南京航空航天大学
数字电路课程设计之数字钟
数字电子技术课程设计报告
一、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。
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。
因此，我们此次设计与制作数字钟就是为了了解数字钟的原理，从而学会制作数字钟.而且通过数字钟的制作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.且由于数字钟包括组合逻辑电路和时叙电路.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.
二、设计内容及要求
（1）设计指标
① 由LM555构成多谐振荡器产生1HZ标准秒信号；
② 分、秒为00~59六十进制计数器，用数码管显示；
③ 时为00~23二十四进制计数器，用数码管显示；
④ 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；
⑤ 整点具有报时功能,走时过程中能按预设的定时时间（精确到小时）启动闹钟，以发光二极管闪烁表示，启闹时间为3s～10s。
（2）设计要求
① 画出电路原理图(multisim仿真)；
② 元器件及参数选择；
③ 电路仿真与调试。
（3）要求：自行装配和调试，并能发现问题和解决问题。布局合理，导线横平竖直，且不要从集成块上跳线，导线紧贴面包板，连接可靠，交叉线尽可能少。
（4）编写设计报告：写出设计与制作的全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。
三、原理框图
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。数字电子钟的总体图如图所示。数字电子钟由以下几部分组成：多频振荡器构成的秒脉冲发生器；校对电路；六十进制秒、分计数器、二十进制时计数器；以及秒、分、时的译码显示部分等。
四．主要部分的实现方案
1 秒脉冲电路
可采用LM555构成多谐振荡器，调整电阻可改变频率，使之产生1Hz的脉冲信号（即T=1S）
如图示：
T=0.7（RA+2RB)C
T=1S,C=220uF
计算得RA+2RB≈6.5K
取RA=1.5K,RB=2.4K
2 时间计数器电路
由6个74LS163计数器组成时分秒的计数电路，74LS163是能响应时钟脉冲上升沿、可以同步复位、同步预置的模16同步加法计数器。
（１）秒计数器
秒的个位计数单元为10进制计数器，当QDQCQBQA变成1010时，通过与非门把它的清零端变成0，计数器的输出被置零，跳过1011到1111的状态，又从0000开始，如此重复。秒的十为计数单元为6进制，当QDQCQBQA变成0101时，通过与非门把它的清零端变成0，计数器的输出被置零，跳过0110到1111的状态，又从0000开始，如此就是60进制。同时秒十位上的0101时，要把进位信号传输给“分”个位的计数单元。
（2）分计数器
分的个位和十位计数单元的状态转换和秒的是一样的，只是它要把进位信号传输给时的个位计数单元。
（3）时计数器
当“时”十位的QDQCＱBＱA为0000或0001时，“时”的个位计数单元是十进制计数器，当他的QDQCQBQA到1010时，通过与非门使得个位74LS90上的清零端为0，则计数器的输出直接置零，从0000有开始。当十位的QDQCQBQA为0010时，通过与非门使得该74LS90的清零端为0，“时”的十位有重新从0000开始，此时的个位计数单元变成4进制，即当个位计数单元的QDQCQBQA为0100时，就要又从0000开始计数。这样就实现了“时”24进制的计数
3译码驱动显示单元
计数器实现了对时间的累计以8421BCD码形式输出，选用显示译码电路将计数器的输出数码转换为数码显示器件所需要的输出逻辑和一定的电流，选用CD4511作为显示译码电路，选用LED数码管作为显示单元电路。
4.整点报时电路（不要求分）
以下是定时起闹部分，改部分采用2片74LS138，分别选出小时的十位和个位。小时十位为0～2，3-8译码器只使用前2个输入端，小时个位为0～9，3-8译码器只有3个输入端会丢失几个时间点：8点、9点、18点、19点，还应控制起闹时间的长短，用74LS123构成单稳态触发器。
5.单稳态电路设计
单稳态电路由74LS123构成，
可以起到控制起闹时间长短
的作用，根据公式计算起闹
时间T=0.28RC(1+0.7k/R)。
五、整体原理图
注：上图为计时部分，下图为定时起闹部分
六、元器件
1．面包板1块
2．镊子1把
3．剪刀1把
4．共阴极八段数码管4个
5．导线若干
6．74LS163 集成片4个
7．CD4511集成片4个
8. 74LS00集成片4个
9. 74LS32集成片1个
10. 74LS138集成片2个
11. 74LS123集成片一个
12. 220μF、电容各一个
13. 1.5K、2.4K、51K电阻各一个.10K电阻4个
七、实验过程中遇到的问题及解决方法
1)在检测数码管和LED灯过程中发现时钟十位数码管无法正常显示，亮度偏低，经检查是连接数码管电阻阻值过大导致，更换电阻后可以正常显示。
2)在检测CD4511驱动电路的过程中发现数码管不能正常显示的状况，经检验发现主要是由于接触不良的问题，其中包括线的接触不良和芯片的接触不良，在实验过程中，数码管有几段二极管时隐时现，有时会消失。用5V电源对数码管进行检测，一端接地，另一端接触每一段二极管，发现二极管能正常显示的，再用万用表欧姆档检测每一根线是否接触良好，在检测过程中发现有几根线有时能接通，有时不能接通，把接触不好的线重新接过后发现能正常显示了。其次是由于芯片接触不良的问题，用万用表欧姆档检测有几个引脚本该相通的地方却未通，而检测的导线状况良好，其解决方法为把CD4511的芯片拔出，根据面包板孔的的状况重新调整其引脚，使其正对于孔，再用力均匀地将芯片插入面包板中，此后发现能正常显示。
3)在检验时钟个位过程中发现只能显示至数字3，时钟十位只能显示1、2.经排查，时钟个位所属74LS163中D1、D2、D3、D4本应接低电平而接了高电平。修正后可以正常显示。
4)经检验，秒时钟脉冲信号频率不为1Hz.数码管闪烁较快。是由于电容选择错误，修正后可以正常显示。
八、心得体会
通过这次对数字钟的设计与制作，让我们了解了设计电路的程序，也让我们了解了关于数字钟的原理与设计理念，要设计一个电路首先要画出一个参考电路图。在实际接线中有着各种各样的条件制约着，要合理布局这样连接线的地方不至于不均匀。通过这次学习，让我对各种集成片功效都有了大概的了解，对于这些电路还是应该自己动手实际操作才会有深刻理解。在这次实验连接中，发现了一个极大的问题，那就是在电路连接过程中一定要细心，耐心。这两点是至关重要的。在连接电路图时，任何问题都可能导致致命的失误，此次实验最终检测的时候数码管不能正常显示其中有一个原因就是接线少接了四根到低电平。我们必须一点一点地检查，这就需要我们有足够的耐心，耐心排查，从每个器件每根导线入手。在现实生活中也是如此。通过这次课设，我们的动手能力也得到了加强。理论运用于实践，更好的帮助我们掌握数字电路这门课程要求的知识。
第二篇：数字电子技术课程设计报告格式
《数字电子技术》课程设计报告
8人智力竞赛抢答器
姓 名：邵洪彬
班 级：信工101 学 号：10210123
指导教师：迟耀丹、高晓红 设计时间：20xx年6月
《数字电子技术》课程设计报告
目录
一、 设计内容及要求............................................ 2
二、 设计方案............................................ .... . 2
三、 单元电路设计.......................................... ... 3
四、 系统总体硬件连接..........................................8
五、 设计总结....................................................9
六、 参考文献....................................................9
七、 附1：系统硬件连接图......................................9
八、 附2 元器件清单..........................................9
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《数字电子技术》课程设计报告
一、 设计内容及要求 本电路由主体电路和扩展电路组成，分别由集成编码器、计数器、触发器、定时器和必要的门电路等组成，其中主体电路的作用是完成主持人的控制系统清零与抢答开始功能以及完成参赛者的抢答并显示其编号的功能，扩展电路即控制电路，主要包括秒脉冲发生电路和定时电路。该抢答器实现了以上清零、抢答、数据锁存、自动计时等功能，可以保证8个参赛者或参赛队公平的抢答 。
要求是：
1. 抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S0 ~ S7表示。
2. 设置一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。
3. 抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮，锁存相应的编号，并在LED数码管上显示，同时扬声器发出报警声响提示。选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。
4. 抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定（如30秒）。当主持人启动"开始"键后，定时器进行减计时，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续的时间0.5秒左右。
5. 参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答的时间，并保持到主持人将系统清除为止
6. 如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示00。
二、 设计方案
将抢答按钮先直接与锁存器而不是优先编码器相连，将最先抢答的选手的编号锁定，再依次经过优先编码器、译码器和七段显示器，最后显示的是抢答选手的编号，经过优先编码器后的信号到单稳态触发器，单稳态触发器又与报警电路直接连接，所以显示编号的同时可以发出报警信号。另外由主持人控制开关和其他部分电路通过门电路实现对抢答电路、定时电路和报警部分电路的控制。
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《数字电子技术》课程设计报告
图1 方案二的总体设计框图
三、 单元电路设计
1抢答电路设计
抢答电路的功能有两个：一是选手抢答后锁存器进行数据锁存，禁止其它选手抢答，二是抢答后的电平信号由优先编码器判断选手编号，并经译码器译码再由显示器显示该编号。电路是由八D锁存器、优先编码器74148和七段译码器7448和七段数码显示器组成。
74LS373是常用的八D锁存器，它功能表如表1所示。
表1. 芯片74LS373的功能表
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《数字电子技术》课程设计报告
表可知，只有当使能端为高电平时才能将输入信号输出，同时锁存，且此时由功能输出控制端为低电平。
74LS148是有八个输入端，三个输出端的优先编码器，它的功能是判断抢答选手的编号。74LS148的功能表如表2所示。
表2 74LS148的功能表
七段显示译码器7448输出高电平有效，用以驱动共阴极显示器。该集成显示译码器设有多个辅助控制端，以增强器件的功能。七段显示译码器一般与七段数码显示器相连，共同构成四输入端的数码显示电路。共阴极数码显示器的功能表如表3所示
表3 共阴极数码显示器的功能表
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抢答器电路（图2原理是：当任意一个选手按下抢答按钮后，74LS373开始工作，与输入端对应的输出端为低电平，低电平经过74LS148编码后输出的是一组与输入对应的三位二进制数，再经过译码显示电路将对应的编号显示出来。编码器74LS148工作时输出使能端为高电平，将其连接到锁存器的控制端口，使其由低电平变为高电平，禁止它再工作，即使其他选手再按动按钮，也不会再有输出，也就是完成了锁存功能。
2定时电路设计
本次设计的要求中有一项是有定时抢答的功能，并且一次抢答的时间可以由主持人设定。这就要设计定时电路。
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《数字电子技术》课程设计报告
定时电路是由两片74LS192、7448和共阴极显示器组成的。其中7448和共阴极显示器共同构成数码显示功能电路在前面的抢答电路中已经介绍过了。两片74LS192是构成两位十进制递减计数器，以实现定时功能。
74LS192是具有置数和清零功能的同步十进制减计数器，其功能表如表4所示： 表4 74192的功能表
定时电路（图2的工作原理是：首先主持人根据题的难易程度来确定抢答时间，并通过74LS192的置数端将时间输入，抢答开始时主持人将清零开关置低电平，计数器开始递减计数至00，产生报警，计数器停止工作。计时期间有人抢答，减计数器停止计时，显示器上显示此刻时间
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《数字电子技术》课程设计报告
3 秒脉冲产生电路设计
为了准确地计时，设计中不能缺少秒脉冲产生电路，即能产生周期为一秒的脉冲的电路。
如图2.3所示为用555设计的秒脉冲产生电路
因为周期为一秒，所以频率是1赫兹。图中电容的充放电时间分别是：
t1=R2×C1×ln2≈0.7R2×C.t2=(R1+R2)×C×ln2≈0.7(R1+R2)C.
所以555的3端输出的频率为：
f=1/(t1+t2)≈1.43/[(2R1+R2)C]
我们采用的电阻和电容值分别是:
R1=15KΩ，R2=64KΩ，C1=10uf,满足上式，即得到的是秒脉冲
4 报警电路设计
报警电路是由555定时器组成的，电路如图2.4所示
图中555定时器用来构成多谐振荡器，震荡频率和秒脉冲产生电路中频率的计算方法相同。3端的输出信号经过三级管驱动扬声器，发出报警信号。当4端的输入信号是高电平时，振荡器工作，有报警信号，4端输入低电平时，振荡器不工作，没有报警信号。也就是说需要报警时只需控制输入端就可以了
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《数字电子技术》课程设计报告
5 时序控制电路设计
控制电路包括控制扬声器发声时间的部分电路和将以上各个部分电路连接起来的电路
因为扬声器的发声时间要控制在0.5秒，所以要控制报警电路的输入脉冲的脉宽，也就是脉冲周期。可以选用不可重复触发单稳态触发器74LS121，它的功能表如表5所示。
表5 74121的功能表
由功能表可知，当三个输入端的状态不变时输出是低电平，低电平接至报警电路的输入端是不会有报警信号的，只有当输入端有上升延或是下降延（具体如表）时，输出端才会有单次脉冲，将高电平接至报警电路时就会产生报警信号了。
这部分控制电路的电路图如图5所示:
四 系统总体硬件连接
附1
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五 设计总结
这一课程设计使我们将课堂上的理论知识有了进步的了解，并增强了对数字电子技术这门课程的兴趣。了解了更多电子元件的工作原理，如：74LS121、74LS48、74ls192等。但同时也暴露出我在知识上掌握不足等缺点
过程中遇到了一些问题，使得我得查找相关资料，从而增长知识的同时增强解决问题和动手的能力，锻炼我做事细心、用心、耐心的能耐。
六 参考文献
1. 康华光 编<<电子技术基础 数字部分>>,北京 高等教育出版社,20xx年6月版. 2. 李海 编<<74系列芯片手册>> ,重庆 重庆大学出版社 19xx年9月版. 3. 欧阳星明 编<<数字逻辑>>，武汉 华中科技大学出版社，20xx年5月版 4. [4]辽宁工程技术大学电工与电子技术实验中心组编，马玉芳、朴忠学、张国军主编：《 电子技术实验指导书 》 ， 2010.
七 附1：系统硬件连接图 八 附2：元器件清单
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