1、賀 州 學 院課程名稱 數電課程設計 授課學期 2010 學年至 2011 學年 第 2 學期系 部 物理與電子信息工程系 專 業 09機電一體化（2） 學號 姓名 任課教師 李 釗 海 交稿日期 5 成績 閱讀教師簽名 日 期 目錄摘要31 數字鐘的構成42 數字鐘單元電路的設計52.1 振蕩器電路設計5 2.2 時間計數單元設計52.2.1 集成異步計數器74LS90.52.2.2 用74LS90構成秒和分計數器電路72.2.3 用74LS90構成時計數器電路82.2.4 時間計數單元總電路82.3 譯碼顯示單元電路設計92.3.1 譯碼器74LS48 92.3.2 顯示器LG5011AH

2、112.3.3 譯碼顯示電路122.4 校時單元電路設計123 數字鐘的實現電路及其工作原理134 電路的安裝與調試145 課程設計心得體會15參考文獻16附錄116摘 要數字鐘是一種用數字電路技術實現時、分、秒計時的裝置，與機械式時鐘相比具有更高的準確性和直觀性，且無機械裝置，具有更長的使用壽命，因此得到了廣泛的使用。數字電子鐘，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電路。數字電子鐘有以下幾部分組成：振蕩器，分頻器，60進制的秒、分計時器和24進制計時計數器，秒、分、時的譯碼顯示部分及校正電路等。采用74LS系列（雙列直插式）中小規模集成芯片進行硬件的焊接。關鍵詞：時分

3、秒、編碼、譯碼、振蕩器。1 數字鐘的構成 數字鐘實際上是一個對標準頻率(1HZ)進行計數的計數電路。主要由振蕩器、分頻器、計數器、譯碼器顯示器和校時電路組成。振蕩器產生穩定的高頻脈沖信號，作為數字鐘的時間基準，通常使用石英晶體震蕩器，然后經過分頻器輸出標準秒脈沖，或者由555構成的多諧振蕩器來直接產生1HZ的脈沖信號。秒計數器滿60后向分計數器進位，分計數器滿60后向小時計數器進位，小時計數器按照“24翻1”規律計數。計數器的輸出分別經譯碼器送顯示器顯示。由于計數的起始時間不可能與標準時間一致，故需要在電路上加一個校時電路，當計時出現誤差時，可以用校時電路校時、校分。如圖 1-1所示為數字鐘電

4、路系統的組成框圖。時顯示器分顯示器秒顯示器時譯碼器分譯碼器秒譯碼器時計數器分計數器秒計數器校時電路振蕩器分頻器圖1-1數字鐘電路系統的組成框圖振蕩器是數字鐘的核心。振蕩器的穩定度及頻率的精確度決定了數字鐘計時的準確程度，一般來說，振蕩器的頻率越高，計時精度越高。通常選用石英晶體構成振蕩器電路構成振蕩器。也可以由555定時器組成。 時間計數電路由秒個位和秒十位計數器、分個位和分十位計數器及時個位和時十位計數器電路構成，其中秒個位和秒十位計數器、分個位和分十位計數器為60進制計數器，而根據設計要求，時個位和時十位計數器為24進制計數器。 譯碼驅動電路將計數器輸出的8421BCD碼轉換為數碼管需要的

5、邏輯狀態，并且為保證數碼管正常工作提供足夠的工作電流。 顯示電路的組成主要是數碼管，數碼管由7個發光二極管組成，行成一個日字形，它門可以共陰極，也可以共陽極，本設計中為共陰極七段顯示LED數碼管。當重新接通電源或走時出現誤差時都需要對時間進行校正，所以數字鐘應具有分校正和時校正功能。對校時電路的要求是：在小時校正時不影響分和秒的正常計數；在分校正時不影響秒和小時的正常計數。2 數字鐘單元電路的設計 2.1振蕩器電路設計 圖2-1 用555定時器組成振蕩器的電路2.2時間計數單元設計時間計數單元由時計數、分計數和秒計數等幾個部分組成。時計數單元為24數器計數，其輸出為兩位8421BCD碼形式，分

6、計數和秒計數單元為60進制計數器，其輸出也為8421BCD碼。本實驗采取了用兩塊74LS90芯片進行級聯來產生60進制和24進制計數器。集成異步計數器74LS9074LS90是異步二五十進制加法計數器，它既可以作二進制加法計數器，又可以作五進制和十進制加法計數器。如圖2-2為74LS90引腳圖，表2.1為74LS90的功能表。1 2 3 4 5 6 7INA NC QA QD GND QB QC INB R01 R02 NC Vcc R91 R92 74LS9014 13 12 11 10 9 8圖2-2 74LS90引腳圖表2-1 74LS90的功能表輸 入輸 出功 能清 0置 9時 鐘QD

7、 QCQBQAR01、R02R91、R92INA INB 1100 0000清 00011 1001置 90 00 0 1QA 輸 出二進制計數1 QDQCQB輸出五進制計數 QAQDQCQBQA輸出8421BCD碼十進制計數QD QAQDQCQB輸出5421BCD碼十進制計數1 1不 變保 持通過不同的連接方式，74LS90可以實現四種不同的邏輯功能，而且還可借助R01、R02對計數器清零，借助S91、S92將計數器置9。其具體功能詳述如下：(1)計數脈沖從INA輸入，QA作為輸出端，為二進制計數器。(2)計數脈沖從INB輸入，QDQCQB作為輸出端，為異步五進制加法計數器。(3)若將INB

8、和QA相連，計數脈沖由INA輸入，QD、QC、QB、QA作為輸出端，則構成異步8421碼十進制加法計數器。(4)若將INA與QD相連，計數脈沖由INB輸入，QA、QD、QC、QB作為輸出端，則構成異步5421碼十進制加法計數器。(5)清零、置9功能。a) 異步清零 當R01、R02均為“1”，S91、S92中有“0”時，實現異步清零功能，即QDQCQBQA0000。b) 置9功能當S91、S92均為“1”；R01、R02中有“0”時，實現置9功能，即QDQCQBQA1001。2.2.2 用74LS90構成秒和分計數器電路秒個位計數單元為10計數器，無需進制轉換，只需將QA與INB相連即可。IN

9、A與1HZ秒輸入信號相連，QD可作為進位信號與十位計數單元的INA相連。秒十位計數單元為6進制計數器，需要進制轉換。將10進制計數器轉換為6進制計數器的電路連接方法為：將QB ，QC分別與兩個清零端R01，R02相連接。QC可作為進位信號與分個位的計數單元的INA相連，如圖2-3所示。圖2-3 秒和分計數器的連接電路圖分個位和分十位計數單元電路結構分別與秒個位和秒十位計數單元完全相同，也是分個位計數單元的QD作為進位信號與分十位計數單元的INA相連，分十位計數單元的QC作為進位信號應與時個位計數單元的INB相連。秒十位計數單元為6進制計數器，需要進制轉換，將10進制計數器轉換為6進制計數器的電

10、路連接方法為：將QB ，QC分別與兩個清零端R01，R02相連接。 2.2.3用74LS90構成時計數器電路時個位計數單元電路結構仍與秒個位計數單元相同，但是要求整個時計數單元應為24進制計數器，所以在兩塊74LS90構成的100進制中截取24，就得在24的時候進行異步清零。清零方法為：將兩片74LS90的兩個清零端R01和R02分別連接起來，再將時個位的QB 與R01相連，將時十位的QC 與R02相連接。如圖2-4所示電路 圖2-4 時計數器連接電路圖2.2.4 時間計數單元總電路如圖2-5所示電路為數字鐘的時間計數單元電路連接圖，從圖中可以看出，所有的置9端及接地端都接地，所有74LS90

11、的VCC都接上電源。圖2-5 數字鐘的時間計數單元電路連接圖2.3譯碼顯示單元電路設計 計數器實現了對時間的累計以8421BCD碼形式輸出，譯碼驅動電路將計數器輸出的8421BCD碼轉換為數碼管需要的邏輯狀態，并且為七段數碼管的正常工作提供足夠的工作電流。譯碼器是一個多輸入、多輸出的組合邏輯電路。它的工作是把給定的代碼進行“翻譯”，變成相應的狀態，使輸出通道中相應的一路有信號輸出。譯碼器在數字系統中有廣泛的用途，不僅用于代碼的轉換、終端的數字顯示，還用于數字分配，存儲器尋址和組合控制信號等。譯碼器可以分為通用譯碼器和顯示譯碼器兩大類。用于驅動LED七段數碼顯示常用的有74LS48。2.3.1譯

12、碼器74LS4874LS48是BCD-7段譯碼器/驅動器，其輸出是OC門輸出且高電平有效，專用于驅動LED七段共陰極顯示數碼管。其功能是把輸入的8421BCD碼ABCD譯成七段輸出a-g，再由七段數碼管顯示相應的數。由74LS48和LED七段共陰極數碼管組成一位數碼顯示電路。若將“秒”、“分”、“時”計數器的每位輸出分別接到相應七段譯碼器的輸入端，便可進行不同數字顯示。在譯碼器輸出與數碼管之間串聯的R為限流電阻。當數字鐘的計數器在CP脈沖的作用下，就應將其狀態顯示成清晰的數字符號， 74LS48的管腳如圖2-6。在管腳圖中，管腳LT、RBI、BI/RBO都是低電平是起作用，作用分別為：LT為燈

13、測檢查，用LT可檢查七段顯示器個字段是否能正常被點燃。BI是滅燈輸入，可以使顯示燈熄滅。RBI是滅零輸入，可以按照需要將顯示的零予以熄滅。BI/RBO是共用輸出端，RBO稱為滅零輸出端，可以配合滅零輸出端RBI，在多位十進制數表示時，把多余零位熄滅掉，以提高視圖的清晰度。Vcc f g a b c d e B C LT BI/RBO RBI D A GND1 2 3 4 5 6 7 816 15 14 13 12 11 10 974LS48圖2-6 74LS48 的管腳圖74LS48的功能：74LS48的功能表如下表所示：表2-2 74LS48 BCD七段譯碼驅動器功能表74LS48引腳功能-

14、七段譯碼驅動器功能表十進制數輸 入BT/RB0輸 出LTRBIABCDabcdefg0H/0000H11111111H/0001H01100002H/0010H11011013H/0011H11110014H/0100H01100115H/0101H10110116H/0110H00111117H/0111H11100008H/1000H11111119H/1001H1110011（1）譯碼功能：將LT，RBI和BI/RBO端接高電平，輸入十進制數09的任意一組8421BCD碼（原碼），則輸出端ag也會得到一組相應的7位二進制代碼（74LS48驅動共陰極，輸出3FH、06H、5BH；74LS4

15、7驅動共陽極，輸出COH、F9H、A4H）。如果將這組代碼輸入到數碼管，就可以顯示出相應的十進制數。（2）試燈功能：給試燈輸入加低電平，而BI/RBO端加高電平時，則輸出端ag均為高電平。若將其輸入數碼管，則所有的顯示段都發亮。此功能可以用于檢查數碼管的好壞。（3）滅燈功能：將低電平加于滅燈輸入時，不管其他輸入為什么電平，所有輸出端都為低電平。將這樣的輸出信號加至數碼管，數碼管將不發亮。（4）動態滅燈功能：RBI端為滅零輸入端，其作用是將數碼管顯示的數字0熄滅。當RBI=0，且DCBA=0000時，若LT=1，ag輸出為低電平，數碼管無顯示。利用該滅零端，可熄滅多位顯示中不需要的零。不需要滅零

16、時，RBI=1。2.3.2顯示器LG5011AH圖2-7是共陰極式LED數碼管的原理圖，使用時公共陰極接地，使每個發光二極管都處于導通狀態，而且這7個發光二極管a到g分別由相應的BCD七段譯碼器來驅動。圖 2-7 共陰極LED數碼管的原理圖在這里，我們選用型號為LG5011AH的數碼管，LG5011AH的管腳功能圖如圖2-8所示， abfcgde1234567abcdefgLG5011AH圖2-8 LG5011AH的管腳圖2.3.3譯碼顯示電路譯碼顯示電路由共陰極譯碼器74LS48和七段數碼管LED組成。74LS48和LG5011AH的連接圖如圖2-9所示。74LS48LG5011AHBI/R

17、BO453A7B1C2D6a13b12c11d10e9f15g14abfcgde1234567abcdefgLTRBI圖2-9，譯碼顯示電路2.4 校時單元電路設計 當重新接通電源或走時出現誤差時都需要對時間進行校正，所以數字鐘應具有分校正和時校正功能。對校時電路的要求是：在小時校正時不影響分和秒的正常計數；在分校正時不影響秒和小時的正常計數，所以，必須要有兩個控制開關分別控制分個位和十個位的脈沖信號。在校時時，應截斷分個位或者時個位的直接計數通路，并采用正常計時信號與校正信號可以隨時切換的電路接入其中。 圖2-10為?！皶r”、?！胺帧彪娐贰Ｆ渲蠸1為?！胺帧庇玫目刂崎_關，S2為?！皶r”用的控

18、制開關。圖2-10 校時電路3 數字鐘的實現電路及其工作原理數字鐘的完整電路圖如圖3-1所示：數字鐘的工作原理：首先給秒個位的INA端輸入一個標準秒脈沖信號（此信號即為555脈沖發生器產生的標準脈沖信號。（1）J3，J4開關都打向上邊時，數字鐘開始計數，其中，秒、分為60進制計數，時為24進制計數。（2）J3打向上邊，J4打向下邊時，可以進行校分功能：手動產生單次脈沖作校時脈沖，即每撥動校時開關J1一個來回，計數器計數一次，多次撥動開關J1就可以進行準確校時。（3）J3打向下邊，J4打向上邊時，可以進行校時功能，其方法與校分的方法相同。 數字鐘原理圖數字鐘PCB板4電路的安裝與調試安裝與調試步

19、驟：按照圖3.1所示的數字鐘系統組成框圖，先將秒個位、秒十位、分個位、分十位、時個位、時十位分級焊接，在經過調試沒有出現問題后再將它們一一逐級級聯，級聯后再進行整體計時電路的調試，若此電路能夠進行正常計數，那么一個完整的計時電路就出來了。最后分別進行秒脈沖發生器及調時電路的安裝，經調試沒有出現問題，再將它們與計時電路連接。最后進行整體電路（即數字鐘）的調試。在焊接實物與調試這個階段，出現了比較多的問題，但是經過我們幾個人的討論及分析，最終找到了解決方案。首先，在剛開始焊板子的時候，由于不熟悉，不小心把管腳焊錯，甚至將整個底座的極性搞反，導致電路不工作。解決方法就是用吸錫器把焊錯地方的錫先吸走，

20、再一個人拿烙鐵，一個人拔底座，將底座弄出來重新焊上去。其次，由于芯片接觸不良的問題，用萬用表歐姆檔檢測，發現有幾個引腳本該相通的地方卻未通，而檢測的導線狀況良好,其解決方法為把芯片拔出，根據板子孔的的狀況重新調整其引腳，使其正對于孔，再用力均勻地將芯片插入面包板中，此后發現能正常顯示。在檢測驅動電路的過程中發現數碼管不能正常顯示的狀況，經檢驗發現主要是由于接觸不良的問題，其中包括線的接觸不良和芯片的接觸不良，在實驗過程中，數碼管有幾段二極管時隱時現，有時會消失。 用5V電源對數碼管進行檢測，一端接地，另一端接觸每一段二極管，發現二極管能正常顯示的，再用萬用表歐姆檔檢測每一根線是否接觸良好，在檢

21、測過程中發現有幾根線有時能接通，有時不能接通，把接觸不好的線重新接過后發現能正常顯示了。在進行分十位的調試時，發現數碼管的七段顯示中有一段不亮，檢查電路發現數碼管與譯碼管相連接的七個應該是200的電阻，有一個卻誤焊上了100。解決方法就是將那個電阻換上正確阻值的電阻。在測試校準電路時發現撥動一次脈沖開關，計數器并不能準確加1，有時會出現加2的現象。究其原因發現僅僅由開關構成的校準電路有抖動現象，使得計數器計時不準確。解決方法就是在原有的校準電路中加焊一個防抖動電路，用基本RS觸發器就可以實現這個目的。5課程設計心得體會通過本次課程設計,我明白了一個道理:無論做什么事情,都必需養成嚴謹,認真,善

22、思的工作作風.我這畢業設計由于我采用的是數字電路來實現的,所以電路較復雜,但是容易理解.每一部分我都能理解并且能有多種設計方法.時間很緊，這一周又在忙碌中過去了，經過一周的數電課程設計，我從原先看見電路圖就一頭霧水到現在能夠設計復雜的數字鐘電路，并且能夠實現電路的仿真與實物板的制作與調試，之間的巨大變化著實令人吃驚。但是這種進步來之不易，因為這期間我遇到了很多的困難，發現了很多的問題，正是在解決問題的期間我才慢慢地熟悉了數字電子技術基礎的基礎知識，才慢慢學會了如何去按照給定的要求設計出合適的電路，作出電路的實物并對電路進行調試。本次課程設計主要是運用本學期所學到的數字電子技術基礎知識來設計一個符合要求的數字鐘，本次設計不僅要求我們要掌握數字電子技術基礎課程的基礎知識，還要求我們對數字鐘的各個組成部分的原理，包括振蕩器的原理、計數器的原理、譯碼驅動原理和校時原理都有深刻的理解和掌握，本次課程設計最重要的是要求我們能夠運用所學的知識將幾種單元電路組合起來，并且能夠根據給定性能指標求解電路中的參數，最后在實踐