數(shù)字邏輯數(shù)字時鐘課程設(shè)計報告.doc

18計算機學(xué)院數(shù)字系統(tǒng)課程設(shè)計目錄第一章 系統(tǒng)概述31.1 設(shè)計題目31.2 系統(tǒng)設(shè)計目的和內(nèi)容31.2.1 設(shè)計目的31.2.2 設(shè)計要求31.2.3 設(shè)計內(nèi)容和步驟31.3 設(shè)計數(shù)字鐘的可行性分析3第二章 設(shè)計總體方案42.1 總體方案框圖42.2 設(shè)計原理42.3 元器件的選擇及功能分析52.3.1 選擇器件52.3.2 555定時器的應(yīng)用52.3.3 74290的應(yīng)用72.3.4與門8第三章 功能模塊93.1 單元電路的設(shè)計93.1.1 秒脈沖發(fā)生器93.1.2時間技術(shù)單元103.2總體設(shè)計電路圖12第四章 EWB24小時計時數(shù)字鐘仿真結(jié)果134.1使用 EWB作為24小時計時數(shù)字鐘設(shè)計平臺134.1.1 EWB 概述及其仿真軟件的特點134.1.2 EWB介紹144.2 EWB24小時計時數(shù)字鐘基本功能仿真結(jié)果144.3EWB電子鐘整體仿真結(jié)果15結(jié)束語16參考文獻(xiàn)17第一章 系統(tǒng)概述1.1 設(shè)計題目課程設(shè)計題目：數(shù)字鐘 1.2 系統(tǒng)設(shè)計目的和內(nèi)容1.2.1 設(shè)計目的通過本次課程設(shè)計，學(xué)生學(xué)會通過進(jìn)行查閱資料、方案設(shè)計、單元和系統(tǒng)電路設(shè)計、繪圖等工作，獨立完成本次數(shù)字電路系統(tǒng)的設(shè)計，提高學(xué)生獨立分析問題、獨立解決問題、獨立動手設(shè)計的能力；提高學(xué)生在數(shù)字電路應(yīng)用方面的實踐技能，培養(yǎng)創(chuàng)造性思維及綜合運用理論知識解決實際問題的能力。1.2.2 設(shè)計要求 1.用中小規(guī)模集成電路設(shè)計并制作一臺能顯示時、分、秒數(shù)字鐘 2. 由振蕩器產(chǎn)生時鐘信號。 3. 小時計數(shù)器用24進(jìn)制計數(shù)器。 4. 可以手動校正時間，能分別進(jìn)行時、分的校正。 5. 采用LED顯示時、分、秒。1.2.3 設(shè)計內(nèi)容和步驟1. 根據(jù)選題要求，進(jìn)行方案比較，畫出系統(tǒng)框圖，進(jìn)行初步設(shè)計。2. 設(shè)計單元電路，計算參數(shù)，選擇元器件。3. 畫出系統(tǒng)電路原理圖初稿。4. 利用EWB軟件組裝調(diào)試所設(shè)計的系統(tǒng)電路，修改設(shè)計中的疏漏。5. 撰寫課程設(shè)計說明書。6. 繪制正式的系統(tǒng)電路原理圖。1.3 設(shè)計數(shù)字鐘的可行性分析選用EWB軟件，以計算機作為載體。通過使用EWB軟件，設(shè)計實現(xiàn)一個24小時計時的數(shù)字鐘，并實現(xiàn)它的校時功能，通過電路分析，本次試驗可用六塊74290芯片分別實現(xiàn)時24進(jìn)制和分秒60進(jìn)制，脈沖信號由振蕩器產(chǎn)生，方案設(shè)計是可行的第二章 設(shè)計總體方案2.1 總體方案框圖圖 2.1 總體方案框圖2.2 設(shè)計原理由555定時器構(gòu)成的振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)定的1Hz的脈沖信號，作為標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖。秒計數(shù)器計60后向分計數(shù)器進(jìn)位，分計數(shù)器計滿60后向小時進(jìn)位，小時計數(shù)器設(shè)置成24進(jìn)制計數(shù)器，滿24后清零，重新開始計時。計數(shù)器的輸出直接送到LED顯示器。計時出現(xiàn)誤差時可以用校時電路進(jìn)行校時，校分，校時電路是由一開關(guān)接到一個高電位上，當(dāng)全按一下開關(guān)就傳來一個高位脈沖，計數(shù)器加一。2.3 元器件的選擇及功能分析2.3.1 選擇器件本次課程設(shè)計所用器件如表2-1： 名稱數(shù)目脈沖信號發(fā)生器1十進(jìn)制加法計數(shù)器6與門2單刀雙擲開關(guān)3表2-1 本試驗所有器材如2.3.2 555定時器的應(yīng)用國產(chǎn)雙極型定時器CB555電路結(jié)構(gòu)圖。它是由比較器C1和C2，基本RS觸發(fā)器和集電極開路的放電三極管TD三部分組成。 VH是比較器C1的輸入端，v12是比較器C2的輸入端。C1和C2的參考電壓VR1和VR2由VCC經(jīng)三個五千歐電阻分壓給出。在控制電壓輸入端VCO懸空時，VR1=2/3VCC,VR2=1/3VCC。如果VCO外接固定電壓，則VR1=VCO,VR2=1/2VCO.RD是置零輸入端。只要在RD端加上低電平，輸出端v0便立即被置成低電平，不受其他輸入端狀態(tài)的影響。正常工作時必須使RD處于高電平。下圖為EWB軟件555定時器邏輯符號圖：圖 2.2 555定時器邏輯符號555定時器是一種中規(guī)模集成電路，只要在外部配上適當(dāng)阻容元件，就可以方便地構(gòu)成脈沖產(chǎn)生和整形電路。 圖2.3 555定時器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖1. 555集成定時器由五個部分組成?；綬S觸發(fā)器：由兩個“與非”門組成比較器：C1、C2是兩個電壓比較器分壓器：阻值均為5千歐的電阻串聯(lián)起來構(gòu)成分壓器，為比較器C1和C2提供參考電壓。晶體管開關(guān)和輸出緩沖器：晶體管VT構(gòu)成開關(guān)，其狀態(tài)受端控制。輸出緩沖器就是接在輸出端的反相器G3，其作用是提高定時器的帶負(fù)載能力和隔離負(fù)載對定時器的影響。2. 基本功能：當(dāng)時，輸出電壓為低電平，VT飽和導(dǎo)通。當(dāng)時，時，時，C1輸出低電平，C2輸出高電平，Q0，飽和導(dǎo)通。當(dāng)、時，C1、C2輸出均為高電平，基本RS觸發(fā)器保持原來狀態(tài)不變，因此、VT也保持原來狀態(tài)不變。當(dāng)、時，C1輸出高電平，C2輸出低電平，Q1，VT截止。 表22 555定時器邏輯功能表555定時器功能表輸 入輸 出閾值輸入(vI1)觸發(fā)輸入(vI2)復(fù)位()輸出()放電管T00導(dǎo)通 11截止10導(dǎo)通1不變不變2.3.3 74290芯片的功能及應(yīng)用74290由兩個計數(shù)器組成，一個是FF0構(gòu)成的一位二進(jìn)制計數(shù)器，另一個是FF1,FF2,FF3構(gòu)成的五進(jìn)制計數(shù)器。它們獨立使用時，分別是二進(jìn)制計數(shù)器和五進(jìn)制計數(shù)器。當(dāng)計數(shù)脈沖CP沖CP1端輸入，Q0接到CP2端，Q3,Q2,Q1,Q0為計數(shù)器輸出時，構(gòu)成8421編碼的十進(jìn)制加法計數(shù)器。而計數(shù)脈沖CP從CP2端輸入，Q3接到CP1端，Q3,Q2,Q1,Q0為計數(shù)器輸出時，則構(gòu)成5421編碼的十進(jìn)制加法計數(shù)器。74290功能如表23所示。表23 74290功能表由其功能表看出，當(dāng)R0(1)和R0(2)為兩個置0輸入端，R0(1)和R0(2)全為1時，將計數(shù)器置成0000，S9(1)和S9(2)為置9輸入端，S9(1)和S9(2)全為1時，將計數(shù)器置成1001。8圖2.4 74290的邏輯符號 圖2.5 74290輸出真表82.3.4與門 真值表如下表25所示：A BF0 00 11 01 1O111圖2.9 邏輯符號邏輯功能描述如下： 其中A、B為輸入端，Y為輸出端。 當(dāng)輸入端A=0，B=0時，輸出端Y為低電平，即Y=0； 當(dāng)輸入端A=0，B=1時，輸出端Y為高電平，即Y=1； 當(dāng)輸入端A=1，B=0時，輸出端Y為高電平，即Y=1； 當(dāng)輸入端A=1，B=1時，輸出端Y為高電平，即Y=1； 即兩個輸入端A、B的輸入電平只要有一個是低電平0，輸出端Y就為低電平0；只要A、B兩個輸入端的電平有一個為1時，輸出端Y便為高電平1。第三章 功能模塊3.1 單元電路的設(shè)計 3.1.1 秒脈沖發(fā)生器本實驗采用555定時器組成多諧振蕩器，產(chǎn)生1.0HZ的脈沖。振蕩器是構(gòu)成數(shù)字式時鐘的核心,它的穩(wěn)定度及頻率的準(zhǔn)確度決定了數(shù)字鐘計時的準(zhǔn)確程度。計算頻率公式為F=（1.43/（R1+R2）*C）如圖3.1所示，輸出波形如圖3.2所示。圖3.1 由555定時器構(gòu)成的1.0HZ振蕩器脈沖發(fā)生器圖3.2 由振蕩器產(chǎn)生的方針波形3.1.2時間技術(shù)單元時間計數(shù)單元有時、分和秒計數(shù)3個部分. 時計數(shù)單元為24進(jìn)制計數(shù)器;分計數(shù)和秒計數(shù)單元為60進(jìn)制計數(shù)器。 我采用10進(jìn)制計數(shù)器74290來實現(xiàn)時間計數(shù)單元的計數(shù)功能.每一計數(shù)器均提供一個異步清零端(高電平有效).圖3.3為秒計數(shù)器，CLKA為信號輸入端，由振蕩器提供1Hz的秒脈沖。當(dāng)計數(shù)達(dá)到60后向分計數(shù)器進(jìn)位。當(dāng)秒十位上達(dá)到6（即0110）時，R0(1)和R0(2)接到QB、QC上，十位數(shù)清零個位數(shù)到10后也自動清零。在QB、QC接一個與門然后接到分計數(shù)器上可向分計數(shù)器進(jìn)一位。分計數(shù)器與秒計數(shù)器原理相同。， 圖3.3 60進(jìn)制分、秒計數(shù)器圖3.4為24進(jìn)制時計數(shù)器，個位和十位均為十進(jìn)制計數(shù)器，當(dāng)走24（即十位為0010，個位為0100）時，將對計數(shù)器進(jìn)行清零。將個位和十位另個計數(shù)器的R0(1)和R0(2)都分別接到十位計數(shù)器的QB和個位計數(shù)器的QC即可。如圖3.4所示。圖3.4 24進(jìn)制時計數(shù)器仿真結(jié)果圖3.5仿真結(jié)果為當(dāng)“秒”計數(shù)器到60時的進(jìn)位圖3.6為分到時的進(jìn)位 3.2總體設(shè)計電路圖給出總體電路原理圖，說明電路整體工作情況以及模塊間的連接關(guān)系經(jīng)過對以上各個步驟的總結(jié)可以的到最終的結(jié)果，通過軟件對最后的結(jié)果進(jìn)行仿真，驗證本次試驗設(shè)計的正確性?？傠娐穲D如下： 圖3.7 24小時計時數(shù)字鐘的總體設(shè)計電路圖第四章 EWB24小時計時數(shù)字鐘仿真結(jié)果4.1使用 EWB作為24小時計時數(shù)字鐘設(shè)計平臺4.1.1 EWB 概述及其仿真軟件的特點Electronic Workbench（EWB）軟件是專門用于電子電路仿真的“虛擬電子工作臺”軟件，它是目前全球最直觀、最高效的EDA軟件。它的功能強大，能夠提供電阻、電容、三極管、集成電路等數(shù)十大類幾千種元件，能夠提供示波器、萬用表等十幾種常用的電子儀器；具有強大的電路圖繪制功能，可繪制出符合標(biāo)準(zhǔn)的電子圖紙；它還具有強大的波形顯示功能，并且結(jié)果可輕松放入各類文檔。用該軟件進(jìn)行設(shè)計、分析非常方便。本文在EWB基礎(chǔ)上設(shè)計電子時鐘，是由數(shù)字集成電路構(gòu)成、用數(shù)碼管顯示的一種現(xiàn)代計時器，與傳統(tǒng)機械式時鐘相比具有更高的準(zhǔn)確性和直觀性，且無機械裝置，具有更長的使用壽命，因此廣泛使用。EWB是加拿大Interactive Image Technologies公司于20世紀(jì)90年代推出的專門用于電子線路仿真實驗與設(shè)計的“虛擬電子工作平臺”。EWB是一種在電子技術(shù)工程與電子技術(shù)教學(xué)中廣泛應(yīng)用的優(yōu)秀計算機仿真軟件，被譽為“計算機里的電子實驗室”。EWB仿真軟件的特點1.界面直觀。繪制的電路圖需要的元器件、測試儀都以圖標(biāo)方式出現(xiàn)，而且儀器的操作開關(guān)、按鈕同實際操作非常相似，EWB提供交互式的電路模擬，方便使用的人機圖形界面。 2EWB具有完整的混合模擬與數(shù)字信號模擬的功能，可任意地在系統(tǒng)中集成數(shù)字及模擬元件。EWB會自動地進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換。EWB具備即時波形顯示功能。3EWB具有下拉式的電路編輯功能表，可使電路元件的輸入更為簡易快速。4EWB具有虛擬的儀表設(shè)備，包含萬用電表、示波器及邏輯分析儀等，可具體地模擬實際的測量情況。5提供了各種分析手段。有靜態(tài)分析、動態(tài)分析、時域分析、頻域分析、噪聲分析、失真分析、離散傅立葉分析、溫度分析等各種分析方法。4.1.2 EWB介紹本文使用的EWB版本是5.12，界面如圖4.1所示：圖4.1 EWB 5.12版本界面 使用EWB可以實現(xiàn)大部分模擬電子線路與數(shù)字電子線路實驗的功能，易學(xué)、易用、真實、準(zhǔn)確、快捷、方便、在以往進(jìn)行電子線路設(shè)計時，最初的設(shè)計電路往往是不可能一次達(dá)到設(shè)計要求，而需要經(jīng)過反復(fù)多次仿真、測試，才能符合設(shè)計要求。這樣既費時費力，又增加了產(chǎn)品的成本。此外，因受工作場所、儀器設(shè)備等因素的限制，許多實驗難以進(jìn)行。利用EWB仿真軟件就可以在虛擬器件庫中隨意選擇并改變器件的參數(shù)，在虛擬的儀器庫中隨意選擇需要的儀器設(shè)備，在虛擬的試驗平臺上進(jìn)行實驗，以使設(shè)計電路最終達(dá)到最佳設(shè)計要求。4.2 EWB24小時計時數(shù)字鐘基本功能仿真結(jié)果 首先，由方波電源輸出穩(wěn)定的脈沖信號，輸出標(biāo)準(zhǔn)的秒脈沖信號，秒計數(shù)電路為六十進(jìn)制計數(shù)器，秒計數(shù)電路將振蕩器產(chǎn)生的秒脈沖信號作為輸入信號，進(jìn)行計數(shù)，并通過秒顯示器顯示秒；其次，當(dāng)秒計數(shù)器完成60個秒計數(shù)后，秒計時電路清零，輸出一個“分計時信號”，分計時電路收到秒計時電路產(chǎn)生的信號后，開始計數(shù)并顯示分；再次，當(dāng)分計時電路完成60個分計數(shù)后，分計數(shù)器清零，輸出一個“時計時信號”，時計時電路收到分計時電路產(chǎn)生的信號后，開始計數(shù)并顯示時；最后，時計時電路完成24個時計數(shù)后，清零。完成電子鐘基本功能仿真結(jié)果。4.3 EWB電子鐘整體仿真結(jié)果使用EWB將各模塊連接成完整的電路,實現(xiàn)了數(shù)字電子鐘的基本功能和擴展功能，完成EWB仿真數(shù)字電子鐘。使用EWB仿真的數(shù)字電子鐘電路圖，如圖4.2所示:圖4.2個人心得體會我覺得這次的課程設(shè)計不僅可以很好地鍛煉學(xué)生的綜合設(shè)計開發(fā)能力和動手能力，而且可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還可以大大節(jié)約數(shù)字電路課程設(shè)計實驗的成本，提高設(shè)計效率。EWB軟件，可方便地在計算機上進(jìn)行電路設(shè)計、仿真，其電路結(jié)構(gòu)及設(shè)計觀念可以很容易地被修正；也可方便地更換所需要的元件。通過模擬可快速地反映出所設(shè)計電路的性能。若能利用計算機輔助設(shè)計進(jìn)行電路模擬與分析，則可有效地節(jié)約資源、縮短產(chǎn)品研發(fā)的成本與時間。而且電路簡潔明了，容易連接也容易修改。整個過程花了我不少時間，可當(dāng)做完時才發(fā)現(xiàn)做這個數(shù)字鐘是很簡單的一件事，主要是在調(diào)試時花了不少時間，其間換了不少器件，有的器件在理論上可行，但在實際運行中就無法看到效果，所以調(diào)試花了我不少時間，有時無法找出錯誤便更換器件重新接線以使電路正常運行。在實際的操作過程中，能把理論中所學(xué)的知識靈活地運用起來，并在調(diào)試中會遇到各種各樣的問題，電路的調(diào)試提高了我們解決問題的能力，學(xué)會了在設(shè)計中獨立解決問題，也包括怎樣去查找問題。似乎所有的事都得自己新手去操作才會在腦海中留下深刻的印象，這個小小的課程設(shè)計讓我可以熟練的操作EWB軟件