电子技术课程设计报告

电子技术课程设计报告

专业：电子类

年级：2013级

学号：[1**********]

姓名：张培浩

成绩：

指导教师：邱相艳

题目 数字电子时钟设计及波形发生器的设计 数字电子时钟

1. 大致功能：显示时、分、秒；可以24小时制；具有校时功能，可分别对小时和分钟单独校时；由晶体振荡器提供标准时间的基准信号。由晶振电路产生1Hz标准秒信号。

1.1秒、分为00～59六十进制计数器。

1.2时为00～23二十四进制计数器。

1.3可手动校时：能分别进行秒、分、时的校时。只要将开关置于手动位置，可分别对秒、分、时进行手动脉冲输入调整或连续脉冲输入的校正。

2. 功能具体模块介绍：

74LS74

1Hz

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，通常用晶体振荡器发出的脉冲经过整形、分频获得1Hz的秒脉冲。如晶振为32768 Hz，通过15次二分频后可获得1Hz的脉冲输出。

计数译码显示

秒、分、时分别为60、60、24进制计数器、秒、分均为60进制，即显示00～59，它们的个位为十进制，十位为六进制。时为二十四进制计数器，显示为00～23，个位仍为十进制，而十位为三进制，但当十进位计到2，而个位计到4时清零，就为二十四进制了。

所有计数器的译码显示均采用BCD—七段译码器，显示器采用共阴或共阳的显示器。

校时电路

在刚刚开机接通电源时，由于时、分、秒为任意值，所以，需要进行调整。设置开关在手动位置，分别对时、分、秒进行单独计数，计数脉冲由单次脉冲或连续脉冲输入。

3. 原理图及说明分析：

1. 秒脉冲电路

由晶振32768Hz经14分频器分频为2Hz，再经一次分频，即得1Hz标准秒脉冲，供时钟计数器用。

2. 单次脉冲、连续脉冲

这主要是供手动校时用。若开关K1打在单次端，要调整时、分、秒即可按单次脉冲进行校正。如K1在单次，K2在手动，若开关K1处于连续端，则校正时，不需要按动单次脉冲，即可进行校正。单次、连续脉冲均由门电路构成。

3. 秒、分、时计数器

这一部分电路均使用中规模集成电路74LS161实现秒、分、时的计数，其中秒、分为六十进制，时为二十四进制。从图中可以发现秒、分两组计数器完全相同。当计数到59时，再来一个脉冲变成00，然后再重新开始计数。图中利用“异步清零”反馈到/CR端，而实现个位十进制，十位六进制的功能。

时计数器为二十四进制，当开始计数时，个位按十进制计数，当计到23时，这时再来一个脉冲，应该回到“零”。所以，这里必须使个位既能完成十进制计数，又能在高低位满足“23”这一数字后，时计数器清零，图中采用了十位的“2”和个位的“4”相与非后再清零。

4．译码、显示

译码、显示很简单，采用共阴极LED数码管LC5011-11和译码器74LS248，当然也可用共阳数码管和译码器。

4. 软件仿真结果：数字变化以及应用效果基本正确。

注：上图为电路中用到的二分频电路测试仿真结果，可见，二分频应用结果大致正确。

5. PCB版图

：

6. 实际成品效果图

：

波形发生器

1.大致功能：能产生方波、三角波和正弦波，输出波形频率范围为0.02Hz∽20kHz且连续可调；正弦波幅值为±10V，失真度小于2%；方波幅值为10V；三角波峰-峰值为20V；各种波形幅值均连续可调。

2.功能具体模块介绍：先用一块LM358运放做出方波经过积分电路获得三角波，再由三角波经过低通滤波转为正弦波。 3.原理图及说明分析

：

没有接通时，V00V，滞回比较器V0=+UZ，则集成运放同相输入端

R2

V0VZViVZ，同时V0VZ给C充电，使VR由0上升，在VRVi之前，

R1R2

不变；当 VR>Vi 时，V0跳变到-VZ。

R2

(Vz),同时C经Rf反向输入端等效电阻）使VR降当V0=-VZ时,Vi

R1R2

低，在VR＞Vi之前V0=-VZ不变，当VR＜Vi时，Vi跳变到+VZ。

（1）方波部分

方波的波幅由稳压管的参数决定，这里使用１０Ｖ，方波的周期取决于充放电回路RC的数值。若R或C其中一个增大，和周期T均会增大，频率f也会增大。计算周期T：

通过对方波发生电路的分析，可以想象，与改变输出电压的占空比，就必须使电容正向和反向充电的时间常数不同。利用二极管的单向导电性可以引导电流流经不同的通路，则占空比可调。则可求出周期T：

1Rw1C2Rw2C

T11ln(12R2/R1)

T22ln(12R2/R1)

TT1T2RwCln(12R2/R1)

带入值得T=48.4s

f=1/T=20KHz （２）三角波部分

在方波发生电路中，当阈值电压数值较小时，可将电容两端的电压看成为近似三角波。所以只要将方波电压作为积分运算电路的输入，在其输出就得到三角波电压。如(b)图的仿真结果所示，当方波发生电路的输出电压u01=-Uz时，积分运算电路的输出电压u0将线性下降；而当u01=Uz时，将线性上升。

积分电路的输入电压u01，而且u01不是+Uz，就是-Uz，所以输出电压的表达式为

1

u01t1t0u0(t0) u0R6C

式中u0(t0)为初态时的输出电压。设初态时u01正好从-Uz跃变为+Uz,则式子变为

1

Uzt1t0u0(t0) R6C

积分电路反向积分，u0随时间的增长线性下降，一旦u0=-UT，再稍减小，u01将从+Uz跃变为-Uz。式子变为

1

Uzt1t0u0(t0) u0

R6C

U0(t1)为u01产生跃变时的输出电压。积分电路正向积分，u0随时间的增长线性增大，一旦u0=+UT，再稍加增大，u01将从-UZ跃变为+UZ，回到初态，积分电路又开始反向积分。电路重复上述过程，因此产生自己震荡。

由以上分析可知，u0是三角波，幅值为±UT；u01是方波，幅值为 ±UZ，由于积分电路引入了深度电压负反馈，所以在负载电阻相当大的变化范围里，三角波电压几乎不变。

设正向积分起始值为-UT，终了值为+UT，积分时间为二分之一周期，则有

1T

UZ(UT) +UT=R6C2

得出震荡周期

4R4R6C

T

R5

震荡频率

1R5

f

T4R4R6C

调节电路中的R5，可以改变震荡频率和三角波的幅值。 （3）正弦波部分

u0

在三角波电压为固定频率或频变化很小的情况下，可以考虑用低通滤波

（或带通滤波）的方法将三角波变换为正弦波，输入电压的频率等于输出电压的频率。

将三角波按傅里叶级数展开 uI(wt)

11

Um(sinwtsin3wtsin5wt......) 2

9258

其中Um是三角波的幅值。

4.软件仿真结果：

设计感想及总结：个人比较喜欢数字电路以及模拟电路课程，因为感觉两门专业课实际应用性极强，学好理论知识可以应用到实际生活中，真正做出一点很有用途的实物，肯定很有成就感！所以，刚开始听说要参加电子技术课程设计时，还是感觉非常兴奋的，心想终于可以学以致用了，但真正拿到题目，自己动手设计时，却感觉困难重重，最为重要的是自己很难将学到的理论知识真正有效的应用起来，此外，自己的动手能力也是有待进一步提高，本次课程设计，一路走来，让我收获很多：基本上掌握了Altium Designer和Multisim两大电工类软件的使用，了解了软件中的电子元器件的名称、作用以及应用，在实践中学会了很多设计技巧和规则，在仿真实践中学会了如何看图和读图，更为重要的是，在和同学们互相帮助与讨论分析的过程中，深刻的了解到团队互相协作的重要性以及如何的分析问题和解决问题，真实的体会到了失败的苦涩和成功的喜悦，也许在真正得到自己想要的结果之前会经历无数次的失败，但一定要勇于尝试，充满信心和勇气，坚持不懈，就一定会成功！最后要有足够的耐心去对待自己的实验任务，要有责任心和团队意识，遇到不懂的问题要勤于思考，积极通过网络和图书资料

去行之有效的查阅自己需要的资料，最后，任何设计都要考虑到实际的应用效果，因为理论和实际往往并不是完全契合的，一切要从实际出发，对自己的设计负责！在此，要特别感谢邱老师的指导与帮助，谢谢老师，祝老师工作顺利，身体健康！ 参考资料：

[1] 清华大学电子学教研组编，童诗白、华成英主编：《模拟电子技术基础》 [ M ] .

（ 第四版 ）.北京：高等教育出版社,2006.5（2009重印）

[2]华中工学院电子学教研室编，康华光主编：《电子技术基础——数字部分》

[M] . （第四版）. 北京:高等教育出版社，1988年

[3] 清华大学电子学教研组编，阎 石主编：《 数学电子技术基础 》 [M] . ( 第

五版 ).北京：高等教育出版社，2006.5（2008年重印）

[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 》 ， 2010.3

[5]朱清慧、张凤蕊、翟天蒿、王志奎编著：《 Multisim教程——电子线路设计、

制版与仿真 》 [M] . 北京：清华大学教育出版社，2008.9

[6]熊幸明主编：《Altium Designer 从入门到精通》 [M].北京:电子工业出版社，

2005.9

电子技术课程设计报告

专业：电子类

年级：2013级

学号：[1**********]

姓名：张培浩

成绩：

指导教师：邱相艳

题目 数字电子时钟设计及波形发生器的设计 数字电子时钟

1. 大致功能：显示时、分、秒；可以24小时制；具有校时功能，可分别对小时和分钟单独校时；由晶体振荡器提供标准时间的基准信号。由晶振电路产生1Hz标准秒信号。

1.1秒、分为00～59六十进制计数器。

1.2时为00～23二十四进制计数器。

1.3可手动校时：能分别进行秒、分、时的校时。只要将开关置于手动位置，可分别对秒、分、时进行手动脉冲输入调整或连续脉冲输入的校正。

2. 功能具体模块介绍：

74LS74

1Hz

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，通常用晶体振荡器发出的脉冲经过整形、分频获得1Hz的秒脉冲。如晶振为32768 Hz，通过15次二分频后可获得1Hz的脉冲输出。

计数译码显示

秒、分、时分别为60、60、24进制计数器、秒、分均为60进制，即显示00～59，它们的个位为十进制，十位为六进制。时为二十四进制计数器，显示为00～23，个位仍为十进制，而十位为三进制，但当十进位计到2，而个位计到4时清零，就为二十四进制了。

所有计数器的译码显示均采用BCD—七段译码器，显示器采用共阴或共阳的显示器。

校时电路

在刚刚开机接通电源时，由于时、分、秒为任意值，所以，需要进行调整。设置开关在手动位置，分别对时、分、秒进行单独计数，计数脉冲由单次脉冲或连续脉冲输入。

3. 原理图及说明分析：

1. 秒脉冲电路

由晶振32768Hz经14分频器分频为2Hz，再经一次分频，即得1Hz标准秒脉冲，供时钟计数器用。

2. 单次脉冲、连续脉冲

这主要是供手动校时用。若开关K1打在单次端，要调整时、分、秒即可按单次脉冲进行校正。如K1在单次，K2在手动，若开关K1处于连续端，则校正时，不需要按动单次脉冲，即可进行校正。单次、连续脉冲均由门电路构成。

3. 秒、分、时计数器

这一部分电路均使用中规模集成电路74LS161实现秒、分、时的计数，其中秒、分为六十进制，时为二十四进制。从图中可以发现秒、分两组计数器完全相同。当计数到59时，再来一个脉冲变成00，然后再重新开始计数。图中利用“异步清零”反馈到/CR端，而实现个位十进制，十位六进制的功能。

时计数器为二十四进制，当开始计数时，个位按十进制计数，当计到23时，这时再来一个脉冲，应该回到“零”。所以，这里必须使个位既能完成十进制计数，又能在高低位满足“23”这一数字后，时计数器清零，图中采用了十位的“2”和个位的“4”相与非后再清零。

4．译码、显示

译码、显示很简单，采用共阴极LED数码管LC5011-11和译码器74LS248，当然也可用共阳数码管和译码器。

4. 软件仿真结果：数字变化以及应用效果基本正确。

注：上图为电路中用到的二分频电路测试仿真结果，可见，二分频应用结果大致正确。

5. PCB版图

：

6. 实际成品效果图

：

波形发生器

1.大致功能：能产生方波、三角波和正弦波，输出波形频率范围为0.02Hz∽20kHz且连续可调；正弦波幅值为±10V，失真度小于2%；方波幅值为10V；三角波峰-峰值为20V；各种波形幅值均连续可调。

2.功能具体模块介绍：先用一块LM358运放做出方波经过积分电路获得三角波，再由三角波经过低通滤波转为正弦波。 3.原理图及说明分析

：

没有接通时，V00V，滞回比较器V0=+UZ，则集成运放同相输入端

R2

V0VZViVZ，同时V0VZ给C充电，使VR由0上升，在VRVi之前，

R1R2

不变；当 VR>Vi 时，V0跳变到-VZ。

R2

(Vz),同时C经Rf反向输入端等效电阻）使VR降当V0=-VZ时,Vi

R1R2

低，在VR＞Vi之前V0=-VZ不变，当VR＜Vi时，Vi跳变到+VZ。

（1）方波部分

方波的波幅由稳压管的参数决定，这里使用１０Ｖ，方波的周期取决于充放电回路RC的数值。若R或C其中一个增大，和周期T均会增大，频率f也会增大。计算周期T：

通过对方波发生电路的分析，可以想象，与改变输出电压的占空比，就必须使电容正向和反向充电的时间常数不同。利用二极管的单向导电性可以引导电流流经不同的通路，则占空比可调。则可求出周期T：

1Rw1C2Rw2C

T11ln(12R2/R1)

T22ln(12R2/R1)

TT1T2RwCln(12R2/R1)

带入值得T=48.4s

f=1/T=20KHz （２）三角波部分

在方波发生电路中，当阈值电压数值较小时，可将电容两端的电压看成为近似三角波。所以只要将方波电压作为积分运算电路的输入，在其输出就得到三角波电压。如(b)图的仿真结果所示，当方波发生电路的输出电压u01=-Uz时，积分运算电路的输出电压u0将线性下降；而当u01=Uz时，将线性上升。

积分电路的输入电压u01，而且u01不是+Uz，就是-Uz，所以输出电压的表达式为

1

u01t1t0u0(t0) u0R6C

式中u0(t0)为初态时的输出电压。设初态时u01正好从-Uz跃变为+Uz,则式子变为

1

Uzt1t0u0(t0) R6C

积分电路反向积分，u0随时间的增长线性下降，一旦u0=-UT，再稍减小，u01将从+Uz跃变为-Uz。式子变为

1

Uzt1t0u0(t0) u0

R6C

U0(t1)为u01产生跃变时的输出电压。积分电路正向积分，u0随时间的增长线性增大，一旦u0=+UT，再稍加增大，u01将从-UZ跃变为+UZ，回到初态，积分电路又开始反向积分。电路重复上述过程，因此产生自己震荡。

由以上分析可知，u0是三角波，幅值为±UT；u01是方波，幅值为 ±UZ，由于积分电路引入了深度电压负反馈，所以在负载电阻相当大的变化范围里，三角波电压几乎不变。

设正向积分起始值为-UT，终了值为+UT，积分时间为二分之一周期，则有

1T

UZ(UT) +UT=R6C2

得出震荡周期

4R4R6C

T

R5

震荡频率

1R5

f

T4R4R6C

调节电路中的R5，可以改变震荡频率和三角波的幅值。 （3）正弦波部分

u0

在三角波电压为固定频率或频变化很小的情况下，可以考虑用低通滤波

（或带通滤波）的方法将三角波变换为正弦波，输入电压的频率等于输出电压的频率。

将三角波按傅里叶级数展开 uI(wt)

11

Um(sinwtsin3wtsin5wt......) 2

9258

其中Um是三角波的幅值。

4.软件仿真结果：

设计感想及总结：个人比较喜欢数字电路以及模拟电路课程，因为感觉两门专业课实际应用性极强，学好理论知识可以应用到实际生活中，真正做出一点很有用途的实物，肯定很有成就感！所以，刚开始听说要参加电子技术课程设计时，还是感觉非常兴奋的，心想终于可以学以致用了，但真正拿到题目，自己动手设计时，却感觉困难重重，最为重要的是自己很难将学到的理论知识真正有效的应用起来，此外，自己的动手能力也是有待进一步提高，本次课程设计，一路走来，让我收获很多：基本上掌握了Altium Designer和Multisim两大电工类软件的使用，了解了软件中的电子元器件的名称、作用以及应用，在实践中学会了很多设计技巧和规则，在仿真实践中学会了如何看图和读图，更为重要的是，在和同学们互相帮助与讨论分析的过程中，深刻的了解到团队互相协作的重要性以及如何的分析问题和解决问题，真实的体会到了失败的苦涩和成功的喜悦，也许在真正得到自己想要的结果之前会经历无数次的失败，但一定要勇于尝试，充满信心和勇气，坚持不懈，就一定会成功！最后要有足够的耐心去对待自己的实验任务，要有责任心和团队意识，遇到不懂的问题要勤于思考，积极通过网络和图书资料

去行之有效的查阅自己需要的资料，最后，任何设计都要考虑到实际的应用效果，因为理论和实际往往并不是完全契合的，一切要从实际出发，对自己的设计负责！在此，要特别感谢邱老师的指导与帮助，谢谢老师，祝老师工作顺利，身体健康！ 参考资料：

[1] 清华大学电子学教研组编，童诗白、华成英主编：《模拟电子技术基础》 [ M ] .

（ 第四版 ）.北京：高等教育出版社,2006.5（2009重印）

[2]华中工学院电子学教研室编，康华光主编：《电子技术基础——数字部分》

[M] . （第四版）. 北京:高等教育出版社，1988年

[3] 清华大学电子学教研组编，阎 石主编：《 数学电子技术基础 》 [M] . ( 第

五版 ).北京：高等教育出版社，2006.5（2008年重印）

[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 》 ， 2010.3

[5]朱清慧、张凤蕊、翟天蒿、王志奎编著：《 Multisim教程——电子线路设计、

制版与仿真 》 [M] . 北京：清华大学教育出版社，2008.9

[6]熊幸明主编：《Altium Designer 从入门到精通》 [M].北京:电子工业出版社，

2005.9