09电本数字电路实训指导计划 - 图文

龙岩学院课程设计报告

课程名称：数字电路实训 设计题目：数字钟电路

班 级：09电子信息工程（1）班

姓 名：张钊华 学 号：2009041547 指导老师：范宜标 教师评语：

《数字电子技术》课程设计概述

一、 课程简介

本课程是在学完《数字电子技术》、《数字电子技术实验》之后，集一段时间，通过复杂程度较高、综合性较强的大型设计课题的实做训练。主要包括：方案论证、系统电路分析、单元功能电路设计、元器件选择、安装调试、计算机辅助设计、系统综合调试与总结等。使学生在《数字电子技术》基本知识、实践能力和综合素质、创新意识、水平诸方面得到全面提高，为后续课程的学习，为培养应用型工程技术人才打下重要基础。通过本课程设计可培养和提高学生的科研素质、工程意识和创新精神。真正实现了理论和实际动手能力相结合的教学改革要求。

二、 课程设计的目的和要求

1、能较全面的巩固和应用“数字电子技术”课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌握小型数字系统设计的基本方法。

2、能合理、灵活的应用各种标准集成电路（SSI、MSI、LSI等）器件实现规定的数字系统。

3、培养独立思考、独立准备资料、独立设计规定功能的数字系统的能力。 4、培养独立进行实验，包括电路布局、安装、调试和排除故障的能力。 5、培养书写综合设计实验报告的能力。

三、课程设计的基本要求

1、四路红外遥控装置

要求：具备发射装置和接受装置。本接受装置有4路信号输出，每路输出可以独立控制一个用电设备的通、断两种状态，实验中以LED灯模拟受控对象，在发射装置中，设有4各按钮开关，分别用于操纵接受装置中的4个受控对象。（16人） 2、开关型混音器

要求：前置通道有3路。混音器是指在音响电路中，将几路来源不同的音频信号经过适当电路混合后，共同进入放大器的一种电路。（16人） 3、数字钟电路

要求：秒脉冲发生电路，时、分、秒计数译码显示电路，时间校准电路。 （14人）

四、实训

1）系统原理框图

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（如北京时间）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。图1所示为数字钟的一般构成框图。

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32768（215）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。

数字钟电路系统由主体电路和扩展电路两大部分组成。其中，主体电路完成数字钟的基本功能，扩展电路完成数字钟的扩展功能。其组成框图如下：

显示器及译码器部分为板载，因此只需要设计计数器，校时电路和扩展电路。

1. 小时计数器

时计数器是一个24进制计数器，其计数规律为00—01—?—22—23—00?即当数字钟运行到23时59分59秒时，秒的个位计数器再输入一个秒脉冲时，数字钟应自动显示为00时00分00秒。

原理图如下：

使用了两片74LS161（4位二进制同步加法计数器）来实现小时计数，即模24的计数器。HOUR[0]~HOUR[3]为小时个位，HOUR[4]~HOUR[7]为小时十位。

2. 分秒计数器

分和秒计数器都是模60的计数器。其计数规律为00—01—?—58—59—00? 其原理图如下：

秒计数器与上图相同，图略。

分别使用了两片74LS161来实现分和秒的计数，均为。其中MIN[0]~MIN[3]为分个位，MIN[4]~MIN[7]为分时位，SEC[0]~SEC[3]为秒个位，SEC[4]~SEC[7]为秒时位。

3. 校时电路

当数字钟接通电源或者计数出现误差时，需要校正时间（或称校时）。校时是数字中应具备的基本功能。为使电路简单，这里只进行分和小时的校时。对校时电路的要求是，在小时校正时不影响分和秒的正常计数；再分校正时不影响秒和小时的正常计数。校时方式有“快校时”和“慢校时”两种，“快校时”是，通过开关控制，使计数器对１Hz的校时脉冲计数。“慢校时”使用手动产生单脉冲作校时脉冲。本实验只要求实现“快校时”。其原理图如下：

2）时间脉冲产生电路

方案一：由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器作为时间标准信号源。

图 1 555与RC组成的多谐振荡器图

方案二:振荡器是数字钟的核心。振荡器的稳定度及频率的精确度决定了数字钟计时的准确程度，通常选用石英晶体构成振荡器电路。石英晶体振荡器的作用是产生时间标准信号。因此，一般采用石英晶体振荡器经过分频得到这一时间脉冲信号。

图 2 石英晶体振荡器图

方案三：由集成逻辑门与RC组成的时钟源振荡器。

图 3 门电路组成的多谐振荡器图

用555组成的脉冲产生电路: R1=15*103Ω，R2=68*103Ω，C=10μF ，则555所产生的脉冲的为:f=1.43/[(R1+2*R2)*103*10*106=0.947Hz,而设计要求为1Hz,因此其误差为5.3%,在精度要求不是很高的时候可以使用。

石英晶体振荡电路:采用的32768晶体振荡电路,其频率为32768Hz,然后再经过15分频电路可得到标准的1Hz的脉冲输出.R的阻值,对于TTL门电路通常在0.7～2KΩ之间;对于CMOS门则常在10～100MΩ之间。

由门电路组成的多谐振荡器的振荡周期不仅与时间常数RC有关，而且还取决于门电路的阈值电压VTH，由于VTH容易受到温度、电源电压及干扰的影响，因此频率稳定性较差，只能用于对频率稳定性要求不高的场合。

综上分析，选择方案二，石英晶体振荡电路能够作为最稳定的信号源。

3）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级2进制计数器。从尽量减少元器件数量的角度来考虑，这里可选多极２进制计数电路CD4060和CD4040来构成分频电路。CD4060和CD4040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2.1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。

图 4.1 CD4046内部框图 图5.2 CD4040内部框图

CD4040计数器的计数模数为4096（212），其逻辑框图如图5.2。如将32768Hz信号分频为1Hz，则需外加一个8分频计数器，故一般较少使用CD4040来实现分频。

综上所述，可选择CD4060同时构成振荡电路和分频电路。照图5.1，在CP0和CP0之间接入振荡器外接元件可实现振荡，并利用时计数电路中多一个2分频器（后述）可实现15级2分频，即可得1Hz信号。

4）时间计数器电路

一般采用10进制计数器来实现时间计数单元的计数功能。为减少器件使用数量，可选74HC390，其内部逻辑框图如图6所示。该器件为双2-5-10异步计数器，并且每一计数器均提供一个异步清零端（高电平有效）。

图 5 74HC390(1/2)内部逻辑框图

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（下降没效）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如图7所示，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。

图 6 10进制-6进制计数器转换电路

分个位和分十位计数单元电路结构分别与秒个位和秒十位计数单元完全相同，只不过分个位计数单元的Ｑ３作为向上的进位信号应与分十位计数单元的ＣＰＡ相连，分十位计数单元的Ｑ２作为向上的进位信号应与时个位计数单元的ＣＰＡ相连。

时个位计数单元电路结构仍与秒或个位计数单元相同，但是要求，整个时计数单元应为24进制计数器，不是10的整数倍，因此需将个位和十位计数单元合并为一个整体才能进行24进制转换。利用1片75HC390实现24进制计数功能的电路如图8所示。

另外，图8所示电路中，尚余－2进制计数单元，正好可作为分频器2Hz输出信号转化为1Hz信号之用。

图 7 24进制计数器电路

5）译码驱动及显示单元电路

译码电路的功能是将“秒”、“分”、“时”计数器的输出代码进行翻译，变成相应的数字。用于驱动LED七段数码管的译码器常用的有74LS48。74LS48是BCD-7段译码器/驱动器，其输出是OC门输出且低电平有效，专用于驱动LED七段共阳极显示数码管。如图9所示。若将“秒”、“分”、“时”计数器的每位输出分别接到相应七段译码器的输入端，便可进行不同数字的显示。

6）校时电路

方案一：。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。图10所示为所设计的校时电路。

图 8 方案一校正电路图

方案二：方案二与方案一原理差不多，但多了0.01uf的电容防抖动。

图 9方案二校正电路图

方案三：校准电路由基本RS触发器和“与”门组成，基本RS触发器的功能是产生单脉冲，主要作用是起防抖动作用。未拨动开关K时，“与非”门G2的一个输入端接地，基本RS触发器处于“1”状态，这是数字钟正常工作，“分”进位脉冲能进入“分”计数器。拨动开关K时，“与非”门G1的一个输入端接地，于是基本RS触发器转为“0”状态。秒状态可以直接进入“分”计数器，而“分”进位脉冲被阻止进入，因而能较快地校准分计数器的计数值。校准后，将校正开关恢复原位，数字钟继续进行正常计时工作。

图 10 方案三校正电路

通过比较可知，方案二和方案三比方案一多了防抖动的措施，稳定性更好，方案二和方案三相比，防抖动措施更好，更完备，但电路也更为复杂，成本也更高，通过比较选择方案二，既能实现防抖动功能，做出事物也更经济一些。

7）时间脉冲产生电路的设计

图 11 产生1Hz时间脉冲的电路图

CD4060同时构成振荡电路和分频电路。如图14，在MR和RS之间接入振荡器外接元件可实现振荡，并利用时计数电路中多一个2分频器可实现15级2分频，即可得1Hz信号。

8）计数电路的设计

秒、分计数器为60进制计数器。小时计数器为24进制计数器。实现这两种模数的计数器采用中规模集成计数器CC40161。

9） 60进制计数器的设计

“秒”计数器电路与“分”计数器电路都是60进制，它由一级10进制计数器和一级6进制计数器连接构成。如图4.所示由CC40161构成的60进制计数器。首先将两片CC40161设置成十进制加法计数器，将两片计数器并行进位则最大可实现100进制的计数器。现要设计一个60进制的计数器，可利用“反馈清零”的方法实现。当计数器输出“2Q32Q22Q12Q0、1Q3Q2Q1Q0=0110、0000”时，通过门电路形成一置数脉冲，使计数器归零。

图 12 60进制计数器电路图

10） 24进制计数器的设计

同理当个位计数状态为“Q3Q2Q1Q0=0100”，十位计数器状态为“Q3Q2Q1Q0=0010”时，要求计数器归零。

图 13 14 24进制计数器图

11） 译码及驱动显示电路

译码电路的功能是将“秒”、“分”、“时”计数器的输出代码进行翻译，变成相应的数字。用于驱动LED七段数码管的译码器常用的有74LS48。74LS48是BCD-7段译码器/驱动器，其输出是OC门输出且低电平有效，专用于驱动LED七段共阳极显示数码管。由74LS48和LED七段共阳数码管组成的一位数码显示电路如图 16 所示。若将“秒”、“分”、“时”计数器的每位输出分别接到相应七段译码器的输入端，便可进行不同数字的显示。

图 15译码及驱动显示电路图

12） 校时电路的设计

数字种启动后,每当数字钟显示与实际时间不符进,需要根据标准时间进行校时。校“秒”时，采用等待校时。校“分”、“时”的原理比较简单，采用加速校时。

对校时电路的要求是 :

1．在小时校正时不影响分和秒的正常计数 。 2．在分校正时不影响秒和小时的正常计数 。

如图17所示，当开关打向下时，因为校正信号和0相与的输出为0，而开关的另一端接高电平，正常输入信号可以顺利通过与或门，故校时电路处于正常计时状态；当开关打向上时，情况正好与上述相反，这时校时电路处于校时状态。与非门可选74LS00，非门则可用与非门2个输入端并接来代替节省芯片。因此实际使用时，须对开关的状态进行消除抖动处理，图17为加2个0.01uF的电容。

图 16 校时电路图

13）电路总图

图 17 电路总图

14）时钟结果仿真

图 18时钟结果仿真图

15） 秒钟个位时序图

图 19秒钟个位时序图

16）测试结果分析

经测试之后，电路可以实现设计要求，可以实现数字钟的基本功能，比如计数，如图22，同时多功能模块校时功能和报时功能都可以使用，如图23。基于仿真结果可以认定，此次多功能数字钟的设计是成功的。

六、心得与体会

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。这学期数电实验课的考试就是做的数字钟，所以在计数模块上面有以前的经验，设计技术模块很快就得出了正确的结果，虽然跟实验室用得芯片不一样，

但原理不一样，我也得出结论，不同的电路可以实现同样的功能，我们应该设计最简单，最经济，最实用的电路。当然这个不一定所有条件都符合，找到一个最大限度满足各种条件的方案是我们设计的目标。

每次课程设计是一次难得的锻炼机会，让我们能够充分利用所学过的理论知识还有自己的想象的能力，另外还让我们学习查找资料的方法，以及自己处理分析电路，设计电路的能力。我相信是对我的一个很好的提高。平时在学习理论知识的时候，我们应该更注重实践，应付考试有考试的方法。这次的课程设计让我懂得了它们在实际中的用途，还有我们身边的很多数字钟电路，这些都是我们自己可以实现的，以前那些神秘的东西在不断的学习过程中变得不再那么神秘，我相信，以后还有更多的谜底被揭开。通过这次课程设计，我还更加深了理论知识的学习。这次的设计电路我用到了计数器、译码器等，通过自己分析和设计更好地运用了它们，而且还学会了它们更多的功能，发现它们的功能远比书上说的多很多，可以利用不同的接法设计出各种各样不同的电路出来。模电课程设计学到得方法在这里可以继续使用，比如MULTISIM等学习软件，给设计提供了很大的便利。课程设计机会不多，这学期很好，有足够的时间，上学期因为模电课程设计临近期末才给出来，做得很匆忙，觉得不是敷衍老师，而是敷衍自己。虽然自己很努力的做了，但觉得做得不够好，难免有点遗憾。这学期本来课不多，课程设计又给得比较早，自己认真做了，觉得还是小有收获。

碰到的问题越让人绝望，解决问题之后的喜悦程度就越高。作为工科类的学生，以后工作了难免要碰到许许多多的问题，不要绝望，坚持，直到看到胜利的曙光。

五、参考文献

1 《数字电子技术基础》康华光 主编 高等教育出版社 。

2 《电子线路设计·实验·测试》第三版，谢自美 主编，华中科技大学出版社。 3 《电子线路综合设计实验教程》 刘鸣 主编 天津大学出版。 4．《电子技术实践与训练》 廖先芸主编。

5．《电子线路设计、实验、测试》 谢自美主编 华中科技大学出版

附录1原件清单

器件型号 74LS48 BS202 74HC390N 74LS04 74LS00 74LS08 Crystal Buzzer Resister Resister Resister Resister 103 Switch 红白可调 用途介绍 译码器 数码显示器 多功能的计数器 6反相器 2输入与非门 4输入与门 晶振 蜂鸣器 100欧姆电阻 3.3K欧姆电阻 1K欧姆电阻 22欧姆电阻 0.01uF电容 开关 104 数量 6 6 3 1 3 1 1 1 6 2 1 1 2 2 1

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