模拟电力电子课程设计报告

~1~模拟电子技术课程设计报告￣￣￣数字电子钟计时系统实验者:吴文兵学院:电气工程学院学号:20071901235班级:2007级5班同组人员:夏红燕、白艳~2~目录一．设计任务和基本要求…………………………………………3二．总体方案…………………………………………3三．单元电路设计………………………………………43.1秒信号发生……………………………………………………………43.2秒分时计数器设计……………………………………………………43.3译码显示电路…………………………………………………………53.4校时电路………………………………………………………………6四．元件及工具清单………………………………………74.1元件清单…………………………………………………74.2工具清单…………………………………………………7五．有关元件资料……………………………………85.1、CD4060计数／分频和振荡器…………………………………………85.2、CD4013——双D主从触发器……………………………………85.3、CD4081与门………………………………………………95.4、CD4029——二/十、加/减、可预制的CMOS计数器………………9六．故障分析……………………………………………………10七．心得体会……………………………………………………10~3~一、设计任务和基本要求用中、小规模集成电路设计一台能显示时、分、秒的数字电子钟，基本要求如下：1、采用LED显示累计时间“时”、“分”、“秒”。2、具有校时功能。二、总体方案数字电子钟的原理方框图如图5.7.1。该电路系统由秒信号发生器、“时、分、秒”计数器、译码器及显示器、校时电路、整点报时电路等组成。秒信号产生器是整个系统的时基信号，它直接决定计时系统的精度，一般用石英晶体振荡器加分频器来实现。将标准秒信号送入“秒计数器”，“秒计数器”采用六十进制计数器，每累计60秒发出一个“分脉冲”信号，该信号将作为“分计数器”的时钟脉冲。“分计数器”也采用六十进制计数器，每累计60分钟，发出一个“时脉冲”信号，该信号将被送到“时计数器”。“时计数器”采用24进制计数器，可实现对一天24小时的累计。译码显示电路将“时”、“分”、“秒”计数器的输出状态经七段显示译码器译码，通过六位LED七段显示器显示出来。校时电路是用来对“时”、“分”、“秒”显示数字进行校对调整的。图５.７.１数字电子钟系统框图译码时计数/24进制译码分计数/60进制译码秒计数/60进制晶体振荡器分频器校时电路分信号时信号32768Hz~4~三、单元电路设计3.1、秒信号发生器秒信号发生器是数字电子钟的核心部分，它的精度和稳定度决定了数字钟的质量，通常用晶体振荡器产生的脉冲经过整形、分频获得1HZ的秒脉冲。常用的典型电路如图5.7.2所示。CD4060是14位二进制计数器。它内部有14级二分频器，有两个反相器。CP1(11脚）、CP0(10脚)分别为时钟输入、输出端，即内部反相器G1的输入、输出端。图中R位反馈电阻（10兆欧～100兆欧），目的是为CMOS反相器提供偏置，使其工作在放大状态。C1是频率微调电容，取5/30pF，C2是温度特性校正用电容，一般取20～50pF。内部反相器G2起整形作用，且提高带负载能力。石英晶体采用32768HZ晶振，若要得到1HZ的脉冲，则需经过15级二分频器完成。图５．７.２秒信号发生器由于CD4060只能实现14级分频，故必须外加一级分频器，可采用CD4013双D触发器完成。3．2、秒、分、时计数器设计秒、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CD4029。虽然CD4029没有清零端，但它有“置数”功能，当“置数”端PE=1时，接在置数输入端的数据立即被置到计数器输出端上。所以通过“反馈置数法”可实现任意进制的计数器。14级2分频DCPQQCD4060CD40132Hz32768Hz1M10K100pf100pf32768Hz10118123CP1CP0GNDCrQ132151Hz~5~（1）60进制计数器由CD4029构成的60进制计数器如图5.7.3所示。首先将两片CD4029设置成十进制加法计数器，例如，将“B/D”接低电平，将“U/D”接高电平。将第一片CD4029计数器的进位输出CO连到第二片CD4029计数器的进位输入CI，这样两片计数器最大可实现100进制的计数器。现要设计一个60进制的计数器，可利用“反馈置零”的方法实现。由于CD4029属于异步置树，故当计数器输出图５.７.３６０进制计数器“2Q32Q22Q12Q0、1Q3Q2Q1Q0=0110、0000”时，通过门电路形成一置数脉冲，使计数器归零。图5.7.3电路，可作为秒、分、计数器。（2）24进制计数器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。通过把个位Q2、十位Q1相与后的信号送到个位、十位计数器的置数端PE，使计数器复零，从而构成24进制计数器，如图5.7.4所示。图5.7.424进制计数器3．3、译码显示电路CD4029Q3Q2Q1Q0B/DU/DPEJ3～J0COCICP＋5VCD4029Q3Q2Q1Q0B/DU/DPEJ3～J0COCICP＋5V秒脉冲分脉冲01100000CD4081CD4029Q3Q2Q1Q0B/DU/DPEJ3～J0COCICP＋5VCD4029Q3Q2Q1Q0B/DU/DPEJ3～J0COCICP＋5VCD4081时脉冲~6~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。74LS47是BCD-7段译码器/驱动器，其输出是OC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74LS47和LED七段共阳数码管组成的一位数码显示电路如图5.7.5所示。若将“秒”、“分”、“时”计数器的每位输出分别接到相应的七段译码器的输入端，便可进行不同数字的显示。在译码器输出与数码管的R为限流电阻。图5.7.5译码显示器3．4、校时电路数字钟启动后，每当数字钟显示与实际时间不符时，需要根据标准时间进行校时。简单有效的校时电路如图5.7.6所示。校“秒”时，采用等待校时。当进行等待校时时，将琴键开关K1按下，此时门电路G1被封锁，秒信号进入不到“秒计数器”中，此时暂停秒计时。当数字钟显示值与标准时间秒数值相同时，立即松开K1,数字钟abcdeffg译码器DCBAQ3Q2Q1Q0COMabcdefgDP360Ω~7~秒显示与标准时间秒计时同步运行，完成秒校时。图5.7.6秒、分、时“校时”电路校“分”、“时”的原理比较简单，采用加速校时。例如分校时使用G2、G3、G4三与非门，当进行分校时时，按下琴键开关Ｋ２，由于门Ｇ３输出高电平，秒脉冲信号直接通过Ｇ２、Ｇ４门电路被送到分计数器中，使分计数器以秒的节奏快速计数。当分计数器的显示与标准数值相符时，松开Ｋ２即可。当松开Ｋ２时，门电路Ｇ２封锁秒脉冲，输出高电平，门电路Ｇ４接受来自秒计数器的输出进位信号，使分计数器正常工作。同理，“时”校时电路与“分”校时电路工作原理完全相同。四、元件及工具清单4．1元件清单：集成元件：CC4029×6、74LS47×6、LED共阳显示器×6、CC4011×2、CC4081×1、CD4060×1、CD4013×1电阻：360W×6、1MW×1、10KW×4电容：100pf×2晶体：32768Hz×1面包板×14．2工具清单：镊子、剪刀、剥线钳、尖嘴钳、表线、工具盒。24进制计数器（时）60进制计数器（分）60进制计数器（秒）＋5V＋5V＋5V10K10K10K秒信号(1Hz)秒信号分信号时信号CPCPCPK3K2K1CD4011~8~五、有关元件资料5．1、CD4060——14级串行二进制计数器/分频器和振荡器说明：Q4～Q13——10个输出端Q13——214分频Q12——213分频……Cr——清零端（高电平有效）5．2、CD4013——双D主从触发器RSDCPQn+1000↑0001↑110××001××1VDD1615Q10Q81413Q91211109CrCP1CP0CP012Q11345678CD4060Q12Q13Q6Q5Q7Q4GNDVDD142Q2Q13122CP1110982R2D2S121Q34567CD40131Q1CP1R1D1SGND~9~5．3、CD4081与门5．4、CD4029——二/十、加/减、可预制的CMOS计数器VDD1413121110981234567GND16151413121110912PE345678CD4029Q3J3J0CIQ0COCOGNDQQSRDCPJ1Q1U/DB/DJ2Q2CPVDD~10~六、故障分析（1）在检测显示器是否正常示数时，发现秒显示器的个位不亮，猜测为译码器与显示器之间的导线接触不实所致。用按压法，结果发现个位闪烁。确定了错误位置。通过更换导线，解决了这一问题。（2）在接通5V直流电压后，发现时，分，秒均有示数，但不走。检查电路后发现没有错误。猜测是脉冲不稳。将振荡器拔出，重新认真插入，发现显示器正常示数了。问题解决。（3）在接通实验室15V电源时，发现显示器不亮。按压各元件，观察是否接实时发现，某个74SL147元件发烫，将其他74LS147元件换到该地方时，发现示数正常。所以，分析是该元件已损坏。更换新的74LS147之后，发现示数正常。问题得到解决。七、心得体会在这次数字钟设计过程中,使我在学习课本内容之后，通过观察和动手操作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，掌握了对电子钟的设计，组装与调试方法。熟悉了CMOS系列中、小规模集成电路的使用。不能计数1CI允许计数0进位输入允许置数1PE不能置数0预置加法1U/D减法0加/减二进制计数1B/D十进制计数0二进制/十进制功能状态输入~11~在数字钟实验设计当中遇到的首要问题有三个：一是电路的总体设计问题；二是电路的连线问题；三是电路的调试问题。我们应按照顺序依次进行，而不能颠倒而做。在工作时，应先画出连线图和系统图，然后再按照连线图进行实物连接。在实物连接之前也可以用ewb仿真软件进行仿真实验，确定无误后再连接线路，能达到事半功倍的效果。在连线过程中，不仅要使每根导线连接正确，还要保证整体布局的美观，所以，认真研究每根导线，每条路径的走法，至关重要。还有一点就是要保证导线的横平竖直。除此之外，我们还总结出，在设计电路的连接图中出错的主要原因都是接线和芯片的接触不良以及接线的错误所引起的。此次课程设计，学到了很多课内学不到的东西，比如独立思考解决问题，出现差错的随机应变，和与人合作共同提高，都受益非浅，今后的制作应该更轻松，自己也能扛的起并高质量的完成项目。我觉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。比如一些芯片的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，通过动手实践让我们对各个元件映象深刻。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。所以这个期末测试之后的课程设计对我们的作用是非常大的经过这次课程设计，我们知道团队的力量。组内三人共同工作，共同排查，各司其职，各负其责，从而使工作量大大减少，错误率也相对降低。完美的电路是我们合作的见证！总的来说，电子钟的课程设计有利于培养我们对电子设计的兴趣和提高我们的动手能力，是一次很好的理论与实际的结合例子，希望我们能有更多的机会多做一些这些课程