数字电子钟设计实训报告.doc

数字电子钟的设计【摘要】 本系统由晶体振荡器、分频器、计数器、译码器、七段译码显示器和校准、报时电路组成，采用了CMOS或TTL系列(双列直插式)中小规模集成芯片。总体方案设计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，进行了各单元电路设计，总体安装、制作及调试。数字钟是一种计时装置，不仅能替代指针式钟表，还可以运用到定时控制、自动计时及时间程序控制等方面，应用广泛。【关键词】 石英晶振、分频器、计数器、译码器、七段译码显示器、校准、整点报时。 第一章 数字电子钟总体方案1.1 数字电子钟总体方案的确定数字电子钟组成一般由振荡器、分频器、计数器、译码器及显示器等几部分组成。石英振荡器产生的时标信号送到分频器，分频电路将时标信号分成秒脉冲，秒脉冲送入计数器进行计数，并把累计结果以“时”、“分”、“秒”的数字显示出来。“秒”的显示由两级计数器和译码器组成的六十进制计数器电路实现，“分“的显示电路与“秒”相同。“时”的显示由两极计数器和译码器组成的二十四进制计数器电路实现。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60进制计数器，每累计60秒发一个“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60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进制计时器，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0进行七段显示译码器译码，通过六位七段译码显示器显示出来。整点报时电路根据计时系统的输出状态产生一脉冲信号，然后去触发一音频发生器实现报时。校时电路时用来对“时”、“分”显示数字进行校对调整的。数字电子钟总体方案框图图1.1.1 数字电子钟组成框图1.2 数字电子钟电路组成数字电子钟组成一般由振荡器、分频器、计数器、译码器及七段译码显示器等几部分组成（如图1.2.1所示）。石英振荡器产生的时标信号送到分频器，分频电路将时标信号分成秒脉冲，秒脉冲送入计数器进行计数，并把累计结果以“时”、“分”、“秒”的数字显示出来。“秒”的显示由两级计数器和译码器组成的六十进制计数器电路实现，“分”的显示电路与“秒”相同。1.3 数字电子钟电路的工作原理 数字电子钟一般由振荡器、分频器、计数器、译码器及显示器等几部分组成（如图2.2.1所示）。石英振荡器产生的时标信号送到分频器，分频电路将时标信号分成秒脉冲，秒脉冲送入计数器进行计数，并把累计结果以“时”、“分”、“秒”的数字显示出来。“秒”的显示由两级计数器和译码器组成的六十进制计数器电路实现，“分”的显示电路与“秒”相同。“时”的显示由两级计数器和译码器组成的二十四进制计数器电路来实现。第二章 数字电路单元设计2.1 分频电路由于我们直接使用的实验台上的脉冲信号，所以我们没有设计和使用分频电路。2.2 计数器电路2.2.1 二十四进制计数器电路 1、电路图（见附录）2、工作原理：由图可见，当分钟脉冲到来时计数到“24”时，同时清零，实现二十四进制技术器。2.2.2 六十进制计数器电路1、电路图（见附录）2、工作原理：74LS393是双四位二进制计数器，由它组成一个十进制计数器和一个六进制计数器，便组成了一个六十进制计数器，低位是一个由74LS393组成的十进制计数器，高位是由一个74LS393和一个与非门组成的六进制计数器。A 十进制计数器的时序图：B 六进制计数器的时序图：图3.2.2.2六十进制时序逻辑图2.2.3 时、分、秒计数器的组间级联问题在进行了各个单元电路的设计完成以后，我们就应该对各个单元电路进行组装。我们在进行单元电路的设计的时候我们已经完成了单级的设计，并且对一些问题进行了处理，但是我们在进行级联的时候还是会出现许多的问题。 在级联的时候我们会遇到很多的问题，在级联的时候我们遇到的问题中，级与级之间不进位是最多的。我们为什么会遇到这样的问题呢？我们怎样才能解决它呢？在单个级的时候，我们的进位信号是从进位直接到被进位，我们在进行级联的时候也采用这种方式就不行了。因为我们在进行级联的时候我们的进位信号在本级的时候还没有达到十，而我们的74LS190是一个十进制的计数器，因此在还没有达到十的时候，我们的14管脚就没有信号，因此我们就不能够从这连接进位信号。那么我们要从哪儿连接进位信号呢？在进行级联的时候，进位信号就要从我们的本级的清零信号来，这样就可以解决我们的级联不进位的问题。在级联的时候，我们还可能碰到显示了不应该显示的数字。这又是什么原因呢？这钟原因是很简单的，这主要是我们在连接清零的信号的时候没有连接到要求的管脚，使得我们的信号不能够正常的进行清零。在这种情况下，我们应该检查我们的清零信号是否正确。2.3 译码显示电路 2.3.1共阴极译码显示电路1. 74LS48的功能：74LS248是4线七段译码/驱动器，集电极开路输出，以高电平“1”驱动，用于共阴极显示器。74LS248内部接有2K上拉电阻，在连接LED数码管时无需外接电阻。其中端为试灯输入端，用于检查七段显示器各字段是否能正常发光，当时，显示器应该显示出“8”字形，借此判断各段工作是否正常。端为灭灯输入/动态灭零输出端，灭灯输入端的功能与恰好相反，在=0时可以使七段显示器各字段均熄灭；动态灭零输出端与公用一个端子，它的作用是使小数点两边的数字即使是零也显示出来，以便看到小数点的位置和检查无信号输入时显示器有无故障。端为动态灭零输入端，它的作用是使显示器按照人们需要将所显示的零予以熄灭，而在显示19时则不受影响。正常使用时，=1。2.原理：共阴极译码显示电路由七段译码器/驱动器74LS248和共阴极七段LED数码管组成。其原理图见图3.3.1。图3.3.1 共阴极译码显示电路74LS48将来自计数器的四位二进制代码翻译成对应的一组七位二进制代码，驱动七段LED数码管显示出数字来。共阴极七段数码管相当于阴极连接在一起的七个发光二极管，当从其某一输入端（二极管的阳极）输入一个高电平信号，对应的发光二极管导通发光，从而显示出一个数字来。第三章 集成块选型3.1 74LS3933.1.1 74LS393管脚及功能如下: 3.1.2真值表: 3.1.3 功能简介:74LS393是双四位二进制计数器，独立时钟输入，异步计数，并具有直接清除功能。74LS393采取串行进位连接方式，其输出端Q0、Q1、Q2、Q3分别按2、4、8、16进行分频计数。74LS393每一位都有一个清除端MR，高电平有效。由于74LS393含有两个四位二进制计数器，所以只要将二进制计数器的Q3端和下一个二进制计数器的CLK端相接，则成为一个八位二进制计数器。3.2 74LS513.2.1 74LS51输入与或非管脚及功能如下: 3.2.2真值表:3.2.3 功能简介:74LS51是与或非门，它可实现4位输入信号的与或非。3.3 74LS483.3.1 74LS248”集成块管脚及功能如下: 3.3.2 功能表: 3.3.3 功能简介:74LS48为七段译码器，当BI=0时，输出a-g为低电平0，显示器不显示；当BI=LT=1，RB=0时，a-g输入8421BCD码，译码器输出相对应的数字。3.4 74LS083.4.1 74LS08集成块管脚 3.4.2真值表：3.4.3 功能简介：74LS08是一个与门。3.5 CD40713.5.1 CD4071集成块管脚： 3.5.2 真值表：输 入 功 能RSMRX1清除0计数0保持3.5.3 功能简介：4060为一个分频集成块，Q4-Q14为各个频率输出端，MR为清除端，RTC为时钟输出端，RS为时钟输入端。第四章 安装与调试4.1 在综合实验台上安装及调试4.1.1 检查导线和元件的好坏数码管的检验提供的数码管有10个管脚，上、下各5个，中间的两个管脚为负极。检验的时候，两个负极管脚接地，+5v电源出来接一个1千欧的电阻（防止数码管被烧坏）再分别接数码管的其他8个管脚，如果每一段都亮了，说明数码管是好的。导线的检验导线的一端接+5v电源或+12v电源，另一端接电平显示器，如果电平显示器亮，则说明导线是好的。74ls393的检验74ls393是双四位二进制计数器，独立时钟输入，异步计数，并具有直接清除功能。检验的时候14管脚接+5v，7管脚接地，1管脚接一个单次脉冲，2管脚CR端接低电平，6、5、4、3管脚分别为Q3、Q2、Q1、Q0，把6、5、4、3管脚依次接在电平显示器上。当第一个下降沿来的时候开始计数。一直加入脉冲如果电平显示器上能从0000依次显示到1111，CR端为高电平1时能清0，说明这个计数器是可以用的。又因为74ls393是由2个计数器构成，所以集成块上的另一个计数器用同样的原理检验正确，说明这个集成块是好的。否则是坏的。74ls48的检验74ls48是4线七段译码驱动器，集电极开路输出，以高电平“1”驱动，用于共阴极显示器。检验的时候16管脚接+5v，8管脚接地，6、2、1、7管脚分别为A3、A2、A1、A0，把6、2、1、7管脚接在电平开关上，13、12、11、10、9、15、14管脚分别为Ya、Yb、Yc、Yd、Ye、Yf、Yg，把这几个管脚对应接在共阴极数码显示器的a、b、c、d、e、f、g段上。在电平开关上输入0000时，数码显示器显示为“0”，输入0001时显示为“1”，依次输入二进制数会显示相应的数字。如果“0”到“9”全部显示出来，说明74ls48集成块是好的。否则是坏的。74ls08的检验74ls08是由4个与门组成的集成块。检验的时候14管脚接+5v，7管脚接地，1、2管脚为第一个门的地址端，3管脚为第一个门的输出端。检验的时候1、2管脚接电平开关，3管脚接电平显示器。如果当地址端有一个为低电平“0”时，输出Y端为“0”。当地址端全部为“1”时，输出Y端为“1”。说明这个门是好的。集成块上的其他三个与门用同样的方法检验，如果满足与门电路的规则，则说明这个集成块是好的。否则是坏的。CD4071的检验CD4071是由4个或门组成的集成块。检验的时候14管脚接+5v，7管脚接地，1、2管脚为第一个门的地址端，3管脚为第一个门的输出端。检验的时候1、2管脚接电平开关，3管脚接电平显示器。如果当地址端有一个为高电平“1”时，输出Y端为“1”。当地址端全部为“0”时，输出为“0”。说明这个门是好的。集成块上的其他三个或门用同样的方法检验，如果满足或门电路得规则，则说明这个集成块是好的。否则是坏的。74ls04的检验74ls04是由6个非门组成的集成块。检验的时候14管脚接+5v，7管脚接地，1、3、5、9、11、13管脚分别为地址端。2、4、6、8、10、12管脚分别为输出端。检验第一个门的时候1管脚接电平开关，2管脚接电平显示器。如果地址端为“0”的时候，输出端为“1”，地址端为“1”的时候，输出端为“0”。则说明第一个非门是好的。其他的五个非门用同样的方法检验，如果满足非门电路的规则，则说明这个集成块是好的。否则是坏的。74ls51的检验74ls51是由2个与或非门组成的集成块。检验的时候14管脚接+5v，7管脚接地，2、3、4、5管脚为第一个与或非门的地址端，6管脚为第一个门的输出端。1、13、10、9管脚为第二个与或非门的地址端，8管脚为第二个门的输出端。检验第一个与或非门时，2、3、4、5管脚接电平开关，6管脚接电平显示器。如果地址端全部为“0”时，输出端为“1”，如果地址端全部为“1”时，输出端为“0”，如果地址端只有一个为“0”时，输出端为“0”，如果输出端只有一个为“1”时，输出为“1”。则说明第一个与或非门事好的。第二个与或非门用同样的方法检验，如果满足与或非门电路的规则，则说明第二个与或非门也是好的。否则是坏的4.1.2 实验步骤及调试1、做二十四进制电路的时候用一个74ls393、一个74ls08和一个CD4071按照电路（图 1）接出二十四进制电路，然后将74ls393的1Q3、1Q2、1Q1、1Q0和2Q3、2Q2、2Q1、2Q0端接在电平显示器上，能实现二十四进制后，再将1Q3、1Q2、1Q1、1Q0和2Q3、2Q2、2Q1、2Q0端接在74ls48的地址端。74ls48的Ya到Yg端分别接在数码管的a到g端，再测验是否能实现二十四进制。2、做六十进制电路的时候用一个74ls393和一个74ls08按照电路（图2 ）接出六十进制电路，然后将74ls393的1Q3、1Q2、1Q1、1Q0和2Q3、2Q2、2Q1、2Q0端接在电平显示器上，能实现六十进制后，再把1Q3、1Q2、1Q1、1Q0和2Q3、2Q2、2Q1、2Q0端接在74ls48的地址端。74ls48的Ya到Yg端分别接在数码管的a到g端，再测验是否能实现六十进制。3、成功后进行级联。把二十四进制的脉冲接在六十进制高位的Q2上。当分(六十进制)完成一个周期的显示以后，时显示上来了一个脉冲，所以在原来的基础上增加一。4、校正电路的连接：按照（图3 ）在实验台上正确的连接好校时电路的线路，对分的校时的方法：将校时电路中的 A 端连接到手动脉冲端，将 D 端连接到连续脉冲端，通过控制端 B和C端来控制校时端的工作时刻，当 B 端为高电平，C 端为低电平时，则可对电路进行校时，反之，如果 B 端为低电平 C 端为高电平时，电路则按原来的连续脉冲信号进行工作。对时的校时和分的一样。4.1.3 集成电路接线技巧综合考虑各种集成电路之间的连接关系，合理安排集成电路在实验箱（或面包板）上的位置。为了方便布线和检查线路，所有集成电路应按同一方向插入，不要倒插或反插。集成电路使用前最好先进行整形，用镊子把引脚稍向内弯，使两排引脚恰好能插入面包板的插座孔中。拆卸集成电路时最好使用集成电路起拔器，以免把引脚弄弯，甚至折断。布线力求整齐、易查，电源正、负极，输入、输出线尽可能分别采用不同颜色的导线。导线不要跨过集成电路，并使导线贴近面包板表面分布。插线要保证稳妥可靠，引线两端的绝缘胶皮不可剥得过短或过长（一般78mm为宜）。用过的导线要先把线头弄直，保证可靠地插入插座孔内。布线的顺序通常是先接集成电路的正、负极，再接输入线、输出线及控制线。接线时要仔细核对管脚排列图，以免接错。逻辑功能完整的电路应分单元检查，接好一个单元测试一个单元，及时排除线路故障。4.2 故障分析及其解决方法1、在做二十四进制的时候，数码管显示“23”后，下一个显示是“04”，在理论上应该是显示“00”。通过分析，是低位端没有清到“0”。经过检查后，发现是CD4071的管脚接触不良。重新换上一个CD4071后，数码管显示正确。2、有些时候会突然显示不正确，结果是因为剥线是用力过大，导致导线受损，最后导线断在面包板上，接线不通。材 料 清 单1、数字钟材料清单：若采用所提供的振荡电路和74LS190组成的分频器、74LS190组成的60进制计数器和24进制计数器、74LS248译码器和共阴极数码管组成的译码显示电路，以及提供的整点报时电路及校时电路，则所需元件为：序号元 件 名 称型 号 规 格数量单 位1双四位二进制计数器74LS3933块2或门CD40711块34线七段译码器/显示器74LS2486块4与非门74LS511块5与门74LS082块6直流电源+5V1台7导线若干根8共阴极数码管503C6个9电阻1K1个10无极性电容器50pF2个11D触发器74LS741块总 结通过两周的实习，我认识到理论知识和实践相结合是相当重要的一个环节，有时候我们自以为很简单的事情，当做起来的时候才知道其实并不是我们想象中的那么简单。做好一件事不仅要掌握一定的技巧，而且还必须具备一定的素质才能完成。 这次实习过程中，我从刚开始对电路的茫然到现在能够完成数字钟电路的转变是来之不易的。在实习期间，通过遇到问题、发现问题并解决问题让我学会了如何按照要求设计出合适的电路。并在老师的帮助下，加上教材和自己查阅的资料，完成了数字钟的设计和安装调试。在试验台上进行调试的一天中，让我进一步加深了对计数器，译码器，门电路，数码管等集成块功能的掌握和检验集成块好坏的方法，学会了自己发现问题和排除故障，并且加强了我们的动手能力。实习的两周给我留下了深刻的印象，并让我明白了一个道理：在遇到问题的时候不能第一时间就去问别人，一定要先自己解决，或者查阅资料，在实在解决不了的情况下再去请教别人，这样才能把知识掌握的更加牢固。同时也明白了团队精神的重要性。虽然我现在学会了如何去完成符和要求的数字钟电路，但是离真正能够用自己所学的知识去完成一个电路的设计还有一段距离。我相信这次的实习对我以后的学习生涯有很大的帮助。致 谢 在这两周的实习中，我得到了许多人的帮助。首先我要感谢我们的黄宁老师在课程设计上给予我们的指导、提供给我们的支持和帮助，这是我能顺利完成这次实习的主要原因，更重要的是黄老师帮我们解决了许多技术上的难题，让我能把安装调试做得更加完善。在此期间，我不仅学到了许多新的知识，而且也开阔了视野，提高了自己的设计能力。其次，我要感谢帮助过我的同学，他们也为我解决了不少我不太明白的难题。同时也感谢学院为我们提供了很好的实习环境。最后再一次感谢所有在设计中曾经帮助过我的良师益友和同学。参 考 文 献1实用电工电子技术实验实训教程 主 编： 王光福 21世纪高职高专系列规划教材 电子科技大学出版社。2电子线路CAD设计 主 编： 卢庆林 高职高专电子技术系列教材 重庆大学出版社。3数字电子技术（第2版） 主 编：杨志忠 普通高等教育“十五”国家级规划教材 高等教育出版社。设 计 成 绩 评 定 书班 级：09电子6班 姓名： 王 兰 兰 说明书： 页 设计图纸： 张答辩时间 ： 年 月 日评审老师： 职称 ：