电子测试课程设计数字电子钟

《电子测试课程设计数字电子钟》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电子测试课程设计数字电子钟（15页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、1.课程设计目的1、掌握数字电子钟的设计、组装与调试方法。2、了解数字钟的组成及工作原理。3、熟悉集成电路的使用方法。4、熟悉集成电路的引脚安排。5、掌握各芯片的逻辑功能及使用方法。6、了解面包板结构及其接线方法。7、提高电路布局布线及检查和排除故障的能力。2.课程设计题目描述和要求（1）设计一个有“时”、“分”、“秒”（12小时59分59秒）显示，且有校时功能的电子钟。（2）用中小规模集成电路组成电子钟，并在实验箱上进行组装、调试。（3）画出框图和逻辑电路图，写出设计、实验总结报告。（4）闹钟系统。整点报时。在59分51秒、53秒、55秒、57秒输出750Hz音频信号，在59分59秒时输出1

2、000Hz信号，音频持续1s，在1000Hz荧屏结束时刻为整点。日历系统（选做）。3.课程设计报告内容3.1 设计部分3.1.1设计名称多功能数字钟电路3.1.2设计要求基本功能如下：1、 准确计时，以数字形式显示时、分、秒的时间。2、 小时的计时要求为“12翻1”，分和秒的计时要求为60进位。3、 校正时间。扩展功能如下：1、 定时控制。2、 仿广播电台正点报时。3、 报整点时数。4、 触摸报整点时数。3.1.3设计原理如图所示，数字钟电路系统有主体电路和扩展电路两大部分所组成。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。该系统的工作原理是，振荡器产生稳定的高频脉冲信号

3、作为数字钟的时间基准，再经分频器输出标准秒脉冲。秒计数器计满60后向分计数器进位，分计数器计满60后向小时计数器进位，时计数器按照“12翻1”规律计数。计数器的输出经译码器送显示器，计时出现误差时可以用校时电路进行校时、校分、校秒。扩展电路必须在主体电路正常运行的情况下才能进行功能扩展。 图 多功能数字钟系统组成框图3.1.4设计内容（1） 振荡器的设计（2） 分频器的设计（3） 时分秒计数器的设计（4） 时分秒译码显示电路的设计（5） 60进制电路，12翻1电路设计（6） 校时电路设计（7） 定时电路的设计（8） 仿电台整点报时电路的设计3.1.5设计步骤 主体电路的设计与装调主体电路是由功

4、能部件或单元电路组成的。在设计这些电路或选择部件时，尽量选用同类型的器件，如所有功能部件都采用TTL集成电路或都采用CMOS集成电路。整个系统所用的器件种类应尽可能少。下面介绍各功能部件与单元电路的设计。振荡器的设计振荡器是数字钟的核心。振荡器的稳定程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。一般来说，振荡器的频率越高，计时精度越高。图为电子手表集成电路中晶体振荡器电路，常取晶振的频率为32768Hz。因其内部有15级2分频集成电路，所以输出端正好可得到1Hz的标准脉冲。如果精度要求不高也可以采用由集成逻辑门与RC组成的时钟源振荡器或由集成电路定时器555与R

5、C组成的多谐振荡器。这里采用555构成的多谐振荡器，设振荡频率f。=1KHz，电路参数如图所示。分频器的设计分频器的功能主要有两个：一是产生标准秒脉冲信号;二是提供功能扩展电路所需要的信号，如仿电台报时用的1KHz的高音频信号和500Hz的低音频信号等。选用3片中规模集成电路计数器74LS90可以完成上述功能。因每片为1/10分频，3片级联则可获得所需要的频率信号，即第1片的Q0端输出频率为500Hz，第2片的Q3端输出位10Hz，第3片段Q3端输出为1Hz。如图所示。 图 分频器时分秒计数器的设计分和秒计数器都是模M=60的计数器，其计数规律为00-01-58-59-00，选74LS92作为

6、十位计数器，74LS90作为个位计数器，再将它们级联组成模数M=60的计数器。时计数器是一个“12翻1”的特殊进制计数器，即当数字钟运行到12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01时00分00秒，实现日常生活中习惯用的计时规律。选用74LS191和74LS74，如图所示。校时电路的设计当数字钟接通电源或者计时出现误差时，需要校正时间。校时是数字钟应具备的基本功能。一般电子表都具有时、分、秒等的校时功能。为使电路简单，本实验只进行小时和分的校时。对校时的要求是，在小时校正时不影响分和秒的正常计数；在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

7、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”是用手动产生单脉冲作为校时脉冲。图为校“时”、校“分”电路。其中S1为校“分”用的控制开关，S2为校“时”用的控制开关，他们的控制功能如表所示。校时脉冲采用分频器输出的1Hz脉冲，当S1或S2分别为“0”时可进行“快校时”。如果校时脉冲由单次脉冲产生器提供，则可以进行“慢校时”。表 校时开关的功能表S2S1功能11计数10校分01校时需要注意的时，校时电路是由与非门构成的组合逻辑电路，开关S1或S2为“0”或“1”时，可能会产生抖动，接电容C1、C2可以缓解抖动。必要时还应将其改为去抖动开关电路。图为RS触发器防抖电

8、路。 功能扩展电路（1）定时控制电路 数字钟在指定的时刻发出信号，或驱动音响电路“闹时”，或对某装置的电源进行接通或断开“控制”。不管是闹时还是控制，都要求时间准确，即信号的开始时刻与持续时间必须满足规定的要求。例如要求上午7时59分发出闹时信号，持续时间为1分钟。因为7时59分对应数字钟的时个位计数器的状态为（Q3 Q2 Q1 Q0）H1=0111,分十位计数器的状态为（Q3 Q2 Q1 Q0）M2=0101，分个位计数器的状态为（Q3 Q2 Q1 Q0）M1=1001。若将上述计数器输出为“1”的所有输出端经过与门电路去控制音响电路，可以使音响电路正好在7点59分响，持续1分钟后（即8点时

9、）停响。所以闹时控制信号Z的表达式为Z=(Q2 Q1 Q0)H1·（Q2 Q0）M2·(Q3Q0)M1·M式中，M为上午的信号输出，要求M=1。如果用与非门实现上式所表示的逻辑功能，则可以将Z进行布尔代数变换，即 实现上式的逻辑电路如图所示，其中74LS20为4输入二与非门，74LS03为集电极开路（OC门）的2输入四与非门，因OC门的输出端可以进行“线与”，使用时在它们的输出端与电源+5V端之间应接一电阻RL，取RL=3.3k。如果控制1kHz高音和驱动音响电路的两级与非门也采用OC门，则RC的值应重新计算。由图可见上午7点59分时，音响电路的晶体管导通，则扬声

10、器发出1kHz的声音。持续1分钟到8点整晶体管因输入端为“0”而截至，电路停闹。 （2）仿广播电台正点报时电路仿广播电台整点报时电路的功能要求是，每当数字钟计时快要到整点时发出声响，通常按照4低音1高音的顺序发出间断声响，以最后一声高音结束的时刻为整点时刻。设4声低音（约500Hz）分别发生在59分51秒、53秒、55秒及57秒，最后一声高音（约1KHz）发生在59分59秒，它们的持续时间均为1秒。如表所示。表 秒个位计数器的状态CP（秒）Q3s1Q2s1Q1s1Q0s1功能500000510001鸣低音520010停530011鸣低音540100停550101鸣低音560110停570111

11、鸣低音581000停591001鸣高音000000停由表可得 只有当分十位的Q2M2 Q0M2=11，分个位的Q3M1Q0M1=11，秒十位的Q2S2Q0S2=11及秒个位的Q0S1=1时，音响电路才能工作。仿电台整点报时的电路如图所示。这里采用的都是TTL与非门，如果用其他器件，则报时电路还会简单一些。3.2调试部分3.2.1调试器材（1）七段显示器（共阴极） 6片（2）74LS48 6片（3）74LS90 12片（4）555集成芯片 1片（5）74LS10、74LS00 10片（6）74LS04 1片（7）74LS74 1片（8）电阻、电容、导线等 若干3.2.2调试要点在实验箱上组装电子

12、钟时，器件管脚的连接一定要准确，“悬空端”、“清零端”、“置1端”要正确处理。具体调试步骤和方法如下：（1）用示波器检测555振荡器的输出信号波形和频率，首先输出频率1kHz，经一级分频输出500Hz，最后输出1Hz。（2）将1秒信号分别送入“时”，“分”，“秒”计数器，检查各级计数器的工作情况。（3）观察校时电路的功能是否满足校时要求。（4）当分频器和计数器调试正常后，观察电子钟是否满足正常地工作。3.2.3主体电路装调·由图所示的数字钟系统组成框图按照信号的流向分级安装，逐级级联。这里的每一级是指组成数字钟的各功能电路。·级联时如果出现时序配合不同步，或尖峰脉冲干扰，引

13、起逻辑混乱，可以增加多级逻辑门来延时。如果显示字符变化很快，模糊不清，可能是由于电源电流的跳变引起的，可在集成电路器件的电源端Vcc加退耦滤波电容。通常用几十微法的大电容与0.01uF的小电容想并联。·画数字钟的主体逻辑电路图。经过联调并纠正设计方案中的错误和不足之处后，再测试电路的逻辑功能是否满足设计要求。最后画出满足设计要求的总体逻辑电路图，如图所示。如果因实验器材有限，则其中秒计数器的个位和时计数器的十位可以采用发光二极管指示，因而可以省去2片译码器和2片数码显示器。图 数字钟的主体电路逻辑图3.2.4扩展电路装调 将两块面包板平行放置并对接，用红色电源线和黑色底线把两块板连接

14、好，扩展电路接上喇叭和脉冲，再用不同颜色的导线将主体电路的时个位、分十位、分个位、秒十位、秒个位与扩展电路相连。用校时电路调节到合适时刻，观测扩展电路功能是否实现。3.2.5调试结果 主体电路实现时钟的功能，即秒、分60进制，时12进制。扩展电路实现闹铃功能和整点报时功能。还可根据需要改变闹铃的时间。4.课程设计总结这次实验过程异常艰辛，但是在很多方面有所收获。 布局设计：要先根据主体电路图和扩展电路图想像各个元件的分布位置，哪块面包板该放哪些元件，如何最大限度利用面包板的空间，怎么样才能使走线明朗、简洁。布线工艺：一开始，我由于赶时间，没把线剪短，直接插在板子上，结果造成飞线过多，视觉上看起

15、来像蜘蛛网，密密麻麻的。这样一来，非常难检查，而且由于导线是悬空的，稍微一碰就可能接触不良。后来，我听从老师建议，把线都剪短了，但是由于没有预先设计，交叉线极多，甚至从芯片上走线。导线的颜色也应该选用不同颜色以便区分，比如地线用黑色，电源用红色，每个版块都用不同颜色。调试技巧：当我搭建主体电路时，分位不能进位到时位。经分析，时个位的计数器时钟肯定没有脉冲，随即检查到进位电路，把每个有关引脚的波形测试，结果在分十位的9脚电压很低。经推理，可能是某个与非门芯片电源没接上，然后我插紧每个芯片的电源，问题立马解决。在做整点报时电路时，喇叭一插上去就有杂音，一开始还以为电路接错了，后来经反复排查，依然无

16、法解决。经同学指点，换了一个74LS00，杂音消失，整点报时成功。做防抖电路时，也是换来多个芯片才做成功。所以，芯片质量好坏也是我们成功的重要因素。在测555振荡器输出波形时，要灵活调节扫描速度，若是1kHz，则应选择500us，这样一个周期的波形应占2格，而输出是1Hz的话，应选择200ms或500ms。一定要将所有电源线相连，所有地线相连。课本电路缺陷：译码显示电路没有与限流电阻串接，导致过亮容易烧毁，而且无法正确计数。改进方法是，把所有显示器的8脚或3脚用一根线连起来串一个51欧姆的电阻。其次，校时电路没有加装防抖开关，导致校时无法控制，跳得太快。改进方法是，通过与非门芯片加装一个RS去

17、抖动开关，这样才能稳定校时电路。课题核心及使用价值：该课题用一个生活中的实例展示了振荡电路、计数电路、译码电路的作用与衔接过程，揭示了电子钟内部电路图及其各部分的作用。我们通过此课题，结合本学期学习的模拟电子、数字电子技术的理论课知识，可以系统地学习电子设计与测试的流程、方法、原理，为我们以后设计更加专业、复杂的集成电路打下雄厚的基础。课程设计的经验：首先要感谢各位指导老师的培养，是他们为我们排忧解难，指点迷津。我最开始没有设计防抖电路，老师示意我加装一个才能调试好，我听从了老师的建议，在室友的帮助下，终于设计出该改进电路，攻下这个难关。其次要有一份完整的引脚电路图，这是有自己设计的，有了它可

18、以方便布线，而且更重要的是容易查错。布线时要有一个先后顺序，即先接电源，再接地线，最后接其他颜色的线，这样不容易掉线。芯片设计体会：在做闹时电路时，我们用到了74LS03芯片，为集电极开路（OC门）的2输入四与非门。OC门，又称集电极开路（漏极开路）与非门门电路，Open Collector（Open Drain）。为什么引入OC门？ 实际使用中,有时需要两个或两个以上与非门的输出端连接在同一条导线上，将这些与非门上的数据（状态电平）用同一条导线输送出去。因此，需要一种新的与非门电路-OC门来实现“线与逻辑”。 OC门主要用于3个方面： 1、 实现与或非逻辑，用做电平转换，用做驱动器。由于OC

19、门电路的输出管的集电极悬空，使用时需外接一个上拉电阻Rp到电源VCC。OC门使用上拉电阻以输出高电平，此外为了加大输出引脚的驱动能力，上拉电阻阻值的选择原则，从降低功耗及芯片的灌电流能力考虑应当足够大；从确保足够的驱动电流考虑应当足够小。 2、 线与逻辑，即两个输出端（包括两个以上）直接互连就可以实现“AND”的逻辑功能。在总线传输等实际应用中需要多个门的输出端并联连接使用，而一般TTL门输出端并不能直接并接使用，否则这些门的输出管之间由于低阻抗形成很大的短路电流（灌电流），而烧坏器件。在硬件上，可用OC门或三态门（ST门）来实现。 用OC门实现线与，应同时在输出端口应加一个上拉电阻。 3、

20、三态门（ST门）主要用在应用于多个门输出共享数据总线，为避免多个门输出同时占用数据总线，这些门的使能信号（EN）中只允许有一个为有效电平（如高电平），由于三态门的输出是推拉式的低阻输出，且不需接上拉（负载）电阻，所以开关速度比OC门快，常用三态门作为输出缓冲器。参考文献【1】梁宗善·电子技术基础课程设计·华中科技大学出版社，2009【2】朱定华·电子电路测试与实验·清华大学出版社，2004【3】朱定华·模拟电子技术基础·清华大学出版社 北京交通大学出版社，2005【4】朱定华·现代数字电路与逻辑设计·清华大学出版社

21、 北京交通大学出版社，2007【5】华成英，董诗白·模拟电子技术基础（第四版）·高等教育出版社，2006【6】阎 石9·数字电子技术基础（第五版）·高等教育出版社，2006【7】康华光·电子技术基础（第五版）模拟部分·高等教育出版社，2006【8】康华光·电子技术基础（第五版）数字部分·高等教育出版社，2006【9】陈大钦，罗 杰·电子技术基础实验（第三版）·高等教育出版社，2008【10】罗 杰，谢自美·电子线路设计·实验·测试（第四版）·电子工业出版社，2008【11】毕满清·电子技术试验与课程设计（第三版）·机械工业出版社，2005【12】傅劲松·电子制作实例集锦·福建科学技术出版社，200615