼管之間串聯(lián)電阻R=510?作為限流電阻。如圖： 5. 校時(shí)電路設(shè)計(jì) 校時(shí)電路是數(shù)字鐘不可缺少的部分，每當(dāng)數(shù)字鐘與實(shí)際時(shí)間不符時(shí)，需要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間進(jìn)行校時(shí)。當(dāng)數(shù)字鐘接通電源或者計(jì)時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤是，需要校正時(shí)間，校時(shí)是數(shù)字鐘應(yīng)具備的基本功能。為了電路簡(jiǎn)單，只對(duì)時(shí)和分進(jìn)行校時(shí)。校時(shí)電路要求在小時(shí)校正時(shí)不影響分和秒的正常計(jì)數(shù)，在分校時(shí)時(shí)不影響秒和小時(shí)的計(jì)數(shù)。時(shí)校時(shí)電路和分校時(shí)電路都是一致的，校時(shí)脈沖信號(hào)為10HZ脈沖，這樣速度正好適中，適合校時(shí)。 方法是控制六十進(jìn)制的時(shí)鐘輸入端CP，使用兩個(gè)三態(tài)門或者把秒進(jìn)位信號(hào)（V2信號(hào)源仿真）加入，或者把校分的按鍵信號(hào)J1加入，J2用來(lái)控制校分和計(jì)分切換，由于兩個(gè)三態(tài)門U10A和U11A的使能端有效電平剛好相反，J2接地時(shí)為校分功能，J2不接地時(shí)為計(jì)分功能。如圖： 6. 上電復(fù)位電路 在計(jì)數(shù)器清零端處接一個(gè)或門即可。 7. 總體設(shè)計(jì)電路圖 8. 計(jì)數(shù)器 74LS160D計(jì)數(shù)器是一種中規(guī)模二一五-十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，下降沿觸發(fā)，R0(1),R0(2)是清零端，R9（1），R9(2)是置9端，CPA和QA可組成一個(gè)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，CPB和QBQCQD組成五進(jìn)制計(jì)數(shù)器；若把QA和CPB相連，脈沖從CPA輸入，則構(gòu)成8421BCD碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。由74LS160D的truth table可以看出，選擇74LS160D可以在數(shù)字鐘進(jìn)位和清零上有極大的方便，不需要其他門電路輔助就能自己完成進(jìn)位和清零。 9. 譯碼器 74LS48芯片是一種常用的七段數(shù)碼管譯碼器驅(qū)動(dòng)器，下面是74LS48的引腳圖和功能表。 四、調(diào)試過程 1. 振蕩電路仿真 2. 分頻器部分仿真 3. 元器件 序號(hào) 元件名稱 數(shù)量 規(guī)格 備注 1 NE555定時(shí)器 1 DIP封裝 2 74LS160D 6 DIP封裝 3 74LS48N 6 DIP封裝 4 共陰數(shù)碼管 6 5 電阻 6 51? 6 電阻 4 105? 7 開關(guān) 2 8 導(dǎo)線 若干 9 瓷片電容 4 0.1uf 10 74LS00 3 11 74LS20N（與非門） 4 12 74LS04D（非門） 12 13 按鍵 2 14 74LS125N（三態(tài)門） 2 15 74LS126D（三態(tài)門） 2 16 74LS90D 3 17 74LS32（或門） 1 五、心得體會(huì) 通過一段時(shí)期的電路設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)，我們真真切切地學(xué)到了很多東西，從對(duì)Multisim軟件的學(xué)習(xí)到數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)都花費(fèi)了我們很大的精力，讓我們領(lǐng)略到理論與實(shí)際結(jié)合對(duì)大學(xué)學(xué)習(xí)的重要性。 在學(xué)習(xí)過程中，我遇到很多問題。在用Multisim模擬八數(shù)碼管顯示報(bào)警器時(shí)，報(bào)警器不鳴，經(jīng)過我很長(zhǎng)時(shí)間的思考，并另外選擇一個(gè)報(bào)警器換上去時(shí)，才發(fā)出報(bào)警。在電路板上連接電路數(shù)字鐘時(shí)，有一個(gè)數(shù)碼管不發(fā)光，我仔細(xì)檢查電路，并沒有什么差錯(cuò)，數(shù)碼管也沒有問題，但就是不發(fā)光，經(jīng)過我一天的反復(fù)檢查，實(shí)驗(yàn)，原來(lái)是有一根導(dǎo)線的線芯斷裂，重新?lián)Q上導(dǎo)線之后才看見數(shù)碼管發(fā)光。 我們的知識(shí)就是在出現(xiàn)問題和解決問題的過程中學(xué)的。這次實(shí)習(xí)雖然比較幸苦，不過學(xué)到更多的東西。經(jīng)過一番的努力，學(xué)會(huì)了Multisim的基本操作，對(duì)74LS247,74LS00，74LS160，LED數(shù)碼管，555觸發(fā)器等期間有了更深一步的認(rèn)識(shí)。并且在不斷的失敗，不斷的學(xué)習(xí)的實(shí)習(xí)課里面，我們真正體會(huì)到了勞動(dòng)的艱辛，這回讓我們更加地關(guān)注和珍惜生活，為我們的為來(lái)樹立良好的價(jià)值觀，培養(yǎng)我們的職業(yè)道德精神。同時(shí)，感謝實(shí)習(xí)過程中老師對(duì)我們耐心的指導(dǎo)，沒有老師的指導(dǎo)我們基本完成不了任務(wù)，每天老師陪著一直陪著我們，還要解決這么多同學(xué)出現(xiàn)的問題，你們也很幸苦。謝謝老師們實(shí)習(xí)以來(lái)的陪伴，祝你們生活愉快！