数字电子钟课程设计实验报告

1中北大学信息与通信工程学院通信工程专业《电子线路及系统》课程设计任务书2016/2017学年第一学期学生姓名：张涛学号：1405024119李子鹏学号：1405024125课程设计题目：数字电子钟的设计起迄日期：2017年1月4日～2017年7月10日课程设计地点：科学楼指导教师：姚爱琴2017年月日1课程设计任务书1．设计目的：1）综合运用所学的理论知识，掌握一般微机和电子线路分析和设计的基本方法和步骤；2）培养一定的独立分析问题、解决问题的能力；3）实践利用EDA软件绘制电子线路原理图及仿真；4）学会说明书的规范整理和书写。2．设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：1)时间以12小时为一个周期；2)显示时、分、秒；3)具有校时功能，可以分别对时及分进行单独校时，使其校正到标准时间；4)计时过程具有报时功能，当时间到达整点前10秒进行蜂鸣报时；5)为了保证计时的稳定及准确须由晶体振荡器提供表针时间基准信号。3．设计工作任务及工作量的要求1）分析设计任务，查阅相关资料；2）确定系统方案，设计各模块电路，计算参数，分析其特性，使其满足题目要求；3）用相关软件进行仿真；4）按格式要求撰写课程设计说明书。4．设计成果形式及要求：1)用计算机仿真软件制图或仿真；2)课程说明书用计算机打印，并装订；3）电子文档一份。5．主要参考文献：11毕满清主编．电子技术实验与课程设计.第4版.北京：机械工业出版社，20132陈晓文主编．电子线路课程设计.第1版.北京：电子工业出版社，20043谢自美主编.电子线路综合设计.第1版.武汉：华中科技大学出版社，20066．工作计划及进度：2017年1月3日分析设计任务书，查阅相关资料及设计手册；2017年1月6日确定系统方案，组成模块框图，提交开题报告；2017年6月12日设计各模块电路，分析电路各参数及其特性并绘制电子线路原理图及仿真分析并撰写课程设计说明书；2017年6月19日按格式要求完成课程设计说明书；2017年6月23日成绩考核系主任审查意见：签字：年月日1中北大学信息与通信工程学院通信工程专业《电子线路及系统》课程设计开题报告2016/2017学年第一学期题目：数字电子钟的设计学生姓名：张涛学号：1405024119李子鹏学号：1405024125指导教师：姚爱琴2017年1月6日1中北大学信息与通信工程学院通信工程专业《电子线路及系统》课程设计说明书2016/2017学年第二学期题目：数字电子钟的设计学生姓名：张涛学号：1405024119李子鹏学号：1405024125指导教师：姚爱琴2017年月日1目录1引言................................................62数字电子钟设计方案..................................62.1数字计时器的设计思想................................62.2数字电路设计及元器件参数选择.........................62.2.1秒信号电路........................................62.2.2时、分、秒计数器..................................72.2.3计数显示电路......................................82.2.4校时电路..........................................92.2.5整点报时电路.....................................102.2.6总体电路.........................................102.3安装与调试.........................................112.3.1数字电子钟PCB图.................................113设计单元原理说明....................................113.1555定时器原理......................................123.2计数器原理.........................................123.3译码和数码显示电路原理.............................123.4校时电路原理.......................................124心得与体会.........................................1211引言数字钟是一种用数字电子技术实现时，分，秒计时的装置，具有较高的准确性和直观性等各方面的优势，而得到广泛的应用。此次设计数字电子钟是为了了解数字钟的原理，在设计数字电子钟的过程中，用数字电子技术的理论和制作实践相结合，进一步加深数字电子技术课程知识的理解和应用，同时学会使用Multisim电子设计软件。2数字电子钟设计方案2.1数字计时器的设计思想要想构成数字钟，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。值得注意的是：任何记时装置都有误差，因此应考虑校准时间电路。校时电路一般采用自动快速调整和手动调整,“自动快速调整”可利用分频器输出的不同频率的脉冲使显示时间自动迅速调整时间。“手动调整”可利用手动的节拍调准显示时间。2.2数字电路设计及元器件参数选择2.2.1秒信号电路它是数字电子钟的核心部分，它的精度和稳定度决定于数字中的质量.通常晶体振荡器发出的脉冲经过整形、分频获得1Hz的秒脉冲。多谐振荡器电路与分频电路如图1.1所示。多谐振荡器与分频电路为计数器提供计数脉冲和为计数器提供校时脉冲。图1.1多谐振荡器电路与分频电路1f=1/0.7(Rw+2R)C多谐振荡器的频率设计为2Hz，R为50kΩ,C为4.7μF。f=1/0.7(Rw+2R)C=1/0.7(50+2*51)*103*4.7*10-6≈2Hz调节电位器Rw，使多谐振荡器产生频率为2Hz的方波信号。多谐振荡器产生的2Hz脉冲信号经过CD4013组成的分频器，进行2分频，输出1Hz的秒脉冲为计数器的计数脉冲。2.2.2时、分、秒计数器秒信号经秒计数器、分计数器、时计数器之后。分别得到显示电路，以便实现用数字显示时、分、秒的要求。“秒”和“分”计数器应为六十进制，而“时”计数器应为二十四进制。要实现这一要求，可选用的中规模集成计数器较多，这里推荐74LS160（1）采用两片十进制计数器74LS160N扩展连接，设计60进制的计数器，显示0到59，在59时采用置数的方法，将两片74LS160N同时置数至0，以循环显示0到59。图1.2两块74LS160构成的六十进制计数器（2）24进制亦采用两片十进制计数器74LS160N扩展连接，设计24进制的计数器，显示0到23，在23时采用置数的方法，将两片74LS160N同时置数至0，以循环显示0到23。1图1.3两块74LS160构成的二十四进制计数器（3）利用秒钟的置数信号（为低电平），取反后作为分钟各位的使能端（EP和ET）的控制信号，以实现分秒之间的进位功能。同理可以实现分时之间的进位功能。（4）显示功能采用Multisim里面的DCD_HEX显示管进行时分秒的显示。将DCD_HEX显示管的四个针脚对应接到74LS160N的四个输出端。2.2.3计数显示电路选用器件时应当注意译码器和显示器件相互配合。一是驱动功率要足够大，二是逻辑电平要匹配秒计数器、分计数器、和时计数器的计数分别输送给各自的显示译码器CD4511，在数送给各自的数码管，显示出时、分、秒的计时。电路如图1.4所示为计数、译码显示电路。图1.4计数显示电路12.2.4校时电路在刚接通电源或者时钟走时出现误差时，则需要进行时间的校准。置开关在手动位置，分别对时、分、秒进行单独计数，计数脉冲由单次脉冲或连续脉冲输入。校时电路如图1.5所示为校时电路。由与非门和二个开关组成，实现对“时”、“分”的校准。图1.5校时.分电路当校时开关J1、J2扳到下端时，校时的2Hz脉冲输送到时计数器和分计数器个位的CP端，进行时计数器和分计数器“时”、“分”的校准。当校时开关J1、J2扳到上端时，时计数器和分计数器的进位脉冲输送到时计数器和分计数器个位的CP端，时钟正常计时。2.2.5整点报时电路图1.6报时电路12.2.6总体电路图1.7数字钟总体电路2.3安装与调试1首先调试多谐振荡器。用示波器观察多谐振荡器输出波形，确定多谐振荡器是否正常工作，振荡频率是否是2Hz。调节电位器Rw，使多谐振荡器产生频率为2Hz的方波信号。2调试分频器。用示波器观察分频器输出波形，确定信号频率是否是1Hz。3调试计数、译码显示电路。将秒信号输送给秒计数器、分计数器、和时计数器，观察各计数器是否工作正常。4调试校时电路。观察校时电路是否起到校时作用。5整体调试。各部分电路连接起来，观察电子钟是否正常工作。2.3.1数字电子钟PCB图用EDA技术来实现，生成的PCB如下图所示:1图1.8数字电子钟PCB图3设计单元原理说明数字钟以成为人们常生活中数字电子钟一般由振荡器，分频器，译码器，显示器等部分组成。数字钟的应用非常广泛，应用于人家庭以及车站。码头。剧场，办公室等公共场所，给人们的生活，学习，工作，娱乐带来极大的方便，由于数字集成电路技术的发展和采用了先进的石英技术，使数字钟具有走时准确，性能稳定，携带方便等特点，它还用于计时，自动报时及自动控制等各个领域。尽管目前市场上以有现成数字钟集成电路芯片，价格便宜这些都是数字电路中最基本的，应用最广的电路。数字电子钟的基本逻辑功能框图如下：它是一个将“时”，“分”，“秒”显示于人的视觉器官的计时装置。他的计时装置的周期为24小时，显示满刻度为23时59分59秒，另外应有校时功能。因此，一个基本数字钟主要由五部分组成。3.1555定时器原理晶体震荡器的作用是产生时间标准信号。数字钟的精度，主要取决于时间标准信号的频率及其稳定度。因此，一般用石英震荡器经过分得到。双极型555定时器由电阻分压器、比较器、基本RS触发器、双极型三极管T和输出缓冲器组成。3.2计数器原理有了时间标准：“秒”信号后，就可以根据60秒为1分，60分为1小时，24小时为一天的计数周期，分别组成两个60进制，一个24进制的计数器。将这些计数器适当连接，就可以够成秒，分时的计数器，实现计时功能。13.3译码和数码显示电路原理译码和数码显示电路是将数字钟的计时状态直观清晰地反映出来，被人们的视觉器官所接受。显示器件选用LED数码管。在译码及数码显示电路输出信号的驱动下，显示出清晰直观的数字符号。3.4校时电路原理实际的数字钟电路由于秒信号的精确性和不可能做到完全准确无误，加之电路中其他原因，数字钟总会产生其他原因，数字钟总会产生走时误差的现象，因此，电路中就应该有校准时间的功能的电路。4心得与体会我们学习了数字电子电路和模拟电子电路，对电子技术有了一些初步了解，但那都是一些理论的东西。通过这次数字电子钟的课程设计，我们才把学到的东西与实践相结合。从中对我们学的知识有了更进一步的理解。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。也锻炼了自己独立思考问题的能力和通过查看相关资料来解决问题的习惯。虽然这只是一次简单的课程设计，但通过