电 子 课 程 设 计

课程名称：数字电子技术课程设计 专 业: 班 级： 学 号：

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2011年01月12目录

第一章 设计目的 2

日

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第二章 设计要求 3 第三章 设计原理 4 第一节 数字钟电路的组成框图 4 第二节 子电路的设计 5

第四章 电路仿真与调试 13 第五章 电路的安装与调试 22 第六章 设计总结 24 第一节 实训中遇到的问题及解决方法 24 第二节 实训心得 25 第七章 参考文献 27

第一章 设计目的

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本课程是专业基础课，课程设计的基本任务是着重提高学生在数字集成电路应用方面的实践技能。培养学生综合素质以及解决问题的能力。

数字钟从原理上讲是一种典型的数字电路，其中包括了组合逻辑电路和时序电路。此次设计与制作数字电子钟的目的是让我们学生在了解数字钟的原理的前提下，熟悉集成电路的引脚排列，掌握各芯片的逻辑功能及使用方法，了解面包板的结构及接线方法，熟悉设计题目的设计与制作，运用本学期学过的数电知识设计并制作数字钟，并且通过数字钟的制作进一步了解各种在制作中用到的中小规模集成电路的作用及其使用方法。由于数字电子钟包括组合逻辑电路和时序电路，通过它可以进一步学习与掌握各种组合逻辑电路与时序电路的原理与使用方法，从而实现理论与实践相结合。

通过本次课程设计，提高学生在数字集成电路应用方面的实践技能，树立严谨的科学作风，培养学生综合运用理论知识解决实际问题的能力。学生通过电路设计、安装、调试、整理资料等环节，初步掌握工程设计方法和组织实践的基本技能，逐步熟悉开展科学实践的程序和方法。

总的来说，此次课程设计，有助于我们学生对电子线路知识的整合和电子线路设计能力的训练，并为后继课程的学习和毕业设计打下一定的基础。

第二章 设计要求

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 计时功能

要求准确计时，以数字形式显示时、分、秒的时间。小时的计时要求为24进位，分和秒的计时要求为60进位。  校时功能

当数字钟接通电源或者计时出现误差时，需要校正时间（简称校时）。校时是数字钟应具备的基本功能，一般电子手表都具有时、分、秒等校时功能。为使电路简单，这里只进行分和小时的校时。对校时电路的要求是：在小时校正时不影响分和秒的正常计数；在分校正时不影响秒和小时的正常计数。校时方式有“快校时”和“慢校时”两种。“快校时”是通过开关控制，使计数器对1Hz的校时脉冲计数 。“慢校时”是用手动产生单脉冲作校时脉冲。  整点报时

多功能电子时钟显示整点报时，每当数字钟计时快要到整点时发出声响；通常按照4低音1高音的顺序发出间断声响；以最后一声高音结束的时刻为整点时刻。具体是每隔一秒响一次，就是59分51秒响第一次，53秒第二次，直到结束，最后一声高音结束时刻为整点时刻。

第三章 设计原理

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第一节 数字钟电路的组成框图

译码显示器时计数器分计数器秒计数器校时电路报时电路振荡器多级分频器 图3－1 多功能电子时钟原理图框

数字钟电路组成如图3-1所示，由主体电路和扩展电路两大部分所组成 。

多功能电子时钟实际上是一个标准频率1HZ进行计数的计数电路。多功能电子时钟是采用数字电路实现“时”“分”“秒”数字显示的计时装置。具体实现为：555振荡器产生稳定的高频脉冲信号，作为数字钟的时间基准，再经分频器输出标准秒脉冲 ；秒计数器计满60后向分计数器进位；分计数器计满60后向小时计数器进位；小时计数器按照24进制计数。计时出现误差时可以用校时电路进行校时、校分、校秒。扩展电路必须在主体电路正常运行的情况下才能进行功能扩展，安装，调试。

第二节 子电路的设计

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1、振荡器的设计

555定时器可接成多谐振荡器，多谐振荡器也称无稳态触发器，它没有稳定状态，同时振荡器是数字钟的核心。振荡器的稳定度及频率的精确度决定了数字钟计时的准确程度，通常采用集成逻辑门与RC组成的时钟源振荡器或由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器，如图3-2所示。

根据频率计算公式：第一个暂稳态脉冲宽度Tph,即Uc从三分之一 Vcc充电上升到三分二Ucc所需时间：

TpH=0.7（R1+R2）C

第二个暂稳态脉冲宽度TpL,即Uc从三分之二Ucc放电下降到三分之一Ucc所需时间：

TpL=0.7RC

振荡周期： T= TpH+ TpL=0.7 (R1+2R2)C 振荡频率: f=1/T=1.43/(R1+2R2)C

为得到1KHZ的方波信号，可选择：R1=5.1KΩ，R2=4.7KΩ, C=0.1μF

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中原工学院课程设计专用纸 VCCR1uCR2uCC73655521584uOOuO0.01μFtPLtP 图3-2 555振荡器外部接线图 VCCR1uC2313OVCCVCCR2uCC73655521584uOOuOt0.01μFOtPLtPHt 图3-3 Uc和U0的波形图

2. 分频器的设计

分频器的功能主要有两个：一是产生标准秒脉冲信号；二是提供功能扩展电路所需要的信号.

因为555定时器产生的标准时间信号频率很高，为得到1HZ的秒信号输入，需要对振荡器的输出信号进行分频。通常是用计数器来实现，可采用多级十进制计数器来实现。例如可选用3片中规模集成电路计数器74LS90完成上述功能。每片为1/10分频，3片级联则可获得所需要的频率信号。即第1片的Q3端输出频率为100Hz，第2片的Q3

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端输出为10Hz，第3片的Q3端输出为1Hz，图3-4。实验室常用的十进制计数器有74LS90,CD4518等.

Q0(0)(500Hz)Q3(2)(1Hz)CP0(1KHz)十进制计数器(0)Q3(0)(100Hz)十进制计数器(1)CP1(100Hz)Q3(1)(10Hz)十进制计数器CP2(10Hz)(2) 图3-4 分频电路框图

3. 时分秒计数器的设计

时间计数单元有“时”计数器，“分”计数器，“秒”计数器三个部分组成。

“分”计数，“秒”计数器单元是60进制计数器，需要两各十进制计数器，可以先级联为100进制，再找出归零信号实现60进制。可以直接使用归零信号作为进位信号。

“时”计数器单元应为24进制计数器，和“分”计数器，“秒”计数器一样，先级联为100进制，再找出归零信号实现24进制.

4.译码显示电路

6片CD4511-BCD七段译码器，6个LED显示器。

CD4511-BCD七段译码器的输出高电平有效，因此需要采用共阴极数码管，为防止电流过大，可加几百欧的限流电阻。

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CD4511-BCD七段译码器的功能表

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5. 校时电路的设计

当数字钟接通电源或者计时出现误差时，需要校正时间（简称校时）。校时是数字钟应具备的基本功能，一般电子手表都具有时、分、秒等校时功能。为使电路简单，这里只进行分和小时的校时。校正时间的方法是：首先截断正常的计数通路，然后在进行人工触发计数器，或将频率较高的方波信号加到需要校正的计数单元的输入端。较正好后，再转入正常计数状态即可。

在校时电路如图3-5所示。S1为校“分”用的控制开关，S2为校“时”用的控制开关。校时脉冲采用分频器输出的1Hz脉冲，当S1或S2分别为“0”时可进行“快校时” 。如果校时脉冲由单次脉冲产生器提供，则可以进行“慢校时”。

需要注意的是，校时电路是由与非门构成的组合逻辑电路，开关S1或S2为“0”或“1”时，可能会产生抖动，接电容C1、C2可以缓解抖动。必要时还应将其改为去抖动开关电路。

要求：

1，“秒”计数器停止计数或清零。

2，“分”计数器不能向时计数器送进位信号。

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＋5V 校时脉冲 C2 0.01F S2 3.3k C1 0.01F S1 & 1 至时个位计数器 至分个位计数器 & & & 分十位 进位脉冲 & 1 & 秒十位 进位脉冲 3.3k

图3-5 校“时”，校“分”电路

5.整点报时电路的设计

多功能电子表显示整点时能及时报时，每当“分”和“秒”计数器到59分51秒时，驱动音响电路，在十秒内自动发出5次鸣叫音，要求每秒鸣叫一次，每次叫声持续一秒，而且前四声低最后一声高，以高音结束时刻为整点时刻。

设4声低音（约500Hz）分别发生在59分51秒、53秒、55秒及57秒，最后一声高音（约1kHz）发生在59分59秒，它们的持续时间均为1秒。如表所示。实现电路如图3-6所示。

“分”十位输出Q2m2和Q0m2,“分”个位输出Q3m1和 Q0m1，“秒”十位输出Q2s2和 Q0s2,”秒”个位输出Q0s1均为1时，才会驱动音响电路。但根据秒个位计数器最高位输出不同，驱动音响电路的信号有所不同，如下：

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{=1 500HZ信号驱动音响 Q3S1=

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{=0 1000HZ信号驱动音响

CP(秒) Q3S1 Q2S1 Q1S1 Q0S1 功 能 50 0 0 0 0 51 0 0 0 1 鸣低音 52 0 0 1 0 停 53 0 0 1 1 鸣低音 54 0 1 0 0 停 55 0 1 0 1 鸣低音 56 0 1 1 0 停 57 0 1 1 1 鸣低音 58 1 0 0 0 停 59 1 0 0 1 鸣高音 00

0

0

0

0

停

“秒”个位计数器的状态

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分十位Q0 & Q2 1 分个位Q0 Q3 & 秒十位Q0 1 Q2 秒个位 Q0 音1kHz & & 1 响秒个位电 Q3 路 1& & 500Hz 图3-6整点报时电路

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第四章 电路仿真与调试

1 ，振荡器连接及仿真

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图4-1 555振荡电路连接图

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2，子电路的连接仿真

图4-2 “秒”电路连接图

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图4-3“分”连接电路

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图4-4“时”连接电路

计数器均采用一片CD4518芯片级联而成，根据60的状态01100000连线，采用CD4518异步清零方式进行清零计数，即当计数器计数到59后再计数加1就会异步清零，同时产生进位输送给下一计数器。时计数器同理可得，区别在于时计数器逢24进1，即进位状态改变。

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3，报时电路

图4-5报时电路的连接及仿真

4声低音（约500Hz）分别发生在59分51秒、53秒、55秒及57秒，最后一声高音（约1kHz）发生在59分59秒，它们的持续时间均为1秒。例如59分51秒状态为00111001，00110001，此时秒个位Q0，十位Q0，Q1，分个位Q3，Q0，十位Q1，Q0均为高电位，经分析可得此时输入到扬声器也为高电位，实现报时功能。

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4 ，校时电路连接及仿真

图4-6 校“时”仿真电路图

图4-7 校“分”仿真电路图

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2为校“分”用的控制开关，1为校“时”用的控制开关。校时脉冲采用分频器输出的1Hz脉冲，在时钟显示数字出现错误时就可利用校时电路进行校时，分别用1.2开关进行时和分的校正。也可以快速校“时”，校“分”。 （整体电路见图）

时钟电路由左向右依次为“时”十位，“时”个位，“分”十位，个位，“秒”十位，“秒”个位。

数字钟原件清单

TTL芯片 CMOS芯片

1.555定时器 1片 3 双十进制计数CD4518 5片 2显示译码器CD4511 6片

4.数码管6个 5 CD4060集成块 1块 6 两输入与非门CD4011 4片 7 四输入与非门CD4012 2片

10KΩ电阻3个，500Ω电阻2个，0.01uF电容1个，0.1uF电容 5v直流稳压电源一台，万用表一台，镊子剪刀各一把

图4-8 CD4511七段译码/驱动器

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“分”中原工学院课程设计专用纸

图4-9 CD4060

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VDD2CR2Q32Q22Q12Q02EN2CP161514131211109双十进制计数器CD4518123456781CP1EN1Q01Q11Q21Q31CRVSS

图4-10 CD4518

VDD4B4A4Y3Y3B3A141312111098&& 四2输入端与非门 CC4011 &&12345671A1B1Y2Y2A2BVSS 图4-11 二输入与非门CC4011

VDD2Y2D2C2B2ANC141312111098&二4门与非输入 CC4012 &12345671Y1A1B1C1DNCVSS 图4-12 四输入与非门CC4012

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74LS47/48和 CD4511功能表输 入LTRBIBIA3A2A1A0输 出a ~ g无效(消隐)无效(消零)有效(测灯)正常显示× ×H H×L××××H L L L L L LL H×××××8421BCD码

图4-13 CD4511功能表

仿真过程中，由于机器陈旧，很不便操作，因此花费来了大量的时间。但经过不懈努力终于完成调试。

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第五章 电路的安装与调试

由于生产实际的复杂性和电子原件的离散性，加上设计者经验的不足，一个仅从理论上设计出来的电路往往是不成熟的，可能存在许多问题，而这些问题不通过实验的检查不出来的，因此方案设计之后，需要进行电路的安装与调试，以发现与设计要求不相符的情况。

一，安装

在装配电路的时候，一定要认真仔细，保证连线正确和接触良好，防止虚接，短接，以免人为故障。

1 要根据芯片引脚原理图，分功能安装，并根据接线顺序分步骤验证。 2 防止接触不良故障

（1）集成芯片引脚对准金属孔小心插入。 （2）导线的剥线长度与面包版厚度相应。

（3）导线的裸线部分不要露在面包板外面，以防短路。 （4）布线是尽量走直角，线与线之间尽量不要交叉。 （5）布线尽量不要走在集成片上。 3 接线时确保可靠的电源和接地。 4 注意芯片的控制引脚必须接正确。

二，调试

电路安装好后，进行了通电前的检查，通电后，每片集成芯片没有发热现象。工作电压正常，这是电路工作的基本保障。调试单元电

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路直到正常工作。

三，排除故障

实验过程中，难免遇见这样或那样的故障，出现了问题不能急躁，沉着冷静，要善于学会用理论与实践相结合的方法分析故障原因，这样就能较快的找到故障的原因及找到解决问题的方法。

一般故障有：接触不良，接线错误，器件本身损坏，多余输出端未正确处理，设计上有缺陷等等。

一般的故障测试手段：面包板上的指示灯，万用表测试。 例，用万用表测试：

1 ，首先用万用表的电压档测试芯片的电源线和接地之间的电压是否为电源电压。，为防止导线接触不良，用万用表的红黑表笔直接测试芯片的电源和地两个引脚之间的电压。

2，用万用表测试每一根线是否接触良好，若检测导线的状况良好，但信号却没有送到对应的引脚，可能是芯片没有插好造成接触不良，重新插好再测试，直到正常。

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1，康华光.2001年. - -

第七章 参考文献 数字部分（第五版）.

北京：高等教育出版

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电子技术基础中原工学院课程设计专用纸

社.

2，任为民《电子技术课程设计指导书》北京：中央广播电视大学出版社,2001 3，焦宝文《电子技术基础课程设计指南》北京：清华大学出版社,2002 4，高吉祥《电子技术基础实验与课程设计》北京：电子工业出版社,2002 5，王毓银《数字电路逻辑设计（第二版）》北京：高等教育出版社,2005 6，余孟尝《数字电子技术简明教程》北京：高等教育出版社,2003 7，阎 石《数字电子技术基础》北京：高等教育出版社,2004 8，王 楚《数字逻辑电路》北京：高等教育出版社,1999

9，欧阳星明《数字逻辑（第二版）》湖北：华中科技大学出版社,2005 10，王永军《数字逻辑与数字系统（第3版）》北京：电子工业出版社,2005

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