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1、电子技术综合训练设计报告题目： 多功能电子钟的设计 姓名： * 学号： * 班级： * 同组成员： * 指导教师： * 日期： * 摘要 数字电子钟实际上是一个对标准频率（1HZ）进行计数的计数电路。它将“ 时”，“分”，“秒”显示于人的视觉器官的计时装置。它的计时周期为24小时，显示满刻度为23时59分59秒，另外应有校时功能和报时等附加功能。因此，一个基本的数字钟电路主要由译码显示器、“时”，“分”，“秒”计数器，校时电路、报时电路和振荡器组成。干电路系统由秒信号发生器、“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
2、精度，一般用振荡器加分频器来实现。将标准秒信号送入“秒计数器”，“秒计数器”采用60进制计数器，译码显示电路将“时”、“分”、“秒”计数器的输出状态送到七段显示译码器译码，通过七位LED七段显示器显示出来。关键词： 电子钟 调试 制作目录1 设计任务和要求41.1设计任务41.2设计要求42 系统设计42.1方案设计42.2系统工作原理53 单元电路设计53.1 直流电源53.1.1电路结构及工作原理53.2秒脉冲发生电路73.2.1电路结构及工作原理73.2.2电路仿真83.3计时秒计数（六十进制）电路83.3.1电路结构及工作原理83.4计时分计数（六十进制）电路123.4.1电路结构及工
3、作原理123.5时计数（二十四进制）电路133.5.1电路结构及工作原理123.6报时电路14电路结构及其工作原理143.7校时电路17结构及其工作原理电路174 系统仿真195 电路安装、调试与测试195.1电路安装195.2电路调试195.3测试结果及分析206 结论207 参考文献218 总结、体会和建议.22 元器件列表.231.设计任务和要求 1.1设计任务：设计一个多功能电子钟,且能实现基本功能。 1.2设计要求： （1）、数字形式显示时、分、秒，在分和秒之间显示“：”，并按1次/秒的度闪烁； （2）、每日以24小时为一个记时周期； （3）、有校正功能，能够在任何时刻对电子钟进行方
4、便的校正； （4）、电源：220V/50HZ的工频交流电供电；（注：直流电源部分仅完成设计即可，不需制作，用实验室提供的稳压电源调试，但要求设计的直流电源能够满足电路要求） （5）、按照以上技术要求设计电路，绘制电路图，对设计的电路用Multisim或OrCAD/PspiceAD9.2进行仿真，用万用板焊接元器件，制作电路，完成调试、测试，撰写设计报告。 发挥部分： （1）、有定时闹叫功能，能够按照任意预先设置的时间闹叫，驱动小型扬声器工作，并要求在闹叫状态能够手动消除闹叫； （2）、整点时刻通过扬声器给出提示。2. 系统设计 方案一:纯硬件电路系统。各功能采用分离的硬件电路模块实现。用时序逻
5、辑电路实现时钟功能，用555定时器实现闹钟的设定。(计数电路可用不同计数功能的集成块构成，例如可用74LS160,74LS161,74LS290,74LS90，74LS192等集成块分别构成，也可用多种方法实现)方案二:用可编程逻辑器件（PLD）实现。这种方案与前一种相比，可靠性增加，同时可以很好的完成时钟的功能。同时这种方案只能选用数码管显示，显示的效果不够理想，无法很好的完成扩展功能的要求。同时，系统的灵活性不够。 方案三:采用AT89C52单片机作为系统的控制核心。时钟功能采用单片集成的时钟芯片PCF8563来实现，可以使用液晶显示时间及闹铃提示信息，有着智能化的人机界面。上述三种方案中
6、：我们所选的是第一种方案，集成块用74LS192构成计数电路。（由于课题所限）数字钟实际上是一个对标准频率（1HZ）进行计数的计数电路。由于计数的起始时间不可能与准确时间相一致，故需要校时电路，能够随时对电路进行校时，且产生秒脉冲的电路必须准确稳定以满足设计要求。此设计中采用石英振荡器电路作为秒脉冲产生电路。系统原理图如图所示：（图1 系统原理图）3. 单元电路设计 电源电路本电路要求用220V的交流电供电。而我们的数字钟电路需要的是318V的直流稳定电压，一般在5V左右。这就要求我们设计一个直流稳压电源，使输入为220V的交流电，输出为5V左右的直流稳定电压。其电路图。（图2 直流电源电路）
7、 220V的交流电网电压u1经过变压器变成整流电路要求的交流电压u2其中整流电路是由四个二极管组成的桥式电路。u2经过整流电路输出的恒定直流分量U=0.9U2然后通过一个电容进行滤波。虚线框内是三端固定式集成稳压器7806输出固定电压的典型电路图，电路中接入电容C2、C3用来实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激振荡和抑制电路引入的高频干扰，C4是电解电容，以减小稳压电源输出端由输入电源引入的高频干扰。经过稳压后，可在1、2端我们可得到5V的稳定电压，1端送到译码电路作为电源。2端送到其他电路作为电源。其中电容C5作为停电时用的备用电源，经计算(室温T=25A），且各芯片最低工作电压为3V，所以
8、充电电容在没电的时候充当电源，供记时部分工作，它的电压变化范围 U=5.3-3V=2.3V，则其储存电荷量Q=C*U=2.3C，则停电可提供记时电路正常工作时间T=Q/IDD（Typ）=2.3C/（0.24*10-6A） =.333sA（CD4060为5A，CD4013B为1A，CD4518为4*5A），则TMIN=Q/IDD（Typ）=2.3C/（26.5*10-6A）=.453s24.109h。)它最少可维持24小时。停电时译码器断电，停止工作，数码管就停止显示。 3.2 秒脉冲发生电路 秒信号发生器是数字电子钟的核心部分，它的精度和质量决定了数字钟的质量，通常用晶体振荡器产生32768H
9、z的脉冲经过整形，15次分频获得1Hz的脉冲，电路图如下： （图3 秒脉冲发生电路） 1）晶体振荡器电路晶体振荡器是构成数字式时钟的核心，它保证了时钟的走时准确及稳定。附图SZZ-2所示电路通过CMOS非门饭成的输出为方波的数字式晶体振荡电路，这个电路中，CMOS非门U1与晶体、电容和电阻构成晶体振荡器电路，U2实现整形功能，将振荡器输出的近似于正弦波的波形转换为较理想的方波。输出反馈电阻R1为非门提供偏置，使电路工作于放大区域，即非门的功能近似于一个高增益的反相放大器。电容C1、C2与晶体构成一个谐振型网络，完成对振荡频率的控制功能，同时提供了一个180度相移，从而和非门饭成一个正反馈网络，
10、实现了振荡器的功能。由于晶体具有较高的频率稳定性及准确性，从而保证了输出频率的稳定和准确。 由于CMOS电路的输入阻抗极高，因此反馈电阻R1可选为1M10M。本设计中取10M。较高的反馈电阻有利于提高振荡频率的稳定性。附图SZZ-2晶体振荡器电路 2）分频器电路因为，数字钟的晶体振荡器输出频率较高，为了得到Hz的秒信号输入，需要对振荡器的输出信号进行分频。通常实现分频器的电路是计数器电路，一般采用多级2进制计数器来实现。将振荡信号分频为Hz的分频倍数为（215），即实现该分频功能的计数器相当于15极2进制计数器。这里用一个14级2进制计数器和一个1级2进制计数器。本设计中采用CD4060来构成
11、14级分频电路。石英晶体频率产生的频率通过CD4060的2次分频得到2Hz的频率，2Hz的频率再通过一个74LS74分频得到1Hz的频率。CD4060在数字集成电路中可实现的分频次数最高，而且CD4060还包含振荡电路所需的非门，使用更为方便。 3.2.2 电路仿真 如图所示：（图4 秒脉冲发生电路仿真图）计数器（计数器可以用多种集成块实现，但考虑各种因素选用74LS192）十进制同步加/减计数器（双时钟）逻辑符号:54192/74192 54LS192/74LS192 简要说明： 192 为可预置的十进制同步加/减计数器，共有54192/74192，54LS192/74LS192 两种线路结
12、构形式。其主要电特性的典型值如下：型号 fc PD 54192/74192 32MHz 325mW 54LS192/74LS192 32MHz 95mW192 的清除端是异步的。当清除端（MR）为高电平时，不管时钟端（CPD、CPU）状态如何，即可完成清除功能。192 的预置是异步的。当置入控制端（PL）为低电平时不管时钟CP的状态如何，输出端（Q0Q3）即可预置成与数据输入端（P0P3）相一致的状态。192的计数是同步的，靠CPD、CPU同时加在 4 个触发器上而实现。在CPD、CP上升沿作用下Q0Q3 同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。当进行加计数或减计数时可分别利用CPD或
13、CPU，此时另一个时钟应为高电平。当计数上溢出时，进位输出端（T)为1。管脚图如下所示： （图5 74LS192管脚图）* CPU为加计数时钟输入端，CPD为减计数时钟输入端；* LD为预置输入控制端，异步预置；* CR为复位输入端，高电平有效，异步清零；* CO为进位输出端：1001状态后负脉冲输出；* BO为借位输出端：0000状态后负脉冲输出；4线七段译码器/驱动器（BCD输入，有上拉电阻） 简要说明 74LS48为有内部上拉电阻的BCD七段译码器/驱动器，共有54/7448、54/74LS48 两种线路结构型式，其主要电特性的典型值如下：型号 IOL VO(OFF) PD（典型）54/
14、7448 6.4mA 5.5V 265mW54LS48 2mA 5.5V 125mW74LS48 6mA 5.5V 125mW 输出端（YaYg）为高电平有效，可驱动灯缓冲器或共阴极VLED。当要求输出 015 时，消隐输入（BI ）应为高电平或开路，对于输出为0 时还要求脉冲消隐输入（RBI ）为高电平或者开路。当BI 为低电平时，不管其它入端状态如何，YaYg均为低电平。当RBI和地址端（A0A3）均为低电平，并且灯测试输入端（LT）为高电平时，Ya Yg为低电平，脉冲消隐输出（RBO）也变为低电平。当BI 为高电平或开路时，LT为低电平可使YaYg均为高电平。48 与248 的引出端排列
15、、功能和电特性均相同，差别仅在显示6 和9,248 所显示的6 和9 比48 多出上杠和下杠。引出端符号A0A3 译码地址输入端BI /RBO 消隐输入（低电平有效）/脉冲消隐输出（低电有效）LT灯测试输入端（低电平有效）RBI 脉冲消隐输入端（低电平有效）YaYg 段输出。管脚排列图如下： （图6 74LS48管脚分布图） 显示器七段显示器由七个段状的发光二极管组成，这七个段状的发光二极管的排列可以用来显示十进制数字或十六进制数字，也可以用来显示部分英文字母。将七个发光二极管的阳极接在一起,就构成共阳极接法，这时要使某段亮就使相应的段输入信号为低电平。若将七个发光二极管的阴极接在一起,就构成
16、了共阴极接法，这时要使某段亮就使相应的段输入信号为高电平。此电路用的七段显示器为共阴极接法。七段显示器如下所示： （图7 七段数码管显示器）秒计时电路(六十进制电路)如下图所示：图8 秒计时电路(六十进制电路) 秒计数器模块为六十进制计数。秒的个位计数单元为十进制计数器，当个位74LS192的QDQCQBQA为1010时通过进位输出OC给秒十位移脉冲，而自身清零又从0000开始计数，如此重复。最后当秒十位计到0110时，通过一与门使其清零同时通过进位输出OC向分个位输入一脉冲，在如此重复。 3.4计时分计数（六十进制）电路分计数电路与秒计数电路一样为六十进制电路，电路原理图如图所示：（图9 分
17、计时电路） 分计数器模块也是60进制，分的个位计数单元为十进制计数器，当个位74LS192的QDQCQBQA为1010时通过进位输出OC给秒十位移脉冲，而自身清零又从0000开始计数，如此重复。最后当分十位计到0110时，通过一与门使其清零同时通过进位输出OC向时个位输入一脉冲，在如此重复。（2）时计数器时计数器整体模块是24进制，时的个位计数单元为十进制计数器，当个位74LS192的QDQCQBQA为1010时通过进位输出OC给秒十位移脉冲，而自身清零又从0000开始计数，如此重复。最后当分个位计到0100同时十位计到0100时，通过一与门使其两位同时清零。（图10 时计时电路）一般时钟都应
18、具备整点报时电路功能，即在时间出现整点前数秒内，数字钟会自动报时，以示提醒。其作用方式是发出连续的或有节奏的音频声波，较复杂的也可以是实时语音提示。根据要求，电路应在整点前10秒钟内开始整点报时，即当时间在59分50秒到59分59秒期间时，报时电路报时控制信号。 报时电路由555定时器，74LS04,CD4068和蜂鸣器四部分组成： 1)555定时器 555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 C1 的同相输入端的电压为 2VCC /3，C2 的反相输入端的电压为VCC /3。若触发输入
19、端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 C2 的输出为 0，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 C1 的输出为 0，C2 的输出为 1，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。 555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555 定时器的内部电路框图和外引脚排列图分别如图 2.9.1 和图 2.9.2 所示。它内部包括两个电压比较
20、器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3 。 2）74LS04 04为六组反相器，共有 54/7404、54/74H04、54/74S04、54/74LS04四种线路结构形 式，其主要电特性的典型值如下： 型 号： tPLH tPHL PD 5404/7404 12ns 8ns 60mW 54H04/74H04 6ns 6.5ns 140mW 54S04/74S04 3ns 3ns 113mW 54LS04/74LS04 9ns 10ns 12mW 引出端符号： （1A6A 输入端 ）（1Y6Y 输出端） 电源电压.7V
21、 输入电 压： 工作环境温度 ： 54XXX . -55125 存储温度 ：.-65150管脚排列如下图所示： （图11 74LS04管脚图）3) 4068是一个八输入的与非门 其中与非门输出 Y= /A/B/C/D/E/F/G/ 与门输出 W =A B C D E F G H 4）蜂鸣器 额定电压：4-6V； 工作电压：5.0V； 共振频率：2300+200Hz； 最大消耗电流：=30mA； 蜂鸣器的检测蜂鸣器正极那端接+5V，负极接地，打开电源，听是否有鸣叫，有则蜂鸣器是好的，否则为坏的。报时电路图如下所示： （图12 报时电路） 当数字钟走时出现误差时，需要校正时间。校正电路实现对“时”
22、“分”“秒”的校准。在电路中设有正常计时和校对位置。此电路对“时”和“分”进行校对。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“时”和“秒”的正常计数。我们用一多路选择开关来进行校时。（在实际电路中我们采用了一按键开关进行校时）校时开关的功能表：S1S2功能11计数01校分10校时4 系统仿真将各个部分电路级联起来便可构成整个电路如下图所示：（图13 整个电路部分）经过所接电路的系统仿真，能够按照预计的时钟模型进行计时功能且各个部分工作均正常。在仿真中所遇到的问题： 1.在multisim软件里有些集成块的管脚与我们所了解的知识有冲突，所连接起来的电路不能实现功能
23、。 2.有些集成块在软件里找不到，于是我们换了另一款软件重新连接电路实现功能。 3.秒脉冲发生器部分第一次用器晶体振荡器完成连接，但仿真不出结果。于是我们用555定时器替代晶体振荡器实现秒脉冲发生功能重新连接电路，最终仿真出了结果。 4，显示器部分我们在仿真时所用的是四输入的LED显示器，但买集成块时无四输入的只有七输入的显示器。发生冲突。于是重新连接电路进行仿真。5 电路安装、调试与测试 5.1电路安装(电路焊接) 焊接的步骤主要有三步：1. 烙铁头上先熔化少量的焊锡和松香，将烙铁头和焊锡同时对准焊点；2. 在烙铁头上的助焊剂尚未挥发完时，将烙铁头和焊锡丝同时接触焊点，开始熔化焊锡；3. 当
24、焊锡浸润整个焊点后，同时烙铁头和焊锡丝。 焊接顺序： 把每个元器件焊接在焊板上，然后把时，分，秒的显示电路分别焊接出来。然后再焊接1Hz脉冲发生器和单脉冲发生器，最后把开关的线路连上，最后把所有VCC和GND链接出来。1.将电路VCC总线接5V电源，GND总线接地;2.时校，分校，秒校开关都往上拨，这时电源产生的连续1Hz脉冲将接入秒个位时钟端，观察各个数码管显示是否连续正确跳变，即秒个位跳变是否为1Hz，各个数码管的进位是否正常。在测跳变速度是否为1Hz时，可以将电路产生的连续1Hz脉冲与标准1Hz脉冲共同接到两个发光二极管上，观察两个发光二极管是否同步变化。3.拨动开关分别对秒，分，时进行
25、校对，观察校对是否正常。4.用校时开关将时间调至23:59:00，接入1Hz脉冲，如果1分钟后时间变为00:00:00，则说明功能正常。对于调试中出现的问题1. 数码管显示不正常，通过外用表检查，发现数码管的短接。2. 秒进位不正常，计数器与非门之间连接有误。3. 电路产生的1Hz脉冲过快，在晶振和10管脚之间要接一个150K的电阻才能产生1Hz的脉冲。4. 最终电路焊接成功时无法实现全部功能。设计总结：短短的三周课程设计结束了。看着自己设计、连线、调试成功的数字电子钟，很有成就感。真的很有收获，体会到了什么是学以致用，理论与实践的差别到底有多大。以前上课都是上一些最基本的东西而现在却可以将以
26、前学的东西做出有实际价值的东西。在这个过程中，我的确学得到很多在书本上学不到的东西，如：怎么设计一个六十、十二进制计数器，如何实现校时等等。但也碰到了不少的挫折，有时碰到了一个错误怎么找也找不到原因所在，找了老半天结果却是接头的方向接错了，有时更是忘接地了。在学习中的小题目在课堂上不可能犯，在动手的过程中却很有可能犯。特别是在接电路时，一不小心就会出错，而且很不轻易检查出来。在调试主板电路时，十位不进位，检查电路，以为没有什么问题，后来一步一步的检查，发现总的地线没接，接上总的地线，一切正常。但还是会发现问题，第一次是计数太快了，正常一秒，我们设计的数字电子表却可以走两三秒，显然输入不是1Hz
27、的脉冲信号；第二，我们的校时电路连接正确，可是每次校时，开关S1或S2为“0”或“1”时，会产生抖动，无法正常校时。针对这两个问题，我们进行了分析，进而转化为实际的操纵。我们在+5V电压和地线之间分别加了两个电容，通过滤波，选择我们需要的1Hz脉冲信号。对于无法正常校时的问题，在设计中接入一个由RS触发器组成的防抖动电路来控制校时。数字电子钟已经成功完成了。 我的动手能力又有了进一步的提高，我感到十分的兴奋。同时学到了课本上没有的东西，也锻炼了自己独立解决问题的能力。这在以后的学习和生活中会有很大的用处。7 参考文献 【1】童诗白 模拟电子技术基础M 北京：高等教育出版社，2000，10 【2
28、】成 立 数字电子技术M北京：机械工业出版社，2004，1 【3】阎 石 数字电子技术M 北京：高等教育出版社，2000，5 【4】孙肖子 邓建国 陈 男 电子设计指南 M 北京：高等教育出版社，2006，10 【5】潘 松 黄继业 EDA技术实用教程（第二版）M 北京：科学出版社，2006，6 【6】康华光 电子技术基础 数字部分（第五版） 高等教育出版社 【7】康华光 电子技术基础-模拟部分M 北京：高等教育出版社，2000，78 总结、体会和建议我们学习了数字电子电路和模拟电子电路，对电子技术有了一些初步了解，但那都是一些理论的东西。通过这次数字电子钟的课程设计，我们才把学到的东西与实践
29、相结合。从中对我们学的知识有了更进一步的理解。在此次的数字钟设计过程中，更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法。也锻炼了自己独立思考问题的能力和通过查看相关资料来解决问题的习惯。虽然这只是一次简单的课程设计，但通过这次课程设计我们了解了课程设计的一般步骤，和设计中应注意的问题。设计本身并不是有很重要的意义，而是同学们对待问题时的态度和处理事情的能力。至于设计的成绩无须看的太过于重要，而是设计的过程，设计的思想和设计电路中的每一个环节，电路中各个部分的功能是如何实现的。各个芯片能够完成什么样的功能，使用芯片时应该注意那些要点。同一个电路可以用那些芯片实现，各个芯片实
30、现同一个功能的区别。通过整个电路设计与制作的整个过程，掌握了对电子钟的一些简单的基本的设计，组装与调试方法。熟悉了COMS系列中、小规模集成电路的使用。另外，我们设计要从市场需求出发，既要有强大的功能，又要在价格方面比同等档次的便宜。这一次课程设计教会了我在以后的学习和工作中要养成严谨、耐心的工作态度，遇到困难要主动出击，而不是坐着等人指导。通过理论与实际的相结合，进一步深入的体会到一种学习的方法，特别是对电子设计方面。首先，要明确总体的设计方案与方法；其次，对各个部分进行设计与改进；最后，将各个部分整合到一起进行比较、观察。此次数字电子课程设计有利于培养我们对电子设计的兴趣，是一次很好的理论与实际的相结合，希望有更多机会接触这些课程设计。 元器件列表：元器件数量功能共阴极数码管6个时、分、秒显示74LS486片共阴译码器74LS1926片十进制可逆计数器74LS081片四-二输入与非门CD40681片八输入与/与非门74LS041片六反相器CD40601片十四级二进制分频器74LS741片二分频计数器NE555定时器1片产生时间延迟与多脉冲信号蜂鸣器1个发声报时R145-32768HZ晶振1个产生脉冲电容30pF（2个）1mF（1个）100uF（1个）电阻100欧（6个）15K欧（2个）22M欧（1个）370欧（1个）按键2个校时按键