1、電子線路課程設計報告系另1：機電與自動化學院專業班級：電氣及自動化技術1001學生姓名：陳星涯指導教師：梁宗善i=r（課程設計時間：2012年1月3日2012年1月13日）華中科技大學武昌分校1. 課程設計目的 3頁2. 課程設計題目描述和要求 3頁2.1課程設計題目 3頁2.2課程設計要求 3頁3. 比較和選定設計的系統方案 4頁3.1數字鐘的構成 4頁4. 單元電路設計及工作原理 5頁4.1時基電路 5頁a. 多諧振蕩器的工作原理 5頁4.2計數器 7頁a. 中規模計數器組件介紹 7頁b. 60 進制計數器 8頁C.12 翻1計數器9頁4.3譯碼器 10頁4.4顯示器 10頁4.5校時電路

2、 11頁4.6定時控制電路 12頁4.7仿廣播電臺正點報時電路 13頁5. 調試過程及分析 14頁5.1 顯示器故障排查 14頁5.2 計數器調試及分析 15頁5.3 校時電路的調試 16頁5.4 增加抗干擾電路 16頁5.5 鬧時電路的調試 17頁5.6 仿廣播電臺整點報時電路調試 17頁6. 課程設計總結 17頁7. 參考文獻 19頁8. 附件一：電子時鐘主體電路電路圖 20頁9. 附件二：擴展電路電路圖 21頁10. 附件三：系統所需元器件清單 22頁11. 課程設計成績 23頁一、設計任務與目的數字時鐘是一種利用數字電路技術實現時、分、秒計時的裝置， 與傳統的機械式時鐘相比，它具有更高

3、的準確性和直觀性，性能穩定， 使用壽命長，且無機械傳動裝置。此外，它還具有整點報時、定時響 鬧功能，因此在人們日常的生活、學習、工作中有廣泛的使用，已經 成為了一種不可缺少的必需品。數字時鐘從原理上講是一種典型的數字電路，其中包括了組合邏 輯電路和時序邏輯電路。因此，我們此次設計與制作的目的是了解數 字時鐘的原理，從而學會制作數字鐘。通過數字時鐘的制作，進一步 了解在電子產品制作中用到的中小規模集成電路的作用及實用方法， 學習與掌握各種組合邏輯電路與時序邏輯電路的原理與使用方法。二、課程設計題目描述和要求1、課程設計題目設計一個有“時”、“分”、“秒”顯示，且有校時功能的數字電子鐘。2、課程設

4、計要求a. 振蕩器電路設計；b. 分頻器電路設計；c. 時、分、秒計數器的設計；d. 時、分、秒譯碼顯示電路的設計；e. 60進制電路，24進制電路（或12翻1電路）設計；f. 校時電路設計；g. 定時控制電路的設計；h. 仿電臺整點報時電路的設計。三、比較和選定設計的系統方案1數字鐘的構成數字時鐘實際上是一個對標準頻率 （1HZ進行計數的計數電路， 由于計數的起始時間不可能與標準時間（如北京時間）一致，故需要 在電路上加一個校時電路，同時標準的 1kHz時間信號必須做到準確 穩定。通常使用石英晶體振蕩器電路構成數字鐘。2數字鐘組成方框圖由圖可見：本數字鐘電路主要由震蕩器、分頻器、校時電路、時

5、分秒計數器、譯碼顯示器及整點報時電路、定時控制電路構成。它們 的工作原理是：由震蕩器產生的高頻脈沖信號作為數字鐘的時間基 準，再經過分頻器輸出標準“秒脈沖”送入秒計數器，秒計數器采用 60進制計數器，每累計60秒發出一個“分脈沖”信號，該信號作為 分計數器的脈沖信號，分計數器也采用60進制計數器，每累計60分 鐘發出一個“時脈沖”信號，該信號將被送到時計數器，時計數器采 用12翻1計數器。譯碼顯示電路將時、分、秒計數器的輸出狀態送 到七段譯碼顯示器，通過六位LED七段顯示器顯示出來。校時電路用 來對時、分顯示數字進行調整；整點報時電路則根據計時系統的輸出 狀態產生一脈沖信號，然后去觸發音頻發生

6、器實現報時；定時控制電 路由指定時刻發出的信號，驅動音響電路。四、單元電路設計及工作原理1.時基電路時基電路的作用是產生一個標準時間信號（高電平持續時間為1s）。本次課程設計時基信號由555定時器組成的多諧振蕩器和3片74LS90 構成的分頻器產生，如圖附件二時基電路電路圖。a.多諧振蕩器的工作原理多諧振蕩器是能產生矩形波的一種自激振蕩器電路，由于矩形波 中除基波外還含有豐富的高次諧波，故稱為多諧振蕩器。由555定時器構成的多諧振蕩器如圖1所示，R1, R2和C是外 接定時元件，電路中將高電平觸發端（6腳）和低電平觸發端（2 腳） 并接后接到R2和C的連接處，將放電端（7腳）接到R1，R2的連

7、接由于接通電源瞬間，電容 C來不及充電，電容器兩端電壓 uc為低電平，小于（1/3 ） Vcc，故高電平觸發端與低電平觸發端均為低電 平，輸出uo為高電平，放電管VT截止。這時，電源經R1, R2對電 容C充電，使電壓uc按指數規律上升，當uc上升到（2/3）Vcc時， 輸出uo為低電平，放電管VT導通，把uc從（1/3）Vcc上升到（2/3） Vcc這段時間內電路的狀態稱為第一暫穩態，其維持時間TPH的長短與電容的充電時間有關 。充電時間常數T充二（R1+ R2） Co由于放電管VT導通，電容C通過電阻R2和放電管放電，電路進 人第二暫穩態.其維持時間TPL的長短與電 容的放電時間有關，放電

8、 時間常數T放=R2C0隨著C的放電，uc下降，當uc下降到（1/3 ） Vcc時，輸出uo。為高電平，放電管VT截止，Vcc再次對電容c充 電，電路又翻轉到第一暫穩態。不難理解，接通電源后，電路就在兩個暫穩態之間來回翻轉，則輸出可得矩形波。電路一旦起振后，uc電壓總是在（1/32/3 ） Vcc之間變化。圖1 （b）所示為工作波形。2 計數器秒脈沖信號經過6級計數器，分別得到“秒”個位、“秒”十位、“分”個位、“分”十位以及“時”個位、“時”十位的計時。“秒”、“分”、計數器為60進制，小時為24進制。a.中規模計數器組件介紹二-五-十進制計數器74LS90內部具有兩個獨立的計數器：一個是模

9、二計數器；另一個為模五計數器；它的功能除計數外，還可以直接置零和直接置9，74LS90功能表見表。74LS90計數時序見表。74LS9 0功能表:R0 (1)R0 (2)R9 (1)R9 (2)QdQcQbQaHHLXLLLLHHXLLLLLXXHHHLLHXLXL計數LXLX計數LXXL計數XLLX計數表174LS9C計數時序:計數二-十進制二-五混合進制輸出輸出QdQcQbQaQaQdQcQb000000000100010001200100010300110011401000100501011000601101001701111010810001011910011100b.60進制計數“秒

10、”計數器電路與“分”計數器電都是60進制，它由一級10進制計數器和一級6進制計數器連接構成，如圖2所示，采用兩片中規模集成電路74SL90串接起來構成的“秒”、“分”計數器。I I lQ3 Qs Qi Qo74LS92Ro(n 喚吸111 81 9112Q3 Q2 Qi Qo74LS90Ro恥饋燙HL LL圖2IC1是十進制計數器，QD1作為十進制的進位信號，74LS90計數 器是十進制異步計數器，用反饋歸零方法實現十進制計數， IC2和與 非門組成六進制計數。74LS90是在CP信號的下降沿翻轉計數，QA2 和QC2相與0101的下降沿，作為“分”（“時”）計數器的輸入信號。QB2和 QC2

11、0110高電平1分別送到計數器。清零 R01和R02, 74LS90 內部的R01和R02與非后清零而使數器歸零，完成六進制計數。由此 可見IC1和IC2串聯實現了進制。C.12翻1計數器小時計數電路是由74LS74和74LS191組成的12翻1計數，如圖 3所示。當數字時鐘運行到12時59分59秒時，秒的個位計數器再 輸入一個秒脈沖的時數字時鐘應自動顯示為 01時00分00秒。時個位EF+5C1Q1RCP 74LS74 Q j D1 -S 1 -1Q3 Qz Qi Qd U/D74LS191LD gg 氏 Di Do G 段分進位脈圖33 譯碼器譯碼是將給定的代碼進行翻譯。計數器采用的碼制不

12、同，譯碼 電路也不同。CC4511驅動器是與8421BCD編碼計數器配合用的七段譯碼驅動 器。CC4511配有燈測試LT、動態滅燈輸入RBI、滅燈輸入/動態滅燈 輸出BI/RBO,當LT二“0”時，CC4511輸出全“ T。CC4511的使用方 法參照該器件功能的介紹。CC451啲輸出端和計數器對應的輸出端、CC451啲輸出端和七 段顯示器的對應段相連。4 顯示器當數字鐘的計數器CP永沖的作用下，按60秒為一分、60分為一個 小時，24小時為一天的計數規律計數時，就應將其狀態顯示成清晰的 數字符號。這就需要將計數器的狀態進行譯碼并將其顯示出來。本設計采用現在廣泛使用的七段字符顯示器來輸出的數字

13、，這種字符顯示器由七段可發光的線段拼合而成，顯示器有兩種：共陽極或共陰極顯示器。共陽極數碼管的七個發光二極管的陽極接在一起，而七個陰極則是獨立的。共陰極數碼管與共陽極數碼管相反， 七個發光 二極管的陰極接在一起，而陽極是獨立的。當共陽極數碼管的某一陰 極接低電平時，相應的二極管發光，可根據字形使某幾段二極管發光， 所以共陽極數碼管需要輸出低電平有效的譯碼器去驅動。共陰極數碼 管則需輸出高電平有效的譯碼器去驅動 。CC4511譯碼器對應的顯示 器是共陰（接地）顯示器。5. 校時電路校時電路實現對“時”、“分”、“秒”的校準。在電路中設有正常計時和校時位置。“秒”、“分”、“時”的校準開關分別通過

14、 RS觸發器控制。如圖46. 定時控制電路設計設計要求上午7時39分發出鬧時信號，持續時間為一分鐘。因為7時39分對應的數字鐘的時個位計數器的狀態 (Q3Q2Q1Q0H1=0111,分十位計數器的狀態為(Q3Q2Q1Q0)M2=00,分個位計數器 的狀態為(Q3Q2Q1Q0M2=1001若將上述計數器輸出為“ 1”的所有 輸出端經過與門電路去控制音響電路，可以使音響電路正好在7點39分響，持續一分鐘后停響。所以鬧時控制電路信號Z的表達式為Z= (Q2Q1Q) H1- (Q1Q2 M2- (Q3Q0 M1- M 式中 M=1用與非門實現上式所表達的邏輯功能，則可以將Z進行布爾代數 變換，即Z =

15、(Q2Q1Q0)H1*(Q1Q2)M2 (Q3Q0)M1實現上式的邏輯電路圖如圖5所示，其中74LS74為四輸入二與 非門，74LS03為集電極開路的2輸入四與非門，因0C門的輸出端可 以線與，使用時在它們的輸出端與電源之間應該接一電阻 R,外接電 阻R的最大值Vcc - Voh minRmax =n loH mllH當OC門輸出為低電平時，外界電阻 R最小值oVcc - VOL minR max =nIOL - mLlL這里 R= 3.3k Q。圖5由圖5可見上午7點39分時，音響電路的晶體管導通，則揚聲 器發出1kHz的聲音。持續一分鐘后晶體管因輸入端為“ 0”而截止， 電路鬧停。7. 仿

16、廣播電臺正點報時電路仿廣播電臺正點報時電路的功能要求是： 每當數字鐘計時快要到 正點時發出聲響，通常按照4低音1高音的順序發出間斷聲響，以最 后一聲高音結束的時刻為正點時刻。設4聲低音（約500Hz）分別發生在59分51秒、53秒、55秒及 57秒，最后一聲高音（約1kHz）發生在59分59秒，它們的持續時間 均為1秒。如表3所示。由表 3 可得：Q3S1二 “0” 時 500Hz輸入音響；Q3S1二“ 1” 1kHz 輸入音響。只有當分十位的 Q2M2Q0M211，分個位的 Q3M1 Q0M牡 11。秒十位的Q2s2Qos2= 11及秒個位的Q0S仁1時，音響電路才能 工作。仿電臺正點報時的

17、電路如圖 6所示。CT（秒）QjslQzstQifil功W 50:0000510001鳴低音1520010 i停5300! i鳴低音540100停550f0J鳴低音5601L0停570I11鳴低音5811000停591001鳴離音00L 000Q停一表3分代史HZ仿電臺報時電路電路秒十悅枕T位音響電踣Qu分牛位丫Q】 1五、調試過程及分析1. 顯示器故障排查及分析搭建好電子時鐘的主體電路后，使用函數信號發生器輸出頻率為1Hz,幅值為5V的方波信號連接到電子時鐘秒計數器 74LS90的CPA 端，發現顯示器顯示出來的是亂碼，后將 +5電源分別加在CC4511與 顯示器abcdefg腳相連的9到1

18、5腳，發現其中一個顯示器有一段不 亮，于是推測該段壞掉了或者該段現對應的陽極線路接觸不好，后將連接該腳的電線拔掉換了一根線，再檢測，顯示正常，但是亂碼依然 存在，仔細的檢查CC451啲9到15腳分別通電后顯示器各個段發亮 的對應位置，發現g腳與f腳接反了，將接線改好后，顯示器正常。 在后來的調試過程中發現多個顯示器出現個別顯示段不亮，使用同樣的方法檢測發現顯示器是燒壞，經老師指導原來是我們的電路沒有給 顯示器串聯限流電阻，導致顯示器電流過大極易損壞，于是給顯示器 串聯一個51歐姆的電阻，問題得到解決。2. 計數器調試及分析在給秒位計數器的CPA端輸入頻率為1Hz,幅值為5V的方波信號 后，顯示

19、器并沒有進位也沒有隨著脈沖信號跳動，分析是74LS90出了故障，更換一個74LS90后問題依然存在，于是仔細對照電路圖檢 查線路，發現74LS90的置零端沒有接地，將74LS90的置零端接地后秒個位顯示器正常計數，但是秒十位的計數出現紊亂。首先為了判 斷是74LS90的進位脈沖是否正常，將74LS90的11腳連線拔出，連 接到示波器觀察、測量，經計算發現 11腳輸出波形正常，接著將函 數信號發生器產生的信號連接到 74LS92的CR端，發現秒時位的顯示 器計數依然紊亂，繼續檢查74LS92與CC4511之間的接線，發現Q2 腳與Q0腳接錯，將接線改正后給74LS92的CP端接入信號，秒十位 的

20、顯示器正常計數，將秒個位 74LS90的11腳與秒十位的74LS92連 接好，給秒個位接入1Hz方波信號，秒十位進位正常，到此為止秒的 60位進制計數器以及顯示器調試完成工作正常。使用同樣的方法調 試分的60位進制計數器和時的12翻1計數器以及相應的譯碼器，全 部調試完成，可以正常工作。3. 校時電路的調試主電路的所有計數器以及譯碼器調試完成后，將校時電路接入， 給電路輸入100Hz方波信號后秒顯示計數正常，但是分的個位沒有進 位，將秒十位的進位脈沖直接連接到分個位 74LS92的CP端，通入信 號后分的進位正常，但是時的個位不進位，同樣將分十位的進位脈沖 直接連接到74LS191的CP端，時

21、的個位開始進位，依次判斷，是校 時電路出了故障。后檢查三個 74LS00集成2輸入四與非門的接線， 沒有發現錯誤，于是懷疑是元件損壞，更換74LS00后發現問題依然存在，后進一步檢查整體電路恍然發現 74LS00的地線沒有接入主線 路的地線，連接地線后秒、分、時進位終于都正常了。4. 增加抗干擾電路為了驗證時鐘的穩定性和提高效率，使用函數信號發生器輸出頻 率為1KHz的方波接入到秒個位計數器 74LS92的CP端，使時鐘開始 工作，觀察各個計數器的工作情況。發現時十位在“翻1”的時候很不穩定，有時候“翻1”有時候甚至“亂跳”，在老師的指導下給電 源并聯一個大電容和一個小電容， 組成抗干擾電路，

22、并且將D觸發器 即74LS74的1SD端接高電平，再次試驗，每次12點過后都順利“翻 1” 了，也不會“亂跳”，電路抗干擾能力明顯加強。5鬧時電路調試主體電路調試完畢后搭建鬧時電路與主體電路連接并接通電源。 設定在7點39分報時一分鐘，結果實驗時每個小時段的39分都會報 時，分析邏輯表達式和電路后初步判斷問題出在報時電路時個位與主 體電路的連接處，將主體電路時間調到 7點39分后除去主體電路進 位脈沖，使時鐘停留在7點39分，用示波器分別檢測報時電路 4輸 入二與非門各處電平，發現與表達式（Q2Q1Q）H仁111 M=1致。 于是將主體電路的時間跳到10點39分，繼續檢查上述與非門各腳電 平（

23、Q2Q1Q0H仁010 M=1與預期一致，繼續檢測與非門輸出腳，為 高電平，與預期一致，再檢測OC門的輸出腳，為高電平與預期相反， 于是判斷判斷OC門74LS03損壞，更換后再次檢測，與預期一致。調 節主體電路，使其在7點30分開始工作，到7點39分時準確報時持 續一分鐘，使時鐘工作到其他時間段，在 39分時均未報時。6.仿廣播電臺正點報時電路調試依照電路圖搭建好仿廣播電臺正點報時電路并接入主體電路，通電后電子時鐘開始工作，經觀察，在準點前十秒開始每隔一秒發出低 鳴聲，準點后結束。與預期結果一致。六、課程設計總結經過二周課時的構思、設計，我的數電課程設計一一數字時鐘最 終得以圓滿結束。通過緊張

24、而充實的課程設計，我不僅提高了動手操 作能力，還對我以后所要做的畢業設計有了初步的了解。做好一個課程設計或畢業設計不僅要具備扎實的書本知識并會善于應用，還要學會利用網絡資源查閱資料。最重要的是讓我感受團隊合作的優勢和重要性，我這個人比較性急,有些毛手毛腳，老把線路接錯卻怎么也找不出來，結果沒有了耐心，都想放棄了，還好跟我的同組的陳力同學 非常細心，每次由我接線，他幫我檢查，幾乎總能幫我精準的檢查出 錯誤，為我們節省了很多時間，也提高了我的積極性和信心。另外，通過這次課程設計，暴露出了我的很多性格上的缺點，缺 乏耐心，容易粗心，同時讓我體會到了實際的工作與書本上的知識是 有一定距離的，我們還需要進一步的學習。從客