EDA课程设计 数字时钟（精选9篇）
课程设计
姓名：
学号：
班级：自动化
设计题目
多功能数字钟电路设计
设计任务及要求
多功能数字钟应该具有的功能有：显示时—分—秒、小时和分钟可调等基本功能。整个钟表的工作应该是在1Hz信号的作用下进行，这样每来一个时钟信号，秒增加1秒，当秒从59秒跳转到00秒时，分钟增加1分，同时当分钟从59分跳转到00分时，小时增加1小时，小时的范围为0~23时。
在实验中为了显示的方便，由于分钟和秒钟显示的范围都是从0~59，所以可以用一个3位的二进制码显示十位，用一个四位的二进制码（BCD码）显示个位，对于小时因为他的范围是从0~23，所以可以用一个2位的二进制码显示十位，用一个4位的二进制码（BCD码）显示个位。
实验中由于七段码管是扫描的方式
显示，所以虽然时钟需要的是1Hz时钟信号，但是扫描需要一个比较高频率的信号，因此为了得到准确的1Hz信号，必须对输入的系统时钟50Mhz进行分频。
调整时间的按键用按键模块的S1和S2，S1调节小时，每按下一次，小时增加一个小时；S2调整分钟，每按下一次，分钟增加一分钟。另外用S8按键作为系统时钟复位，复位后全部显示00—00—00。
三．基于Verilog
HDL语言的电路设计、仿真与综合（一）顶层模块
本程序采用结构化设计方法，将其分为彼此独立又有一定联系的三个模块，如图1所示：
图1：顶层结构框图
（二）子模块
1.分频器
分频器的作用是对50Mhz的系统时钟信号进行分频，得到频率为1000hz的信号，作为显示器的输入信号。
源程序如下：
module
fenpin(input
CP,output
CPout);
reg
CPout;
reg
[31:0]
Cout;
reg
CP_En;
always
@(posedge
CP)
//将50MHz分频为1kHz
begin
Cout
<=
(Cout
==
32＇d50000)
?
32＇d0
:
(Cout
+
32＇d1);
CP_En
<=
(Cout
==
32＇d50000)
?
1＇d1
:
1＇d0;
CPout
<=
CP_En;
end
endmodule
功能仿真波形如图2所示(以五分频为例)：
2.控制器和计数器
控制器的作用是，调整小时和分钟的值，并能实现清零功能。计数器的作用是实现分钟和秒钟满60进1，小时则由23跳到00。当到达59分55秒的时候，LED灯会闪烁来进行报时。因为控制器和计数器的驱动信号频率均为1Hz，故从分频器输出的信号进入控制器后，要进行二次分频，由1Khz变为1Hz。
if(Clk_En)
begin
if(R1==1)
begin
if(Hour<24)
Hour=Hour+1;
if(Hour==24)
begin
Hour=0;
end
R1=0;
end
if(R2==1)
begin
if(Minute<60)
Minute=Minute+1;
if(Minute==60)
begin
Minute=0;
if(Hour<24)
Hour=Hour+1;
if(Hour==24)
begin
Hour=0;
End
end
R2=0;
end
if(Second<60)
Second=Second+1;
if(Second==60)
begin
Second=0;
if(Minute<60)
Minute=Minute+1;
源程序如下：
module
kongzhiqi（CPout,S1,S2,RET,Hour,Minute,Second,LED);
input
CPout,S1,S2,RET;
output
[5:0]
Hour;
output
[5:0]
Minute;
output
[5:0]
Second;
output
LED;
reg
[5:0]
Hour;
reg
[5:0]
Minute;
reg
[5:0]
Second;
reg
R1;
reg
R2,R8,LED;
reg
[10:0]
Cout;
reg
Clk_En;
always@(posedge
CPout)
begin
if(S1==0)
begin
R1=1;
end
if(S2==0)
begin
R2=1;
end
if(RET==0)
begin
R8=1;
end
Cout=(Cout==32＇d1000)?32＇d0:(Cout
+
32＇d1);
Clk_En=(Cout==32＇d1000)?1＇d1:1＇d0;
LED=1;
end
else
LED=0;
if(R8==1)//清零
begin
Hour=0;
Minute=0;
Second=0;
R8=0;
end
end
end
endmod
if(Minute==60)
begin
Minute=0;
if(Hour<24)
Hour=Hour+1;
if(Hour==24)
begin
Hour=0;
end
end
end
if((Minute==59)&&(Second>55))
begin
if(LED==1)
LED=0;
else
功能仿真波形如图3所示：
3．显示器
显示器的作用是将时—分—秒的值在数码管上依次显示出来。从分频器输出的1Khz的信号作为数码管的扫描信号。SEL
表示三个数码管选择位，它的取值表示八个数码管，从左至右依次是111~000。LEDGA表示七段数码管，它的取值决定特定位数上显示的数字。
源程序如下：
4＇b0000:
Led
=
7＇b0111_111;
4＇b0001:
Led
=
7＇b0000_110;
4＇b0010:
Led
=
7＇b1011_011;
4＇b0011:
Led
=
7＇b1001_111;
4＇b0100:
Led
=
7＇b1100_110;
4＇b0101:
Led
=
7＇b1101_101;
4＇b0110:
Led
=
7＇b1111_101;
4＇b0111:
Led
=
7＇b0000_111;
4＇b1000:
Led
=
7＇b1111_111;
4＇b1001:
Led
=
7＇b1101_111;
default:
Led
=
7＇b0000_000;
endcase
if(SEL==3＇b100)
Led=7＇b1000_000;
if(SEL==3＇b011)
case(shiwei2)
4＇b0000:
Led
=
7＇b0111_111;
4＇b0001:
Led
=
7＇b0000_110;
4＇b0010:
Led
=
7＇b1011_011;
4＇b0011:
Led
=
7＇b1001_111;
4＇b0100:
Led
=
7＇b1100_110;
module
xianshi（CPout,Hour,Minute,Second,SEL,LEDAG);
input
CPout;
input
Hour，Minute，Second;
output
SEL，LEDAG;
reg
[2:0]
SEL;
reg
[6:0]
Led;
reg
[3:0]
shi1,ge1,shi2,ge2,shi3,ge3;
always
@(posedge
CPout)
begin
shiwei1=Hour/10;
gewei1=Hour%10;
shiwei2=Minute/10;
gewei2=Minute%10;
shiwei3=Second/10;
gewei3=Second%10;
if(SEL==3＇b110)
case(shiwei1)
4＇b0000:
Led
=
7＇b0111_111;
4＇b0001:
Led
=
7＇b0000_110;
4＇b0010:
Led
=
7＇b1011_011;
4＇b0011:
Led
=
7＇b1001_111;
4＇b0100:
Led
=
7＇b1100_110;
4＇b0101:
Led
=
7＇b1101_101;
4＇b0110:
Led
=
7＇b1111_101;
4＇b0111:
Led
=
7＇b0000_111;
4＇b1000:
Led
=
7＇b1111_111;
4＇b1001:
Led
=
7＇b1101_111;
default:
Led
=
7＇b0000_000;
endcase
if(SEL==3＇b101)
case(gewei1)
default:
Led
=
7＇b0000_000;
endcase
if(SEL==3＇b111)
case(gewei3)
4＇b0000:
Led
=
7＇b0111_111;
4＇b0001:
Led
=
7＇b0000_110;
4＇b0010:
Led
=
7＇b1011_011;
4＇b0011:
Led
=
7＇b1001_111;
4＇b0100:
Led
=
7＇b1100_110;
4＇b0101:
Led
=
7＇b1101_101;
4＇b0110:
Led
=
7＇b1111_101;
4＇b0111:
Led
=
7＇b0000_111;
4＇b1000:
Led
=
7＇b1111_111;
4＇b1001:
Led
=
7＇b1101_111;
default:
Led
=
7＇b0000_000;
endcase
SEL
=
SEL
+
3＇d1;
end
assign
LEDAG=Led;
endmodule
4＇b0101:
Led
=
7＇b1101_101;
4＇b0110:
Led
=
7＇b1111_101;
4＇b0111:
Led
=
7＇b0000_111;
4＇b1000:
Led
=
7＇b1111_111;
4＇b1001:
Led
=
7＇b1101_111;
default:
Led
=
7＇b0000_000;
endcase
if(SEL==3＇b010)
case(gewei2)
4＇b0000:
Led
=
7＇b0111_111;
4＇b0001:
Led
=
7＇b0000_110;
4＇b0010:
Led
=
7＇b1011_011;
4＇b0011:
Led
=
7＇b1001_111;
4＇b0100:
Led
=
7＇b1100_110;
4＇b0101:
Led
=
7＇b1101_101;
4＇b0110:
Led
=
7＇b1111_101;
4＇b0111:
Led
=
7＇b0000_111;
4＇b1000:
Led
=
7＇b1111_111;
4＇b1001:
Led
=
7＇b1101_111;
default:
Led
=
7＇b0000_000;
endcase
if(SEL==3＇b001)
Led=7＇b1000_000;
if(SEL==3＇b000)
case(shiwei3)
4＇b0000:
Led
=
7＇b0111_111;
4＇b0001:
Led
=
7＇b0000_110;
4＇b0010:
Led
=
7＇b1011_011;
4＇b0011:
Led
=
7＇b1001_111;
4＇b0100:
Led
=
7＇b1100_110;
4＇b0101:
Led
=
7＇b1101_101;
4＇b0110:
Led
=
7＇b1111_101;
4＇b0111:
Led
=
7＇b0000_111;
4＇b1000:
Led
=
7＇b1111_111;
4＇b1001:
Led
=
7＇b1101_111;
总结体会
这次课程设计虽然只有短短的四天，但我的收获却很大。通过这次实习，我掌握了EDA设计的基本流程（即设计输入—编译—调试—仿真—下载），领会了自顶而下结构化设计的优点，并具备了初步的EDA程序设计能力。
我感觉，这个程序最难的地方在于顶层模块的设计，因为顶层模块需要将各个子模块按照电路原理有机地结合起来，这需要扎实的理论功底，而这正是我所欠缺的。相比而言，子模块的设计就容易多了，因为Verilog语言和C语言有很多相似之处，只要明白了实验原理，就不难完成，水平的高下只体现在程序的简洁与否。Verilog源程序的编写很容易出现错误，这就需要耐心的调试。因为很多情况下，一长串的错误往往是由一个不经意的小错误引起的。当程序屡调屡错的时候，最好和其他同学沟通交流一下，他们不经意的一句话，就可能给我启发，使问题迎刃而解。
近年来, 全国各高校都开设了EDA技术的教学和实践课程。对高职电子专业的学生而言, 数字电子技术课程设计是学生在学习数字电子技术理论课程后进行的一次综合性训练, 其目的是培养学生综合运用所学理论知识的能力、独立设计电子产品的能力及对电子产品实际安装调试的能力。学生从原理图设计开始, 一直做到样机调试成功, 经历整个电子产品的设计、开发过程, 所以, 将传统课程设计与EDA技术训练相结合, 使学生对该技术在电子设计中所起的作用建立整体的认识, 能对学生综合能力的培养有所帮助。
课程设计的总体思路
课程设计过程
数字电路课程设计的过程主要分为两个阶段:一是应用Multisim仿真设计电路。在学生根据设计课题拟定初步方案后, 要求他们先在电路仿真与分析软件Multisim平台上对所设计的电路进行仿真, 观察电路功能是否满足设计要求, 主要元器件参数对分析电路指标的影响, 在Multisim平台上调试电路使之达到技术指标, 为实践做准备。二是应用Protel设计印刷电路板。在Multisim仿真后, 要求学生应用Protel设计软件设计出PCB印刷电路板图。PCB版图必须布局合理, 符合电气布线规则。总体过程可用流程图 (见图1) 表示。
课程设计时间安排
课程设计安排两周时间。第一周, 安排学生自行查阅资料, 进行基本电路设计, 计算相关电路参数。对于学生设计所用的元件, 出于成本的考虑, 在设计过程中要求学生尽可能地采用实验室的器件, 教师应尽量增加器件的种类供学生挑选, 其他的特殊器件均由学生在给定的经费额度内自行采购。学生完成电路的理论设计以后, 画出理论设计的电路图, 给出有关设计依据, 并由Multism 9.0软件仿真通过后交指导教师审核, 再利用Protel DXP软件进行印刷板设计, 由于是自行加工制作, 所以工艺上要求设计成单面板。这样, 一方面, 培养了学生工程设计的成本控制意识;另一方面, 也给学生熟悉市场的机会。第二周, 学生在完成以上工作后, 进入实验室制作电路板, 对腐蚀后的电路板进行打孔, 最后完成元器件的焊接、电路调试等工作。最后安排两天的时间进行课程设计报告的编写和答辩。
课程设计评分
课程设计评分分为设计报告和设计功能实现两部分。评分指标如下: (1) 设计报告30分; (2) 作品功能70分, 分成以下几个评分点:印刷版布线10分;焊接技术10分;电路功能50分 (实现功能20分, 其余基本功能每完成一部分给10分) 。发挥部分考虑到能完成的学生不多, 只把此部分功能的实现作为额外计分的因素。以上的评分指标明确了评分的要点, 从而引导学生在设计过程中不仅要注意理论设计, 而且要注意追求科学合理的电路工艺和良好的电路性能指标, 促使学生在电子技术基本技能和电路设计能力方面得到全面和系统的训练, 以达到提高学生综合能力的目的。
课程设计的教学实践
以下是我院应用电子技术专业一次“六路智力竞赛抢答器”课程设计的全过程。
设计要求:
可同时供6名选手进行比赛, 各用一个抢答按钮, 按钮的编号分别与选手的编号相对应;给节目主持人设置一个控制开关S, 用来控制系统清零和抢答开始;抢答器具有数据锁存和显示功能, 抢答开始以后, 若有选手按动抢答按钮, 编号便立即锁存, 并在LED数码管上显示选手的编号, 同时, 扬声器发出音响提示。此时, 输入回路封锁, 禁止其他选手抢答。优先抢答的选手编号一直保持到主持人将系统清零时为止。
发挥部分:
参赛选手在设定的时间内抢答有效, 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零时为止。根据设计意图可以确定设计框图 (如图2所示) 。
1.在多媒体机房中, 根据设计要求利用Multism 9.0设计电路原理图, 并通过Multism 9.0自带的仿真仪器对所设计电路进行仿真分析, 逐步改进电路, 直至达到设计要求。在这里抢答部分采用的是一个74ls148编码器对选手抢答信号编码, 并通过74ls175D功能数据锁存器锁存, 最后经4511译码后驱动7段LED共阴数码管显示。同时74ls30形成锁存脉冲控制D功能数据锁存器锁存信号;音响报警部分由555振荡器完成。 (如图3所示)
2.利用在Multism 9.0中生成的网络表, 导入到Protel Dxp软件中设计PCB电路板 (如图4所示) 。在生成网络表时, 要注意自制元件封装与原理图中的名称一致, 在此自制了按钮和数显的封装, 方法是拿实物在万能板上进行尺寸比对, 由于万能板的两个孔距为标准的100mil, 所以, 无需特殊的测量工具就可完成元件的封装测量。我们设计的走线线宽为20mil, 焊盘的直径为60mil。事实证明, 该尺寸是手工制板的最低数据, 若低于该数据, 在腐蚀的时候很容易断裂。当然, 在满足安全间距的条件下, 可以尽可能地加大线宽和焊盘直径。由于设计的是单面板, 不可避免会出现无法布通的线路 (红线) , 可以在最后装配的时候在元件面用跳线来连接。
3.在电子制作实验室中, 学生将打印出来的电路板图通过电路板制作设备制作成实际电路板 (如图5所示) 。打孔完毕后, 再用流动的自来水清洗, 然后刷上酒精松香溶液并用吹风机吹干, 对于一些腐蚀过度断裂的线路, 可采用拖锡的方法补好。
4.在电子制作实验室中, 学生学习各种元器件的选择、常用工具与仪器仪表的使用以及练习焊接技术, 最后完成整机组装, 并通电测试是否达到设计标准 (如图6所示) 。
5.在课程设计实验室中, 学生组装调试所设计的电路, 使用自己所学的方法分析和排除电路故障, 并撰写课程设计报告。
课程设计的教学效果和启示
通过几年课程设计的实践, 对抢答器、数字温度计、数字钟、交通灯控制器等设计课题, 采用EDA软件指导学生进行电子技术课程设计, 取得了较好的教学效果。课程设计过程培养了学生的竞争意识、创新意识, 提高了学生的计算机应用水平, 学生在学习方法、遵守纪律、团结协作、创新能力、独立分析问题与解决问题的能力、写作和语言表达能力、吃苦耐劳和踏实严谨的作风、言行举止和文明礼貌等方面都受到很好的锻炼和培养。同时, 我们也从中获得了一些启示。
教学内容要先进、新颖、实用
课题内容应涉及理论课中学到的各种规模集成器件, 这样可以调动学生的学习热情, 提高学生的学习兴趣, 发挥学生的主观能动性和积极性, 而且可以促进教师不断学习, 更新知识结构, 真正做到教学相长。
设计过程的优化
数字电子技术课程设计是一个循序渐进的过程。在这一过程中, 每一个阶段的成功与否, 对下一阶段乃至整个课程设计是否达到预期效果都起着非常重要的作用。在整个设计过程中, 教师主要应侧重于三个方面:方案设计、安装调试、撰写报告。这样, 可使整个设计过程起点高、要求严、效果好。同时, 要遵循“教师主导, 学生主体, 训练为主”的教学思路, 以便在整体上形成最佳的教学组合。
自主学习能力的培养
数字电路课程设计从查阅资料、提出初步方案到完善方案, 从原理图的仿真、实施以及设计的完成到写出设计报告, 整个过程都要求学生自己动手。教师可定期组织学生进行讨论, 指导学生在自主学习过程中发现问题、解决问题, 进一步培养学生分析、解决问题的能力, 培养学生的团结协作精神, 充分激发学生的学习主动性。
重视课程设计报告的撰写
培养学生科技论文写作能力, 重视课程设计后期的总结工作, 不仅可以培养学生良好的科学态度和素质, 同时, 还能使学生在总结中获得知识和经验, 培养学生科技论文撰写能力。课程设计报告的撰写包括如下的内容:设计任务、设计方案的论证与比较、具体电路的设计、元器件的选择和调试、设计工作总结等, 基本上是按毕业设计的要求完成的。设计报告总结的过程就是一个对知识深入理解和提高的过程, 可以使学生对工程设计的方法更加明确、对知识的理解更加深刻。
让答辩过程成为再学习、再提高的过程答辩时, 每个学生都要先概述自己的设计过程, 重点讲述设计过程中遇到的问题以及分析问题和解决问题的方法。然后教师提问, 学生回答。最后教师结合各组的设计情况进行点评、讲解, 同时发起讨论, 引导学生对不同的设计方案进行比较, 训练学生的综合分析问题的能力, 每个学生都可以提问、参与讨论, 提出自己的看法。通过答辩、讲评, 学生可以体会别人的设计思路, 开阔眼界, 也能从别人的设计中吸取经验教训。这样, 答辩过程就成了再学习、再提高的过程。
经过这几年的探索与实践, 笔者深刻体会到在课程设计中引入EDA技术, 设置适合的教学内容是十分必要的, 对理论教学和传统实验教学都是有益的补充。有的学生在总结时写道:“通过两周的课程设计, 不仅考查了我们对组合和时序逻辑电路的掌握情况, 同时, 也锻炼了我们使用仪器和计算机辅助设计的技能, 使学过的知识得到了复习与巩固。更重要的是把原来所学的理论知识与实际生活联系在了一起, 使学习变成了一种乐趣, 使知识形象具体地被掌握!”
通过课程设计的锻炼, 学生可以增强综合分析问题和解决问题的能力, 激发了学习兴趣和潜在能力。所以, 在教学中应当注意做到少讲多练, 使理论教学与实践紧密结合, 在实践过程中, 让学生了解和体会EDA技术在电子技术设计领域的重要作用。
参考文献
[1]徐丽香.数字电子技术[M].北京:电子工业出版社, 2006.
[2]崔建明.电工电子EDA仿真技术[M].北京:高等教育出版社, 2004.
【关键词】单片机AT89S51 LCD1602 DS18B20 DS1302
1. 绪论
时代的进步和发展的迅速崛起，单片机技术在生活工作、科研等各个领域已经引起了人们的广泛关注，现在已经是一种比较成熟的技术。单片机主控芯片可控制数字温度计和数字钟，数字温度计属于功能较多的温度计，可以设置任意温度的上下限，而且还具有报警功能，当温度不在设定范围内时，也可以报警;数字钟可以同步显示时间日历，日期和时间，这些都可以通过按键进行调整。本文所论述的系统采用的DS1302可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。系统显示部分可用LCD液晶显示屏显示，工作方便，外表美观。
2. 系統组成
数字温度计和数字时钟电路的总体设计方框图如图所示：
2.1主控制模块
主控制模块采用单片机AT89S51，AT89S51是由P0，P1，P2，P3四个通用8位I/O口 以及中断控制口，复位，写选通，接地，电源等引脚组成，其中，P0口是地址/数据总线复用口，P1口是一个含有上拉电阻的双向的I/O口，在校验程序中接收低8位地址，P2口与P1口的区别是在校验程序中接收高八位地址，P3口除了一般I/O口的功能外，还具有第二功能，这是其他I/O所不具有的功能，中断控制口可以控制中断的优先级。
AT89S51内部图如下：
2.2温度传感器DS18B20
温度传感器DS18B20包括温度传感器，高温触发器TH，低温触发器TL，配置寄存器，以及8位CRC发生器。DS18B20具有单线接口的优点，一个端口引脚就可以进行通信，而且多个DS18B20可以并联在三线上，多点组网功能就可以得以实现;用户同时还可以根据自己的要求进行报警设置，设计起来十分方便。DS18B20具有很多优点，例如像耐碰耐磨，小体积，方便使用，封装形式多样化等优点。
DS18B20内部结构框图如下图所示：
2.3液晶显示屏LCD1602
液晶显示器的优点有很多，功耗微小、小体积、内容显示丰富、轻巧超薄等都是它明显的优势，很多地方都开始了对其越来越多的使用。液晶模块LCD1602是一种用点阵图形的方法来显示字符的显示器，根据显示的内容量可以分为11行16个字、2行16个字等多种显示方式。
LCD1602内部图形如下：
3. 总结
数字时钟温度不仅可以显示精确的温度，因为使用了具有独特功能的时钟芯片DS1302，还具有同步更新的日期与时间以及闰年补偿的优点。
参考文献：
[1] 陈永真.全国大学生电子设计竞赛试题精解选.北京： 电子工业出版社，2007 .
[2] 李朝青.单片机原理及接口技术.北京： 北京航空航天大学出版社，1998 .
[3] 张琳娜，刘武发.传感检测技术及应用.北京： 中国计量出版社，1999 .
20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。时间对人们来说总是那么宝贵，工作的忙碌性和繁杂性容易使人忘记当前的时间。忘记了要做的事情，当事情不是很重要的时候，这种遗忘无伤大雅。但是，一旦重要事情，一时的耽误可能酿成大祸。例如，许多火灾都是由于人们一时忘记了关闭煤气或是忘记充电时间。尤其在医院，每次护士都会给病人作皮试，测试病人是否对药物过敏。注射后，一般等待5分钟，一旦超时，所作的皮试试验就会无效。手表当然是一个好的选择，但是，随着接受皮试的人数增加，到底是哪个人的皮试到时间却难以判断。所以，要制作一个定时系统。随时提醒这些容易忘记时间的人。
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、定时启闭电路、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。
论文的研究内容和结构安排
本系统采用石英晶体振荡器、分频器、计数器、显示器和校时电路组成。由LED数码管来显示译码器所输出的信号。采用了74LS系列中小规模集成芯片。使用了RS触发器的校时电路。总体方案设计由主体电路和扩展电路两大部分组成。其中主体电路完成数字钟的基本功能,扩展电路完成数字钟的扩展功能。论文安排如下：
1、绪论 阐述研究电子钟所具有的现实意义。
2、设计内容及设计方案 论述电子钟的具体设计方案及设计要求。
3、单元电路设计、原理及器件选择 说明电子钟的设计原理以及器件的选择，主要从石英晶体振荡器、分频器、计数器、显示器和校时电路五个方面进行说明。
4、绘制整机原理图 该系统的设计、安装、调试工作全部完成。
（一）设计内容要求
1、设计一个有“时”、“分”、“秒”（23小时59分59秒）显示且有校时功能的电子钟。
2、用中小规模集成电路组成电子钟，并在实验箱上进行组装、调试。
3、画出框图和逻辑电路图。4、功能扩展：(1)闹钟系统
(2)整点报时。在59分51秒、53秒、55秒、57秒输出750Hz音频信号，在59分59秒时，输出1000Hz信号，音像持续1秒，在1000Hz音像结束时刻为整点。(3)日历系统。
（二）设计方案及工作原理
数字电子钟的逻辑框图如图1所示。它由石英晶体振荡器、分频器、计数器、译码器显示器和校时电路组成。振荡器产生稳定的高频脉冲信号,作为数字钟的时间基准,然后经过分频器输出标准秒脉冲。秒计数器满60后向分计数器进位,分计数器满60后向小时计数器进位,小时计数器按照“24翻1”规律计数。计数器的输出分别经译码器送显示器显示。计时出现误差时,可以用校时电路校时、校分。
三、单元电路设计 1.秒脉冲产生电路(1)1KHZ 振荡器
振荡器由 555 定时器组成。图 3‐1 中是 由 555 定时器构成的 1KHZ 的自
激振荡器 ,其原理是
0.7(2R3+R4+R5)C4=1ms f=1/t=1KHZ。
2、计数器
秒脉冲信号经过6级计数器，分别得到“秒”个位、十位，“分”个位、十位以及“时”个位、十位的计时。“秒”、“分”计数器为60进制，小时为24进制。1、60进制计数器
(1)计数器按触发方式分类
计数器是一种累计时钟脉冲数的逻辑部件。计数器不仅用于时钟脉冲计数，还用于定时、分频、产生节拍脉冲以及数字运算等。计数器是应用最广泛的逻辑部件之一。按触发方式，把计数器分成同步计数器和异步计数器两种。对于同步计数器，输入时钟脉冲时触发器的翻转是同时进行的，而异步计数器中的触发器的翻转则不是同时。
(2)60进制计数器的工作原理
“秒”计数器电路与“分”计数器电路都是60进制，它由一级10进制计数器和一级6进制计数器连接构成，如图4所示，采用两片中规模集成电路74LS90串接起来构成的“
秒
”、分
”
计
数
器。
IC1是十进制计数器，QD1作为十进制的进位信号，74LS90计数器是十进制异步计数器，用反馈归零方法实现十进制计数，IC2和与非门组成六进制计数。74LS90是在CP信号的下降沿翻转计数，Q A1和 Q C2相与0101的下降沿，作为“分”（“时”）计数器的输入信号，通过与非门和非门对下一级计数器送出一个高电平1（在此之前输出的一直是低电平0）。Q B2 和Q C2计数到0110，产生的高电平1分别送到计数器的清零R0(1)，R0(2)，74LS90内部的R0(1)和R0(2)与非后清零而使计数器归零，此时传给下一级计数器的输入信号又变为低电平0，从而给下一级计数器提供了一个下降沿，使下一级计数器翻转计数，在这里IC2完成了六进制计数。由此可见IC1和 IC2串联实现了六十进制计数。其中：74LS90——可二/五分频十进制计数器 74LS04——非门 74LS00——二输入与非门 2、24进制计数器
小时计数电路是由IC5和IC6组成的24进制计数电路，如图5所示。当“时”个位IC5计数输入端CP5来到第10个触发信号时，IC5计数器自动清零，进位端QD5向IC6“时”十位计数器输出进位信号，当第24个“时”(来自“分”计数器输出的进位信号)脉冲到达时，IC5计数器的状态为“0100”，IC6计数器的状态为“0010”，此时“时”个位计数器的QC5和“时”十位计数器的QB6输出为“1”。把它们分别送到IC5和IC6计数器的清零端R0(1)和R0(2)，通过7490内部的R0(1)和R0(2)与非后清零，从而完成24进制计数。
3.组合的数字时钟
数字时钟系统的组成利用上面的六十进制和二十四进制递增计数器子电路 构成的数字钟系统
4、校时电路的实现原理 当电子钟接通电源或者计时发现误差时，均需要校正时间。校时电路分别实现对时、分的校准，由于4个机械开关具有震颤现象，因此用RS触发器作为去抖动电路。采用RS基本触发器及单刀双掷开关，闸刀常闭于2点，每搬动一次产生一个计数脉冲，实现校时功能
5.整点报时电路
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 59 秒到 00分 00 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，因此可将分计数器十位的 Qc 和 Qa、个位的 Qd 和 Qa及秒计数器十位的 Qc 和 Qa 相与，从而产生报时控制信号。报时电路可选7个74F08D 来构成
6、电路复位
四、译码与显示电路
1、显示器原理（数码管）
数码管是数码显示器的俗称。常用的数码显示器有半导体数码管，荧光数码管，辉光数码管和液晶显示器等。
本设计所选用的是半导体数码管，是用发光二极管（简称LED）组成的字形来显示数字，七个条形发光二极管排列成七段组合字形，便构成了半导体数码管。半导体数码管有共阳极和共阴极两种类型。共阳极数码管的七个发光二极管的阳极接在一起，而七个阴极则是独立的。共阴极数码管与共阳极数码管相反，七个发光二极管的阴极接在一起，而阳极是独立的。
当共阳极数码管的某一阴极接低电平时，相应的二极管发光，可根据字形使某几段二极管发光，所以共阳极数码管需要输出低电平有效的译码器去驱动。共阴极数码管则需输出高电平有效的译码器去驱动。
2、译码器原理（74LS47）
译码为编码的逆过程。它将编码时赋予代码的含义“翻译”过来。实现译码的逻辑电路成为译码器。译码器输出与输入代码有唯一的对应关系。74LS47是输出低电平有效的七段字形译码器，它在这里与数码管配合使用，表2列出了74LS47的真值表，表示出了它与数码管之间的关系。
四、详细设计与调试
4.1 秒脉冲的产生
秒脉冲发生器
脉冲发生器是数字钟的核心部分，它的精度和稳定度决定了数字钟的质量，通常用晶体振荡器产生标准频率信号经过整形、分频获得1Hz的秒脉冲。石英晶体振荡器的特点是振荡频率准确、电路结构简单、频率易调整。如晶32768 Hz，通过15次二分频后可获得1Hz的脉冲输出。
4.2 秒计数、译码及显示部分的设计
秒计数译码电路
秒计数器为M=60的计数器，即显示00～59，采用中规模集成电路双十进制计数器至少需要2片，因为10 < M < 100。它的个位为十进制，十位为六进制。本电路采用两片74LS161实现。当个位计数至1010时，通过 74LS00 二输入与非门连至清零端达到清零，当达到0000时，产生上升脉冲送给十位。十位计数至0110时清零。调试
六．总结
数字电路电子时钟课程设计
整个数字钟由时间计数电路、晶体振荡电路、校正电路、整点报时电路组成。其中以校正电路代替时间计数电路中的时、分、秒之间的进位，当校时电路处于正常输入信号时，时间计数电路正常计时，但当分校正时，其不会产生向时进位，而分与时的校位是分开的，而校正电路也是一个独立的电路。电路的信号输入由晶振电路产生，并输入各电路
方案论证：方案一数字电子钟由信号发生器、“时、分、秒”计数器、译码器及显示器、校时电路、整点报时电路等组成。秒信号产生器是整个系统的时基信号，它直接决定计时系统的精度，一般用555构成的振荡器加分频器来实现。
优点：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，具有更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。
方案二秒、分计数器为60进制计数器，小时计数器为24进制计数器。实现这两种模数的计数器采用中规模集成计数器74LS90构成。
优点：简单易懂，比较好调试。设计原理数字电子钟由信号发生器、“时、分、秒”计数器、译码器及显示器、校时电路、整点报时电路等组成。秒信号产生器是整个系统的时基信号，它直接决定计时系统的精度，一般用555构成的振荡器加分频器来实现。将标准秒脉冲信号送入“秒计数器”，该计数器采用60进制计数器，每累计60秒发出一个“分脉冲”信号，该信号将作为“分计数器”的时钟脉冲。“分计数器”也采用60进制计数器，每累计60分，发出一个“时脉冲”信号，该信号将被送到“时计数器”。“时计数器”采用24进制计数器，可以实现一天24h的累计。译码显示电路将“时、分、秒”计数器的输出状态经七段显示译码器译码，通过六位LED显示器显示出来。整点报时电路是根据计时系统的输出状态产生一个脉冲信号，然后去触发音频发生器实现报时。校时电路是来对“时、分、秒”显示数字
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进行校对调整。其数字电子钟系统框图如下:
时显示器分显示器秒显示器时译码器分译码器秒译码器整点报时时计数器分计数器秒计数器时钟校准振荡器分频器秒脉冲
图 1 数 字 电 子 钟 系 统 框 图 详细设计及实验步骤
4.1 秒脉冲信号发生器
秒脉冲信号发生器是数字电子钟的核心部分，它的精度和稳定度决定了数字钟的质量。由振荡器与分频器组合产生秒脉冲信号。
振荡器: 通常用555定时器与RC构成的多谐振荡器，经过调整输出1000Hz脉冲。
分频器: 分频器功能主要有两个，一是产生标准秒脉冲信号，一是提供功能扩展电路所需要的信号，选用三片74LS90进行级联，因为每片为1/10分频器，三片级联好获得1Hz标准秒脉冲。其电路图如下：
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图2 秒 脉 冲 信 号 发 生 器
4.2 秒、分、时计时器电路设计
秒、分计数器为60进制计数器，小时计数器为24进制计数器。实现这两种模数的计数器采用中规模集成计数器74LS90构成。
60进制计数器：由74LS90构成的60进制计数器，将一片74LS90设计成10进制加法计数器，另一片设置6进制加法计数器。两片74LS90按反馈清零法串接而成。秒计数器的十位和个位，输出脉冲除用作自身清零外，同时还作为分计数器的输入脉冲CP1。下图电路即可作为秒计数器，也可作为分计数器。24进制计数器：由74LS90构成的二十进制计数器，将一片74LS90设计成4进制加法计数器，另一片设置2进制加法计数器。即个位计数状态为Qd Qc Qb Qa = 0100十位计数状态为Qd Qc Qb Qa = 0010时，要求计数器归零。通过把个位Qc、十位Qb相与后的信号送到个位、十位计数器的清零端，使计数器清零，从而构成24进制计数器。电路图如下:
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图3 60 进 制 计 数 器
图4 24 进 制 计 数 器
4.3 译码显示电路
译码电路的功能是将秒、分、时计数器的输出代码进行翻译，变成相应的数字。用与驱动LED七段数码管的译码器常用的有74LS48。74LS48是BCD-7段译码器/驱动器，输出高电平有效，专用于驱动LED七段共阴极显示数码管。若将秒、分、时计数器的每位输出分别送到相应七段译吗管的输入端，便可以进行不同数字的显示。在译码管输出与数码管之间串联电阻R作为限流电阻。
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图5 译码显示电路 校时电路
校时电路是数字钟不可缺少的部分，每当数字钟与实际时间不符时，需要根据标准时间进行校时。K1、K2分别是时校正、分校正开关。不校正时，K1、K2开关是闭和的。当校正时位时，需要把K1开关打开，然后用手拨动K3开关，来回拨动一次，就能使时位增加1，根据需要去拨动开关的次数，校正完毕后把K1开关闭上。校正分位时和校正时位的方法一样。其电路图如下:
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图6 校 正 电 路 课程设计原理图
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图8 设计结果与分析
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整个数字钟由时间计数电路、晶体振荡电路、校正电路、整点报时电路组成。其中以校正电路代替时间计数电路中的时、分、秒之间的进位，当校时电路处于正常输入信号时，时间计数电路正常计时，但当分校正时，其不会产生向时进位，而分与时的校位是分开的，而校正电路也是一个独立的电路。电路的信号输入由晶振电路产生，并输入各电路。
把显示器与CD4511相连，第一次接时，数码管完全没有显示数字，检查后发现是数码管未接地而造成的，接地后发现还是无法正确显示数字，用万用表检测后，发现是因芯片引脚有些接触不良而造成的，所以确认芯片是否接触良好是非常重要的一件事。
六进制、十进制都没有什么大的问题，只是芯片引脚的老问题，只要重新插过芯片就可以解决了。但在六十进制时，按图接线后发现，显示器上的数字总是100进制的，而不是六十进制，检测后发现无论是线路的连通还是芯片的接触都没有问题。最后，在重对连线时发现是线路接错引脚造成的，改过之后，显示就正常了。
因上面程因引脚接错而造成错误，所以校正电路是完全按照仿真图所连的，在测试时，开始进行时校时时，没有出现问题，但当进行到分校时时，发现计数电路的秒电路开始乱跳出错。因此，电路一定是有地方出错了，在反复对照后，发现是因为在接入校正电路时忘了把秒十位和分个位之间的连线拿掉而造成的，因此，在接线时一定要注意把不要的多余的线拿掉
在整个设计的过程中，虽然遇到了一些问题，可是经过我们的努力都一一解决了，总的来说，整个设计还是比较成功的，实现了时钟模块、闹钟模块、显示模块以及控制模块的相互联接。心得体会
通过这次数字钟的课程设计与制作，让我知道设计电路的一些程序，也让我初步了解了关于数字钟的一般原理与设计理念，加深了对各种芯片逻辑功能的了解，更重要的是掌握了许多实际操作技能。由于数字钟包括组合逻辑电路和时序电路，通过它也让我进一步学习与掌握了各种组合逻辑电路与时序电路的原理与使用方法。这次课程设计时间只有五天，而安排在前期原理图设计上的时间就用
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了两天，占总时间的40%，可见前期准备的重要性，前期的准备充分与否，直接关系到设计的成败。当我得知这次课程设计的任务是数字钟之后，马上就去图书馆查找相关资料，先对数字钟的设计有个总体的把握，顺利画出了它的总体设计框图。接下来就是对组成数字钟的各个功能模块的设计了，这一步是本次设计的重中之重，它需要考虑很多东西，像选择什么样的芯片，多大的电阻、电容等等。经过上网查找和与同学讨论确定了各个模块的电路，一个完整的数字钟的电路图已经形成。
设计方案经过老师肯定之后就是数字钟的制作与调试了，它占了总时间的一半，这是一个难点也是重点。在这个过程中吸取了许多教训，我在接下了的制作过程中就显得异常轻松，比较快的完成了这次任务。这就是好事多磨吧！
通过这次课程设计，让我对各种电路都有了大概的了解，所以说，坐而言不如立而行，对于这些电路还是应该自己动手设计操作才会有深刻理解和达到学习的目的。
参考文献
数字电路电子时钟课程设计
[1].阎石.数字电子技术基础[M] ；高等教育出版社，1996-02 [2].余孟尝.数字电子技术基础简明教程[M] ；高等教育出版社，2008-03 [3]康华光.电子技术基础数字部分[J]； 高等教育出版社，1999-06 [4]童诗白.模拟电子技术基础第二版[J]； 北京高等教育出版社，2001-01 [5]陈永.555集成电路应用[J]； 电子工业出版社，2003-05 [6]阎石.数字电子技术基础(第5版)[M]；高等教育出版社，2002-03 [7]郝鸿安.555集成电路使用电路集[M]；上海科学普及出版社，2005-06 [8]孙余凯,吴鸣山,项绮明.555时基电路识图[J]；电子工业出板社，2003-03 [9]卢结成.电子电路实验及应用课题设计[J].中国科学技术大学出版社，2007-09 [10]魏绍亮,陈新华.电子技术实践[M]；机械工业出版社，1999-03
致 谢
数字电路电子时钟课程设计
1、设计一个能进行拔河游戏的电路。
2、电路使用15个(或9个)发光二极管，开机后只有中间一个发亮，此即拔河的中心点。
3、游戏双方各持一个按钮，迅速地、不断地按动，产生脉冲，谁按得快，亮点就向谁的方向移动，每按一次，亮点移动一次。
4、亮点移到任一方终端二极管时，这一方就获胜，此时双方按钮均无作用，输出保持，只有复位后才使亮点恢复到中心。
5、用数码管显示获胜者的盘数。
教学提示:
1、按钮信号即输入的脉冲信号，每按一次按钮都应能进行有效的计数。
2、用可逆计数器的加、减计数输入端分别接受两路脉冲信号，可逆计数器原始输出状态为0000，经译码器输出，使中间一只二极管发亮。
3、当计数器进行加法计数时，亮点向右移；进行减法计数时，亮点向左移。
4、由一个控制电路指示谁胜谁负，当亮点移到任一方终端时，由控制电路产生一个信号，使计数器停止计数。
5、将双方终端二极管“点亮”信号分别接两个计数器的“使能”端，当一方取胜时，相应的计数器进行一次计数，这样得到双方取胜次数的显示。
6、设置一个“复位”按钮，使亮点回到中心，取胜计数器也要设置一个“复位”按钮，使之能清零。
设计五 乒乓球比赛游戏机
1、设计一个由甲、乙双方参赛，有裁判的3人乒乓球游戏机。
2、用8个(或更多个)LED排成一条直线，以中点为界，两边各代表参赛双方的位置，其中一只点亮的LED指示球的当前位置，点亮的LED依此从左到右，或从右到左，其移动的速度应能调节。
3、当“球”(点亮的那只LED)运动到某方的最后一位时，参赛者应能果断地按下位于自己一方的按钮开关，即表示启动球拍击球。若击中，则球向相反方向移动；若未击中，则对方得1分。
4、一方得分时，电路自动响铃3秒，这期间发球无效，等铃声停止后方能继续比赛。
5、设置自动记分电路，甲、乙双方各用2位数码管进行记分显示，每计满21分为1局。
6、甲、乙双方各设一个发光二极管，表示拥有发球权，每隔5次自动交换发球权，拥有发球权的一方发球才有效。教学提示:
1、用双向移位寄存器的输出端控制LED显示来模拟乒乓球运动的轨迹，先点亮位于某一方的第1个LED，由击球者通过按钮输入开关信号，实现移位方向的控制。
2、也可用计数译码方式实现乒乓球运动轨迹的模拟，如利用加/减计数器的2个时钟信号实现甲、乙双方的击球，由表示球拍的按钮产生计数时钟，计数器的输出状态经译码驱动LED发亮。
3、任何时刻都保持一个LED发亮，若发亮的LED运动到对方的终点，但对方未能及时输入信号使其向相反方向移动，即失去1分。
4、控制电路决定整个系统的协调动作，必须严格掌握各信号之间的关系。
设计六 交通信号等控制器
1、设计一个交通信号灯控制器，由一条主干道和一条支干道汇合成十字路口，在每个入口处设置红、绿、黄三色信号灯，红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行，黄灯亮则给行驶中的车辆有时间停在禁行线外。
2、红、绿、黄发光二极管作信号灯，用传感器或逻辑开关作检测车辆是否到来的信号。
3、主干道处于常允许通行的状态，支干道有车来时才允许通行。主干道亮绿灯时，支干道亮红灯；支干道亮绿灯时，主干道亮红灯。
4、主、支干道均有车时，两者交替允许通行，主干道每次放行45秒，支干道每次放行25秒，设立45秒、25秒计时、显示电路。
5、在每次由绿灯亮到红灯亮的转换过程中，要亮5秒黄灯作为过渡，使行驶中的车辆有时间停到禁行线外，设立5秒计时、显示电路。教学提示:
1、主、支干道用传感器检测车辆到来情况，实验电路用逻辑开关代替。
2、选择1HZ时钟脉冲作为系统时钟。
3、45秒、25秒、5秒定时信号可用顺计时，也可用倒计时，计时起始信号由主控电路给出，每当计满所需时间，即向主控电路输出“时间到”信号，并使计数器清零，由主控电路启、闭三色信号灯或启动另一计时电路。
4、主控电路是核心，这是一个时序电路，其输入信号为：车辆检测信号（A，B，；45秒、25秒、5秒定时信号（C，D，E），其输出状态控制相应的三色灯。主控电路可以由两个JK触发器和逻辑门构成，其输出经译码后，控制主干道三色灯R、G、Y和支干道三色灯r、g、y。
设计七 电子密码锁
1、设计一个密码锁的控制电路，当输入正确代码时，输出开锁信号以推动执行机构工作，用红灯亮、绿灯熄灭表示关锁，用绿灯亮、红灯熄灭表示开锁；
2、在锁的控制电路中储存一个可以修改的4位代码，当开锁按钮开关（可设置成6位至8位，其中实际有效为4位，其余为虚设）的输入代码等于储存代码时，开锁；
3、从第一个按钮触动后的5秒内若未将锁打开，则电路自动复位并进入自锁状态，使之无法再打开，并由扬声器发出持续20秒的报警信号。教学提示:
1、该题的主要任务是产生一个开锁信号，而开锁信号的形成条件是，输入代码和已设密码相同。实现这种功能的电路构思有多种，例如，用两片8位锁存器，一片存入密码，另一片输入开锁的代码，通过比较的方式，若两者相等，则形成开锁信号。
2、在产生开锁信号后，要求输出声、光信号，声音的产生由开锁信号触动扬声器工作，光信号由开锁信号点亮LED指示灯；
3、用按钮开关的第一个动作信号触发一个5秒定时器，若5秒内无开锁信号产生，让扬声器发出特殊音响，以示警告，并输出一个信号推动LED不断闪烁。
设计八 彩灯控制器
1、设计一个彩灯控制器，使彩灯（LED管）能连续发出四种以上不同的显示形式；
2、随着彩灯显示图案的变化，发出不同的音响声。教学提示:
1、彩灯显示的不同形式可由不同进制计数器驱动LED显示完成；
2、音响由选择不同频率CP脉冲驱动扬声器形成。
设计九 脉冲按键电话显示器
1、设计一个具有8位显示的电话按键显示器；
2、能准确地反映按键数字；
3、显示器显示从低位向高位前移，逐位显示按键数字，最低位为当前输入位；
4、*设置一个“重拨”键，按下此键，能显示最后一次输入的电话号码；
5、*挂机2秒后或按熄灭按键，熄灭显示器显示。教学提示:
1、利用中规模计数器的予置数功能可以实现不同的按键对应不同的数字；
2、设置一个计数器记录按键次数，从而实现数字显示的移位。
设计十 简易电子琴
1、设计一个简易电子琴；
2、利用实验箱的脉冲源产生1，2，3。。共7个或14个音阶信号；
3、用指示灯显示节拍；
4、*能产生颤音效果。教学提示:
1、各音阶信号由脉冲源经分频得到。
设计十一 出租车自动计费器
1、设计一个出租车自动计费器，具有行车里程计费、等候时间计费、及起价三部分，用四位数码管显示总金额，最大值为99。99元；
2、行车里程单价1元/公里，等候时间单价0。5元/10分钟，起价3元（3公里起价）均能通过人工输入。
3、行车里程的计费电路将汽车行驶的里程数转换成与之成正比的脉冲数，然后由计数译码电路转换成收费金额，实验中以一个脉冲模拟汽车前进十米，则每100个脉冲表示1公里，然后用BCD码比例乘法器将里程脉冲乘以每公里单价的比例系数，比例系数可由开关预置。例如单价是1。0元/公里，则脉冲当量为0。01元/脉冲。
4、用LED显示行驶公里数，两个数码管显示收费金额。
教学提示:
1、等候时间计费需将等候时间转换成脉冲个数，用每个脉冲表示的金额与脉冲数相乘即得计费数，例如100个脉冲表示10分钟，而10分钟收费0。5元，则脉冲当量为0。05元/脉冲，如果将脉冲当量设置成与行车里程计费相同（0。01元/脉冲），则10分钟内的脉冲数应为500个。
2、用LED显示等候时间，两个数码管表示等候时间收费金额。
3、用加法器将几项收费相加，P=P1+P2+P3，4、P1为起价，P2为行车里程计费，P3为等候时间计费，用两个数码管表示结果。
设计十二 洗衣机控制器
1、设计一个电子定时器，控制洗衣机作如下运转：定时启动正转20秒暂停10秒反转20秒暂停10秒定时未到回到“正转20秒暂停10秒……”，定时到则停止；
2、若定时到，则停机发出音响信号；
3、用两个数码管显示洗涤的预置时间（分钟数），按倒计时方式对洗涤过程作计时显示，直到时间到停机；洗涤过程由“开始”信号开始；
4、三只LED灯表示“正转”、“反转”、“暂停”三个状态。
教学提示:
1、设计20秒、10秒定时电路。
2、电路输出为“正转”、“反转”、“暂停”三个状态。
3、按照设计要求，用定时器的“时间到”信号启动相应的下一个定时器工作，直到整个过程结束。
建议选用教材和参考书目
选用教材： 《电子技术实验指导书》，李国丽，朱维勇主编。中国科技大学出版社 主要参考书：《电子技术基础
模拟部分》（第四版），康华光主编，高教出版社
在高等工科院校的教学过程中,实验教学与理论教学具有同等重要的地位。数字电路与逻辑设计实验课是专业基础实验课之一,实验的根本目的是培养学生的理论应用能力,以及分析问题和解决问题的能力,归根到底是培养学生的实践创新能力。然而由于各种原因,实验室储备的电子元器件和集成芯片有限,无法满足各种电子电路的设计和实验要求。再者,对于一些较复杂的实验特别是设计型实验,学生要用大部分的精力和时间进行电路连接和线路的检查,而用于分析问题、解决问题的时间不足,实验效果不理想。近年来,EDA(El ect r oni cs Des i gn Aut omat i on)技术的出现与发展,标志着数字电路设计现代化的到来。EDA技术引入了软件仪器和软件器件,即虚拟仪表和虚拟元器件,从而产生了一系列电子实验和设计方法的改变,利用EDA技术进行数字电路设计实验,可弥补传统的实物实验的不足,为解决上述问题提供可能。
1 EDA技术概述
EDA(El ect r oni cs Des i gn Aut omat i on,电子设计自动化)技术是在电子CAD技术基础上发展起来的计算机软件系统,是指以计算机为工作平台,融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术的最新成果,进行电子产品的自动设计。从它的几个主要应用来讲:EDA技术是以大规模可编程逻辑器件为设计载体,以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式,以计算机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具,通过有关的开发软件,自动完成用软件的方式设计电子系统到硬件系统的一门新技术[1,2]。
EDA工具层出不穷,目前进入我国并具有广泛影响的EDA软件有:EWB、PSPI CE、Or CAD、PCAD、Pr ot el、Vi ewl ogi c、Ment or、Gr aphi cs、Synops ys、LSI l ogi c、Cadence、Mi cr o Si m等等。这些工具都有较强的功能,一般可用于几个方面,例如很多软件都可以进行电路设计与仿真,同时以可以进行PCB自动布局布线,可输出多种网表文件与第三方软件接口。按主要功能或主要应用场合,分为电路设计与仿真工具、PCB设计软件、I C设计软件、PLD设计工具及其它EDA软件。
数字设计实验就是EDA在PLD设计方面的应用,实验室所使用的软件MAX+PLUSI I是ALTERA公司较成功的PLD开发平台,其主要产品有:MAX3000/7000、FELX6K/10K、APEX20K、ACEX1K、St r at i x等。实验室所采用的芯片是ACEX1K系列,实验箱是北京革新科技有限公司开发的EDAPRO/240H综合实验系统。
2 传统实验教学中的不足
传统的数字设计实验,主要是一种结合课程的教学内容进行验证性和综合性的实验,它以电子技术实验箱为实验平台,学生通过搭接各种中、小规模数字集成电路(MSI、SSI)来获得电路的感性知识[3]。这对帮助学生加深理论课内容和提高实际动手能力是有效的,但在实验教学中,设计只能在面包板上进行,是一种搭积木式的方式,使复杂电路的设计、调试十分困难。如果某一过程存在错误,查找和修改十分不便,同时由于元器件不断重复使用,加上连线的可靠性较差,容易产生接触不良和元器件、线之间相互干扰而难以调试等问题,而且还会发生在规定时间内实验内容做不完或失败甚至损坏元器件、仪器设备等情况[4]。在实验过程中如出现问题,教师要花费大量时间去帮助学生检查连线错误,排除一些技术上、工艺上的故障。同时,由于电路的测试要用到许多专门的仪器,加上受实验室的规模和开放时间的限制,如果学生没有完成实验也无法利用课后时间继续进行,不利于提高学生学习积极性。电子技术发展到今天,分立元件门及中小规模的电路已经被大规模集成电路所取代,此类电路实验已不能适应电子技术飞速发展的需要,其重要性会不断降低。
3 在实验教学中引入EDA技术的优势
3.1 实验内容更加丰富
传统的单纯依靠数字实验箱的数字设计实验内容单一,输入是逻辑电平开关电路,输出是LED显示和数码显示,实验题目无非是加法器、乘法器、计数器、抢答器等较简单的实验内容;而引入EDA技术后,增加了动态键盘扫描模块、频率模块、USB模块、模数转换模块、点阵模块、语音功放电路模块、单片机接口模块等,相应的实验内容大大丰富,霓虹灯、打地鼠、密码锁、电子琴、答案提示板、跑马灯等有趣的实验题目大大提高了学生的兴趣。
3.2 实验方法更加有效
传统的数字设计实验中,学生的大部分时间都花在面包板的连线上面。在一些复杂的实验中,经常会因操作不当而观察不到实验结果,而且常常由于简单的连线错误导致整个实验失败,从而否定设计思路。在实验教学中引入EDA技术,学生在实验前先利用EDA软件完成设计,并进行项目编译及功能仿真,充分做到课前预习,这样在上课时学生就可以把精力集中到硬件调试及解决实际问题上。实验的操作就会变得相对简单,实验条件很容易改变,在同样的时间里可以完成多个实验方案的比较,大大提高了实验的效率和质量。
3.3 实验手段更加灵活
将EDA技术引入实验教学,在时间和空间上不受课时和实验器材的限制。由于大部分工作是在软件平台上进行,加上计算机的普及,使得设计工作可以走出实验室,设计完成后,直接把文件下载到实验箱中,测试芯片在系统中的实际运行性能,使实验变得方便、灵活、高效。学生可以独立主动设计实验,不断得到实验结果,并且可以修改参数,在不必担心损坏仪器的情况下,迅速进行实验仿真,这对提高学生的学习积极性大有益处。
4 引入EDA技术所取得的教学效果
燕山大学电子实验中心从2006年下半年开始在实验教学中引入EDA技术,经过3年的尝试,取得了良好的教学效果。
4.1 提高实验的可靠性
将EDA仿真引入实验教学,可以克服传统实验的不足,提高实验效率,实验结果具有较强的可靠性,能够直观反映出电路设计可能存在的差错和时序竞争。如在实际电路中,各级门电路由于延时关系,会引起电路的竞争与冒险,即在正常信号中出现不正常的尖脉冲(这是必须要克服的),但受设备条件限制,根本观察不到这种现象。应用EDA软件,不仅可以观察到这种实验现象,还可以通过仿真来分析并解决这个问题。
4.2 提高学生的积极性
提高实验技能的关键除了提高数字电路知识水平之外,还要勤于动手、勤于动脑,坚持多问、多练、苦练、巧练,善于博采众长;要热爱实验,“兴趣是最好的老师”,对实验有了强烈的兴趣,实验技能就会迅速提高。在数字设计实验中引入EDA技术后,实验室EDA设计题目将近40个,而每个班的学生人数一般不会超过40个,这样就确保每个学生一个设计题目,为学生的独立自主设计提供了舞台。学生们可以充分地把自己学到的理论知识运用到工程设计实践中,通过一系列的步骤:总体思路确定———利用软件输入完成设计———调试解决软件中遇到的问题———器件编程下载到硬件———发现硬件方面的问题———解决问题———成功实现设计要求,使同学们体验了一个简单的工程设计开发流程,大大提高了同学们的动手积极性和学习热情。
4.3 提高学生的实践能力和动手能力
在数字设计实验过程中,让学生掌握这种先进的电子设计自动化技术,再利用它去开发、研究设计性及综合性实验,会产生事半功倍的效果。这样在激发学生学习兴趣的同时,使学生能逐渐将新知识、新技术、新手段应用到实践中去,极大地提高了学生的实践能力,同时还为学生留下了无限的想象空间,有助于学生创新意识的增强。
5 结束语
将先进的EDA技术引入数字电子技术实验中,采用先进的技术手段,对传统的实验教学方法进行大胆创新,可以给学生提供一个现代科学技术平台,不仅符合电子技术的发展趋势,更是实施素质教育的重要途径。
参考文献
[1]汪建.将EDA技术引入电子类课程教学研究[J].电子科技大学学报(社科版),2002,(2):91-94.
[2]黄春耀.现代EDA技术与电子类基础课实验教学改革[J].龙岩学院学报,2005,23(3):122-124.
[3]刘银萍,陈惠珊.数字电子技术实验教学改革的探讨[J].实验室研究与探索,2006,25(8):981-983.
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一、设计题目：电子日历
二、设计要求
1.能显示年、月、日、星期，如01.11.08 6，星期日显示8 2.年、月、日、星期可调 3.不考虑闰年
三、设计思路
为实现本电路要求，采取模块电路设计方法。本电路系统主要 包括以下三大模块：
1.计数模块 2.控制模块 3.译码器显示模块
四、设计过程
1.计数模块 1）星期计数模块
由于星期日要显示8，一般芯片难以实现，可通过四个JKFF触发器设计而成。电路图如下：
波形仿真图如下：
2）天计数模块
通过两个74160芯片作计数电路和DFF作去毛刺电路设计而成，若没有去毛刺电路，在硬件仿真时，月计数会出现连续计两次的情况。由于不同月份有不同天数（31、30、28），故需要三个输入端（C31、C30、C28）选择计数的进制，同一时刻只能有一个有效（输入高电平）。电路图如下：
C30端有效时的波形仿真图如下：
3）月计数模块
通过两个74160芯片设计而成，电路图如下：
波形仿真图如下：
4）月计数对天计数的反馈模块
通过画真值表列出逻辑表达式，从而设计出如下电路：
波形仿真图如下：
5）年计数模块
通过两个74160芯片设计而成，为了实现可调，将年个位对十位的进位输出端C先到控制模块上。电路图如下：
波形仿真图如下：
2.控制模块
时钟脉冲经CP端输入，K、Kweek、Kday、Kmonth、Kyear1、Kyear2为手动控制端。K端输入高电平时为调节状态，输入低电平时为自动计数状态。电路图如下：
3.译码器显示模块
该模块由一个74160芯片、四个数据选择74151和译码驱动器7449组成。电路图如下：
4.总图
连接控制模块和计数模块。电路图如下：
该部分波形仿真图如下：
在其中可以发现，月比天滞后1.5个时钟周期（其中1个时钟周期是由于天计数模块的去毛刺电路产生的），年个位比月滞后0.5个时钟周期，年十位比年个位滞后0.5个时钟周期。由于时间有限，知识经验不足等限制，在答辩前仍未解决该问题。
再连接译码器显示模块。电路图如下：
接通电源时，K端要先输入高电平，把月调到非0，才能在K端输入低电平后正常计数。
目 录
一、设计目的二、程设计具体要求
三、单片机发展简史
四、8051单片机系统简介
五、8051单片机内部定时器/计数器简介
六、程序电路
七、程序流程
八、程序代码
九 实验总结-要求写出完整的论文以及心得体会
十 参考资料及小结
原 文 :一．目的1． 进一步熟悉和掌握8051单片机的结构及工作原理。
2． 掌握单片机的接口技术及相关外围芯片的外特性，控制方法。
3． 通过课程设计，掌握以单片机核心的电路设计的基本方法和技术，了解表关电路参数的计算方法。
4． 通过实际程序设计和调试，逐步掌握模块化程序设计方法和调试技术。
5． 通过完成一个包括电路设计和程序开发的完整过程，使学生了解开发一单片机应用系统的全过程，为今后从事相应打下基础。
二．课程设计的体要求
a)原理图设计。
1． 原理图设计要符合项目的工作原理，连线要正确，端了要不得有标号。
2． 图中所使用的元器件要合理选用，电阻，电容等器件的参数要正确标明。
3． 原理图要完整，CPU，外围器件，扩器接口，输入/输出装置要一应俱全。
b)程序调计
1． 根据要求，将总体项能分解成若干个子功能模块，每个功能模块完成一个特定的功能。
2． 根据总体要求及分解的功能模块，确定各功能模块之间的关系，设直出完整的程序流程图。c)程序调试将设计完的程序输入，汇编，排除语法错误，生成*OBJ文件。
1． 按所设计的原理图，在实验平台上连线，检查无误。
2． 将汇编后生成的*OBJ文件传送到实验装置的，执行该程序，检查该程序、是否达到设计要求，若未达
到，修改程序，直到达到要求为止，d)说明书
1． 原理图设计说明
简要说明设计目的，原理图中所使用的元器件功能及在图中的作用，各器件的工作过程及顺序。
2． 程序设计说明
对程序设计总体功能及结构进行说明，对各子模块的功能以及各子模块之间的关系作较详细的描述。
3． 画出工作原理图，程序流程图并给出程序清单。
目前，单片机已广泛应用到图民经济建设和日常生活的许多领域，成为测控技术现代化必不可少的重要工具。
单片机电子时钟
作者：佚名来源：本站原创点击数：
491更新时间：2007年06月27日
DS1302是Dallas公司生产的一种实时时钟芯片。它通过串行方式与单片机进 行数据传送，能够向单片机提供包括秒、分、时、日、月、年等在内的实时时间
信息，并可对月末日期、闰年天数自动进行调整；它还拥有用于主电源和备份电源的双电源引脚，在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。另外，它还能提供31字节的用于高速数据暂存的RAM。鉴于上述特点，DS1302已在许多单片机系统中得到应用，为系统提供所需的实时时钟信息。
一、DS1302的主要特性
1.引脚排列
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图1DS1302引脚排列图
DS1302的引脚排列如图1所示，各引脚的功能如下：
X1，X2——32768Hz晶振引脚端；
RST——复位端；
I/O——数据输入/输出端；
SCLK——串行时钟端；
GND——地；
VCC2，VCC1——主电源与后备电源引脚端。
2.主要功能
DS1302时钟芯片内主要包括移位寄存器、控制逻辑电路、振荡器、实时时钟电路以及用于高速暂存的31字节RAM。DS1302与单片机系统的数据传送依靠RST，I/O，SCLK三根端线即可完成。其工作过程可概括为：首先系统RST引脚驱动至高电平，然后在作用于SCLK时钟脉冲的作用下，通过I/O引脚向DS1302输入地址/命令字节，随后再在SCLK
时钟脉冲的配合下，从I/O引脚写入或读出相应的数据字节。因此,其与单片机之间的数据传送是十分容易实现的。
二、时钟的产生及存在的问题
(1)在实际使用中，我们发现DS1302的工作情况不够稳定，主要表现在实时时间的传送有时会出现误差，有时甚至整个芯片停止工作。我们对DS1302的工作电路进行了分析，其与单片机系统的连接如图2所示。从图中可以看出，DS1302的外部电路十分简单，惟一外接的元件是32768Hz的晶振。通过实验我们发现：当外接晶振电路振荡时，DS1302计时正确；当外接晶振电路停振时，DS1302计时停止。因此，我们认为32768Hz晶振是造成 DS1302工作不稳定的主要原因。
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图2DS1302与单片机系统的连接图
(2)DS1302时钟的产生基于外接的晶体振荡器，振荡器的频率为32768Hz。该晶振通过引脚X1、X2直接连接至DS1302，即DS1302是依靠外部晶振与其内部的电容配合来产生时钟脉冲的。由于DS1302在芯片本身已经集成了6pF的电容，所以，为了获得稳定可靠的时钟，必须选用具有6pF负载电容的晶振。
然而，许多人在选用晶振时仅仅注意了晶振的额定频率值，而忽视了晶振的负载电容大小，甚至连许多经销商也不能提供所售晶振的负载电容。所以即使在使用中选用了符合32768Hz的晶振，但如果该晶振的负载电容与DS1302提供的6pF不一致时，就会影响晶振的起振或导致振荡频率的偏移，出现上述在应用中的问题。
三、利用辅助电容实现负载匹配
（1）当所选的晶振负载电容不是6pF时，可以采用增加辅助电容的方法提高或降低DS1302振荡器的电容性负载，使之与晶体所需的电容值匹配。如果已知晶体的负载电容为CI，若CI<6pF，则可以增加一个并联电容CS以产生所需的总负载电容CI，即CI=6pF+CS；若CI>6pF，则可以在晶体的一端增加一个串联电容CS，以产生所需的负载电容CI，即1/CI=1/6pF+1/CS，通过计算即可得出应增加的辅助电容大小。辅助电容的接法如图3所示。
图3CS连接电路图
（2）在使用前对晶体的负载电容并不知道的情况下，通过测定晶体振荡频率的方法可以确定该晶体的负载电容。
对于晶体振荡器来说，其振荡频率与负载电容之间的关系是确定的。以本文讨论的DS1302使用的32768Hz晶振为例：当它工作于所要求的负载电容时，能较准确地产生 32768Hz的频率；当它的负载电容小于6pF时，其振荡频率会正向偏移；当它的负载电容大于6pF时，其振荡频率就会负向偏移。因此，对于未知负载电容的晶体应首先采用实验的方法，在其两端加入辅助电容使晶体起振，然后用频率计测出振荡频率。若测得频率大于32768Hz，说明负载电容偏小；若测得频率小于32768Hz，说明负载电容偏大。对辅助电容逐步调整，最终使振荡频率尽可能接近32768Hz，则此时晶体端所接负载电容的总和就是适合该晶体的负载电容。
结论
以上方法经我们在实际工作中多次使用，证明确实有效。它放宽了DS1302在使用中对晶振的条件要求，增强了DS1302在工作中的稳定性，对DS1302更广泛地应用具有积极的意义。
华东交大理工学院_2007-2008 _学年第_ 一 学期
课程设计安排计划
班级：_05应电__课程：_单片机原理及接口技术_
一、课程设计题目：数码管时钟电路的设计
二、设计内容及要求：
LED数码管时钟电路24小时计时方式，时、分、秒用6位数码管显示。选用AT89C2051单片机，12MHZ晶振，6位共阳数码管，要求有调时功能，其他功能学生可自由发挥。
三、设计方法与步骤：
1.设计硬件原理电路，选择元器件、确定其参数。
2.设计印刷电路板电路（用面包板做）、焊接硬件电路。
3.设计汇编语言程序，调试硬件电路和程序。
4.编写课程设计报告。
四、设计时间安排：
1．第十九周：周一、二，设计硬件原理电路，选择元器件、确定其参数。
周三、四、五，设计印刷电路板电路（用面包板做）、焊接硬件电路。
2．第二十周：周一、二，设计汇编语言程序。
周三、四，烧录程序，调试硬件电路和程序。
周五，编写课程设计报告。
指导老师: 杨威
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