数字电子实习数字钟设计.docx
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数字电子实习数字钟设计.docx
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数字电子实习数字钟设计
课程设计任务书
指导老师:
余锡存
学生姓名:
小编
学号:
92130103
学校:
南京师范大学
系别:
能源与机械工程学院
专业:
机械工程及自动化
班级:
1005
设计时间:
2012年12月20日
数字电子实习
数字电子技术课程设计是电气、电子、机电及其相关专业教学中的一个重要组成部分。
通过数字电子技术课程设计的训练,可以全面调动学生的主观能动性,融会贯通其所学的“模拟电子技术”、“数字电子技术”和“电子技术实验”等课程的基本原理和基本分析方法,进一步把书本知识与工程实际需要结合起来,实现知识向技能的转化,以便毕业生走上工作岗位能较快地适应社会的要求。
课程设计的基本方法和步骤
通常,电路设计的最终任务是制造出成品电路板或整机。
而数字电子技术课程设计的任务可以分成两种:
一种是纯理论设计,即仅要求设计出电路图纸和写出设计报告;另一种是不仅要求设计出电路图纸和写出设计报告,还要求做出试验产品。
一般说来,设计者接受某项设计任务后,其设计步骤大致分为五个环节。
1.课题分析
根据课题设计要求和技术指标,结合已掌握的基本理论,查阅文献资料,收集同类电路图作为参考,并分析同类电路的性能;然后考虑这些参考电路中哪些元器件需要改动或替换,哪些参数需要另外计算才能达到设计要求等,从总体上把握设计方案,从而对课题的可行性作出准确判断。
2.方案论证
根据系统的总体要求,把电路划分成若干功能块,从而得到系统框图。
每个框图里边可以是一个或几个基本单元电路,并将总体指标分配给每个单元电路,然后根据各单元电路所要完成的任务来决定电路的总体结构。
为完成系统的总体要求,由系统框图到单元电路的具体结构是多种多样的,经过较为详细的方案比较和论证,以技术上的可行性、使用上的安全可靠性和较高的性价比为主要依据,最后选定方案。
3.方案实现
尽量选用市场上可以提供的中、大规模集成电路芯片和各种分立元件等电子器件,并通过应用性设计来实现各功能单元的要求以及各功能单元之间的协调关系。
本步骤的要点是:
(1)熟悉目前数字或模拟集成电路等电子器件的分类、特点,从而合理选择所需要的电子器件。
要求工作可靠、价格低廉。
(2)对所选功能器件进行应用性设计时,要根据所用器件的技术参数和应完成的任务,正确估算外围电路的参数;对于数字集成电路要正确处理各功能输入端。
(3)要保证各功能器件协调一致地工作。
对于模拟系统,按照需要采用不同混合方式把它们连接起来,而对于数字系统,协调工作主要通过控制器来完成。
4.安装调试(纯理论设计者不包括该环节)
首先将所设计的电子系统在实验板或逻辑电路实验箱上进行安装与调试,其目的是使所设计的电路达到任务书中的各项要求。
安装与调试过程应按照先局部后整机的原则,根据信号的流向逐个单元进行;使各功能单元都要达到各自技术指标的要求,然后把它们连接起来进行统调和系统测试。
调试包括调整与测试两部分:
调整主要是调节电路中可变元器件或更换元器件(部分电路的更改也是有的),使之达到性能的改善;测试是采用电子仪器测量电路相关节点的数据或波形,以便准确判断设计电路的性能。
调试步骤大致如下:
(1)通电观察
在电路与电源连线检查无误后,方可接通电源。
电源接通后,不要急于测量数据和观察结果,而要先检查有无异常,包括有无打火冒烟,是否闻到异常气味,用手摸模元器件是否发烫,电源是否有短路现象等。
如发现异常,应立即关断电源,等排除故障后方可重新通电。
然后测量电路总电源电压及各元器件引脚的电压,以保证各元器件正常工作。
(2)分块调试
分块调试是把电路按功能不同分成不同部分,把每个部分看作一个模块进行调试;在分块调试过程中逐渐扩大范围,最后实现整机调试。
分块调试顺序一般按信号流向进行,这样可把前面调试过的输出信号作为后一级的输入信号,为最后联调创造有利条件。
分块调试包括静态调试和动态调试。
静态调试是指在无外加信号的条件下测试电路各点的电位并加以调整,以达到设计值。
如模拟电路的静态工作点,数字电路的各输入端和输出端的高、低电乎值和逻辑关系等。
通过静态测试可及时发现已损坏和处于临界状态的元器件。
静态调试的目的是保证电路在动态情况下正常工作,并达到设计指标。
动态调试可以利用自身的信号,检查功能块的各种动态指标是否满足设计要求,包括信号幅值、波形形状、相位关系、频率、放大倍数等。
对于信号电路一般只看动态指标。
测试完毕后,要把静态和动态测试结果与设计指标加以比较,经深入分析后对电路参数进行调整,使之达标。
(3)整机联调
在分块调试的过程中,因是逐步扩大调试范围的,实际上已完成某些局部电路问的联调工作。
在联调前,先要做好各功能块之间接口电路的调试工作,再把全部电路连通,然后进行整机联调。
整机联调就是检测整机动态指标,把各种测量仪器及系统本身显示部分提供的信息与设计指标逐一对比,找出问题,然后进一步修改、调整电路的参数,直至完全符合设计要求为止。
在有微机系统的电路中,先进行硬件和软件调试,最后通过软件、硬件联调实现目的。
调试过程中,要始终借助仪器观察,而不能凭感觉和印象。
使用示波器时,最好把示波器信号输入方式置于“DC”挡,它是直流锅合方式,可同时观察被测信号的交直流成分。
被测信号的频率应在示波器能稳定显示的范围内。
如频率太低,观察不到稳定波形时,应改变电路参数后再测量。
例如,观察只有几赫兹的低频信号时,通过改变电路参数,使频率提高到几百赫兹以上,就能在示波器中观察到稳定信号并可记录各点的波形形状及相互问的相位关系。
测量完毕,再恢复到原来的参数,继续测试其他指标。
完成安装调试,达到设计任务的各项技术指标后,一定要撰写课题设计报告,以便验收和评审。
课程设计报告的内容如下:
(1)课题名称
(2)设计任务及要求
(3)电路设计
其内容包括以下几个部分:
·确定方案。
对于考虑的方案,经过比较后,选择最佳方案;
·单元电路的设计和元器件的选择;
·画出完整的电路图和必要的波形图,并说明工作原理;
·计算出各元器件的主要参数,并标在电路图中恰当的位置;
(4)设计体会
(5)参考文献
第一部分
多功能数字钟电路设计
摘要
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。
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。
数字钟适用于自动打铃、自动广播,也适用于节电、节水及自动控制多路电器设备。
它是由数子钟电路、定时电路、放大执行电路、电源电路组成。
为了简化电路结构,数字钟电路与定时电路之间的连接采用直接译码技术。
具有电路结构简单、动作可靠、使用寿命长、更改设定时间容易、制造成本低等优点。
从有利于学习的角度考虑,这里主要介绍以中小规模集成电路设计数字钟的方法。
一、工作原理
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标准时间(如北京时间)一致,故需要在电路上加一个校时电路,同时标准的1HZ时间信号必须做到准确稳定。
通常使用石英晶体振荡器电路构成数字钟。
图1所示为数字钟的一般构成框图。
图1数字钟原理框图
⑴晶体振荡器电路:
晶体振荡器电路给数字钟提供一个频率稳定准确的32768Hz的方波信号,可保证数字钟的走时准确及稳定。
不管是指针式的电子钟还是数字显示的电子钟都使用了晶体振荡器电路。
⑵分频器电路:
分频器电路将32768HZ的高频方波信号经32768(
)次分频后得到1Hz的方波信号供秒计数器进行计数。
分频器实际上也就是计数器。
⑶时间计数器电路:
时间计数电路由秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器及时个位和时十位计数器电路构成,其中秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器为60进制计数器,而根据设计要求,时个位和时十位计数器为24进制计数器。
⑷译码驱动电路:
译码驱动电路将计数器输出的8421BCD码转换为数码管需要的逻辑状态,并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。
⑸整点报时电路:
一般时钟都应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。
二、单元电路设计
2.1显示电路
显示电路是由6个7SEG—DIGITAL七段LED管(7端)组成,相应的译码器将译码信号传给显示。
2.2译码电路
译码电路是由6个74LS48集成电路组成,如图2,将4位二进制信号解译成7段码信号,通过七段LED管显示,74LS48输出端QA-QG分别对应七段显示器的1-7输入端A-D对应计数器的Q0-Q3,RBI与LT端接DC交流电。
图2译码电路
2.3计数电路
计数电路是由秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器及时个位和时十位计数器电路构成,其中秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器为60进制计数器,而根据设计要求,小时计数器为24进制计数器。
如图3,用6个74LS161组成两个60进制和一个24进制计数器。
图3
从左往右依次是十进制,六进制,十进制,六进制,采用同步清零法连接;时的个位采用十进制清零法,当十位变为2时,采用五进制置数法置零;时的十位采用三进制清零法。
所有计数器在清零时同时给下一个计数器的CLK传递进位信号。
图4
图4中当时的十位变为2时,同时当个位变为4时将个位置零,又由于十位为三进制则清零,如此实现小时的24进制。
2.4振荡电路
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。
如图5由集成电路定时器555与RC可组成多谐振荡器,其振荡频率只有1KHz。
所以为了达到设计要求,获取更高的计时精度,选用晶体振荡器构成振荡器电路。
一般来说,振荡器的频率越高,计时精度越高。
此次设计选用R145-32的晶体振荡器,其频率为32768Hz,再经过分频芯片4060,其内部有15级2分频集成电路,所以可以其中一个输出端得到2Hz的信号脉冲。
再经过二次分频,方可得到1Hz的标准信号脉冲,即秒脉冲。
同时4060,所产生的4HZ可以用来做校时信号,256HZ可做低声报时,512HZ可做高声报时。
图5
2.5校时电路
一般情况下,数字电子钟开机时并不立即显示当前时间,所以需要一个校时电路来调整以此来获得所需要的时间。
根据设计要求,采用自动实现对时和分的校时,为了使校时不干扰计时,在校时电路中还加入了消抖电路,用于消除输入脉冲的不稳定性,确保校时和计时的稳定与准确。
其主要原理是:
先截断正常的计数通路,然后再将频率为4Hz的方波信号加到需要校正的计数单元的输入端,校正好后,再转入正常计时状态即可。
图6
根据要求,数字钟应具有自动分校正和时校正功能,因此,应截断分个位和时个位的直接计数通路,并采用正常计时信号与校正信号可以随时切换的电路接入其中。
图6示是由两个常开开关,两个防抖电路及一个74LS157选通集成电路组成,两个与门一个或非门构成的校时电路,其中当时或分校时按钮按下时,74LS157中的1A-3A通过1Y-3Y输出,按钮未被按下时1B-3B通过1Y-3Y输出,而1A-2A都是4HZ的校时信号,3B为1HZ的时钟信号,3A及1B-2B接地。
这样就实现了校时时中断计时的功能。
2.6报时电路
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。
当时间在59分50秒到59分59秒期间时,分十位、分个位和秒十位均保持不变,分别为5、9和5。
选蜂鸣器为电声器件,蜂鸣器是一种压电电声器件,当其两端加上一个直流电压时酒会发出鸣叫声,两个输入端是极性的,其较长引脚应与高电位相连,图7的三极管时为了驱动蜂鸣器。
图7
其中U15:
C计秒的十位为5,U21:
A计分的十位和个位为59,U23:
D计秒的个位为6,U2:
C计秒的个位为9,当时间为59分56秒时,通过74LS74将56秒的信号锁住,并用1HZ计时256HZ报时三次,当时间到59分59秒时中断与门U21:
B,通过U3:
A用512HZ报时一次,达到3低一高的报时目的。
三、数字钟整体电路图
图8
四、元器件清单
元器件
数量
7SEG—DIGITAL
6
74LS48
6
74LS157
1
CD4060
1
74LS00
2
74LS74
1
74LS04
3
10MΩ电阻
1
74LS21
1
33μF电容
2
R145-32晶体振荡器32768HZ
1
74LS161
6
常开开关
2
9V-12W变压器(5v)
1
扬声器(双引脚)
1
电路板
2
双引脚导线
若干
电源插头
1
74LS02
1
稳压管L7805CV
1
74LS08
5
第二部分
收音机
一、原理
广播电台播出节目是首先把声音通过话筒转换成音频电信号,经放大后被高频信号(载波)调制,这时高频载波信号的某一参量随着音频信号作相应的变化,使我们要传送的音频信号包含在高频载波信号之内,高频信号再经放大,然后高频电流流过天线时,形成无线电波向外发射,无线电波传播速度为3×108m/s,这种无线电波被收音机天线接收,然后经过放大、解调,还原为音频电信号,送入喇叭音圈中,引起纸盆相应的振动,就可以还原声音,即是声电转换传送——电声转换的过程。
二、实习目的与要求
目的:
通过收音机的原理电路图,对一台调幅收音机进行安装、焊接和调试,了解类似电子产品的装配过程,掌握电子元器件的识别方法,培养自己的实践技能。
要求:
1、认识常用的电阻、电容等电子元器件;2、了解收音机的工作原理;3、熟练焊接的具体操作;4、学习并掌握收音机的调试方法;5、初步掌握电子线路故障的排除方法。
三、元件的焊接
(1)焊接方法:
焊接时先将电烙铁在线路板上加热,大约两秒钟后,送焊锡丝,观察焊锡量的多少,不能太多,造成堆焊;也不能太少,造成虚焊。
当焊锡熔化,发出光泽时焊接温度最佳,应立即将焊锡丝移开,再将电烙铁移开。
为了再加热中使加热面积最大,要将烙铁头的斜面靠在元件引脚上,烙铁头的顶尖抵在线路板的焊盘上。
焊点高度一般在2毫米左右,直径应与焊盘相一致,引脚应高出焊点大约0.5mm。
(2)注意点:
1.烙铁通电前应将烙铁的电线拉直并检查电线的绝缘层是否有损坏,不能使电线缠在手上。
2.通电后应将电烙铁插在烙铁架中,并检查烙铁头是否会碰到电线、书包或其他易燃物品。
3.烙铁加热过程中及加热后都不能用手触摸烙铁的发热金属部分,以免烫伤或触电。
(3)焊接步骤:
1、电阻,二极管2、元片电容3、晶体三极管4、中周,输入输出变压器5、电位器,电解电容6、双联,天线线圈7、电池夹引线,喇叭引线
对整机电路进行分析,熟悉元件在印刷板上安装位置。
选择焊接方式(立式或卧式),对照原理图及印制电路板上的元件图式,分别依次安装电阻、电容、三极管、中周、可调电阻、双联拨盘、变压器及线圈,最后安装发光二极管。
焊接电容时应注意电容正负极,长端为正极,短端为负极,对于陶瓷电容可不考虑正负极,对于三极管要注意型号对应以及三个针脚的对应位置,安装中周时应注意颜色要对应,变压器针脚也须注意,在焊接前用欧姆表确定通端,线圈的安装与变压器相同,并且焊接时动作要轻防止断线,安装二极管后,要按照图示将二极管用镊子弯成所示样式,以便使发光管对准壳体电源显示口。
整个焊接过程,烙铁不能长时间停留在焊盘上,防止焊盘损坏脱落,焊点要成半圆状,多余针脚用剪线钳剪去,焊接时要常用助焊剂(松香)。
四、调试
安装焊接结束后,安装扬声器及电池后,使用电流表对原理图所示的a、b、c、d点测量,四个电流缺口,若测量的数值A点位1mv左右,B点大于A点,大约为1.5mA,C点大于B点,为4.8mV左右,D点位2mV左右即可用烙铁将四个缺口依次连通,当测量电流不在规定电流值左右要仔细检查三极管极性有没有装错,中周是否装错位置以及虚假错焊等,若测量哪一级电流不正常则说明那一级有问题。
将电位器调至最大,调节红色中周(中频),至声音最大时,再调节黑色中周(低频),最后调节双联拨盘并记下对应台的频率。
在此过程中一般不调节白色中周(高频),中周调节不要使用带磁性的螺丝刀,最好使用塑料或木质材料调节。
五、故障处理
调试中如果出现扬声器不出声音,则应检查电路的完整性,打开开关使用电流表的黑笔从最后一个开始触碰每一个三极管的e极,若扬声器出现杂声则三极管电路畅通,若出现无声现象,则用欧姆表检查电路情况是否存在虚焊现象,如果无虚焊或电路损坏则表明三极管损坏。
在中周调试过程中如果,调试红色中周并无反应,应尝试黑色中周,若黑色中周有反应则红中周损坏。
六、实习材料:
1、HX118-2型六管超外差收音机散装套件:
1套/人(见元件明细表);
2、组装工具:
1套/人;
3、万用表、稳压电源、高频信号发生器、音频信号发生器、晶体管毫伏表每条流水线1套;
表一材料清单
元器件位号目录
结构件清单
位号
名称规格
位号
名称规格
序号
名称规格
数量
R1
电阻100K
C11
元片电容0.022μF
1
前框
1
R2
2K
C12
元片电容0.022μF
2
后盖
1
R3
100Ω
C13
元片电容0.022μF
3
周率板
1
R4
20K
C14
电解电容100μF
4
调谐盘
1
R5
150Ω
C15
电解电容100μF
5
电位盘
1
R6
62K
B1
磁棒B5*13*55
6
磁棒支架
1
R7
51Ω
T
天线线圈
7
印制板
1
R8
1K
B2
震荡线圈(红)
8
正极片
2
R9
680Ω
B3
中周(黄)
9
负极簧
2
R10
51K
B4
中周(白)
10
拎带
1
R11
1K
B5
中周(黑)
11
调谐盘罗钉沉头M2.5*4
1
R12
220Ω
B6
输入变压器(兰、绿)
12
双联罗钉M2.5*5
2
R13
100K
B7
输出变压器(黄、红)
13
机芯罗钉自攻M2.5*5
1
W
电位器5K
D1
二极管1N4148
14
电位器罗钉M1.7*4
1
C1
双联CBM223P
D2
二极管1N4148
15
正极导线(9cm)
1
C2
元片电容0.022μF
D3
二极管1N4148
16
负极导线(10cm)
1
C3
元片电容0.01μF
V1
三极管9018H
17
扬声器导线(10cm)
2
C4
电解电容4.7μF
V2
三极管9018H
C5
元片电容0.022μF
V3
三极管9018H
C6
元片电容0.022μF
V4
三极管9018H
C7
元片电容0.022μF
V5
三极管9014C
C8
元片电容0.022μF
V6
三极管9013H
C9
元片电容0.022μF
V7
三极管9013H
C10
电解电容4.7μF
Y
21/2扬声器8Ω
色环电阻色标数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
±5%
±10%
棕
红
橙
黄
绿
兰
紫
灰
白
黑
金
银
10
该电阻为10X10Ω±5%
主要性能指标:
频率范围:
535~1065kHz
中频频率:
465kHz
灵敏度:
<1mV/m(能收到本省、本市以外较远的电台及信号较弱的电台)
选择性:
20lg
>14dB
输出功率:
最大不失真功率≥100mW
电源消耗:
静态时,≤12mA,额定时约80Ma
心得体会
每次课程设计是一次难得的锻炼机会。
为期两周的电子实习,让我们能够充分利用所学过的理论知识还有自己的想象的能力,另外还让我们学习查找资料的方法,以及自己处理分析电路,设计电路的能力。
我相信是对我的一个很好的提高。
平时在学习理论知识的时候,我们应该更注重实践,应付考试有考试的方法。
这次的课程设计让我懂得了它们在实际中的用途,还有我们身边的很多数字钟电路,这些都是我们自己可以实现的,以前那些神秘的东西在不断的学习过程中变得不再那么神秘,我相信,以后还有更多的谜底被揭开。
通过这次课程设计,我还更加深了理论知识的学习。
这次的设计电路我用到了计数器、译码器等,通过自己分析和设计更好地运用了它们,而且还学会了它们更多的功能,发现它们的功能远比书上说的多很多,可以利用不同的接法设计出各种各样不同的电路出来。
其次磨练了我们的意志力。
我们花了很多心血来做这个课程设计,但凡事不是一帆风顺的,我们遇到了许多困难。
有些困难甚至看进来难于解决,确实也是打击了我们的信心。
但我们毫不气馁,认真地检查电路,检查焊接的好坏。
例如在做电源这一部分时,我们不断地修正方案,示波器也显示出了很完美的波形,但还是无法让电路正常运行。
在我们无比失望之际,我们没有放弃,最后找出问题的根本,换了两个大电容,达到了消除电压谐波,终于解决这大问题。
提高了我们使用电脑对电路进行仿真的能力。
在这之前,我们学习了protel99。
同样地,我们又要学会新的软件protues来画电路图,并用它进行仿真。
这又让我们的知识增多了。
加强我们对电子器件的了解。
一直以来,我们都对电路板感到神奇,对电子应用感到好奇。
这次我们亲自制作一个电子器件,虽然原理并不太复杂,但我们在这一个过程,了解电子应用的奇妙之处。
通过安装收音机和多功能数字钟的设计,加强了我们对电子学科的认识,提高了我们对这门科学的兴趣,同时也有助提高我们的动手操作及解决问题的能力。
参考文献
1.童本敏等.标准集成电路数据手册.TTL集成电路.北京:
电子工业出版社,1989
2.吕广平,徐笑貌.集成电路应用500例.北京:
人民邮电出版社,1983
3.许振江,张立新.集成电路型号速查手册.北京:
人民邮电出版社,2008
4.《数字电子技术基础》康华光主编高等教育出版社。
5.《电子线路设计·实验·测试》第三版,谢自美主编,华中科技大学出版社。
《电子线路综合设计实验教程》刘鸣主编天津
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