课程设计数字钟

模拟与数字电子技术课程

模电部分设计报告

设计课题：串联型直流稳压电源设计

多功能数字钟电路的设计与制作

专业班级：电气工程及其自动化电本2 班 学生姓名：郭佳琪

指导教师：陈秀宏 王枫 设计时间：2012.12.24—2013.1.6

串联型直流稳压电源设计

一、制作串联型稳压电源的目的要求

1．项目设计目的

串联型直流稳压电源是一种应用较为广泛的电源电路，该带路具有输出电压调节范围宽、元器件选择合适、性能指标高等优点。通过本设计项目，使学生能独立完成小功率直流稳压电源的电路设计、参数运算、器件选择，提高学生运用所学知识进行综合性设计的能力。

2．项目设计要求

1）此设计为串联型直流稳压电源，主要技术指标要求： ①输入交流电压U=220V，f=50Hz.

②输出直流电压Uo=3～6V、6～9V、9～12V三档。 ③输出直流电流≤1A。 ④稳压系数Sr≤0.01。 ⑤纹波电压≤30mV

⑥具有过电流及短路保护功能。 2）不准使用三端稳压器。 3）要有输出电压指示。

二、方案设计与论证

电路原理方框图

原理说明：

1.单相桥式整流电路可以将单相交流电变换为直流电；

2.整流后的电压脉动较大，需要滤波后变为交流分量较小的直流电压用来供电； 3.滤波后的输出电压容易随电网电压和负载的变化波动不利于设备的稳定运行； 4.将输出电压经过稳压电路后输出电压不会随电网和负载的变化而变化从而提

高设备的稳定性和可靠性，保障设备的正常使用；

5.关于输出电压在不同档位之间的变换，可以将稳压电源的电压设置为标准电压再对其进行变换，电压在档位间的调节可以通过调节电位器来进行调节，从而实现对输出电压的调节。

下图为变压和滤波电路

我们设计了2个方案，其中变压和滤波电路方面相同，2套方案的主要差别在稳压电路部分。

方案一：此方案以稳压管D1的电压作为三极管Q1的基准电压，电路引入电压负反馈，当电网电压波动引起R2两端电压的变化增大（减小）时，晶体管发射极电位将随着升高（降低），而稳压管端的电压基本不变，故基极电位不变，所以由UBE?UB?UE可知UBE将减小（升高）导致基极电流和发射极电流的减小（增大），使得R两端的电压降低（升高），从而达到稳压的效果。负电源部分与正电源相对称，原理一样。

下图为方案一稳压电路部分

方案二：该方案稳压电路部分如图2所示，稳压部分由调整管（Q1、Q2

组成的复合管），比较电路（集成运放U2A），基准电压电路（稳压管D1 BZV55-B3V0），采样电路组成（采样电路由R2、R3、R4、R5组成）。当采样电路的输出端电压升高（降低）时采样电路将这一变化送到A的反相输入端，然后与同相输入端的电位进行比较放大，运放的输出电压，即调整管的基极电位降低（升高）；由于电路采用射极输出形式，所以输出电压必然降低（升高），从而使输出电压得到稳定

Q12N4922R8R73Ω1kΩQ32N387911134Q22N5039J1U2A2R250`kΩKey=AR350 kΩKey=AR450kΩKey=AR530kΩD2BZV60-B12R110kΩAD704JNR910kΩR61kΩD1BZV55-B3V0 对以上两个方案进行比较，可以发发现第一个方案为线性稳压电源，具备基本的稳压效果，但是只是基本的调整管电路，输出电压不可调，而且输出电流不大，而第二个方案使用了集成运放和调整管作为稳压电路，输出电压可以通过开关J1在3-6V、6-9V、9-12V之间调节，功率也较高，可以输出较大的电流。稳定效果也比第一个方案要好，所以选择第二个方案作为本次课程设计的方案。

三、单元电路设计与参数计算

下图为整体电路框架先有变压器对其进行变压，变压后再对其进行整流，整流后是高低频的滤波电路，最后是由采样电路、比较放大电路和基准电路三个小的单元电路组成的稳压电路，稳压后为了进一步得到更加稳定的电压，在稳压电路后再对其进行，最后得到滤波稳压电源。

正变压电路 全波整流 极滤波电路 稳压 电路 比较放大 采样电基准电压 路 输出滤波电路 正极输出端 共地端 变压器的设计和选择

本次课程设计的要求是输出为3V-6V、6V-9V、9V-12V的稳压电源，输出电压较低，而一般的调整管的饱和管压降在2-3伏左右，由UCE?UImax?UOmin，UCE为饱和管压降，而UImax=12V为输出最大电压，UOmin=3V为最小的输入电压，以饱和管压降UCE=3V计算，为了使调整管工作在放大区，输入电压最小不能小于15V，为保险起见，可以选择220V-15V的变压器，再由P=UI可知，变压器的功率应该为1A×15V=15w，所以变压器的功率绝对不能低于15w，由于串联稳压电源工作时产生的热量较大，效率不高，所以变压器功率需要选择相对大些的变压器。结合市场上常见的变压器的型号，可以选择常见的变压范围为220V-15V，额定功率20W，额定电流2A的变压器。 整流电路的设计及整流二极管的选择

由于输出电流最大只要求1A，电流比较低，所以整流电路的设计可以选择常见的单相桥式整流电路，由4个串并联的二极管组成，具体电路如图3所示。

单相桥式整流电路

二极管的选择：当忽略二极管的开启电压与导通压降，且当负载为纯阻性负载时，我们可以得到二极管的平均电压为Uo(AV)：

Uo(AV)=

1??0?2U2sin?t?d(?t)=

22U2?=0.9U2

其中U2为变压器次级交流电压的有效值。我们可以求得Uo(AV)=17v。

对于全波整流来说，如果两个次级线圈输出电压有效值为U2，则处于截止状态的二极管承受的最大反向电压将是22U2，即为42.42v

考虑电网波动（通常波动为10%，为保险起见取30%的波动）我们可以得到实际的Uo(AV)应该大于22.1V，最大反向电压应该大于55.2V。在输出电流最大为1A的情况下我们可以选择额定电流为2A，反向耐压为1000V的二极管IN4007. 滤波电容的选择

当滤波电容C1偏小时，滤波器输出电压脉动系数大；而C1偏大时，整流二极管导通角θ偏小，整流管峰值电流增大。不仅对整流二极管参数要求高，另一方面，整流电流波形与正弦电压波形偏离大，谐波失真严重，功率因数低。所以电容的取值应当有一个范围，由前面的计算我们已经得出变压器的次级线圈电压为15V，当输出电流为1A时，我们可以求得电路的负载为18Ω时，我们可以根据滤波电容的计算公式：

C=(3～5)

T2RL

来求滤波电容的取值范围，其中在电路频率为50HZ的情况下， T为20ms则电容的取值范围为1667-2750uF，保险起见我们可以取标准值为2200uF额定电压为35V的铝点解电容。

另外，由于实际电阻或电路中可能存在寄生电感和寄生电容等因素，电路中极有可能产生高频信号，所以需要一个小的陶瓷电容来滤去这些高频信号。我们可以选择一个50uF的陶瓷电容来作为高频滤波电容。 稳压电路的设计

稳压电路组要由四部分构成：调整管，基准稳压电路，比较放大电路，采样电路。当采样电路的输出端电压升高（降低）时采样电路将这一变化送到A的反相输入端，然后与同相输入端的电位进行比较放大，运放的输出电压，即调整管的基极电位降低（高）；由于电路采用射极输出形式，所以输出电压必然降低（升高），从而使输出电压得到稳定。由于输出电流较大，达到1A，为防止电流过大烧坏调整管，需要选择功率中等或者较大的三极管，调整管的击穿电流必须大于

1A，又由于三极管CE间的承受的最大管压降应该大于15-6=9V，考虑到30%的电网波动，我们的调整管所能承受的最大管压降应该大于13V，最小功率应该达到=6.5W。我们可以选择适合这些参数最大功率为60W,最大电P?I（1.1U1?U0min）L流超过6A，所能承受的最大管压降为100V。基准电路由3V的稳压管和10KΩ的保护电阻组成。由于输出电压要求为3V-6V、6V-9V和9V-12V，因此采样电路的采样电阻应该可调，则采样电路由一个电阻和三个可调电阻组成，根据公式：

Umax??RRDUD

求出。其中RD为输入端的电阻，?R为输出端与共地端之间的电阻 ，UD为稳压管的稳压值。.所以根据此公式可求的电路的输出电压为3V-12V。可以输出3V-12V的电压，运放选用工作电压在15V左右前对电压稳定性要求不是很高的运放，由于AD704JN的工作电压为正负12V-正负22V，范围较大，可以用其作为运放，因为整流后的电压波动不是很大，所以运放的工作电源可以利用整流后的电压来对其进行供电。为了使输出电压更稳定，输出纹波更小，需奥对输出端进行再次滤波，可在输出端接一个5uf电容，这样电源不容易受到负载的干扰。使得电源的性质更好，电压更稳定，

四、总原理图及元器件清单

总原理图

元件清单

元件序号 T1 U1 D1 D2 Q1、Q2 C1、C3 R2、R3、R6、R7 R1 型号 变压器 集成运算放大器 稳压管 二极管 三极管 电解电容 电阻 电位器 电源线 鳄鱼夹 主要参数 15V,10W 4.3V,58mA 60V,6A 1000Uf,25v；1Uf,50v 1k 1k 数量 1个 1个 1个 4个 各1个 共3个 共6 个 1个 1条 2个 共22个 备注 五、安装与调试

理论值3V-6V、6V-9V、9V-12V，而实际的测量、值是在3V-5.989V、5.99 V-9.003V-11.832V，造成0.01V-0.2V的可调误差，原因是由于可调电阻的实际调节范围偏大，导致输出电压偏大

调节可变电阻R2、R3、R4，可以得到课程设计所要求输出的3V-6V、6V-9V、9V-12V的电压，仿真数据如下

直流电压的输出波形如下图所示

在高压的12V输出时电压有0.15V的电压波动，对输出的影响不大，可不考虑其影响；在低压的3V时输出波形为一直线，基本无电压波动，此设计符合理论的要求

六、性能测试与分析

本课程设计运用了模拟电路的基本知识，通过变压，整流，滤波、稳压等步骤，输出理论可变范围为5.772V-9.622V而实际可调范围为5.78V-10.45V的正负直流稳压电源。总结如下：

优点：该电路设计简单。输出电压稳定，纹波值小，而且使用的元件较少，经济实惠，输出功率大，调整管可承受的范围也很大，。

缺点：电压缺少一个保护电路，当电路由于偶然原因出现高的电压脉冲时，有可能对电路造成危害，使得电路故障率提高。

改进：可以在稳压电路那里再接一个过保护电路电路。减少接电或断电时产生的瞬间高电压对电路元件的破坏。另外，ua741芯片较为古老，性能不稳定，已跟不上时代的需要所以运放可以重新选择性能更好，更稳定的芯片。

七、结论与心得

为了完成这次的这个串联型直流稳压电源的的设计，我上网查询和查阅了

许多相关书籍资料，从而知道了不少关于这个设计的知识，同时又重新将从前学过的知识复习了一遍，加深了对这个设计各个部位工作原理的理解，初步学会了做课程设计的一般步骤。

首先要制定出自己的设计方案，其次详细设计每一部分的电路，最后再根据原理图连接设计电路。这培养了我独立分析和解决实际问题的能力，同时也为以后的电路设计打好了基础。在整个课程设计中，我们也遇到了许多的难题。过程虽然艰辛的，但结果还算满意，自己设计电路的成功运行，证明这自己努力并没有付诸东流。但对于理论和实际应用的统一和对于器件在实际中的使用还有很大的不足，不能在使用器件时选择合适的参数的器件，不能根据器件的编号知道器件的基本功能。在这方面需要很大的提高。

心得体会：通过这次课程设计，我对于模电知识有了更深的了解，尤其是对与线性直流稳压电源方面的知识有了进一步的研究。同时实物的制作也提升了我

的动手能力，实践能力得到了一定的锻炼，加深了我对模拟电路设计方面的兴趣。理论与实践得到了很好的结合。但对于理论和实际应用的统一和对于器件在实际中的使用还有很大的不足，不能在使用器件时选择合适的参数的器件，不能根据器件的编号知道器件的基本功能。在这方面需要很大的提高。

八、参考文献

1.华中工学院电子学教研室编，康华光主编：《电子技术基础——模拟部分》[M].（第五版）.北京:高等教育出版社，2006.1（2009重印）

2.华中工学院电子学教研室编，康华光主编：《电子技术基础——数字部分》[M].（第五版）.北京:高等教育出版社，2006.1（2009重印）

3.戴优生主编 《基础电子电路设计与实践》;北京.国防工业出版社.2002 4.陈晓文主编 《电子线路课程设计》；北京.电子工业出版社 5.梁宗善主编 《电子课程基基础设计》.北京.华中理工大学出版社.

数电部分

多功能数字钟电路的设计与制作

一 设计任务与要求

设计任务

数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。

数字钟从原理上讲是一种典型的数字电路，其中包括了组合逻辑电路和时序电路。因此，我们此次设计与制做数字钟就是为了了解数字钟的原理，从而学会制作数字钟.而且通过数字钟的制作进一步的了解各种在制作中用到的中小规模集成电路的作用及实用方法.且通过它可以进一步学习与掌握各种组合逻辑电路与时序电路的原理与使用方法。 设计要求

1、设计一个能显示时、分、秒的数字钟，显示时间从00：00：00到23：59：59

2、设计的电路包括产生时基信号，时、分、秒的计时电路，显示电路。 3、扩展功能：能实现校时、教分、教秒；整点报时。

二 方案设计与论证

数字电子技术的复杂性和灵活性决定了数字电子钟的设计方案有多种，如下几种是我总结的方案。

方案一：

脉冲信号源的选择。用555定时器制作的多谐振荡器，信号发生器，脉冲芯片等方式都可以作为脉冲信号源，在此选择多谐振荡器，原因的是它的易于制作和很好的稳定性。

方案二：

时分秒计数器的选择。时分秒计数器的选择同样有多种，其中代表有74160N

和74161N，74LS160和 74LS161, 74LS190和74LS191等等，考虑到其简单易用的原则，我们选择的是74160N。

三 单元电路设计与参数计算

其设计思想如下：

要想构成数字钟，首先应选择一个脉冲源——能自动地产生稳定的标准时间脉冲信号。而脉冲源产生的脉冲信号地频率较高，因此，需要进行分频，使得高频脉冲信号变成适合于计时的低频脉冲信号，即“秒脉冲信号”（频率为1Hz）。经过分频器输出的秒脉冲信号到计数器中进行计数。由于计时的规律是：60秒=1分，60分=1小时，24小时=1天，就需要分别设计60进制，24进制计数器，并发出驱动信号。各计数器输出信号经译码器、驱动器到数字显示器，是“时”、“分”、“秒”得以数字显示出来。

以下为主要设计图：

晶体振荡器是电子钟的核心，晶体振荡器设计的质量直接影响了整个电的好坏。故用555定时器制作了一个多谐振荡器。

其中R1=57.72 kΩ, R1=115.4 kΩ, C=100nF,Cf=10nF,

f=1/0.7(Rw+2R)C=1/[0.7(57.72+2*115.4)*103*100*10-9]≈50Hz。 其产生的频率为50Hz,然后经过整形、分频获得1Hz的秒脉冲。如图：

VCC5V57.72kΩR1RSTDISTHRVCCOUTCP脉冲115.4kΩR2TRICONGND100nFC10nFCf555_VIRTUALTimer

分频器电路

分频器是由两个74160N组成的50进制计数器。则输出端的频率则是将原来的50Hz分成1Hz的频率输出，实现分频效果。

VCC5V107107ENTENP2196543219DCBA~CLR~LOADCP脉冲U19QDQCQBQA~CLR~LOADCLKENTENPCLKDCBA6543U18U17A11121314QDQCQBQA74160NRCO151112131474160N15RCOCP脉冲4049BT_5V

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、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，时个位和时十位计数器为24进制计数器，其原理图如下：

VCC5VU21A4009BCL_5V14131211151413121115RCORCOQAQBQCQDQAQBQCQDU17A74LS00D1413121115RCOQAQBQCQDU12A74LS00DU10~LOAD~CLRCLKU14A74LS00DU6~LOAD~CLRCLK1413121115141312111514131211QAQBQCQDRCORCOU19~LOAD~CLRCLKU13~LOAD~CLRCLKU11~LOAD~CLRCLKRCOQAQBQCQDQAQBQCQD15U7~LOAD~CLR91CLK274160NENPENTABCD71074160NENPENTABCD71074160NENPENTABCD71074160NENPENTABCD71074160NENPENTABCD71074160N710ENPENTABCD345634569123456912345691234569123456912CP脉冲

数码管的选择

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DCD_HEX，其已内含译码器功能，所以不用再另加译码器。

U1VCC5VKey = SpaceKey = SpaceKey = SpaceKey = SpaceJ1J2J3J4DCD_HEX

扬声器

该扬声器的额定频率为200Hz，额定电压为3V，额定电流为0.05A。

VCC5VU21总原理图

BUZZER200 Hz U20A4049BT_5V3456ABCDQAQBQCQD14131211U674160NRCO15710ENPENT元件清单

U10A91~LOAD~CLRCLK4009BCL_5V四、总原理图及元器件清单

元件序号 DCD_HEX2U163456ABCDQAQBQCQD14131211U574160NRCO15710ENPENT~LOAD~CLR91DCD_HEX115.4kΩR22CLK57.72kΩR1100nFCU9A74LS00DU15型号 3456ABCDQAQBQCQD1413121110nFCfU474160N710ENPENT~LOAD~CLRRCO9115CONTRITHRDISRSTGNDVCCOUTVCCDCD_HEX74LS00D2CLKU12U4555_VIRTUALTimerU145VBUZZER200 Hz CLK23456ABCDQAQBQCQD14131211

U3

74160N15主要参数 19710ENPENT~LOAD~CLRCLKRCO91107ENTENP~CLR~LOAD74160NDCD_HEXDCBA6543215RCO11121314QDQCQBQAU13~CLR~LOAD1991~LOAD~CLR1072CLKENTENPU193456ABCDQAQBQCQD14131211U2CLK2710ENPENTRCO1574160N74160N 数量 DCD_HEXU7A74LS00DDCBA654315RCO11121314QDQCQBQAU120U183456ABCDQAQBQCQDRCO1514131211U174160NU17A710ENPENT~LOAD~CLRCLK9124049BT_5VDCD_HEX备注 U11

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 74160N 555_VIRTUAL 4049BT_5V 74LS00D 57.72kΩ电阻 115.4kΩ电阻 5V直流电源 BUZZER 100nF电容 10nF电容 导线 6 8 1 3 3 1 1 1 1 1 1 若干 五、安装与调试

下图为仿真结果，仿真开始时，多谐振荡器产生50Hz的正弦脉冲信号，然后经过分频器后其输出的频率变为1Hz。计数器接收到脉冲信号后开始计数，计数结果显示在数码管上。当分秒计数器达到59分59秒，然后再来一个脉冲信号时扬声器开始发声，也就是整点报时。下面为其中的一张仿真图

U6VCC5VDCD_HEXU5U4U3U2U1DCD_HEXDCD_HEXDCD_HEXDCD_HEXDCD_HEXU10A4009BCL_5V14131211151413121115RCORCOQAQBQCQDQAQBQCQDU9A74LS00D1413121115RCOQAQBQCQDU1274LS00DU14~LOAD~CLRCLKU7A74LS00DU120~LOAD~CLRCLK1413121115141312111514131211QAQBQCQDRCORCOU16~LOAD~CLRCLKU15~LOAD~CLRCLKU13~LOAD~CLRCLKRCOQAQBQCQDQAQBQCQD15U11~LOAD~CLR91CLK274160NENPENTABCD71074160NENPENTABCD71074160NENPENTABCD71074160NENPENTABCD71074160NENPENTABCD71074160N710ENPENTABCD6543DCBA34569123456912345691234569123456912107ENTENP~CLR~LOADU19QDQCQBQA~CLR~LOADCLKCLKENTENPU20A4049BT_5V57.72kΩR1RSTDISVCCOUTDCBA1072196543219U18U17A11121314QDQCQBQA74160NRCO151112131474160N15RCOU21BUZZER200 Hz THR115.4kΩR2TRICONGND100nFC10nFCf555_VIRTUALTimer34564049BT_5V

六、性能测试与分析

仿真结果，变频器参数设置不好，未能实现标准的每秒1HZ的预期要求，所以振荡器环节需改进，可考虑换成石英晶振与分频器的组合。

七、结论与心得

通过这次对数字钟的设计与制作，让我了解了设计电路的程序，也让我了解了

关于数字钟的原理与设计理念，要设计一个电路总要先用仿真仿真成功之后才实际接线的。但是最后的成品却不一定与仿真时完全一样，因为，再实际接线中有着各种各样的条件制约着。而且，在仿真中无法成功的电路接法，在实际中因为芯片本身的特性而能够成功。所以，在设计时应考虑两者的差异，从中找出最适合的设计方法。

首先要制定出自己的设计方案，其次详细设计每一部分的电路，最后再根据原理方框图连接电路。这培养了我独立分析和解决实际问题的能力，同时也为以后的电路设计打好了基础。在整个课程设计中，我们也遇到了许多的难题。过程虽然艰辛的，但结果还算满意，自己设计电路的成功运行，证明这自己努力并没有付诸东流。虽然实验已经告一段落，但是我们学习的道路还很长。此次课程设

计让我明白不论是在做实验还是在今后的学习中，都应该有一种坚定不移不达目的不罢休的信念，只有这样才能达成自己想要的目标。

八、参考文献

[1] 华中工学院电子学教研室编，康华光主编：《电子技术基础——数字部分》[M].（第五版）.北京:高等教育出版社，2006.1（2009重印）

[2] 清华大学电子学教研组编，阎石主编：《数学电子技术基础》[M] .( 第五版 ).北京：高等教育出版社，2006.5（2008年重印）

[3]辽宁工程技术大学电工与电子技术实验中心组编，马玉芳、朴忠学、张国军主编：《 电子技术实验指导书》，2010.3

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/721w.html