1、目 录一、课程设计任务和基本要求: .- 2 -1）设计任务 .- 2 -2）基本要求 .- 2 -二、课程设计题目分析: .- 2 -1）设计要点 .- 2 -2）工作原理 .- 2 -三、课程设计的电路设计部分 .- 4 -1）秒脉冲信号发生器 .- 4 -2） 秒、分、时计时器电路设计 .- 4 -（1）60 进制计数器 - 4 -（2）24 进制计数器 - 5 -（3）译码显示电路 .- 6 -（4）校时电路 .- 7 -（5）整点报时电路 .- 8 -四、课程设计原理图 - 11 -五、元器件使用说明 - 11 - 集成异步十进制计数器 74LS90 .- 11 - 555 定时器
2、- 14 -五、硬件安装与调试 - 15 -一、安装 .- 16 -二、调试 .- 16 -三、故障排除 .- 16 -六、附录 .- 18 -（一）元器件清单 .- 18 -（二）原理图 .- 19 -七、课程设计心得 .- 20 -八、参考文献: .- 22 -第一章 课程设计任务和基本要求1.1 设计任务采用中规模集成电路设计一台可以显示时、分、秒的数字钟。1.2 基本要求能直接显示时、分、秒的数字钟，要求二十四为一计数周期。当电路发生走时误差时，要求电路具有校时功能。要求电路具有整点报时功能，报时声响为四低一高，最后一响正好为整点。要求电路主要采用中规模集成电路。要求电源电压+5V -
3、 +10V第二章 课程设计题目分析2.1 设计要点设计一个精确的秒脉冲信号产生电路设计 60 进制、24 进制计数器设计译码显示电路设计操作方面的校时电路设计整点报时电路2.2 工作原理 数字电子钟由信号发生器、 “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 555 构成的振荡器加分频器来实现。计时功能： 要求准确计时，以数字形式显示时、分、秒的时间。小时的计时要求为“24 翻 1”，分和秒的计时要求为 60 进位。校时功能： 当数字钟接通电源或者计时出现误差时，需要校正时间（简称校时） 。校时是数字钟应
4、具备的基本功能，一般电子手表都具有时、分、秒等校时功能。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；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校时脉冲。整点报时： 每当数字钟计时快要到整点时发出声响；通常按照间隔一秒响一次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。将标准秒脉冲信号送入“秒计数器” ，该计数器采用 60 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
5、冲。 “分计数器”也采用 60 进制计数器，每累计 60 分，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，可以实现一天 24h 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 显示器显示出来。整点报时电路是根据计时系统的输出状态产生一个脉冲信号，然后去触发音频发生器实现报时。校时电路是来对“时、分、秒”显示数字进行校对调整。其数字电子钟系统框图如下 （图 1）数字电子钟系统框图第三章 课程设计的电路设计部分3.1 秒脉冲信号发生器秒脉冲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
6、。由振荡器与分频器组合产生秒脉冲信号。振荡器: 通常用 555 定时器与 RC 构成的多谐振荡器，经过调整输出1000Hz 脉冲。分频器: 分频器功能主要有两个：一是产生标准秒脉冲信号，一是提供功能扩电路所需要的信号，选用三片 74LS90 进行级联，因为每片为1/10 分频器，三片级联好获得 1Hz 标准秒脉冲。其电路图如下：（图 2）秒脉冲信号发生器3.2 秒、分、时计时器电路设计秒、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 74LS90 构成。3.2.1 60 进制计数器由 74LS90 构成的 60 进制计数器，将一片 7
7、4LS90 设计成 10 进制加法计数器，另一片设置 6 进制加法计数器。两片 74LS90 按反馈清零法串接而成。秒计数器的十位和个位，输出脉冲除用作自身清零外，同时还作为分计数器的输入脉冲 CP1。下图电路即可作为秒计数器，也可作为分计数器。（图 3）60 进 制 计 数 器3.2.2 24 进制计数器由 74LS90 构成的二十进制计数器，将一片 74LS90 设计成 4 进制加法计数器，另一片设置 2 进制加法计数器。即个位计数状态为 Qd Qc Qb Qa = 0100 十位计数状态为 Qd Qc Qb Qa = 0010 时，要求计数器归零。通过把个位 Qc、十位 Qb 相与后的信
8、号送到个位、十位计数器的清零端，使计数器清零，从而构成 24 进制计数器。电路图如下:（图 4）24 进制计数器3.2.3 译码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。用与驱动 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，输出高电平有效，专用于驱动 LED 七段共阴极显示数码管。若将秒、分、时计数器的每位输出分别送到相应七段译吗管的输入端，便可以进行不同数字的显示。在译码管输出与数码管之间串联电阻 R 作为限流电阻。（图 5）译码显示电路3.2.4 校时电路当重新接通电源或走时出现误差使得数字钟的指示数
9、值同实际时间不相符时，应予以校准（或对表） 。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。校“时”电路的基本原理就是将“秒”信号直接引入“时”计数器，切断“分”向“时”的进位信息，让“时”计数器快速计数，在“时”计数器达到正确的数字后，再切断“秒”信号，让“时”计数器恢复正常工作。在校“时”时， “分”和“秒”计数器可以设置为停止计数也可以选择直接清零。校“分”电路也是按此方法让“秒”信号直接送入“分”计数器的计数脉冲。这样，可使 “分”计数其快速计数。要求：1.“秒”计数器停止计
10、数或清零；2.“分”计数器不能向“时”计数器送进位信息。校“时” 、校“分”简单参考电路如图 4-4 所示：（图 6）校“时” 、校“分”简单参考电路校时电路是数字钟不可缺少的部分，每当数字钟与实际时间不符时，需要根据标准时间进行校时。K1 、K2 分别是时校正、分校正开关。不校正时，K1、K2 开关是闭和的。当校正时位时，需要把 K1 开关打开，然后用手拨动 K3 开关，来回拨动一次，就能使时位增加 1，根据需要去拨动开关的次数，校正完毕后把 K1 开关闭上。校正分位时和校正时位的方法一样。其电路图如下:（图 7）校正电路3.2.5 整点报时电路仿广播电台整点报时电路设计,每当数字钟计时快到
11、整点时发出响声,四低一高并且以最后一声高音结束的时刻为整点时刻。（图 8）整点报时电路设 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 1 所示。实现电路（图 7）所示。（表1）秒个位计数器的状态CP(秒) Q3S1 Q2S1 Q1S1 Q0S1 功 能50 0 0 0 0 51 0 0 0 1 鸣低音52 0 0 1 0 停53 0 0 1 1 鸣低音54 0 1 0 0 停55 0 1 0 1 鸣低音56 0 1 1 0 停57 0 1 1 1 鸣低音58 1
12、 0 0 0 停59 1 0 0 1 鸣高音00 0 0 0 0 停 1 若阈值端的输入电压62/3 ,上比较器1 输出为“1” 电平,触发器的输入端接受“1”信号,可使触发器输出端为“0”,从而使整个 555 电路输出为“0” 。控制电压端外加电压可改变两个比较器的参考电压,不用时,通常将它通过电容(0.01左右)接地。放电管1 的输出端 为集电极开路输L LL L 计数计数出,其集电极最大电流可达 50,因此,具有较大的带灌电流负载能力。若复位端 加低电平或接地,可使电路强制复位,不管 555 电路原处于什么状态,均可使它的输出为“0”电平。只要在 555 定时器电路外部配上两个电阻及两个
13、电容元件,并将某些引脚相连,就可方便地构成多谐振荡器。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。一般来说，振荡器的频率越高，计时精度越高。 如果精度要求不高也可以采用集成逻辑门与 RC 组成的时钟源振荡器或由集成电路定时器 555 与 RC 组成的多谐振荡器， （如图 12）所示。根据频率计算公式：f=1.43/(R1+2R2)C 可确定图中 R、C 的值振荡器的周期取决于（R1+滑动变阻器 R3）和 R2 及电容 C1 的值，因为T0.7(R3+R1)C1;f=1/T;由于当滑动变阻器为 20%左右时振荡器输出 1kHz 矩
14、形波信号，所以f=1/0.7(R315+R1) 0.1f=1kHz （图 12） 555 定时器组成的多谐振荡器第六章 硬件安装与调试C2 0.01F C1 0.1F R2 5.1k RP 10k R1 2k 5V 8 4 1 5 7 6 2 55 3 vo 1ms 由于生产实际的复杂性和电子元器件参数的离散性，加上设计者经验不足，一个仅从理论上设计出来的电路往往是不成熟的，可能存在许多问题，而这些问题不通过实验是不容易检查出来的，因此，在完成方案设计之后，需要进行电路的装配和调试，以发现实验现象与设计要求不相符合的情况。课程设计电路一般较为复杂，可分单元电路依次进行安装调试，达到指标要求之后
15、，再联系起来统调。6.1.1 安装在装配电路的时候，一定要认真仔细、一丝不苟，注意集成块不要插错或方向插反，连线不要错接或漏接并保证接触良好，电源和地线不要短路，以避免人为故障。1.要根据原理和芯片引脚图，分功能设计原理图，并根据接线顺序分步骤验证。2.为防止接触不良出现故障：（1）集成芯片引脚对准面包板的金属孔小心插入；（2）导线的剥线长度与面包板的厚度相适应（比面包板的厚度稍短） ；（3）导线的裸线部分不要露在面包板的外面，以防短路；（4）布线时导线尽量走直角（可借助镊子完成） ，而且线与线之间尽量不要交叉跨线；（5）布线尽可能不要走在集成芯片上面。3.接线时确保可靠的电源和接地。4.注意
16、芯片的控制引脚必须接正确。6.1.2 调试单元电路安装好后，应该先认真进行通电前的检查，通电后，检查每片集成电路是否有发烫现象，检查工作电压是否正常，这是电路正常工作的基本保证。调试该单元电路直至正常工作。调试可分为静态调试和动态调试两种，一般组合电路应静态调试，时序电路应动态调试。统调电路的方法是将已调试好的若干单元电路连接起来，然后按照信号流向，由输入到输出，由简单到复杂，依次测试，直至正常工作。6.1.3 故障排除实验中出现了故障和问题，不要急躁，要善于学会用理论与实践相结合的方法分析故障原因，这样就可能较快地找出解决问题的方法和途径。一般常见故障源为：接触不良（特别是当电源线或接地线接
17、触不良时，可能造成工作不稳定） 、接线错误（错接或漏接） 、器件本身损坏（需单独测试其功能方能确定确实损坏） 、多余控制输入端未正确处理（一般情况悬空会有较大干扰，应接固定电平） 、设计上有缺陷（出现预先估计不到的现象，这就需要改变某些元件的参数或更换元器件，甚至需要修改方案）。一般测试手段为：面包板上的指示灯测试、万用表测试和示波器测试。下面详细介绍利用实验室的现有条件进行故障排除：1.万用表(1)、首先用万用表电压档测量芯片的电源线和地线之间的电压是否为电源电压 。为防止导线接触不良，用万用表的红黑表笔直接测量芯片的电源和地两个引脚之间的电压。(2)、用万用表欧姆档检测每一根线是否接触良好
18、，在检测过程中如果发现有几根线有时能接通，有时不能接通，需要把接触不好的线重新再接一遍。若检测的导线状况良好，但信号却没有送到芯片相对应的引脚，可能是芯片没有插好造成的接触不良问题。解决方法为把芯片拔出，根据面包板插孔状况重新调整其引脚，使其正对孔，再均匀用力将芯片插入面包板中。3.555 定时器。虽然很多同学对 555 定时器作为多谐振荡器的工作原理很清楚，但是出现问题时他们确束手无策。我们可以用指示灯和万用表来进行粗略测量。如果用指示灯，则处于正常工作状态的 555 定时器的引脚 4 和 8 为高电平（5V） ，指示灯应为亮。引脚 7 的电平为 34V 之间，指示灯应为亮。引脚 2 和 6
19、 为高电平 到 之间，指示灯应为亮。引脚 5 电平为35V10左右，指示灯应为亮。其输出端（引脚 3）的电平为高低交替，若V310555 定时器产生的频率较低时（如 1Hz） ，指示灯为明暗交替变化，但频率较高时（如 1000 Hz） ，由于肉眼分辨不出，所以我们看到的指示灯为常亮。用指示灯测量的缺点是：只要测试电压高于一定数值（大约 1V） ，指示灯就亮。为了更准确测试其电压的具体数值可选用万用表。但频率过高时，万用表也很难看出，可选用示波器来观测 555 定时器的输出波形。一般情况只要接线正确，电阻和电容没有接触不良，555 定时器就能正常工作。如出现故障可，且各引脚电压过高，应考虑电容是
20、否接触不良；如果各引脚电压过低，应考虑，电阻接触不良。4.计数器输入脉冲信号，用指示灯或万用表来测试四个输出信号 ，3210Q其中 的频率最高， 的频率最低。在测量输出时，如果指示灯常亮或0Q3常灭( 万用表指针不动)，就表示此计数器没有正常工作。可检测计数器的清零端和控制端（使能端）的电平是否正确。5.译码显示器先检测译码器的四个输入信号是否正确；再检测其控制端（若是4511、247 或 248，其控制端为引脚 3、4 和 5，电平分别为 5V、5V 和 0V） ；最后检测是否有输出。如果输入信号全正确，输出也正确，但是没有显示正确数字，就应考虑是数码管的问题，可以用万用表的欧姆档检测数码管
21、和译码器之间的接线是否正确。如果以上检测均没有发现问题，可考虑是数码管的问题。如果译码器的输入信号全正确，但是没有输出，可考虑换译码器。如果更换集成芯片或者数码管，可以先用旁边好的芯片代替测试，以确定是否需要更换。6.单稳态课程设计时，我们提供的是双单稳触发器，可参考其功能表（附录A）和接线图 4-11。一般来讲只要接线没有问题均可实现功能。7.控制电路控制电路电路一般由与非门组成，下面以两输入端与非门 CD4011 为例。首先要检测的也是电源电压。然后分别检测其四个独立的两输入与非门。如果其中有一个与非门的输入与输出信号不符合与非的逻辑关系。有两种可能：第一芯片损坏，可更换手边其它 CD40
22、11，若输入与输出仍不符合与非逻辑关系，就应考虑另外一种可能输出接线错误；输出接线错误指的是其输出端有可能接到另外一个芯片的输出信号上，从而影响了它的输出状态。第七章 附录7.1.1 元器件清单型号 功能 备注74LS11 四个 2 输入与非门 两片74LS04 六反向器 两片74LS08 四个 2 输入与门 一片74LS21 双 4 输入与门 一片74LS48 译码器 六片74LS90 二-五-十进制计数器 三片CD4518 二-五-十进制计数器 三片4060 芯片 产生时间延迟和多种脉冲信号 一片LED 显示器 显示 六块二极管 发光型 一个电阻 10k 一个 3k 一个 100 一个开关
23、 两个电容 0.01uF 两个7.1.2 原理图见附 A3 纸课设心得本 次 课 程 设 计 主 要 是 数 字 钟 的 设 计 ， 属 于 是 专 业 基 础课 ， 课 程 设 计 是 重 要 的 实 践 教 学 环 节 。 本 课 程 设 计 的 基 本任 务 是 着 重 提 高 自 身 在 数 字 集 成 电 路 应 用 方 面 的 实 践 技 能 ，树 立 严 谨 的 科 学 作 风 ， 培 养 自 身 综 合 运 用 理 论 知 识 解 决 实际 问 题 的 能 力 。 我 通 过 电 路 设 计 、 安 装 、 调 试 、 整 理 资 料等 环 节 ， 初 步 掌 握 工 程 设
24、计 方 法 和 组 织 实 践 的 基 本 技 能 ，逐 步 熟 悉 开 展 科 学 实 践 的 程 序 和 方 法 。通 过 课 程 设 计 各 环 节 的 实 践 ， 其 中 包 括 振 荡 器 ， 分 频器 ， 计 数 器 ， 校 时 电 路 ， 整 点 报 时 电 路 ， 每 个 子 电 路 都 是独 立 的 集 成 电 路 ， 所 用 芯 片 有74LS00、 74LS08、 CD4511、 CD4060、 74LS04 等 。 每 一 个电 路 都 要 进 行 独 立 的 设 计 和 调 试 使 自 己 达 到 如 下 要 求 ： 根据 设 计 任 务 和 指 标 ， 初 选 电
25、路 ； 通 过 调 查 研 究 、 设 计 计 算 ，确 定 电 路 方 案 ； 选 择 元 器 件 ， 安 装 电 路 ， 独 立 进 行 试 验 ，并 通 过 调 试 改 进 方 案 ； 分 析 实 验 结 果 ， 写 出 设 计 总 结 报 告 ；学 会 自 己 分 析 、 找 出 解 决 问 题 的 方 法 ； 对 设 计 中 遇 到 的 问题 ， 能 独 立 思 考 ， 查 阅 资 料 ， 寻 找 答 案 ； 掌 握 一 些 测 试 电路 的 基 本 方 法 ， 实 践 中 出 现 一 般 故 障 ， 能 通 过 “分 析 、观 察 、 判 断 、 试 验 、 再 判 断 ”的 基
26、本 方 法 独 立 解 决 ； 能对 实 验 结 果 进 行 分 析 和 评 价 。通 过 本 次 设 计 使 我 对 数 字 电 路 的 设 计 还 有 芯 片 的 使 用更 加 的 熟 悉 ， 在 接 版 子 的 时 候 我 还 学 会 了 布 局 ， 检 查 线 路 ，遇 到 问 题 该 怎 么 去 解 决 ， 而 不 是 一 味 的 去 埋 怨 去 问 ， 在 接线 的 时 候 还 培 养 了 我 的 耐 心 ， 令 外 在 模 拟 的 时 候 我 很 好 的学 会 了 一 门 软 件 的 使 用 、 并 且 胡 熟 练 的 运 用 ， 很 顺 利 的 完成 的 模 拟 。 总 之 ，
27、 这 次 课 程 设 计 使 我 获 益 匪 浅 ， 实 现 了 理论 和 实 践 的 相 结 合 ， 在 特 别 感 谢 老 师 的 帮 助 和 精 心 指 导 。通 过 严 格 的 科 学 训 练 和 工 程 设 计 实 践 ， 树 立 严 肃 认 真 、 一丝 不 苟 、 实 事 求 是 的 科 学 作 风 ， 并 培 养 学 生 具 有 一 定 的 生产 观 、 经 济 观 及 团 结 协 作 的 精 神 。谢 辞本课设是在黄杰老师的悉心指导和热心关怀下完成的，在此我衷心地向黄老师表示感谢。感谢您在学业上对我的严厉要求和精心指导，让我在实践知识上有了进一步的提高；同时让我学会了更多的做
28、人和处事方法。黄老师她严以治学的态度、扎实渊博的学识，精益求精的工作作风以及诚恳谦虚的人品深深地感染和激励着我，让我不能忘记奋斗和进取。参考文献1 任 为 民 电 子 技 术 课 程 设 计 指 导 书 北 京 ： 中 央 广 播电 视 大 学 出 版 社 ,20012 焦 宝 文 电 子 技 术 基 础 课 程 设 计 指 南 北 京 ： 清 华 大学 出 版 社 ,20023 高 吉 祥 电 子 技 术 基 础 实 验 与 课 程 设 计 北 京 ： 电 子工 业 出 版 社 ,20024 王 毓 银 数 字 电 路 逻 辑 设 计 （ 第 二 版 ） 北 京 ： 高 等 教育 出 版 社
29、 ,20055 余 孟 尝 数 字 电 子 技 术 简 明 教 程 北 京 ： 高 等 教 育 出 版社 ,20036 康 华 光 电 子 技 术 基 础 (数 字 部 分 ) 北 京 ： 高 等 教 育 出版 社 ,20017 阎 石 数 字 电 子 技 术 基 础 北 京 ： 高 等 教 育 出 版 社 ,20048 郭 永 贞 数 字 电 子 技 术 北 京 ： 东 南 大 学 出 版 社 ，2006 9 吕 思 忠 数 字 电 路 实 验 与 课 程 设 计 哈 尔 滨 工 程 大学 出 版 社 ， 200710 王 楚 数 字 逻 辑 电 路 北 京 ： 高 等 教 育 出 版 社 ,199911 欧 阳 星 明 数 字 逻 辑 （ 第 二 版 ） 湖 北 ： 华 中 科 技 大 学出 版 社 ,200512 王 永 军 数 字 逻 辑 与 数 字 系 统 （ 第 3 版 ） 北 京 ： 电子 工 业 出 版 社 ,2005
