18計(jì)算機(jī)學(xué)院數(shù)字系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)目錄第一章 系統(tǒng)概述31.1 設(shè)計(jì)題目31.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的和內(nèi)容31.2.1 設(shè)計(jì)目的31.2.2 設(shè)計(jì)要求31.2.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容和步驟31.3 設(shè)計(jì)數(shù)字鐘的可行性分析3第二章 設(shè)計(jì)總體方案42.1 總體方案框圖42.2 設(shè)計(jì)原理42.3 元器件的選擇及功能分析52.3.1 選擇器件52.3.2 555定時(shí)器的應(yīng)用52.3.3 74290的應(yīng)用72.3.4與門8第三章 功能模塊93.1 單元電路的設(shè)計(jì)93.1.1 秒脈沖發(fā)生器93.1.2時(shí)間技術(shù)單元103.2總體設(shè)計(jì)電路圖12第四章 EWB24小時(shí)計(jì)時(shí)數(shù)字鐘仿真結(jié)果134.1使用 EWB作為24小時(shí)計(jì)時(shí)數(shù)字鐘設(shè)計(jì)平臺(tái)134.1.1 EWB 概述及其仿真軟件的特點(diǎn)134.1.2 EWB介紹144.2 EWB24小時(shí)計(jì)時(shí)數(shù)字鐘基本功能仿真結(jié)果144.3EWB電子鐘整體仿真結(jié)果15結(jié)束語(yǔ)16參考文獻(xiàn)17第一章 系統(tǒng)概述1.1 設(shè)計(jì)題目課程設(shè)計(jì)題目：數(shù)字鐘 1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的和內(nèi)容1.2.1 設(shè)計(jì)目的通過本次課程設(shè)計(jì)，學(xué)生學(xué)會(huì)通過進(jìn)行查閱資料、方案設(shè)計(jì)、單元和系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)、繪圖等工作，獨(dú)立完成本次數(shù)字電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提高學(xué)生獨(dú)立分析問題、獨(dú)立解決問題、獨(dú)立動(dòng)手設(shè)計(jì)的能力；提高學(xué)生在數(shù)字電路應(yīng)用方面的實(shí)踐技能，培養(yǎng)創(chuàng)造性思維及綜合運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。1.2.2 設(shè)計(jì)要求 1.用中小規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)并制作一臺(tái)能顯示時(shí)、分、秒數(shù)字鐘 2. 由振蕩器產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。 3. 小時(shí)計(jì)數(shù)器用24進(jìn)制計(jì)數(shù)器。 4. 可以手動(dòng)校正時(shí)間，能分別進(jìn)行時(shí)、分的校正。 5. 采用LED顯示時(shí)、分、秒。1.2.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容和步驟1. 根據(jù)選題要求，進(jìn)行方案比較，畫出系統(tǒng)框圖，進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。2. 設(shè)計(jì)單元電路，計(jì)算參數(shù)，選擇元器件。3. 畫出系統(tǒng)電路原理圖初稿。4. 利用EWB軟件組裝調(diào)試所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)電路，修改設(shè)計(jì)中的疏漏。5. 撰寫課程設(shè)計(jì)說明書。6. 繪制正式的系統(tǒng)電路原理圖。1.3 設(shè)計(jì)數(shù)字鐘的可行性分析選用EWB軟件，以計(jì)算機(jī)作為載體。通過使用EWB軟件，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)24小時(shí)計(jì)時(shí)的數(shù)字鐘，并實(shí)現(xiàn)它的校時(shí)功能，通過電路分析，本次試驗(yàn)可用六塊74290芯片分別實(shí)現(xiàn)時(shí)24進(jìn)制和分秒60進(jìn)制，脈沖信號(hào)由振蕩器產(chǎn)生，方案設(shè)計(jì)是可行的第二章 設(shè)計(jì)總體方案2.1 總體方案框圖圖 2.1 總體方案框圖2.2 設(shè)計(jì)原理由555定時(shí)器構(gòu)成的振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)定的1Hz的脈沖信號(hào)，作為標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖。秒計(jì)數(shù)器計(jì)60后向分計(jì)數(shù)器進(jìn)位，分計(jì)數(shù)器計(jì)滿60后向小時(shí)進(jìn)位，小時(shí)計(jì)數(shù)器設(shè)置成24進(jìn)制計(jì)數(shù)器，滿24后清零，重新開始計(jì)時(shí)。計(jì)數(shù)器的輸出直接送到LED顯示器。計(jì)時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí)可以用校時(shí)電路進(jìn)行校時(shí)，校分，校時(shí)電路是由一開關(guān)接到一個(gè)高電位上，當(dāng)全按一下開關(guān)就傳來(lái)一個(gè)高位脈沖，計(jì)數(shù)器加一。2.3 元器件的選擇及功能分析2.3.1 選擇器件本次課程設(shè)計(jì)所用器件如表2-1： 名稱數(shù)目脈沖信號(hào)發(fā)生器1十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器6與門2單刀雙擲開關(guān)3表2-1 本試驗(yàn)所有器材如2.3.2 555定時(shí)器的應(yīng)用國(guó)產(chǎn)雙極型定時(shí)器CB555電路結(jié)構(gòu)圖。它是由比較器C1和C2，基本RS觸發(fā)器和集電極開路的放電三極管TD三部分組成。 VH是比較器C1的輸入端，v12是比較器C2的輸入端。C1和C2的參考電壓VR1和VR2由VCC經(jīng)三個(gè)五千歐電阻分壓給出。在控制電壓輸入端VCO懸空時(shí)，VR1=2/3VCC,VR2=1/3VCC。如果VCO外接固定電壓，則VR1=VCO,VR2=1/2VCO.RD是置零輸入端。只要在RD端加上低電平，輸出端v0便立即被置成低電平，不受其他輸入端狀態(tài)的影響。正常工作時(shí)必須使RD處于高電平。下圖為EWB軟件555定時(shí)器邏輯符號(hào)圖：圖 2.2 555定時(shí)器邏輯符號(hào)555定時(shí)器是一種中規(guī)模集成電路，只要在外部配上適當(dāng)阻容元件，就可以方便地構(gòu)成脈沖產(chǎn)生和整形電路。 圖2.3 555定時(shí)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖1. 555集成定時(shí)器由五個(gè)部分組成。基本RS觸發(fā)器：由兩個(gè)“與非”門組成比較器：C1、C2是兩個(gè)電壓比較器分壓器：阻值均為5千歐的電阻串聯(lián)起來(lái)構(gòu)成分壓器，為比較器C1和C2提供參考電壓。晶體管開關(guān)和輸出緩沖器：晶體管VT構(gòu)成開關(guān)，其狀態(tài)受端控制。輸出緩沖器就是接在輸出端的反相器G3，其作用是提高定時(shí)器的帶負(fù)載能力和隔離負(fù)載對(duì)定時(shí)器的影響。2. 基本功能：當(dāng)時(shí)，輸出電壓為低電平，VT飽和導(dǎo)通。當(dāng)時(shí)，時(shí)，時(shí)，C1輸出低電平，C2輸出高電平，Q0，飽和導(dǎo)通。當(dāng)、時(shí)，C1、C2輸出均為高電平，基本RS觸發(fā)器保持原來(lái)狀態(tài)不變，因此、VT也保持原來(lái)狀態(tài)不變。當(dāng)、時(shí)，C1輸出高電平，C2輸出低電平，Q1，VT截止。 表22 555定時(shí)器邏輯功能表555定時(shí)器功能表輸 入輸 出閾值輸入(vI1)觸發(fā)輸入(vI2)復(fù)位()輸出()放電管T00導(dǎo)通 11截止10導(dǎo)通1不變不變2.3.3 74290芯片的功能及應(yīng)用74290由兩個(gè)計(jì)數(shù)器組成，一個(gè)是FF0構(gòu)成的一位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，另一個(gè)是FF1,FF2,FF3構(gòu)成的五進(jìn)制計(jì)數(shù)器。它們獨(dú)立使用時(shí)，分別是二進(jìn)制計(jì)數(shù)器和五進(jìn)制計(jì)數(shù)器。當(dāng)計(jì)數(shù)脈沖CP沖CP1端輸入，Q0接到CP2端，Q3,Q2,Q1,Q0為計(jì)數(shù)器輸出時(shí)，構(gòu)成8421編碼的十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。而計(jì)數(shù)脈沖CP從CP2端輸入，Q3接到CP1端，Q3,Q2,Q1,Q0為計(jì)數(shù)器輸出時(shí)，則構(gòu)成5421編碼的十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。74290功能如表23所示。表23 74290功能表由其功能表看出，當(dāng)R0(1)和R0(2)為兩個(gè)置0輸入端，R0(1)和R0(2)全為1時(shí)，將計(jì)數(shù)器置成0000，S9(1)和S9(2)為置9輸入端，S9(1)和S9(2)全為1時(shí)，將計(jì)數(shù)器置成1001。8圖2.4 74290的邏輯符號(hào) 圖2.5 74290輸出真表82.3.4與門 真值表如下表25所示：A BF0 00 11 01 1O111圖2.9 邏輯符號(hào)邏輯功能描述如下： 其中A、B為輸入端，Y為輸出端。 當(dāng)輸入端A=0，B=0時(shí)，輸出端Y為低電平，即Y=0； 當(dāng)輸入端A=0，B=1時(shí)，輸出端Y為高電平，即Y=1； 當(dāng)輸入端A=1，B=0時(shí)，輸出端Y為高電平，即Y=1； 當(dāng)輸入端A=1，B=1時(shí)，輸出端Y為高電平，即Y=1； 即兩個(gè)輸入端A、B的輸入電平只要有一個(gè)是低電平0，輸出端Y就為低電平0；只要A、B兩個(gè)輸入端的電平有一個(gè)為1時(shí)，輸出端Y便為高電平1。第三章 功能模塊3.1 單元電路的設(shè)計(jì) 3.1.1 秒脈沖發(fā)生器本實(shí)驗(yàn)采用555定時(shí)器組成多諧振蕩器，產(chǎn)生1.0HZ的脈沖。振蕩器是構(gòu)成數(shù)字式時(shí)鐘的核心,它的穩(wěn)定度及頻率的準(zhǔn)確度決定了數(shù)字鐘計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確程度。計(jì)算頻率公式為F=（1.43/（R1+R2）*C）如圖3.1所示，輸出波形如圖3.2所示。圖3.1 由555定時(shí)器構(gòu)成的1.0HZ振蕩器脈沖發(fā)生器圖3.2 由振蕩器產(chǎn)生的方針波形3.1.2時(shí)間技術(shù)單元時(shí)間計(jì)數(shù)單元有時(shí)、分和秒計(jì)數(shù)3個(gè)部分. 時(shí)計(jì)數(shù)單元為24進(jìn)制計(jì)數(shù)器;分計(jì)數(shù)和秒計(jì)數(shù)單元為60進(jìn)制計(jì)數(shù)器。 我采用10進(jìn)制計(jì)數(shù)器74290來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間計(jì)數(shù)單元的計(jì)數(shù)功能.每一計(jì)數(shù)器均提供一個(gè)異步清零端(高電平有效).圖3.3為秒計(jì)數(shù)器，CLKA為信號(hào)輸入端，由振蕩器提供1Hz的秒脈沖。當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到60后向分計(jì)數(shù)器進(jìn)位。當(dāng)秒十位上達(dá)到6（即0110）時(shí)，R0(1)和R0(2)接到QB、QC上，十位數(shù)清零個(gè)位數(shù)到10后也自動(dòng)清零。在QB、QC接一個(gè)與門然后接到分計(jì)數(shù)器上可向分計(jì)數(shù)器進(jìn)一位。分計(jì)數(shù)器與秒計(jì)數(shù)器原理相同。， 圖3.3 60進(jìn)制分、秒計(jì)數(shù)器圖3.4為24進(jìn)制時(shí)計(jì)數(shù)器，個(gè)位和十位均為十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，當(dāng)走24（即十位為0010，個(gè)位為0100）時(shí)，將對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行清零。將個(gè)位和十位另個(gè)計(jì)數(shù)器的R0(1)和R0(2)都分別接到十位計(jì)數(shù)器的QB和個(gè)位計(jì)數(shù)器的QC即可。如圖3.4所示。圖3.4 24進(jìn)制時(shí)計(jì)數(shù)器仿真結(jié)果圖3.5仿真結(jié)果為當(dāng)“秒”計(jì)數(shù)器到60時(shí)的進(jìn)位圖3.6為分到時(shí)的進(jìn)位 3.2總體設(shè)計(jì)電路圖給出總體電路原理圖，說明電路整體工作情況以及模塊間的連接關(guān)系經(jīng)過對(duì)以上各個(gè)步驟的總結(jié)可以的到最終的結(jié)果，通過軟件對(duì)最后的結(jié)果進(jìn)行仿真，驗(yàn)證本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)的正確性?？傠娐穲D如下： 圖3.7 24小時(shí)計(jì)時(shí)數(shù)字鐘的總體設(shè)計(jì)電路圖第四章 EWB24小時(shí)計(jì)時(shí)數(shù)字鐘仿真結(jié)果4.1使用 EWB作為24小時(shí)計(jì)時(shí)數(shù)字鐘設(shè)計(jì)平臺(tái)4.1.1 EWB 概述及其仿真軟件的特點(diǎn)Electronic Workbench（EWB）軟件是專門用于電子電路仿真的“虛擬電子工作臺(tái)”軟件，它是目前全球最直觀、最高效的EDA軟件。它的功能強(qiáng)大，能夠提供電阻、電容、三極管、集成電路等數(shù)十大類幾千種元件，能夠提供示波器、萬(wàn)用表等十幾種常用的電子儀器；具有強(qiáng)大的電路圖繪制功能，可繪制出符合標(biāo)準(zhǔn)的電子圖紙；它還具有強(qiáng)大的波形顯示功能，并且結(jié)果可輕松放入各類文檔。用該軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析非常方便。本文在EWB基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)電子時(shí)鐘，是由數(shù)字集成電路構(gòu)成、用數(shù)碼管顯示的一種現(xiàn)代計(jì)時(shí)器，與傳統(tǒng)機(jī)械式時(shí)鐘相比具有更高的準(zhǔn)確性和直觀性，且無(wú)機(jī)械裝置，具有更長(zhǎng)的使用壽命，因此廣泛使用。EWB是加拿大Interactive Image Technologies公司于20世紀(jì)90年代推出的專門用于電子線路仿真實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)的“虛擬電子工作平臺(tái)”。EWB是一種在電子技術(shù)工程與電子技術(shù)教學(xué)中廣泛應(yīng)用的優(yōu)秀計(jì)算機(jī)仿真軟件，被譽(yù)為“計(jì)算機(jī)里的電子實(shí)驗(yàn)室”。EWB仿真軟件的特點(diǎn)1.界面直觀。繪制的電路圖需要的元器件、測(cè)試儀都以圖標(biāo)方式出現(xiàn)，而且儀器的操作開關(guān)、按鈕同實(shí)際操作非常相似，EWB提供交互式的電路模擬，方便使用的人機(jī)圖形界面。 2EWB具有完整的混合模擬與數(shù)字信號(hào)模擬的功能，可任意地在系統(tǒng)中集成數(shù)字及模擬元件。EWB會(huì)自動(dòng)地進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換。EWB具備即時(shí)波形顯示功能。3EWB具有下拉式的電路編輯功能表，可使電路元件的輸入更為簡(jiǎn)易快速。4EWB具有虛擬的儀表設(shè)備，包含萬(wàn)用電表、示波器及邏輯分析儀等，可具體地模擬實(shí)際的測(cè)量情況。5提供了各種分析手段。有靜態(tài)分析、動(dòng)態(tài)分析、時(shí)域分析、頻域分析、噪聲分析、失真分析、離散傅立葉分析、溫度分析等各種分析方法。4.1.2 EWB介紹本文使用的EWB版本是5.12，界面如圖4.1所示：圖4.1 EWB 5.12版本界面 使用EWB可以實(shí)現(xiàn)大部分模擬電子線路與數(shù)字電子線路實(shí)驗(yàn)的功能，易學(xué)、易用、真實(shí)、準(zhǔn)確、快捷、方便、在以往進(jìn)行電子線路設(shè)計(jì)時(shí)，最初的設(shè)計(jì)電路往往是不可能一次達(dá)到設(shè)計(jì)要求，而需要經(jīng)過反復(fù)多次仿真、測(cè)試，才能符合設(shè)計(jì)要求。這樣既費(fèi)時(shí)費(fèi)力，又增加了產(chǎn)品的成本。此外，因受工作場(chǎng)所、儀器設(shè)備等因素的限制，許多實(shí)驗(yàn)難以進(jìn)行。利用EWB仿真軟件就可以在虛擬器件庫(kù)中隨意選擇并改變器件的參數(shù)，在虛擬的儀器庫(kù)中隨意選擇需要的儀器設(shè)備，在虛擬的試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以使設(shè)計(jì)電路最終達(dá)到最佳設(shè)計(jì)要求。4.2 EWB24小時(shí)計(jì)時(shí)數(shù)字鐘基本功能仿真結(jié)果 首先，由方波電源輸出穩(wěn)定的脈沖信號(hào)，輸出標(biāo)準(zhǔn)的秒脈沖信號(hào)，秒計(jì)數(shù)電路為六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，秒計(jì)數(shù)電路將振蕩器產(chǎn)生的秒脈沖信號(hào)作為輸入信號(hào)，進(jìn)行計(jì)數(shù)，并通過秒顯示器顯示秒；其次，當(dāng)秒計(jì)數(shù)器完成60個(gè)秒計(jì)數(shù)后，秒計(jì)時(shí)電路清零，輸出一個(gè)“分計(jì)時(shí)信號(hào)”，分計(jì)時(shí)電路收到秒計(jì)時(shí)電路產(chǎn)生的信號(hào)后，開始計(jì)數(shù)并顯示分；再次，當(dāng)分計(jì)時(shí)電路完成60個(gè)分計(jì)數(shù)后，分計(jì)數(shù)器清零，輸出一個(gè)“時(shí)計(jì)時(shí)信號(hào)”，時(shí)計(jì)時(shí)電路收到分計(jì)時(shí)電路產(chǎn)生的信號(hào)后，開始計(jì)數(shù)并顯示時(shí)；最后，時(shí)計(jì)時(shí)電路完成24個(gè)時(shí)計(jì)數(shù)后，清零。完成電子鐘基本功能仿真結(jié)果。4.3 EWB電子鐘整體仿真結(jié)果使用EWB將各模塊連接成完整的電路,實(shí)現(xiàn)了數(shù)字電子鐘的基本功能和擴(kuò)展功能，完成EWB仿真數(shù)字電子鐘。使用EWB仿真的數(shù)字電子鐘電路圖，如圖4.2所示:圖4.2個(gè)人心得體會(huì)我覺得這次的課程設(shè)計(jì)不僅可以很好地鍛煉學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)開發(fā)能力和動(dòng)手能力，而且可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還可以大大節(jié)約數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的成本，提高設(shè)計(jì)效率。EWB軟件，可方便地在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行電路設(shè)計(jì)、仿真，其電路結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)觀念可以很容易地被修正；也可方便地更換所需要的元件。通過模擬可快速地反映出所設(shè)計(jì)電路的性能。若能利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)進(jìn)行電路模擬與分析，則可有效地節(jié)約資源、縮短產(chǎn)品研發(fā)的成本與時(shí)間。而且電路簡(jiǎn)潔明了，容易連接也容易修改。整個(gè)過程花了我不少時(shí)間，可當(dāng)做完時(shí)才發(fā)現(xiàn)做這個(gè)數(shù)字鐘是很簡(jiǎn)單的一件事，主要是在調(diào)試時(shí)花了不少時(shí)間，其間換了不少器件，有的器件在理論上可行，但在實(shí)際運(yùn)行中就無(wú)法看到效果，所以調(diào)試花了我不少時(shí)間，有時(shí)無(wú)法找出錯(cuò)誤便更換器件重新接線以使電路正常運(yùn)行。在實(shí)際的操作過程中，能把理論中所學(xué)的知識(shí)靈活地運(yùn)用起來(lái)，并在調(diào)試中會(huì)遇到各種各樣的問題，電路的調(diào)試提高了我們解決問題的能力，學(xué)會(huì)了在設(shè)計(jì)中獨(dú)立解決問題，也包括怎樣去查找問題。似乎所有的事都得自己新手去操作才會(huì)在腦海中留下深刻的印象，這個(gè)小小的課程設(shè)計(jì)讓我可以熟練的操作EWB軟件