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  本文關鍵詞：數(shù)電課程設計，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

湖南工程學院

課
課程名稱 課題名稱

程

設

計

數(shù)字電子技術 多功能數(shù)字鐘

專 班 學 姓

業(yè) 級 號 名

電氣工程及其自動化

指導教師

程春紅
2010 年 11 月 5 日
1

湖南工程學院 課 程 設 計 任 務 書

課程名稱 題 目

數(shù)字電子技術 多功能數(shù)字鐘

專業(yè)班級 學生姓名 指導老師 審 批

電氣工程及其自動化

程春紅

任務書下達日期 2010 年 10 月 25 日 設 計 完成日期 2010 年 11 月 05 日 設計內(nèi)容與設計要求

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一．設計內(nèi)容

1. 設計一個具有“時”“分”“秒”的十進制數(shù)字顯示鐘。 、 、 2．具有校時、校分、校秒功能。 3．具有整點報時功能，整點前 10 秒發(fā)光二極管閃爍 5 次，周期 為 2 秒。 4．設計振蕩器。

二．設計要求 1. 2. 3. 4. 5. 6. 設計思路清晰，給出整體設計框圖，畫出整機原理圖； 給出具體設計思路，設計各單元電路、電路器件； 總電路設計 進行實驗調(diào)試，驗證設計結果； 編寫設計說明書； 所有圖紙和說明書用計算機打印。

主要設計條件

3

1. 2. 3.

提供數(shù)字電路實驗箱一臺； 提供直流電源一臺； 必要的元器件和導線等；

4． 計算機。

說明書格式 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 課程設計封面； 任務書； 說明書目錄； 設計總體思路，基本原理和框圖； 單元電路設計； 仿真結果； 實驗調(diào)試； 總結與體會； 附錄；

10. 參考文獻； 11. 整機原理圖。

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進度安排
第一周星期一：下達設計任務書，查找資料； 星期二：確定總體設計方案；單元電路設計； 星期三：電路仿真，修改方案； 星期四：畫出整機原理圖草圖及調(diào)試電路圖; 星期五：安裝、調(diào)試電路； 第二周星期一~三：安裝、調(diào)試電路； 星期四~五：驗收電路，寫設計報告，打印相關圖紙； 星期五：答辯、交設計報告書。 參考文獻 1. 康華光主編. 電子技術基礎（數(shù)字部分） 高等教育出 ，

版社。 2. 閻 石主編. 電子技術基礎（數(shù)字部分） 清華大學出 ，

版社。 3. 任為民主編. 電子技術基礎課程設計，中央廣播電視大學出

版社。 4. 彭介華主編，電子技術課程設計指導，高等教育出版社。 5． 《電子線路設計、實驗、測試》謝自美主編 華中理工出版

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多功能數(shù)字鐘設計
目
摘

錄

要 ················ 1 ···············

電路設計部分 ················ 2 ···············
1．標準時間脈沖信號發(fā)生器設計 ·········· ·········· 1.1 振蕩器設計 ················ ··············· 1.2 分頻器設計 ················ ··············· 2．秒、分、時計時器電路設計 ··········· ·········· 2.1 秒、分計時器電路設計 ··········· ·········· 2.2 時計數(shù)器電路設計 ············· ············ 3. 校時電路設計 ················· ················· 4. 整點報時電路設計 ··············· ··············· 2 3 4 4 4 5 6 7

重要芯片 74LS160 介紹 ············ 8 ············ 電路仿真 ·················· 9 ··················
1 振蕩器仿真 ·················· ·················· 2 分頻器仿真 ·················· ·················· 3 整點報時電路仿真 ··············· ··············· 10 10 11

電路安裝與調(diào)試 ··············· 11 ··············· 總結與體會 ················· 13 ················ 元件清單 ·················· 15 ·················· 參考書目 ·················· 15 ·················· 整體電路原理圖 ··············· 16 ··············· 課程設計評分表 ··············· 17 ···············

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摘 要
數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術實現(xiàn)時、分、秒計時的裝置，與機械式 時鐘相比具有更高的準確性和直觀性，且無機械裝置，具有更長的使用壽 命，已得到廣泛的使用。數(shù)字鐘的設計方法有許多種,例如,可用中小規(guī)模集 成電路組成電子鐘；也可以利用專用的電子鐘芯片配以顯示電路及其所需 要的外圍電路組成電子鐘；還可以利用單片機來實現(xiàn)電子鐘等等。我們這 里采用成本較低，設計較簡單的中小規(guī)模集成電路組成電子鐘。

設計框架： 設計框架 ：
數(shù)字鐘實際上是一個對 1HZ 頻率進行計數(shù)的計數(shù)電路。由于計數(shù)的起 始時間不可能與標準時間一致，故需要在電路上加一個校時電路，同時標 準的 1HZ 時間信號必須做到準確穩(wěn)定。通常使用石英晶體振蕩器電路構成 數(shù)字鐘，但是出于對材料和成本的考慮我們采用由 555 定時器和 RC 電路 構成振蕩器的方案。

圖 1 系統(tǒng)原理框圖

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（1）振蕩器電路：一般說來，振蕩器的頻率越高，計時精度越高。本 設計中采用由集成定時器 555 與 RC 組成的多諧振蕩器，經(jīng)過調(diào)整輸出 1000Hz 脈沖。 （2）分頻器電路：分頻器電路將 1000HZ 的方波信號經(jīng) 1000 次分頻后 得到 1Hz 的方波信號供秒計數(shù)器進行計數(shù)。分頻器實際上也就是計數(shù)器。 （3）時間計數(shù)器電路：時間計數(shù)電路由秒個位和秒十位計數(shù)器、分個 位和分十位計數(shù)器及時個位和時十位計數(shù)器電路構成，，其中秒個位和秒十 位計數(shù)器、分個位和分十位計數(shù)器為 60 進制計數(shù)器，時個位和時十位計數(shù) 器為 24 進制計數(shù)器。 （4）譯碼顯示電路：譯碼顯示電路將計數(shù)器輸出的 8421BCD 碼轉(zhuǎn)換為 數(shù)碼管需要的邏輯狀態(tài)，并且為保證數(shù)碼管正常工作提供足夠的工作電流， 我們采用自帶譯碼功能的數(shù)碼管。 （5）整點報時電路：一般時鐘都應具備整點報時電路功能,即在時間出 現(xiàn)整點前數(shù)秒內(nèi),數(shù)字鐘會自動報時。其作用方式是在整點前的十秒內(nèi)，出 現(xiàn)奇數(shù)秒時報時燈發(fā)光，從而實現(xiàn)在最后十秒內(nèi)閃爍五次，以示提醒。 （6）校時電路：由于數(shù)字鐘的初始時間不一定是標準時間，而且在數(shù) 字鐘的運行過程中可能出現(xiàn)誤差，所以需要校時電路來對“時、分”顯示 數(shù)字進行校對調(diào)整。

電路設計部分
1. 標準時間脈沖信號 脈沖發(fā)生器 標準時間脈沖信號脈沖發(fā)生器
秒脈沖信號發(fā)生器是數(shù)字電子鐘的核心部分，它的精度和穩(wěn)定度決定 了數(shù)字鐘的質(zhì)量。由振蕩器與分頻器組合產(chǎn)生秒脈沖信號。

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1.1 振蕩器設計 理論計算： 555 定時器的脈沖時間是由于 RC 充放電確定的。
根據(jù)三要素公式 Vc1(t ) = Vc1(∞) + [Vc1(0 + ) ? Vc1(∞)]e
? 2 1 Vcc = Vcc + ( Vcc ? Vcc)e RC1 3 3 t1

?

t RC 1

充電過程

充電時間

t1 = ( R1 + R 2)C1 ln 2 = 0.7( R1 + R 2)C1
? 1 2 Vcc = 0 + ( Vcc ? 0)e RC1 3 3 t2

放電過程

放電時間 一個周期時間
f =

t 2 = R 2C1 ln 2 = 0.7 R 2C1
t = t1 + t 2 = 1 f

頻率

1 1 1.43 = = t 0.7( R1 + 2 R2 )C1 ( R1 + 2 R2 )C1

首先確定 C1=0.1uf ，R2=5.1K?，需要輸出頻率 f=1KHZ，充放電時間 算為 1 ms ，可以確定 R1=4.1K?。振蕩器電路圖：

圖2

振蕩器電路圖

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1.2

分頻器設計
分頻器的實質(zhì)就是計數(shù)器。分頻器功能就是將振蕩器所輸出的頻率

1000HZ 轉(zhuǎn)換成我們所需要的頻率 1HZ。 可以選用三片 74LS160 進行串聯(lián)， 74LS160 是十進制計數(shù)器。因為 555 定時器產(chǎn)生 1000HZ 的信號，第一片 74LS160 的進位端輸出 100HZ，第二片 74LS160 的進位端輸出 10HZ，第 三片 74LS160 的進位端輸出 1HZ。經(jīng)過 3 次 1/10 分頻后正好是 1HZ，為 標準秒脈沖信號。分頻器電路圖：

圖3

分頻器電路圖

2． 秒 、 分 、 時計時器電路設計 ．
計時通過計數(shù)來實現(xiàn)。秒、分計時器為 60 進制計數(shù)器，小時計時器為 24 進 制計數(shù)器。實現(xiàn)這兩種進制的計數(shù)器采用中規(guī)模集成計數(shù)器 74LS160 構成。

2.1 秒 、 分計時器電路設計
分和秒的進制一樣，都采用 60 進制計數(shù)。本設計選用 74LS160 作為計 數(shù)器，將一片 74LS160 設置成 10 進制加法計數(shù)器，另一片設置成 6 進制加 法計數(shù)器。兩片 74LS160 按反饋清零法串接而成，當十位和個位總共計滿 60 個數(shù)后計數(shù)器清零。秒計數(shù)器的十位的輸出端 QB、QC 通過與非門輸出 低電平脈沖用作自身清零，秒計數(shù)器的十位的輸出端 QB、QC 通過與門輸
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出高電平脈沖作分計數(shù)器的輸入脈沖。秒計數(shù)器接受的信號為振蕩器經(jīng)分 頻后輸出的 1HZ 的標準脈沖，秒計數(shù)器接受來自分頻器的 60 個 1HZ 脈沖 后，QB、QC 都為邏輯‘1’通過與門輸出一個進位脈沖給分計數(shù)器，通過 與非門輸出一個低電平給清零端，秒計數(shù)器清零。當分計數(shù)器接受 60 個來 自秒計數(shù)器的進位信號后向時計數(shù)器的個位給出一個進位信號。秒、分計 數(shù)器的計數(shù)規(guī)律是從 00——59——00。秒、分計時器電路：

圖4

秒、分計時器電路圖

2.2 時計數(shù)器電路設計
時鐘計數(shù)器設計為 24 進制計數(shù)，本設計選用 74LS160 作為計數(shù)器，將 一片 74LS160 設置成十進制加法計數(shù)器，另一片設置成二進制加法計數(shù)器。 既個位計數(shù)器的狀態(tài)為 QD QC QB QA = 0100 、十位計數(shù)器的狀態(tài)為 QD QC QB QA = 0010 時，要求計數(shù)器歸零。把個位 QC、十位 QB 通過與非 門的輸出信號送到個位和十位計數(shù)器的清零端，使計數(shù)器清零，從而構成
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24 進制計數(shù)器。計數(shù)規(guī)律是從 00——23——00。時計數(shù)器電路：

圖5

時計時器電路圖

3． 校時電路設計 ．
校時電路是數(shù)字鐘不可缺少的部分，當數(shù)字鐘接通電源或者計時出現(xiàn) 錯誤時，需要校正時間，校時是數(shù)字鐘應具備的基本功能。為了電路簡單， 只對時和分進行校時。時鐘校時電路和分鐘校時電路都是一致的，方法是 在分計數(shù)器和時計數(shù)器的計數(shù)信號輸入端上通過單刀雙擲開關并入分頻器 所輸出的 1HZ 信號，當開關把計數(shù)器的信號輸入端與低一級的計數(shù)器的進 位信號連通時，數(shù)字鐘正常計數(shù)工作；當開關把計數(shù)器的信號輸入端與分 頻器的輸出連通時，數(shù)字鐘處于校時狀態(tài)。校時部分原理圖：

圖 6 正常工作時的校時電路狀態(tài)

圖 7 校時狀態(tài)時的校時電路狀態(tài)
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4. 整點 報時電路設計 整點報時電路設計
一般數(shù)字鐘都應具備整點報時電路功能,即在時間出現(xiàn)整點前數(shù)秒內(nèi),數(shù) 字鐘會自動報時。其作用方式是在整點前的十秒內(nèi)，出現(xiàn)奇數(shù)秒時報時燈 發(fā)光，從而實現(xiàn)在最后十秒內(nèi)閃爍五次，以示提醒。本設計采用 74LS151 數(shù)據(jù)選擇器選出整點前最后十秒內(nèi)的奇數(shù)秒。這里可以利用‘9’的二進制 數(shù) 1001 的后三位是 001 ，剛好就是十進制數(shù)的‘1’ ，從而就巧妙的讓只 有三個數(shù)據(jù)輸入端的 74LS151 選出了本不能選出來的‘9’ 。我們通過多個 與門選出當分鐘的十位為‘5’ 、個位為‘9’ 、秒鐘的十位為‘5’時的狀態(tài)， 將三個狀態(tài)與在一起后再非一下，連接到 74LS151 的 G` 端，從而控制 74LS151 在五十九分五十秒的時候開始工作，零分零秒的時候停止工作。 74LS151 工作時，秒鐘是奇數(shù)秒時報時燈亮。整點報時電路圖：

圖8

整點報時電路

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重要芯片 74LS160 介紹
本 設 計 中 使 用 的 最 多 的 芯 片 是 74LS160 ， 在 這 里 簡 單 的 說 明 一 下 74LS160 芯片。74LS160 是由多個觸發(fā)器及門電路構成的由時鐘上升沿觸 發(fā)的同步十進制加法器。 Load`同步預置數(shù)控制端 （低電平時置數(shù)） D0~D3 ， 為置數(shù)數(shù)據(jù)輸入端， 為進位輸出端， C CLR`為異步置零端 （低電平時置零） ， ENP 和 ENT 為工作狀態(tài)控制端(ENP、 ENT 都為 ‘1’ 時才開始計數(shù))， QA~QD 為數(shù)據(jù)輸出端。
74LS160 功能表

74LS160 管腳圖

74LS160 波形圖

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74LS160 真值表
上升沿 脈沖個數(shù)

電路狀態(tài) QA ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ １ １ ０ QB ０ ０ ０ ０ １ １ １ １ ０ ０ ０ QC ０ ０ １ １ ０ ０ １ １ ０ ０ ０ QD ０ １ ０ １ ０ １ ０ １ ０ １ ０

十進 制數(shù) ０ １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ ０

進位 輸出 ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ １ ０

０ １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ １０

電路仿真
隨著科技的發(fā)展， “計算機仿真技術”已成為許多設計部門重要的前期 設計手段。它提供大量的元器件庫，提供修改電路設計的靈活性、提供實 驗室在數(shù)量、質(zhì)量上難以相比的虛擬儀器、儀表，使設計時間大為縮短、 耗資大為減少。本設計仿真過程是在ＥＷＢ平臺上完成的。課程設計、畢 業(yè)設計是學生走向就業(yè)的重要實踐環(huán)節(jié)。

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1． 振 蕩 器 仿 真 ．

圖 9 振蕩器仿真示意圖

由仿真的結果可以看到， 振蕩器的輸出信號的周期為 1ms,即頻率為 1KHZ, 符合最初的設計要求。

2. 分 頻 器 仿 真

圖 10 分 頻 器 仿 真 示 意 圖
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由仿真的結果可以看到，當分頻器的輸入信號為 1000KHZ 時，分頻器的 輸出信號的周期為 1ms ，即 1KHZ，所設計的分頻器為 1000 分頻，符合 設計要求。

3． 整 點 報 時 電 路 仿 真 ．
報時電路仿真的同時，我們可以檢測數(shù)字鐘主體是否運行正常、校時電 路是否能正常校時。首先，分鐘校時到 59 分，然后讓數(shù)字鐘自主運行，檢 驗了校時電路、分秒的進位關系、整點報時電路；然后校時到 23：59 分， 檢驗了時分的進位關系、數(shù)字鐘的總體運行性能。整點前的報時狀態(tài)：

圖 11

整點報時電路仿真示意圖

電路安裝與調(diào)試
設計的最終目的就是為了做出產(chǎn)品，所以這個步驟電路的安裝與調(diào)試是 最關鍵，其實也是最有難度的一個步驟。

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首先，按圖接線是必須的第一個步驟，為了防止線接完后一開機發(fā)現(xiàn)什 么都不顯示或者顯示得亂七八糟的那種情況發(fā)生，我們采用分模塊接線， 接完一個模塊就測試一個模塊的方法來進行。先安裝的是秒鐘計數(shù)器，接 完線后通電測試，一切正常。然后安裝分鐘計數(shù)器，其線路和秒鐘相同， 但接完線后卻出現(xiàn)了故障（ 故障一 ： 通電時 ， 分鐘的十位就直接變成了 4， （ 故障一： 通電時， ， 繼續(xù)讓它運行發(fā)現(xiàn)， 繼續(xù)讓它運行發(fā)現(xiàn) ， 分鐘走到 80 后又跳回 40。 排除故障 ： 首先想到的就 。 排除故障： 是檢查線路 ， 通過反復的檢查發(fā)現(xiàn)線路的連接沒有錯誤 ； 然后就逐根的測 試了連接導線 ， 沒有發(fā)現(xiàn)斷線的現(xiàn)象 ； 只好把芯片拆下來檢測其好壞 ， 也 沒有發(fā)現(xiàn)問題 ， 在把芯片裝回板上的時候偶然發(fā)現(xiàn)將芯片按住時 ， 示 數(shù)正 確了，最后終于可以確定了原來是因為芯片安裝在板上接觸不良 ） 。排除故 確了 ，最后終于可以確定了原來是因為芯片安裝在板上接觸不良） 障一后，就是安裝時鐘計數(shù)器，其原理與分秒計時器一樣，但是通電檢測 發(fā)現(xiàn)時鐘計數(shù)器的運行有問題（ 故障二 ： 通電后發(fā)現(xiàn)時鐘沒有正常清零成 （ 排除故障： 受故障一的影響， 為二十四進制 ， 而是一百進制 。 排除故障 ： 受故障一的影響 ， 試探性的按 芯片， 發(fā)現(xiàn)問題沒有解決， 然后再檢查導線， 了一下時計數(shù)器的 74LS160 芯片 ， 發(fā)現(xiàn)問題沒有解決 ， 然后再檢查導線 ， 換一根導線， 檢查發(fā)現(xiàn)連接清零與非門和清零端的導線是斷的 ， 換一根導線 ， 故障成功 排除） 。由于校時電路可以用實驗箱上的單個脈沖來校時，所以先安裝整點 排除 ） 報時電路，報時電路的安裝比較簡單，完成得比價順利。最后安裝校時電 路，因為試驗箱上有一個按鈕上升沿脈沖和一個按鈕下降沿脈沖，理論上 可以將下降沿脈沖通過一個非門變成上升沿脈沖，從而實現(xiàn)分和時的校時， 但是安裝后發(fā)現(xiàn)，直接連接上升沿脈沖的分鐘計數(shù)器能正常校時，但通過 非門連接下降沿脈沖的時鐘計數(shù)器不能正常校時（ 故障三 ： 通過非門連接 （ 一校時就會亂跳。 下降沿脈沖的時鐘計數(shù)器 一校時就會亂跳 。 排除故障 ： 通過多次嘗試發(fā)現(xiàn) 不能使用下降沿 ， 于是只好用一個按鈕上升沿脈沖來控制兩個計數(shù)器通過 一個單刀雙擲開關來切換） 。自此，數(shù)字鐘的的安裝與調(diào)試全部完成，我所 一個單刀雙擲開關來切換 ） 設計的數(shù)字鐘已經(jīng)可以正常的工作運行了。
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總結與體會
設計電路過程中，在 EWB 軟件中出現(xiàn)了許多各種各樣的錯誤，最后經(jīng) 過不斷的修改以及和同學的討論得到了比較好的解決，從中我也弄明白了 很多東西，很好的理解那句“失敗乃成功之母”的含義。出現(xiàn)的問題主要 有設計六十進制計數(shù)器和二十四進制計數(shù)器是各個計數(shù)器之間的連接、進 位問題，進位問題是我們在設計過程中遇到的最頭疼的問題，主要是對同 步置數(shù)、異步置零方面的知識沒有理解透徹，還有就是在操作過程中我們 發(fā)現(xiàn)在計數(shù)器的進位端不能連接非門或者與非門，否則會出現(xiàn)一通電分鐘 和時鐘就變成了‘1’的狀況，解決進位問題花了我們將近一天的時間，這 主要還要怪我們沒有認真學好書本知識；校時電路的連接方式問題，最初 的設計是參照老師的建議的思路設計的，但是在實際操作時發(fā)現(xiàn)我們設計 的校時器會導致計數(shù)器一次記兩個數(shù)，反復修改都沒有解決，所以只好改 成穩(wěn)定性沒有那么好的直接連入時鐘信號的方法。 這次數(shù)字電子電路課程設計，讓我復習了數(shù)字電子的知識同時也學習了 許多新的知識。每次課程設計是一次難得的鍛煉機會，讓我們能夠充分利 用所學過的理論知識還有自己的創(chuàng)造力，讓我們學會了查找資料的方法， 培養(yǎng)了自己設計和分析電路的能力。我相信這是對我的一個很好的提高。 這次課程設計讓我深刻地認識到平時在學習理論知識的時候，我們應該更 注重實踐，而不是只為應付考試，學習就應該學有所成。這次課程設計讓 我對我們所學的知識能干什么有了更直觀的了解，比如說我就認識到了我 們學好了知識就可以設計出我們身邊隨處可見的數(shù)字鐘。以前那些神秘的 東西在不斷的學習過程中變得不再那么神秘，我相信，在以后的學習生活 中我們的好奇心將被一個個的擊破。 在設計過程中 EWB 軟件給我們的設計提供了很大的便利，它提供大量 的元器件庫，提供修改電路設計的靈活性、提供實驗室在數(shù)量、質(zhì)量上難
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以相比的虛擬儀器、儀表，使設計時間大為縮短，設計過程更直觀、方便。 課程設計、畢業(yè)設計是學生走向就業(yè)必須的重要實踐環(huán)節(jié)。這次課程設 計中我們碰到了很多的問題，我們激情過、悲傷過、甚至絕望過，但是碰 到的問題越讓人絕望，解決問題之后的喜悅程度就越高。作為工科類的學 生，以后工作了難免要碰到許許多多的問題，我想，有了課程設計這個環(huán) 節(jié)的鍛煉，以后我會敢于直面我所碰到的任何難題。 這次課程設計，收獲頗豐，無論是在培養(yǎng)自己實踐能力方面還是培養(yǎng)自 己的性情方面。

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附錄：元件清單
序號 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 元件名稱 74LS160 555 定時器 數(shù)碼顯示器 74LS151 74LS00 74LS08 發(fā)光二極管 瓷介電容 可調(diào)電阻 電阻 瓷介電容 數(shù)量 9 1 6 1 1 2 1 1 1 1 1 0.1uf 4.1 千歐 5.1 千歐 0.01uf 規(guī)格

參考書目
《數(shù)字電子技術基礎》 《電子技術基礎實驗與仿真》 《電子技術與 EDA 課程設計技術》 高等教育出版社 中南大學出版社 中南大學出版社

21

整體電路原理圖

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電氣與信息工程系課程設計評分表
評 項 目 優(yōu) 良 中 及格 差 價

設計方案的合理性與創(chuàng)造性

軟件設計完成情況

硬件調(diào)試完成情況

設計說明書與設計圖紙質(zhì)量

答辯情況

獨立工作能力

完成任務情況

出勤情況

綜 合 評 分

指導教師簽名：________________ 日 期：________________

注：①表中標*號項目是硬件制作或軟件編程類課題必填內(nèi)容； ②此表裝訂在課程設計說明書的最后一頁。課程設計說明書裝訂順序：封面、任務書、目錄、正文、 評分表、附件（非 16K 大小的圖紙及程序清單） 。

23



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