数电课程设计
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一、数字电子钟
1．设计目的
（1）培养数字电路的设计能力。
（2）掌握数字电子钟的设计、组装和调试方法。
2．设计内容及要求
（1）设计一个数字电子钟电路。要求：
①按24小时制直接显示“时”、“分”、“秒”。
②当电路发生走时误差时具有校时功能。
③具有整点报时功能，报时音响为4低1高，即在59分51秒、53秒、55秒、57秒输出500Hz信号，在59分59秒时输出1000 Hz信号，音响持续时间为1秒，最后一响结束时刻正好为整点。
（2）用中小规模集成电路组成电子钟，并在实验仪上进行组装、调试。
（3）画出各单元电路图、整机逻辑框图和逻辑电路图，写出设计、实验总结报告。
（4）选作部分：①闹钟系统。②日历系统。
3．数字电子钟基本原理及设计方法
数字电子钟的逻辑框图如图14-1-1所示。它由振荡器、分频器、计数器、译码器、显示器、校时电路和整点报时电路组成。振荡器产生的脉冲信号经过分频器作为秒脉冲，秒脉冲送入计数器计数，计数结果通过“时”、“分”、“秒”译码器显示时间。有的数字电子钟还加有定时响铃、日历显示等其它功能，需增加相应的辅助电路。
时显示器
时译码器
时计数器 分计数器 分译码器 分显示器 秒显示器
秒译码器
校时电路 秒计数器
振荡器 分频器 整点报时电路
图14-1-1 数字电子钟的基本逻辑框图
（1）振荡分频电路
振荡器是数字电子钟内部用来产生时间标准“秒”信号的电路。构成振荡器的电路很多，图14-1-2（a）是RC环形多谐振荡器，其振荡周期T≈2.2RC。作为时钟，最主要的是走时准确，这就要求振荡器的频率稳定。要得到频率稳定的信号，需要采用石英晶体振荡器。石英晶体振荡器电路如图14-1-2（b）所示，这种电路的振荡频率只取决于石英晶体本身的固有频率。
1 1 1 R
uO
（a） C
& & R1 C2 R2
C1
uO
（b）
图14-1-2 振荡器 —
欢迎下载 175 （a）RC环形多谐振荡器 （b）石英晶体多谐振荡器
由于石英晶体振荡器产生的频率很高，要得到秒信号，需采用分频电路。例如，振荡器输出4
MHz信号，先经过4分频变成1 MHz，再经过6次10分频计数器，便可得到1Hz的方波信号作为秒脉冲。
（2）计数器
把秒脉冲信号送入秒计数器个位的CP输入端，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，“时”计数器为24进制。
24进制计数器如图14-1-3所示。当“时”个位计数器输入端CP来到第10个触发脉冲时，该计数器归零，进位端QD5向“时”十位计数器输出进位信号。当第24个“时”脉冲（来自“分”计数器输出的进位信号）到来时，十位计数器的状态为0010，个位计数器的状态位0100，此时“时”十位计数器的QB6和“时”个位计数器的QC5输出为1。两者相与后送到两计数器的清零端R0A和R0B，通过74LS90内部的R0A和R0B与非后清零，完成24进制计数。同理可构成60进制计数器。
CP1
CP
CP0 CP1
QA5 QB5 QC5 QD5
CP0
74LS90(个位)
QA6 QB6 QC6 QD6
74LS90(十位)
S9A S9B R0A R0B S9A S9B R0A R0B & 1
来自分计数器的进位信号
图14-1-3 24进制计数器
（3）译码显示电路
译码驱动器采用8421 BCD码七段译码驱动器74LS48，显示器采用共阴极数七段数码显示器，有关74LS48和七段显示器的使用方法前面已经作了介绍，这里不再赘述。
（4）校时电路
当数字电子钟出现走时误差时，需要对时间进行校准。实现校时电路的方法很多，如图14-1-4所示电路即可作为时计数器或分计数器的校时电路。
K A
B Q
Q R
R VCC
& 1 Hz信号
来自秒计数器的进位信号 至分计数器
的CP端 &
& &
&
图14-1-4 校时电路
现设用该电路作为分计数器的校时电路，图中采用RS触发器作为无抖动开关。通过开关K的接入位置，可以选择是将“1 Hz信号”还是将“来自秒计数器的进位信号”送至分计数器的CP端。当开关K置于B端时，RS触发器的输出1Q、0Q，“来自秒计数器的进位信号”被送至分计数器的CP端，分计数器正常工作；需要校正分计数器时，将开关K置于A端，这时RS触发器的输出0Q、1Q，“1 Hz信号”被送至分计数器的CP端，分计数器在“1Hz信号”的作用下快速计数，直至正确的时间，再将开关K置于B端，达到了校准时间的目的。
（5）整点报时电路 —
欢迎下载 176 电路的设计要求在差10 s为整点时开始每隔1 s鸣叫一次，每次持续时间为1 s，共鸣叫5次，前4次为低音500 Hz，最后一次为高音1 kHz。因为分计数器和秒计数器从59分51秒计数到59分59秒的过程中，只有秒个位计数器计数，分十位、分个位、秒十位计数器的状态不变，分别为QD4QC4QB4QA4＝0101，QD3QC3QB3QA3＝1001，QD2QC2QB2QA2＝0101，所以QC4＝QA4＝QD3＝QA3＝QC2＝QA2＝1不变。设Y1＝ QC4QA4QD3QA3QC2QA2，又因为在51、53、55、57秒时QA1＝1，QD1＝0，输出500Hz信号f2；59秒时QA1＝1，QD1＝1，输出1kHz信号f1，由此可写出整点报时电路的逻辑表达式为：
21D1A111D1A12fQQYfQQYY
用与非门实现，则整点报时电路如图14-1-5所示。
图中音响电路采用射极输出器，推动8Ω的喇叭。三极管基极串接1 kΩ限流电阻，是为了防止电流过大损坏喇叭，在集电极也串接51Ω限流电阻。三极管选用高频小功率管即可。
4．组装和调试要点
在实验箱上组装电子钟，组装时应严格按图连接引脚，注意走线整齐，布局合理，器件的悬空端、清0端、置1端要正确处理。调试步骤和方法如下：
（1）用数字频率计测量晶体振荡器输出频率，用示波器观察波形。晶体振荡器输出频率应为4
MHz，同时波形为矩形波。
（2）将频率为4 MHz的信号送入分频器各输入端，并用示波器检查各级分频器的输出频率是否符合设计要求。
（3）将1 s信号分别送入“时”、“分”、“秒”计数器，检查各级计数器的工作情况。若不正常，则可依次检查显示器、译码驱动器、计数器及计数器的反馈归零电路。
（4）观察校时电路的功能是否满足校时要求。
（5）将时间调整到59分50秒，观察报时电路能否准确报时。
（6）整机联调，使数字电子钟正常工作。
Y1 Y2
QC4
QA4 QA1 VCC
51Ω
T
8Ω 1
& 1
& &
&
1 &
QD3 QC2 QD1
QA3 QA2 f1(1kHz) f2(500Hz) 1kΩ
图14-1-5 整点报时电路
5．供参考选择的元器件
（1）集成电路：74LS90 12片，74LS48 6片，74LS00 6片，74LS20 2片。
（2）电阻：1 kΩ 3个，10 kΩ 4个，51 Ω 1个。
（3）电容：0.01μF 2个。
（4）三极管：3DG12 1个。
（5）其它：共阴极显示器 6个，4 MHz石英晶振 1片，8Ω扬声器 1个。 —
欢迎下载 177 二、 交通信号灯
1．设计目的
（1）培养数字电路的设计能力。
（2）掌握交通信号灯控制电路的设计、组装和调试方法。
2．设计内容及要求
（1）设计一个交通信号灯控制电路。要求：
①主干道和支干道交替放行，主干道每次放行30 s，支干道每次放行20 s。
②每次绿灯变红灯时，黄灯先亮5 s钟，此时原红灯不变。
③用十进制数字显示放行及等待时间。
（2）用中、小规模集成电路组成交通信号灯电路，并在实验仪上进行组装、调试。
（3）画出各单元电路图、整机逻辑框图和逻辑电路图，写出设计、实验总结报告。
（4）选作部分：采用倒计时的方式显示放行及等待时间。
3．交通信号灯基本原理及设计方法
十字路口的红绿灯指挥着行人和各种车辆的安全通行。有一个主干道和一个支干道的十字路口如图14-2-1所示。每边都设置了红、绿、黄色信号灯。红灯亮表示禁止通行，绿灯亮表示可以通行，在绿灯变红灯时先要求黄灯亮几秒钟，以便让停车线以外的车辆停止运行。因为主干道上的车辆多，所以主干道放行的时间要长。
要实现上述交通信号灯的自动控制，则要求控制电路由时钟信号发生器、计数器、主控制器、信号灯译码驱动电路和数字显示译码驱动电路几部分组成，整机电路的原理框图如图14-2-2所示。
绿黄红
红
黄
绿
支干道 主
干
道 显示器
时钟信号发生器 主控制器
信号灯译码驱动电路 主干道信号灯
支干道信号灯 译码器
计数器
图14-2-1 十字路口图 图14-2-2 交通信号灯控制电路框图
（1）主控制器
十字路口车辆运行情况只有4种可能：①设开始时主干道通行，支干道不通行，这种情况下主绿灯和支红灯亮，持续时间为30 s。②30 s后，主干道停车，支干道仍不通行，这种情况下主黄灯和支红灯亮，持续时间为5 s。③5 s后，主干道不通行，支干道通行，这种情况下主红灯和支绿灯亮，持续时间为20 s。④20 s后，主干道仍不通行，支干道停车，这种情况下主红灯和支黄灯亮，持续时间为5 s。5 s后又回到第一种情况，如此循环反复。因此，要求主控制器电路也有4种状态，设这4种状态依次为：S0、S1、S2、S3。状态转换图如图14-2-3所示。
