数字电路与逻辑设计 数字钟.docx

1、数字电路与逻辑设计 数字钟武汉工程大学 计算机科学与工程学院综合设计报告设计名称： 系统平台综合设计 设计题目： 数字钟的设计 学生学号： 专业班级： 学生姓名： 李彪 学生成绩： 指导教师（职称）： 陈艳（讲师） 课题工作时间： 2010年12月30日至 2011年1月15日说明：1、报告中的第一、二、三项由指导教师在综合设计开始前填写并发给每个学生；四、五两项（中英文摘要）由学生在完成综合设计后填写。2、学生成绩由指导教师根据学生的设计情况给出各项分值及总评成绩。3、指导教师评语一栏由指导教师就学生在整个设计期间的平时表现、设计完成情况、报告的质量及答辩情况，给出客观、全面的评价。4、所有

2、学生必须参加综合设计的答辩环节，凡不参加答辩者，其成绩一律按不及格处理。答辩小组成员应由2人及以上教师组成。5、报告正文字数一般应不少于5000字，也可由指导教师根据本门综合设计的情况另行规定。6、平时表现成绩低于6分的学生，取消答辩资格，其本项综合设计成绩按不及格处理。7、此表格式为武汉工程大学计算机科学与工程学院提供的基本格式（适用于学院各类综合设计），各教研室可根据本门综合设计的特点及内容做适当的调整，并上报学院批准。成绩评定表学生姓名： 李彪 学号： 班级： 类别合计分值各项分值评分标准实际得分合计得分备注平时表现1010按时参加综合设计，无旷课、迟到、早退、违反实验室纪律等情况。由设

3、计负责人给出完成情况3020按设计任务书的要求完成了全部任务，能完整演示其设计内容，符合要求。10能对其设计内容进行详细、完整的介绍，并能就指导教师提出的问题进行正确的回答。报告质量3510报告文字通顺，内容翔实，论述充分、完整，立论正确，结构严谨合理；报告字数符合相关要求，工整规范，整齐划一。5课题背景介绍清楚，综述分析充分。5设计方案合理、可行，论证严谨，逻辑性强，具有说服力。5符号统一；图表完备、符合规范要求。5能对整个设计过程进行全面的总结，得出有价值的结论或结果。5参考文献数量在3篇以上，格式符合要求，在正文中正确引用。答辩情况2510在规定时间内能就所设计的内容进行阐述，言简意明，

4、重点突出，论点正确，条理清晰。15在规定时间内能准确、完整、流利地回答教师所提出的问题。总评成绩： 分 补充说明： 指导教师： 陈艳 （签字）日 期： 年 月 日答辩记录表学生姓名： 李彪 学号： 班级： 答辩地点： 机电大楼3楼数字逻辑实验室 答辩内容记录：1、 如何实现60进制计数？答：60进制计数器是由一个6进制计数器和一个十进制计数器级联设计而成的。其级联的方法是：撤去六进制电路的脉冲输入，并作为进位的六进制显示电路的INA(14)号接口，改接到作为个位的十进制显示电路的74LS90芯片的QD上。 而十进制计数器是由六进制计数器改装得到的，六进制显示电路与十进制电路只需要做适当的改进并

5、可以实现修改进制。如果要将六进制计算器改为十进制，则只需要将下图中的74HC00D芯片的2号接口改接到QD与DD的连线上即可。2、在试验过程中遇到哪些问题，又是怎么样解决的？答：我在试验中遇到的问题有两大类；首先，就是芯片的连接问题，有时候忘记了把某些芯片的电源接上+5V和接地端接地，以及某些清零端清零。再一个就是，为了实现电路的特殊用途，芯片在级联的时候，将接口接错了，所以很难发现错误。遇上了上面的问题，我开始注意到在接线的时候分层次，分步骤的接线。先把主要的线路接好，然后检查特殊功能线路是否接对，然后将每个芯片接好后，进行检查，也可以在检测的二极管上检测电路的结果是否等于预期，来判断其中出

6、现的错误。每个芯片的连接无误后，最后进行芯片的级联。答辩成绩合计分值各项分值评分标准实际得分合计得分备注2510在规定时间内能就所设计的内容进行阐述，言简意明，重点突出，论点正确，条理清晰。15在规定时间内能准确、完整、流利地回答教师所提出的问题。答辩小组成员（签字）： 年 月 日指导教师评语指导教师： 陈艳 （签字）日 期： 2011 年 1 月 16 日一、综合设计目的、条件、任务和内容要求：1）设计目的数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。通过本次设计，要求同学们掌握数字钟的

7、工作原理、设计方法，完成简单数字电路的设计；复习巩固逻辑电路及时序电路相关原理、应用知识；进一步学习、掌握各种常用芯片的逻辑功能及使用方法；学习计数器级联设计、数字系统的设计、测试方法。2）条件本次设计在数字逻辑实验室进行，为每个小组准备独立的试验台、电源、面包板（可以选用数字逻辑课程实验箱）、万用表、镊子、剪刀、拔线铨、导线若干；提供设计需要的芯片，包括：晶体震荡器、分频器、计数器、段码管、段码管驱动译码芯片及各种门电路芯片、声光报警芯片及相应的电阻、电容等。教师提供设计思路概要（见附件9_1 综合设计详细指导说明）3）任务和要求（1）设计指标 以12/24小时计时制显示时、分、秒；为了保证

8、计时的稳定及准确须由晶体振荡器提供表针时间基准信号； 具有校时功能，可以分别对时及分进行单独校时，使其校正到标准时间； 计时过程具有报时功能，当时间到达整点前10秒进行报时（选做）。（2）设计要求 画出电路原理图； 元器件及参数选择； 系统设计、调试与分析。（3）制作要求 1-4人为一个小组，设计、装配系统，完成设计题目，并能发现问题和解决问题。（4）编写设计报告 依照给定模板完成设计报告，要求体现自己的工作、收获和思考。 指导教师签字： 陈艳 2010 年 12 月 20 日 二、进度安排：18周 自由分组、查阅资料，确定初步设计计划。19周周一周三 学生学习相关知识，确定设计方案，完成秒计

9、时的显示。19周周四周五 完成分、时计时显示。20周周一周二 完成校时、校分电路及闹钟电路的设计20周周三周四 系统总体测试、改进。写报告20周周五 答辩三、应收集资料及主要参考文献：1 胡翔骏. 电路基础简明教程. 刘志勇. 高等教育出版社，20042 杨志忠. 数字电子技术.第二版. 高等教育出版社，2003. 3 余孟尝. 数字电子技术基础简明教程（第三版）高等教育出版社, 2006.4 陈晓文. 电子线路课程设计. 电子工业出版社，2004. 5 艾永乐数字电子基础北京：中国电力出版社，20076 谢自美，电子线路设计实验测试（第二版）华中科技大学出版社，2003.四、综合设计（课程设

10、计）摘要（中文）：数字电子技术的迅速发展，使各种类型集成电路在数字系统、控制系统、信号处理等方面得到了广泛的应用。为了适应现代电子技术迅速发展的需要，能够较好地面向数字化和专用集成电路的新时代。此次数字电路综合设计与制作数字钟，可以让我们了解数字钟的原理。在实验原理的指导下，培养了分析和设计电路的能力。并且学会了检查和排除故障，分析处理实验结果的能力。进而进一步的了解各种在制作中用到的中小规模集成电路的作用及实用方法。由于数字钟的实现包括了组合逻辑电路和时序逻辑电路，也进一步地学习与掌握了各种组合逻辑与时序电路的原理与使用方法。本课题利用了数字电路的相关知识，实现了数字时钟的相关功能。试验使用

11、了CD4511(七段式数码管译码驱动器)、74LS90（实现时间计数单元的计数功能）、74LS00（提供与非门）等芯片。整个流程由晶振多谐振荡器经过多几分频得到f=1HZ的稳定脉冲来驱动多级计数器计数，通过CD4511进行译码来驱动数码管显示出相应的时刻。本文将讲述74LS90、74LS00、CD4511等芯片的基本功能原理，并重点介绍基于数字时钟电路的设计。关键字: 数字电子；集成电路；数字时钟五、综合设计（课程设计）Abstract（英文）：The rapid development of digital electronic technology to make various type

12、s of integrated circuits in digital systems, control systems, signal processing and other aspects of a wide range of applications. In order to adapt to the rapid development of modern electronic technology needs to better digital and ASIC for a new era. The integrated design and production of digita

13、l circuit digital clock, digital clock allows us to understand the principle. In the experiment under the guidance of principles, develop the analysis and design circuits. And learn to check and troubleshooting, analysis and processing capacity of the experimental results. And thus a better understa

14、nding of a variety in the production of integrated circuits used in the role of small and medium-scale and practical method. Implementation of the digital clock includes a combinational logic circuit and sequential logic circuits, but also further to learn and master the various combinations of logi

15、c and timing circuit principle and use. This subject uses the knowledge of digital circuits to achieve digital clock-related functions. The experiment uses the CD4511 (seven-segment LED decoder driver type), 74LS90 (to achieve the time counting unit counting function), 74LS00 (provided with NAND gat

16、e) and other chips. The entire process after the crystal multivibrator frequency by more than a fraction f = 1HZ the stability of the pulses to drive the multi-level counter, for decoding by CD4511 to drive the digital display the corresponding time. This paper will present 74LS90, 74LS00, CD4511 an

17、d other principles of the basic functions of the chip, and highlights the design based on the digital clock circuit. Keywords: digital electronics; integrated circuits; digital clock摘 要数字电子技术的迅速发展，使各种类型集成电路在数字系统、控制系统、信号处理等方面得到了广泛的应用。为了适应现代电子技术迅速发展的需要，能够较好地面向数字化和专用集成电路的新时代。此次数字电路综合设计与制作数字钟，可以让我们了解数字钟

18、的原理。在实验原理的指导下，培养了分析和设计电路的能力。并且学会了检查和排除故障，分析处理实验结果的能力。进而进一步的了解各种在制作中用到的中小规模集成电路的作用及实用方法。由于数字钟的实现包括了组合逻辑电路和时序逻辑电路，也进一步地学习与掌握了各种组合逻辑与时序电路的原理与使用方法。本课题利用了数字电路的相关知识，实现了数字时钟的相关功能。试验使用了CD4511(七段式数码管译码驱动器)、74LS90（实现时间计数单元的计数功能）、74LS00（提供与非门）等芯片。整个流程由晶振多谐振荡器经过多几分频得到f=1HZ的稳定脉冲来驱动多级计数器计数，通过CD4511进行译码来驱动数码管显示出相应

19、的时刻。本文将讲述74LS90、74LS00、CD4511等芯片的基本功能原理，并重点介绍基于数字时钟电路的设计。关键字: 数字电子；集成电路；数字时钟AbstractThe rapid development of digital electronic technology to make various types of integrated circuits in digital systems, control systems, signal processing and other aspects of a wide range of applications. In order t

20、o adapt to the rapid development of modern electronic technology needs to better digital and ASIC for a new era. The integrated design and production of digital circuit digital clock, digital clock allows us to understand the principle. In the experiment under the guidance of principles, develop the

21、 analysis and design circuits. And learn to check and troubleshooting, analysis and processing capacity of the experimental results. And thus a better understanding of a variety in the production of integrated circuits used in the role of small and medium-scale and practical method. Implementation o

22、f the digital clock includes a combinational logic circuit and sequential logic circuits, but also further to learn and master the various combinations of logic and timing circuit principle and use. This SubjectThis subject uses the knowledge of digital circuits to achieve digital clock-related func

23、tions. The experiment uses the CD4511 (seven-segment LED decoder driver type), 74LS90 (to achieve the time counting unit counting function), 74LS00 (provided with NAND gate) and other chips. The entire process after the crystal multivibrator frequency by more than a fraction f = 1HZ the stability of

24、 the pulses to drive the multi-level counter, for decoding by CD4511 to drive the digital display the corresponding time. This paper will present 74LS90, 74LS00, CD4511 and other principles of the basic functions of the chip, and highlights the design based on the digital clock circuit. Keywords: di

25、gital electronics; integrated circuits; digital clock第一章 课题概述1.1研究背景数字电子技术的迅速发展，使各种类型集成电路在数字系统、控制系统、信号处理等方面得到了广泛的应用。为了适应现代电子技术迅速发展的需要，能够较好地面向数字化和专用集成电路的新时代。目前，数字时钟以其体积小、重量轻、抗干扰能力强、对环境要求不高、高精确性、容易开发等特性，在工业控制系统、智能化仪器仪表、办公自动化等诸多领域取得了极为广泛的应用，并已走人了寻常百姓家。因此，数字时钟技术开发和应用跟我们的生活密切相关。本课题研究的内容就是以小型数字时钟为基础、进行拓展、

26、实现校时，并通过数码管直接显示时间，和通过蜂鸣器模拟报时功能。对这些问题的研究，是我们对数字电子技术的初步实践，更是对新知识新技术接轨的一种直接途径。再者，由于定时器部分自动设置的结合可以说这也是一个现代化产品，虽然现在它的技术含量并不高，但通过努力创新和不断的改进与改装，也必然将会成为一种实用性强、水平高的产品。数字电子钟由于采用了石英技术，走时精度高、稳定性好，不需要经常调校，使用携带方便。因此，在定时控制、自动报时及时间程序控制等方面都得到广泛的应用。本次设计我查阅了大量的文献资料，学到了很多关于数字电路方面的知识，并且更加巩固和掌握了课堂上所学的课本知识，使自己对数字电子技术有了更进一

27、步的认识和了解。1.2研究意义1.2.1实际应用意义数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。广泛用于个人家庭，车站，码头办公室等公共场所，成为人们日常生活中不可少的必需品，由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用，使得数字钟的精度,远远超过老式钟表，钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟

28、表数字化为基础的。因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。1.2.2学习指导意义 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。目前，数字钟的功能越来越强，并且有多种专门的大规模集成电路可供选择。经过了数字电路设计这门课程的系统学习，特别经过了关于组合逻辑电路与时序逻辑电路部分的学习，我们已经具备了设计小规模集成电路的能力，借由本次设计的机会，充分将所学的知识运用到实际中去。1.3研究目的数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。通过本次设计，要求同

29、学们掌握数字钟的工作原理、设计方法，完成简单数字电路的设计；复习巩固逻辑电路及时序电路相关原理、应用知识；进一步学习、掌握各种常用芯片的逻辑功能及使用方法；学习计数器级联设计、数字系统的设计、测试方法。第二章 设计方案论述2.1设计描述数字钟一般是由振荡器、分频器、计数器、译码器、显示器等几部分组成。这些都是数字电路中应用最广泛的基本电路，本设计直接采用由定时器设计的多谐振荡器产生振动周期为1s的脉冲。并将信号送入计数器进行计算，并把累加的结果以“时”、“分”、“秒”的数字显示出来。“秒”的显示由两级计数器和译码器组成的六十进制计数电路实现；“分”的显示电路“秒”相同，“时”的显示由两级计数器

30、和译码器组成的二十四进制电路来实现。所有计时结果由六位数码管显示，如图2-1为数字钟电路系统的组成框图。图2-1数字钟电路系统的组成框图2.2方案设计2.2.1 主体电路的设计主体电路是由功能部件或单元电路组成的。在设计这些电路或选择部件时，尽量选用同类型的器件，如所有功能部件都采用TTL集成电路或都采用CMOS集成电路。首先构成一个555定时器产生震荡周期为一秒的标准秒脉冲，由74LS90采用清零法分别组成六十进制的秒记数器、六十进制分记数器、由74LS74、74LS191构成十二进制时记数器。使用74LS48为驱动器，数码管作为显示器。下图为主体电路的设计电路图，如图2-2-1：图2-2-

31、1 方案实施电路图2.2.2 振荡器的设计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，通常选用石英晶体构成振荡器电路。一般来说，振荡器的频率越高，计时精度越高。振荡器可采用集成电路555定时器与RC组成的多谐振荡器，或者石英晶体振荡器。其电路图如下图2-2-2： 图2-2-2 CMOS 晶体振荡器电路图第三章 系统工作原理3.1 系统工作流程介绍本课题利用晶体振荡器电路与分频器电路结合，调整相关内部的电阻和电容大小，使其输出信号频率为1Hz，即构成了秒脉冲发生器。用两片74LS90级联构成60进制计数器，用来计“秒”，其CP输入为秒脉冲；另两片74LS90级联构成60进制计数器，用来计“分”，其CP输入为“秒”变为0时产生的一个下降沿信号；还有两片74LS90级联构成24进制计数器，用来计“时”，其CP输入为“分”变0时产生的一个下降沿信号。这样六片74LS90实现了数字钟的计时功能。它们的输出用六片数码管显示，之间接六片74LS49译码器