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電子電路課程設(shè)計報告 (硬件制作部分) 課題名稱 電子電路課程設(shè)計 課題編號 數(shù)字鐘設(shè)計 學(xué)院（系） 機械與能源工程學(xué)院 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及自動化 學(xué)生姓名 張 華 學(xué) 號 1151593 指導(dǎo)老師 2014 年 9 月 12 日 一、設(shè)計要求 基本要求：準確計時，以數(shù)字形式顯示時、分、秒的時間；小時的計時要求為24 進位,分和秒的計時要求為60 進位；能快速校正時、分的時間。 根據(jù)指定的元器件設(shè)計數(shù)字鐘電路（只要求實現(xiàn)24 分60 秒的計數(shù)），按照自己的設(shè)計方案在面包板上搭建實際電路，達到設(shè)計要求并通過驗收。 撰寫并提交設(shè)計報告（打印版），設(shè)計報告具體格式及內(nèi)容要求見模板文件。 二、電路圖 數(shù)字電子鐘由信號發(fā)生器、“時、分、秒”計數(shù)器、譯碼器及顯示器、校時電路、整點報時電路等組成。秒信號產(chǎn)生器是整個系統(tǒng)的時基信號，它直決定計時系統(tǒng)的精度，一般用555構(gòu)成的振蕩器加分頻器來實現(xiàn)。將標準秒脈沖信號送入“秒計數(shù)器”，該計數(shù)器采用60進制計數(shù)器，每累計60秒發(fā)出一個“分脈沖”信號，該信號將作為“分計數(shù)器”的時鐘脈沖?！胺钟嫈?shù)器”也采用60進制計數(shù)器，每累計60分，發(fā)出一個“時脈沖”信號，該信號將被送到“時計數(shù)器”?！皶r計數(shù)器”采用24進制計數(shù)器，可以實現(xiàn)一天24h的累計。譯碼顯示電路將“時、分、秒”計數(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。整點報時電路是根據(jù)計時系統(tǒng)的輸出狀態(tài)產(chǎn)生一個脈沖信號，然后去觸發(fā)音頻發(fā)生器實現(xiàn)報時。校時電路是來對“時、分、秒”顯示數(shù)字進行校對調(diào)整。其數(shù)字電子鐘系統(tǒng)框圖如下： 三、工作原理 1. 555計時器： 1) 振蕩器設(shè)計 秒脈沖信號發(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。一般說來，振蕩器的頻率越高，計時精度越高。本設(shè)計中采用由集成定時器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定時器的脈沖時間是由于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) 充電時間為： (3) 放電過程的方程式： （4） 放電時間為： (5) 總時間為： （6） 頻率為： （7） 首先確定C1=0.1uf，R2=5.1K?，需要輸出頻率f=1KHZ，將充放電時間算出，確定電阻R1。通過確定R1=4.1K?。 2. 分頻器設(shè)計 分頻器功能主要有兩個，一是產(chǎn)生標準秒脈沖信號，一是提供功能擴展電路所需要的信號，選用三片74LS90進行級聯(lián)，74LS90是二—五—十進制計數(shù)器。因為555定時器產(chǎn)生1KHZ的信號，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，為標準的秒輸入脈沖。電路圖如下圖所示： 3. 秒、分、時計時器電路設(shè)計 秒、分計數(shù)器為60進制計數(shù)器，小時計數(shù)器為24進制計數(shù)器。實現(xiàn)這兩種模數(shù)的計數(shù)器采用中規(guī)模集成計數(shù)器74LS160D構(gòu)成。 本設(shè)計選74LS160D作為計數(shù)器，將一片74LS160D設(shè)計成10進制加法計數(shù)器，另一片設(shè)置6進制加法計數(shù)器。兩片74LS160D按反饋清零法串接而成。秒計數(shù)器的十位和個位，輸出脈沖除用作自身清零外，同時還作為分計數(shù)器的輸入脈沖CP1。當(dāng)分（秒）計數(shù)部分的個位接受秒計數(shù)部分的信號 （秒計數(shù)接受的信號為振蕩器經(jīng)分頻后輸出的1HZ的標準脈沖），計數(shù)滿60后向時計數(shù)部分的十位給出一個進位信號。分（秒）十位計數(shù)部分接受個位的進位信號并進行計數(shù)，計滿6就想前一級給出進位信號。當(dāng)十位和個位計滿60個數(shù)后計數(shù)器清零。計數(shù)規(guī)律是從00——59——00。設(shè)計電路圖如圖： 時間計數(shù)設(shè)計為24進制計數(shù)，本設(shè)計選74LS160D作為計數(shù)器，將一片74LS160D設(shè)計成十進制加法計數(shù)器，另一片設(shè)置2進制加法計數(shù)器。既個位計數(shù)狀態(tài)為Qd Qc Qb Qa = 0100十位計數(shù)狀態(tài)為Qd Qc Qb Qa = 0010時，要求計數(shù)器歸零。通過把個位Qc、十位Qb相與后的信號送到個位、十位計數(shù)器的清零端，使計數(shù)器清零，從而構(gòu)成24進制計數(shù)器，計數(shù)規(guī)律是從00——23——00。設(shè)計電路圖如圖： 4. 譯碼顯示電路設(shè)計 譯碼電路的功能是將秒、分、時計數(shù)器的輸出代碼進行翻譯，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)動器，輸出高電平有效，專用于驅(qū)動LED七段共陽極顯示數(shù)碼管。若將秒、分、時計數(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. 校時電路設(shè)計 校時電路是數(shù)字鐘不可缺少的部分，每當(dāng)數(shù)字鐘與實際時間不符時，需要根據(jù)標準時間進行校時。當(dāng)數(shù)字鐘接通電源或者計時出現(xiàn)錯誤是，需要校正時間，校時是數(shù)字鐘應(yīng)具備的基本功能。為了電路簡單，只對時和分進行校時。校時電路要求在小時校正時不影響分和秒的正常計數(shù)，在分校時時不影響秒和小時的計數(shù)。時校時電路和分校時電路都是一致的，校時脈沖信號為10HZ脈沖，這樣速度正好適中，適合校時。 方法是控制六十進制的時鐘輸入端CP，使用兩個三態(tài)門或者把秒進位信號（V2信號源仿真）加入，或者把校分的按鍵信號J1加入，J2用來控制校分和計分切換，由于兩個三態(tài)門U10A和U11A的使能端有效電平剛好相反，J2接地時為校分功能，J2不接地時為計分功能。如圖： 6. 上電復(fù)位電路 在計數(shù)器清零端處接一個或門即可。 7. 總體設(shè)計電路圖 8. 計數(shù)器 74LS160D計數(shù)器是一種中規(guī)模二一五-十進制計數(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可組成一個二進制計數(shù)器，CPB和QBQCQD組成五進制計數(shù)器；若把QA和CPB相連，脈沖從CPA輸入，則構(gòu)成8421BCD碼十進制計數(shù)器。由74LS160D的truth table可以看出，選擇74LS160D可以在數(shù)字鐘進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 元件名稱 數(shù)量 規(guī)格 備注 1 NE555定時器 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 通過一段時期的電路設(shè)計學(xué)習(xí)，我們真真切切地學(xué)到了很多東西，從對Multisim軟件的學(xué)習(xí)到數(shù)字鐘的設(shè)計都花費了我們很大的精力，讓我們領(lǐng)略到理論與實際結(jié)合對大學(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)碼管顯示報警器時，報警器不鳴，經(jīng)過我很長時間的思考，并另外選擇一個報警器換上去時，才發(fā)出報警。在電路板上連接電路數(shù)字鐘時，有一個數(shù)碼管不發(fā)光，我仔細檢查電路，并沒有什么差錯，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，實驗，原來是有一根導(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。 我們的知識就是在出現(xiàn)問題和解決問題的過程中學(xué)的。這次實習(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)會了Multisim的基本操作，對74LS247,74LS00，74LS160，LED數(shù)碼管，555觸發(fā)器等期間有了更深一步的認識。并且在不斷的失敗，不斷的學(xué)習(xí)的實習(xí)課里面，我們真正體會到了勞動的艱辛，這回讓我們更加地關(guān)注和珍惜生活，為我們的為來樹立良好的價值觀，培養(yǎng)我們的職業(yè)道德精神。同時，感謝實習(xí)過程中老師對我們耐心的指導(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。謝謝老師們實習(xí)以來的陪伴，祝你們生活愉快！