1、 武漢理工大學數字電子線路基礎課程設計說明書 目錄正文31概述32方案設計與論證42.1方案一42.2方案二42.3方案的選擇43單元電路的設計53.1振蕩器電路的設計53.2數字鐘電路的設計73.3校時電路的設計93.4控制打鈴電路104整體電路仿真125實物制作156數據檢測及電路調試177前景展望188個人總結199參考文獻2110附錄22附錄一元件清單表22摘要 上課自動打鈴電路的設計主要包括脈沖產生電路、數字鐘顯示電路、校時電路、控制打鈴電路四個部分。利用555構成的多諧振蕩器產生一定頻率的信號控制輸入數字鐘計時單元，數字鐘的主要設計思想是利用74LS160芯片作為加法計數器，用門電

2、路連接實現數字鐘的運行，從而實現數字鐘的基本功能。其功能組要有：啟動、運行、復位、校時和定時打鈴等。數字鐘運行計時必須要準確，才能保證打鈴電路時間的準確性。關鍵詞：顯示 打鈴 定時 校時AbstractAutomatic ringing the bell for class circuit design mainly includes the pulse generating circuit, the digital clock display circuit, the school bell circuit, the control ring circuit four parts. Usin

3、g 555 multivibrator composed of produce certain frequency signal control input digital clock timing unit, the main design idea is to use the digital clock 74 ls160 chip as addition counter, gate connection is used to implement the operation of the digital clock, so as to realize the basic function o

4、f digital clock. The functional group to be: start, run, reset, and timing when the school bell, etc. Digital clock timing operation must be accurate, to ensure the accuracy of the bell ring circuit time.Keywords: show timing ,when it is ringing ,timing,correction time正文1概述自動打鈴電路系統由主體數字鐘電路和控制打鈴擴展電路兩

5、大部分組成。其中主體電路完成數字鐘的基本功能，擴展電路完成數字鐘的擴展功能：報時和定時功能。 晶體振蕩器電路：晶體振蕩器電路給數字鐘提供一個頻率穩定準確的32768z的方波信號，可保證數字鐘的走時準確及穩定。不管是指針式的電子鐘還是數字顯示的電子鐘都使用了晶體振蕩器電路。 分頻器電路：分頻器電路將32768HZ的高頻方波信號經32768（152）次分頻后得到1Hz的方波信號供秒計數器進行計數。分頻器實際上也就是計數器。 時間計數器電路：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

6、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：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，并且為保證數碼管正常工作提供足夠的工作電流。 報時電路：報時電路功能,即在時間到達指定值時數秒內,數字鐘會自動報時,以示提醒。2方案設計與論證2.1方案一采用小規模集成電路進行設計，用振蕩器產生脈沖并且自動實現計時功能。2.2方案二利用單片機來實現，在按鍵較少的情況下，采用獨立式4個按鍵，經軟件設計指定的I/O口，送出邏輯電平，控制數碼管顯示，根據數字電子鐘的設計要求與原理以及特性，實現相應的功能。2.3方案的選擇

7、由于我們對于單片機的系統知識及編程還了解不深，而且采用集成芯片進行組合設計可以實現相應的功能，簡單而且擴展性好，容易選擇，所以選用方案一。按照要求需有4位時鐘顯示，即時和分，故需搭建一個數字時鐘；要能按照要求時刻進行打鈴，故需有控制電路對時間進行判斷，進而打鈴；另外還需設計時鐘脈沖發生電路，因此將電路分成三個模塊進行設計，分別是脈沖發生部分，數字鐘部分，打鈴部分。總電路結構如下：振蕩電路控制打鈴電路數字鐘電路校時電路圖1 總電路結構3單元電路的設計3.1振蕩器電路的設計石英晶體振蕩器的特點是振蕩頻率準確、電路結構簡單、頻率易調整。它還具有壓電效應，在晶體某一方向加一電場，則在與此垂直的方向產生

8、機械振動，有了機械振動，就會在相應的垂直面上產生電場，從而機械振動和電場互為因果，這種循環過程一直持續到晶體的機械強度限止時，才達到最后穩定。這用壓電諧振的頻率即為晶體振蕩器的固有頻率。電路圖如下：圖2 晶振電路圖3 仿真圖圖4 波形圖晶振為32.768kHz，經過CD4060進行14分頻可得到2Hz的脈沖輸出，再經過一個D觸發器進行二分頻即可實現1Hz的脈沖輸出。一般來說，振蕩器的頻率越高，計時精度越高，但耗電量將增大。如果精度要求不高也可以采用由集成電路定時器555與RC組成的多諧振蕩器。為了觀看效果方便，我們也利用555芯片做了多諧振蕩器電路產生的脈沖。如圖5所示。設振蕩頻率f=1KHz

9、，R為可調電阻，微調R1可以調出1KHz輸出。圖5 555振蕩電路輸出高電平時間 T=(R12+R8)Cln2 輸出低電平時間T=R8Cln2 振蕩周期 T=(R12+2R8)Cln2Multism仿真波形如下：圖6 仿真方波3.2數字鐘電路的設計 圖4 74ls160引腳圖圖5 74ls160功能表圖 圖7 四段譯碼顯示電路 圖8 七段譯碼顯示電路我采用了四個計數器74ls160組成計數電路，分計數由兩個74ls60芯片與相應的門電路構成60進制，時計數由兩個74ls160芯片與相應的門電路構成24進制。并通過數碼管進行顯示。由于計數器74ls160是脈沖上升沿觸發的，所以分計數器電路的個位

10、向十位的進位是通過進位端接一個反相器實現的，當分顯示為59的時候，分十位向時個位進位。開始我直接由計數器輸出連接四段數碼管進行顯示，后來由于購買元件時只有七段數碼管，而且通過譯碼器譯碼輸出顯示結果穩定，所以我修改了譯碼顯示電路，先通過譯碼器74ls48進行譯碼輸出，再接四位共陰七段數碼管，顯示結果正常。3.3校時電路的設計 圖9校時電路因為要控制時鐘可調，可采用一個D觸發器與開關控制0101的變換，即上升沿觸發的74LS160在開關的一次轉換時就會觸發一次，從而達到加“分”加“時”的功能。S1控制輸入脈沖或加“分”信號，S2控制加“時”還是加“分”，S4控制電平轉換，S3控制加“時”信號與“分

11、”的進位信號。3.4控制打鈴電路圖10 鎖存器加比較器選取時間點圖11 延時輸出電路打鈴時間分別為：8:00,8:45,8:55,9:40,10:10,10:55,11:05,11:50,14:00,14:45,14:55,15:40,16:00,16:45,16:55,17:40,18:00,18:45,18:55,19:40,8:00 我最初想的是將每個時間分別提取出來輸出高電平，但是工作及設計過程過于繁瑣和笨拙，所以我放棄了這種方案。但是對于提取時間的方法我想到了兩種：（1） 通過門電路來提取某個固定的時間點，再通過或門將這些時間點連起來，當達到需要的時間點時會輸出為高電平，從而驅動LE

12、D燈亮。但是這樣需要的門電路過多，太過繁瑣，連線太多，不實用。（2） 先經過一個鎖存器將我們需要的某個時間點鎖存，再通過數據選擇器進行選擇，當時間與選出的時間一致時，數據選擇器輸出高電平，LED燈亮，這個方法通過鎖存器來進行既定時間的選擇，比用門電路來說相對簡單一些，但是要把每個時間點都提取出來，仍舊較為繁復。 經過仔細尋找規律，可以發現，從8：00到8:45再到8:55再到9:40，這中間的時間間隔為45分鐘，10分鐘，45分鐘。可以根據此規律，只需把8點整的信號取出來輸出高電平驅動LED燈亮，再通過上述規律的延時，即可實現8點到8:45再到8:55再9：40燈亮的循環過程。 為了實現延時，

13、開始我想的是用D觸發器來實現，8:00輸出的高電平先通過一個計數器電路加一，再經過D觸發器分頻，通過數據選擇器，計數器的輸出與數據選擇器的地址端相連來控制數據選擇器輸出高低電平。但是在實際設計中，輸出端接四進制計數器的脈沖輸入端，其為高電平出發，第一個高電平輸入后，若計數器加1，但是通過一個D觸發器二分頻，將D觸發器的脈沖端接分個位的計數脈沖，即經過一個D觸發器，延時為2分鐘，經過兩個延時4分鐘，經過三個延時8分鐘不滿足我們所說的10分鐘、45分鐘、30分鐘，所以這個方法不可行。 后經過比較研究和老師提示，可以分別經過四十五進制、十進制的計數器進行延時，其中計數器的計數脈沖端必須與數字時鐘部分

14、分信號的計數脈沖相連接，如圖11所示。4整體電路仿真圖12 8：00響鈴圖8:00出現高電平燈亮，持續時間大約為一分鐘，。圖13 燈亮時波形圖經過45分鐘延時，又出現一個高電平燈又亮：圖14 延時45分鐘后燈亮10分鐘后，又有一個高電平，燈亮：圖15延時10分鐘后燈亮如此循環往復，再經過45分鐘后燈又亮。即可以實現打鈴。整體電路仿真如下：圖16 整體仿真圖 仿真控制打鈴電路的基本原理為：當8：00輸出高電平時控制打鈴部分輸出高電平，此處通過一個或門連接四進制計數器的脈沖輸入端，再經過一個或門連接LED和100歐姆限流電阻組成的顯示電路，led亮；上升沿脈沖使得計數器計時加1，輸出為0001，此

15、時Q0端輸出為高電平，連接45進制計數器個位的使能端，使得45進制計數器工作，當其達到44時，計數器清零，經過Q0，Q1的與門接四進制計數器前的兩個或門，使得他們都輸出高電平，一個使LED燈亮，一個通過輸出的高電平促使四進制計數器再次加1，輸出為0010，此時Q1端輸出高電平，連接10進制計數器的使能端，使10進制計數器工作，與45進制計數器工作時相同，輸出的高電平使得計數器加1，此時輸出0011，經過45分鐘延時，燈亮，再輸入一個高電平四進制計數器清零，與上相同，四進制循環。5實物制作 按照原理圖配置相應參數的元器件，在進行裝配之前應該先用萬用表進行相關元器件檢測，由于芯片較多，所以把相應的

16、16腳芯片及排座和14腳芯片及排座分開放置，并且將各種芯片的引腳圖查閱清楚，繪制其大致的連線圖。并進行圖17 數字鐘顯示電路正面圖圖18數字鐘顯示電路背面焊接圖圖19 脈沖產生電路正面圖圖20 脈沖產生電路背面圖完成裝配及焊接布線，并且在焊接完一部分電路之后檢測其通斷，防止虛焊。6數據檢測及電路調試調試及檢測有以下步驟：1、節點調試焊接電路板的過程中，無論是加飛線，還是埋導線，或者說是拉錫線都要用萬用表測一下通斷情況。尤其是電阻，焊接前一定要測量它的阻值和通斷情況。還有就是一些較小的芯片，上面可能會有好幾個端口，一定要注意不能短路。這些小細節一定要在調試的過程中加以注意。2、直流穩壓電源的調試

17、 接220V交流電源，檢測經過變壓器、整流橋、濾波電容及穩壓管7812，輸出電壓為5V左右，直流穩壓電路工作正常，得到需要的直流電壓。3、晶體振蕩電路的調試通過示波器觀察振蕩電路的輸出波形，開始時發現其輸出的并不是方波，經檢查發現是芯片沒有接電源正，后經過連線檢測，輸出的為方波，并且通過CD4060接不同的引腳，經過不同分頻，其方波的寬度不同。4、數字鐘顯示電路的調試檢查各點的通斷，已經連接高低電平各點正常，再接通電源，開始時發現數碼管不亮，后發現是地線沒有接，接通GND后數碼管亮，但并不是顯示4個零，而是4個8，繼續檢查電路連線，發現時十位的數碼管對應的譯碼器沒有接地。但是接地后，其余三個數

18、碼管顯示為0，但是時十位的數碼管熄滅。經過多次電路檢查，尚未發現問題。7前景展望上課打鈴裝置在我們學習生活中應用廣泛，而且一般都是比較輕便小巧的裝置，一般都采用了微電腦芯片，成本相對來說較低，而且可以通過精確的由用戶來設置時間，相關打鈴參數。所以我們用芯片做的數字打鈴電路相對來說是比較復雜而且成本高，不精確。如果要精確的實現打鈴功能，并且廣泛應用，我覺得還是市場用的微電腦芯片或者單片機編程來實現比較簡便實用。所以我對于利用數電集成芯片來做這些自動打鈴裝置并不看好，除非有成本更低，功能更全的芯片。8個人總結 雖說已經做了幾次課設，但是這次的課設是我耗費時間和精力最長，并且電路都是我自行設計并且付

19、諸實施的。看到課設的題目時，我便一頭霧水，雖然對于數字鐘的設計和顯示我們做過實驗我較為熟悉，但是真正仿真做起來我還是感覺有點吃力。我沒有選用比較常用的74ls90的芯片，而是選擇了74ls160，分鐘的計數為60進制，時的計數為24進制，并通過譯碼器連接七段顯示數碼管，經過幾番連接調試數字鐘的設計部分完成，但是這一部分設計仿真調試還是耗費了我1天的時間，我對74ls160的同步置數、異步清零功能也有了進一步的了解，對74ls48的譯碼輸出和芯片引腳也有了了解。接下來是控制打鈴部分，這也是我最頭疼的地方，對于某個時間點的提取輸出高電平我可以通過門電路完成，但是感覺芯片過于繁雜，我又想一些較為簡易

20、的方法，而后是查找有關資料，我看到了鎖存器加比較器來提取某個時間點的方法，感覺相比來說這個方法簡便并且還可調，所以我采用了這個方法。但是怎么讓20個時刻都輸出高電平，我想了很多，查閱了很多資料，試了通過555振蕩器延時、D觸發器延時，但是都太過于繁瑣，后來在老師的指導下，通過計數器來進行延時，45分鐘延時即通過45進制計數器進行延時，計數器的脈沖輸入端接分個位的脈沖輸入。但是對于延時的問題我又糾結了好久怎么先輸出高電平再延時，而且怎么循環延時，反復詢問老師，進行仿真，在延時之前加一個四進制計數器，并且通過一個或門進行高電平輸出即可。感覺自己以前的想法都過于死板，結合門電路的使用，我的仿真重要達

21、到了需要的效果。但是仍舊較為繁瑣。 焊接并將電路付諸實踐是最重要的環節，我們去購買元器件過程中發現，由于芯片數量過多，焊下來成本居然到了150元，市場上一個比較普通的打鈴器大概也就五六十元，顯然我們成本太高，而且工作量很大，所以我們向老師申請了兩個人共同焊接，當時我是想畢竟仿真已經出來了結果，焊接應該沒有問題。后來我發現，僅僅是焊接數字鐘顯示部分的電路，我就從早上8點焊到了晚上12點，更不要說還有更加重要的控制打鈴部分，所以因為線路太多，為了避免出錯，我們決定控制打鈴部分用杜邦線來連接，還可以節省一部分時間。振蕩電路的焊接相對簡單很多，但是數字鐘部分我連接5V電源進行檢驗，燈一直有一個不亮，而

22、且數字不會自行跳動，檢查了好幾遍線路，把幾個可能虛焊或短路的地方都進行了完善，數字鐘仍舊是不亮，但是可以靠手動的開關來跳動，但是這明顯不符合我們設計的初衷，電路中沒有發現有少焊、虛焊的地方，脈沖也沒有錯誤，我們不得已先去進行下一步的控制打鈴部分。 經過多方詢問，做過數字鐘的同學也遇到了類似的問題，或許是因為仿真上的芯片與實際的芯片有出入，或者連線時某些效果達不到，在實驗室反復檢查調試，這些問題我們都沒有解決，不得已我們的設計沒有付諸實踐。 一個多星期先是5天的電路設計，后是2天的焊接，又兩天的調試，雖然沒有出來結果，失望還是有的，但是在這些天我學到了很多，一遍遍的查閱數電相關知識，我對于一些芯片的功能更加了解，而且焊接的電路連線頗多，也鍛煉了我的動手能力。在調試過程中我們也對電路一遍遍研究，商量解決的辦法，追根溯源，雖說沒有解決大問題，也排除了一些小干擾，我也體會到