哈工大华毕业设计（论文）任务书
姓名：院（系）：哈工大电子系
专业：通信技术班号：
任务起至日期：2009 年 3 月30 日至2009 年6 月16日
毕业设计（论文）题目：LED电子钟摆
立题的目的和意义：1 .LED点亮一遍所需时间正好是一秒。
2.时间准确。
技术要求与主要内容：
功能：给石英钟或机械钟加装LED钟摆。
技术指标：
1. LED点亮一遍所需时间正好是一秒。
2. 走时与钟摆完全同步。
目录
第1章绪论 (1)
1.1 课题背景 (1)
1.2 技术指标 (1)
1.3 设计功能 (1)
第2章电路的方框图 (2)
2.1 方框图 (2)
2.2 方框图的原理说明 (2)
第3章整机电路的组成 (3)
3.1 整机电路原理图 (3)
3.2 整机电路的工作原理 (4)
第4章单元电路的设计与分析 (5)
4.1分频器结构 (5)
4.2分频器的作用 (5)
4.2.1分频器的工作原理 (6)
4．3基本RS触发器原理图 (7)
4.3.1基本RS触发器作用 (7)
4.4计数器的结构及作用 (8)
4.4.1计数器的工作原理 (9)
4.4.274LS193功能表 (11)
4.5L E D译码驱动图 (11)
4.5.1LED译码驱动 (12)
结论 (14)
致谢 (15)
参考文献 (16)
附录1 (17)
第１章绪论
１.１课题背景
第一只石英钟出现在二十世纪二十年代，从三十年代开始得到了推广，从六十年代开始，由于应用半导体技术，成功地解决了制造日用石英钟问题，石英电子技术在计时领域得到了广泛的应用。并取代机械钟做了更精确的时间标准。早在1880年，居里夫人就发现了石英晶体有压电的特性，这是制造钟表“心脏”的良好材料。科学家以石英晶体制成的振荡计时器和电子钟组合制成了石英钟。经过测试，一只高精度的石英钟表，每年的误差仅为3或5秒的时间。因此石英钟得到了广泛的应用。LED给人们视觉上优美的感受，在石英钟或机械钟加装LED钟摆，显得生动有趣，更方便夜间观看，显得石英钟或机械钟也非常漂亮。
１.２技术指标
1. LED点亮一遍所需时间正好是一秒。
2. 走时与钟摆完全同步。
3.时钟更加精准无误。
１.３设计功能
给石英钟或机械钟加装LED钟摆，显得生动有趣，走得更加精确，便于观看。
第２章 电路方框图
２.１ 方框图
LED 由触发器，分频器，计数器，译码器，显示单元构成，几部分相互的结合来完成LED 电子钟摆的工作。结构如图（2-1）所示：
分频器
触发器
计数器译码驱动
LED
显示
CP
图2.1 LED 电子钟摆电路方框图
２.２ 方框图的原理说明
计数信号取自电子钟的60Hz 时基信号，经过分频器除六得到10Hz ，再经过计数器计数，译码驱动，显示单元LED 点亮一遍所需时间正好是一秒，因此，走时与钟摆完全同步。译码器采用的是74LS42，如果想要驱动更多的LED 小灯可换用74LS45 。
第3章整机电路的组成
3.１整机电路原理图
整机电路由分频器，触发器，计数器，译码器及显示单元组成整机原理图见图3-1。
图3-1 整机电路
3.２整机电路的工作原理
计数信号取自电子钟的60Hz时基信号，经过分频器除六得到10Hz，再经过计数器计数，显示单元LED点亮一遍所需时间正好
是一秒，因此，走时与钟摆完全同步。译码器采用的是74LS42，如果想要驱动更多的LED小灯可换用74LS45 。电阻采用100欧姆，（此电路中电阻器是一个限流元件，将电阻接在电路中后，它可限制通过它所连支路的电流大小。如果一个电阻器的电阻值接近零欧姆（例如，两个点之间的大截面导线），则该电阻器对电流没有阻碍作用，串接这种电阻器的回路被短路，电流无限大。如果一个电阻器具有无限大的或很大的电阻，则串接该电阻器的回路可看作开路，电流为零。工业中常用的电阻器介于两种极端情况之间，它具有一定的电阻，可通过一定的电流，但电流不像短路时那样大。电阻器的限流作用类似于接在两根大直径管子之间的小直径管子限制水流量的作用。）
第4章 单元电路设计与分析
4.1 分频器的结构和功能
在本电路中由CD4017当作分频器，CD4017的引脚图如图4.1，状态表如表4-1所示。
1
2
3
4
5
6
7
8910111213141516
Q0Q1Q2Q3Q4
Q5Q6Q7Q8
Q9
VDD VSS CR CP
CE
CO
CD4017
图4-1 CD4017引脚图
4.2分频器的作用：
分频器的作用: 在一个扬声器系统里，人们把箱体、分频电
路、扬声器单元称为扬声器系统的三大件，而分频电路对扬声器系统能否高质量地还原电声信号起着极其重要的作用。尤其在中、高频部分，分频电路所起到的作用就更为明显。其作用如下：
1 考虑中低单元指向性实用边界频率f=345/d （d=单元振膜有效直径）。通常8”单元的边界频率为2k ，6.5”单元的边界频率为2.7k ，5”单元为3.4k ，4”单元为4.3k 。也就是说使用上述单元，其分频点不能大于各单元所对应的实用边界频率。
2 从高音单元谐振频率考虑，分频点应大于三倍的谐振频率。也就是说从高音单元的角度出发，通常分频点应大于2.5k 。
3 考虑中低音单元高端响应Fh ，通常分频点不应大于1/2 Fh 。 实际上，二分频音箱上述条件很难得到同时满足。这时设计者应在这三者中有一个比较好的折中选择。但必须强调的是，第一个条件即实用边界频率应该优先满足。
4 三分频的情况下，通常应将两个分频点隔得愈远（应在三个倍频程以上），组合后的系统响应会变得愈好。否则，将会出现复杂的干扰辐射现象。
5 低音与中音的分频点应考虑人声声像定位的问题。应使人声的重放尽可能由中音单元来承担，以避免人声的声像定位音色
发生过大的变化。这一点往往容易被设计者所忽视。通常这一分频点应为200-300Hz 。
4.2.1分频器的工作原理：
数字电路CD4017是十进制计数／分频器，它的内部由计数器及译码器两部分组成，由译码输出实现对脉冲信号的分配，整个输出时序就是Q0、Q1、Q2、…、Q9依次出现与时钟同步的高电平，宽度等于时钟周期。
CD4017有10个输出端（Q0～Q9）和1个进位输出端Q5。每输入10个计数脉冲， Q5就可得到1个进位正脉冲，该进位输出信号可作为下一级的时钟信号。
CD4017有3个输（MR 、CP0和CP1），MR 为清零端，当在MR 端上加高电平或正脉冲时其输出Q0为高电平，其余输出端（Q1～Q9）均为低电平。CP0和CPl 是2个时钟输入端，若要用上升沿来计数，则信号由CP0端输入；若要用下降沿来计数，则信号由CPl 端输入。设置2个时钟输入端，级联时比较方便，可驱动更多二极管发光。 由此可见，当CD4017有连续脉冲输入时，其对应的输出端依次变为高电平状态，故可直接用作顺序脉冲发生器。 CD4017有两个时钟端 CP 和 EN ，若用时钟脉冲的上沿计数，则信号从 CP 端输入；若用下降沿计数，则信号从 EN 端输入。设置两个时钟端是为了级联方便。
4.3基本RS 触发器原理图及作用
&
&
&&1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14GN D VC C
7 4 L S 0 0
4.2CD7400引脚图
触发器是一个具有记忆功能的二进制信息存储器件，是构成多种时序电路的最基本逻辑单元。触发器具有两个稳定状态，即"0"和"1"，在一定的外界信号作用下，可以从一个稳定状态翻转到另一个稳定状态。
基本RS触发器为由二个与非门交叉藕合构成。基本RS触发器具有置"0"、置"1"和"保持"三种功能。通常称为置"1"端，因为 =0时触发器被置"1"；为置"0"端，因为 =0时触发器被置"0"，当 = =1时状态保持。基本RS触发器也可以用二个"或非门"组成，此时为高电平触发器
4.3.1基本RS触发器工作原理：
触发器具有两个稳定状态，用以表示逻辑状态“1”和“0”，在一定的外界信号作用下，可以从一个稳定状态翻转到另一个稳定状态，它是一个具有记忆功能的二进制信息存贮器件，是构成各种时序电路的最基本逻辑单元。由两个“与非门”组成。如图。根据与非门的逻辑关系，只要有一个输入端为低电位，输出端就是高电位；只有输入端都为高电位，输出才为低电位。
置1端=1 置0端=0 Q=0 Q(上加-)=1
置1端=0 置0端=1 Q=1 Q(上加-)=0
置1端=1 置0端=1 触发器保持不变。
置1端=0 置0端=0 触发器状态不定，不允许出现这种情况。
RS触发器是最基本的记忆单元，可以用负脉冲进行触发，使双稳态翻转。它可以做记忆单元，但不能进行计数。
1. RS 触发器真值表
R S Qn+1
0 0 1
0 1 0
1 0 Qn
1 1 X
2. 考虑“ 清零” 和“ 预置” 后的 RS 触发器真值表
R S SRT
0 0 SRT
0 1 1
1 0 0
1 1 X
4.4计数器的结构及作用
当接通电源时，触发器LS7400的１脚输出为低电平，该低电平作用到十进制计数器CDLS193允许计数，振荡脉冲信号作用到十进制CDLS193后，计数器的10个状态每扫描一遍所需时间仅1s。计数器的状态作为译码器的地址信号，这样，每当来一个CP脉冲LED灯点亮一遍。秒信号经秒计数器、分计数器、时计数器之后，分别得到“秒”个位、十位、“分”个位、十位以及“时”个位、十位的计时输出信号，然后送至译码显示电路，以便实现用数字显示时、分、秒的要求。“秒”和“分”计数器应为六十进制，而“时”计数器应为十二进制。要实现这一要求，可选用的中规模集成计数器较多。
⑴.六十进制计数器
可以由两块中规模集成计数器构成,一块组成十进制，另一块组成六进制，组合起来就构成六十进制计数器。
⑵.十二进制计数器
用脉冲反馈法。由两片中规模集成计数器（或一片中规模集成计数器、一片小规模集成触发器）构成，低位仍构成十进制计数器，当高位出现0001状态，低位为0011状态，即计到第13个来自“分”计数器的进位信号时，通过外加的控制电路输出一个
信号（注意：该信号的电平应视计数器的功能而定，有时需高电平，有时需低电平），将“时”计数器的十位计数器强制置为0000状态，同时，将“时”的个位计数器强制置为0001状态，从而实现从12→01的十二进制计数。
图4-3 74LS193
4.4.1计数器的工作原理
1,加减控制端。当其为低电平时计数器进行加计数；当其为高电平时计数器进行减计数。
CP:时钟脉冲输入端。上升沿有效。
A,B,C,D ：数据输入端。用于预置计数器的初始状态。
LD ：异步预置控制端。低电平有效，即该端为低电平时，经数据输入端A,B,C,D 对计数器的输出端QA ，QB ，QC ，QD 的状态进行预置。当需要清零时，给数据输入端均输入低电平即可。该端通常处于高电平。
QA ，QB ，QC ，QD ：计数器输出端。作加法计数器时由QD 输出可作十分频器，由QC 输出作八分频器，由QB 输出可作四分频器，由QA 输出可作二分频器。
ET ：使能端。低电平有效，即当该端为低电平时计数器实现计数功能；当其为高电平时计数器禁止计数，输出保持原来状态。 RC 进，借位输出端。用来作n 位级联使用。当计数器进行加计数时该端作为进位输出端；当进行减计数时该端作为借位输出端。低电平有效，即通常处于高电平，出现进，借位信号时为低电平。进，借位信号为负脉冲。
MAX/MIN ：最高/最低位输出端。即计数器计数到最高/最低
1
2
3
4
5
6
7
8
910111213141516VCC
Do
CR
BO
CO
LD
D2
D3
D1Q0Q1Q2Q3GN D CP u CP d 7 4 L S 1 9 3
位时，该端出现状态脉冲。状态脉冲为正脉冲，即MAX/MIN 端通常为低电平，当计数器记录到最高或最低位时，MAX/MIN 端成为高电平。此端可作为正脉冲输出的进，借位信号。 4-4 74LS193功能表 输 入
输 出
CP × × × ↑ ↓ CI U/D LD CR D0 D1 D2 D3 Q0 Q1 Q2 Q3 × × H L L
× × × H L
H
× L L L
L
H L L L
d0 × × × × d1 × × × × d2 × × × × d3 × × × × d0 d1 d2 d3 L L L L 保 持 加计数 减计数
4.4.2 74LS193功能表
该表反映出的功能为：同步可逆计数功能．．．．．．．．
（表中第3和第4行反映：当CP U 计数脉冲到来时按加法计数、当CP D 计数脉冲到来时按减法计数）、异步清零功能．．．．．．（表中第1行）、异步并行置数．．．．功能．．（表中第2行），保持功能．．．．
（表中第5行）。 多片74LS193集成计数器级联时，只需将低位的CO 端、BO 端分别与高位的CP U 端、CP D 端连接起来，各片芯片的CR 端连接在一起，LD 端连接在一起。
4.5 LED 译码驱动图
￣
￣
1
2
3
4
5
6
7
8
910111213141516VCC
Do
D2
D3
D1
Y1Y0Y4Y5GN D Y3Y27 4 L S 42
Y6Y7
Y8
Y9
图4-5 74LS42
4.5.1 LED 译码驱动
LED 需要驱动电路，LED 光输出与驱动电流有关，而与
电源电压无关。最对低要求应用，如果电源电压稳定的话，一个电阻就可限制电流。值得注意的是，对这种最简单的应用电路，LED 在一定程度上显示出自稳定特性。亦即，若温度升高的话，LED 的光输出减少，但同时其正向压降亦降低，使驱动电流增加，从而补偿了较高温度下光输出的减少。遗憾的是，汽车电源的变化范围是很大的，在8V-18V 之间，峰值电压可达几十伏。此外，高亮度LED 驱动电流大，会在电阻上产生大量的热量，使散热设计复杂化。LED 在工作时需要有稳流、稳压的元件，但是此类元件应具备自身承担的分压高，但功耗要小的特性，否则将使具有较高效率的LED 因为驱动电路的工作功耗太大而使总体系统的效率大为降低，有悖于节能高效的宗旨。所以应尽可能不采用电阻或串联稳压电路来作为LED 驱动器的限流主电路，而应该采用电容，电感或有源开关电路等高效电路，这样才能保证LED 系统的高效率。采用串联式集成恒功率输出电路，可以使LED 的光输出在很宽的电源范围内保持恒定，但一般的IC 电路会因此而使效率有所下降。采用有源开关电路可以保证在较高的转换效率下实现电源电压大幅度变化时恒功率输出。LED 在目前阶段，其光效还远未达到可以取代三基色荧光灯的程度，但是以其独特的长处，可以在安全特地电压（游泳池，划水池内水下灯具，矿灯）条件下高效工作。我国LED 显示屏也是在20世纪80年代末90年代初发展起来的，至今以形成了一大产业。据有关资料的不完全统计，到1998年底，LED 显示屏年销售额在1000万元以上的企业有20多家，其总销售额约为6亿元，占整个行业市场的85%以上。全国从事LED 显示
屏研制生产的各类企业有100多家，从业人员近6000人行业年销售额7亿多元。在国内市场上国产LED显示屏的市场占有率基本上是100%，有些企业的LED显示屏已经出口到东南亚各国，甚至出口到欧洲。不难置信的是在当今的信息化社会中，随着对公共传媒需求的高速增长，LED显示屏产业会得到更快的发展。
4.5.2 74LS42状态表
输入输出
D0 D1 D3 D3 Y0 Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y8Y
9
0 0 0 0 0111111111 00011011111111 00101101111111 00111110111111 01001111011111 01011111101111 01101111110111 01111111111011 10001111111101 10011111111110
结论
本次课程设计的题目是LED钟摆显示，其目的是通过给石英钟或机械钟加装LED钟摆，显得生动有趣，更方便夜间观看。
在本次课程设计中我们使用了分频器、译码驱动器、触发器、LED显示单元。本次毕业设计的技术指标有
1. LED点亮一遍所需时间正好是一秒。
2. 走时与钟摆完全同步，两项技术指标都已完成。
在完成本次设计的过程中，我们所设计的电路不是很完美，还存在许多的不足之处。
致谢
通过本次毕业设计,我明白了一个道理:无论做什么事情,都必需养成严谨,认真,善思的工作作风.我这毕业设计由于我采用的是模拟电路来实现的,所以电路较复杂,但是容易理解.每一部分我都能理解并且能有多种设计方法.
通过这次设计,我还掌握了制PCB的一系列步骤。通过这次毕业设计，我又掌握了些元器件的用途以及它们的参数、性能。这次设计提高了我理论和实践相结合的能力，增加了把理论用于实践的兴趣，同时也提高了我分析问题和解决问题的能力。没有最好，只有更好。我相信通过这一次的毕业设计之后，我以后会更加努力，用严谨的科学态度去面对一切。克服困难，战胜自我，超越自我。对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。让我知道了学无止境的道理。我们每一个人永远不能满足于现有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次毕业设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！
这次毕业设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在杨旭峰老师的辛勤指导下，终于迎刃而解。在我的毕业设计中对我帮助最大莫过于我的指导教师杨旭峰老师了。
杨老师以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。他渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。同时，在此次毕业设计过程中我也学到了许多了关于译码器，计数器方面的知识，实验技能有了很大的提高。
另外，我还要特别感谢老师对我实验以及说明书写作的指导，他为我完成这篇论文提供了巨大的帮助，使我得以顺利完成论文。
最后，再次对关心、帮助我的老师和同学表示衷心地感谢。
参考文献
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[2]余孟尝编著. 《数字电子技术基础》简明教程．高等教育出版社。
[3]彭铭泉编著. 《通用集成电路速查手册》.山东科学技术出版社。
[4]高志清编著. 《数字电路逻辑设计》.大连理工出版社。
[5]郁汉琪编著《数字电子技术实验及课题设计》高等教育出版社
[6] 彭介华编著.电子技术毕业设计指导
[7]使用电子电路手册（数字电路分册）
[8] 张文洁、金献忠编著.《模拟电子技术》实训指导书
[9]田良、王贡编著.综合电子设计与实践.东南大学出版社, 1998
[10]孙进生编著. 《电子产品设计实例教程》冶金工业出版社,2001
[11]张俊科编著. 《电子线路》同防科技大学出版社,2000
[12]李巍、海灵编著. 《电子报》 2004年8月8日第32期
附录1 元器件清单
序号名称型号和参数数量
1 电阻100 1
2 集成块CD7400 1
3 集成块CD4017 1
4 集成块CD74193 1
5 集成块CD7442 1
6 LED 红色20