本文關(guān)鍵詞：數(shù)字鐘課程設(shè)計(jì)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

電子電路課程設(shè)計(jì)說明書

同濟(jì)大學(xué)
機(jī)械工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)

指導(dǎo)老師： 姓名: 學(xué)號(hào)： 班級(jí):機(jī)械

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目錄
1、設(shè)計(jì)目的?????????????????????3 2、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求??????????????????32.1、設(shè)計(jì)任務(wù)?????????????????????3 2.2、基本要求?????????????????????3

3、設(shè)計(jì)任務(wù)分析???????????????????4
3.1、設(shè)計(jì)要點(diǎn)?????????????????????4 3.2、工作原理?????????????????????4

4、電路設(shè)計(jì)部分???????????????????5
4.1、秒脈沖發(fā)生器???????????????????5 4.1.1 振蕩器設(shè)計(jì)???????????????????5 4.1.2 振蕩器參數(shù)確定?????????????????6 4.1.3 分頻器設(shè)計(jì)???????????????????7 4.2、秒分時(shí)計(jì)數(shù)器電路設(shè)計(jì)???????????????7 4.2.1 秒分計(jì)數(shù)器???????????????????7 4.2.2 時(shí)計(jì)數(shù)器????????????????????8 4.3、譯碼顯示電路設(shè)計(jì)?????????????????9 4.4、校時(shí)電路設(shè)計(jì)???????????????????10 4.5、上電復(fù)位電路???????????????????11 4.6、總體設(shè)計(jì)電路圖??????????????????12

5、元器件使用說明??????????????????14
5.1、振蕩器 （555 定時(shí)器）???????????????14

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5.1.1 NE555 的特點(diǎn)??????????????????14 5.1.2 NE555 引腳位配置說明??????????????14 5.2、計(jì)數(shù)器 74LS160D??????????????????15 5.3、譯碼器 74LS48N??????????????????16

6、電路仿真?????????????????????17
6.1、振蕩器部分的仿真?????????????????18 6.2、分頻器部分仿真??????????????????19

7、元器件清單????????????????????19 8、設(shè)計(jì)總結(jié)?????????????????????21 9、參考資料?????????????????????21

課程設(shè)計(jì)：數(shù)字鐘
1、設(shè)計(jì)目的
●進(jìn)一步掌握電子電路設(shè)計(jì)方法及相關(guān)設(shè)計(jì)軟件使用； ●學(xué)會(huì)選擇和使用集成芯片和各種元器件，熟悉各類器件的引腳安排，掌握 各芯片的邏輯功能及使用方法。 ●掌握電子電路的設(shè)計(jì)制作和調(diào)試方法。

2、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求
2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)
采用集成電路設(shè)計(jì)一臺(tái)可以顯示時(shí)、分、秒的數(shù)字鐘。

2.2 基本要求

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●能直接顯示時(shí)、分、秒的數(shù)字鐘，要求二十四為一計(jì)數(shù)周期。 ●當(dāng)電路發(fā)生走時(shí)誤差時(shí)，要求電路具有校時(shí)功能。 ●要求電路具有整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能，幾點(diǎn)響幾聲。 ●要求電路主要采用中規(guī)模集成電路。 ●要求電源電壓+5 伏— +10 伏。

3、設(shè)計(jì)任務(wù)分析
3.1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)
●設(shè)計(jì)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)發(fā)生電路 ●設(shè)計(jì) 60 進(jìn)制、24 進(jìn)制計(jì)數(shù)器（時(shí)分秒計(jì)數(shù)電路） ●設(shè)計(jì)譯碼顯示電路 ●設(shè)計(jì)操作方面的校時(shí)電路 ●設(shè)計(jì)整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路 ●設(shè)計(jì)上電復(fù)位電路

3.2 工作原理
數(shù)字電子鐘由信號(hào)發(fā)生器、“時(shí)、分、秒”計(jì)數(shù)器、譯碼器及顯示器、校時(shí) 電路、整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路等組成。秒信號(hào)產(chǎn)生器是整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)基信號(hào)，它直接決定 計(jì)時(shí)系統(tǒng)的精度，本設(shè)計(jì)用由集成定時(shí)器 555 與 RC 組成的多諧振蕩器作為時(shí)間 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源，發(fā)出頻率為 1KHZ，再經(jīng)過 3 級(jí)十分頻（3 個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器）后得到 1HZ。將標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)送入“秒計(jì)數(shù)器”，該計(jì)數(shù)器采用 60 進(jìn)制計(jì)數(shù)器，每累 計(jì) 60 秒發(fā)出一個(gè)“分脈沖”信號(hào)，該信號(hào)將作為“分計(jì)數(shù)器”的時(shí)鐘脈沖。 “分 計(jì)數(shù)器”也采用 60 進(jìn)制計(jì)數(shù)器，每累計(jì) 60 分，發(fā)出一個(gè)“時(shí)脈沖”信號(hào)，該信 號(hào)將被送到“時(shí)計(jì)數(shù)器”�！皶r(shí)計(jì)數(shù)器”采用 24 進(jìn)制計(jì)數(shù)器，可以實(shí)現(xiàn)一天 24 h 的累計(jì)。譯碼顯示電路將“時(shí)、分、秒”計(jì)數(shù)器的輸出狀態(tài)經(jīng)七段顯示譯碼器 譯碼， 通過六位 LED 顯示器顯示出來。整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路是根據(jù)計(jì)時(shí)系統(tǒng)的輸出狀態(tài) 產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)， 然后去觸發(fā)音頻發(fā)生器實(shí)現(xiàn)報(bào)時(shí)。 校時(shí)電路是來對(duì) “時(shí)、 分、 秒”顯示數(shù)字進(jìn)行校對(duì)調(diào)整。其數(shù)字鐘系統(tǒng)組成框圖如下:

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時(shí)顯示器

分顯示器

秒顯示器

時(shí)譯碼器

分譯碼器

秒譯碼器

時(shí)計(jì)數(shù)器

分計(jì)數(shù)器

秒計(jì)數(shù)器

校時(shí)電路

振蕩器
圖1

分頻器
數(shù)字鐘電路系統(tǒng)的組成框圖

秒脈沖

4、電路設(shè)計(jì)部分
4.1 秒脈沖信號(hào)發(fā)生器

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秒脈沖信號(hào)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(hào)。 4.1.1 振蕩器設(shè)計(jì) 一般說來，振蕩器的頻率越高，計(jì)時(shí)精度越高。本設(shè)計(jì)中采用由集成定時(shí)器 555 與 RC 組成的多諧振蕩器，經(jīng)過調(diào)整輸出 1000Hz 脈沖。電路圖如下圖所示：

圖2 4.1.2 振蕩器參數(shù)確定

555 定時(shí)器振蕩電路

555 定時(shí)器的脈沖時(shí)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

?

t RC1

（1）

充電過程的方程式：
? 2 1 Vcc ? Vcc ? ( Vcc ? Vcc)e RC1 3 3 t1

(2)

充電時(shí)間為：

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t1 ? ( R1 ? R2)C1 ln 2 ? 0.7( R1 ? R2)C1
放電過程的方程式：
? 1 2 Vcc ? 0 ? ( Vcc ? 0)e RC1 3 3 t2

(3)

（4）

放電時(shí)間為：

t 2 ? R2C1 ln 2 ? 0.7 R2C1
總時(shí)間為：
t ? t1 ? t 2 ? 1 f

(5)

（6）

頻率為：
1 1 1.43 f ? ? ? t 0.7( R1 ? 2 R2 )C1 ( R1 ? 2 R2 )C1

（7）

首先確定 C1=0.1uf，R2=5.1K?，需要輸出頻率 f=1KHZ，將充放電時(shí)間算 出，確定電阻 R1。通過確定 R1=4.1K?。 4.1.3 分頻器設(shè)計(jì) 分頻器功能主要有兩個(gè)， 一是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)，一是提供功能擴(kuò)展電路 所需要的信號(hào)，選用三片 74LS90 進(jìn)行級(jí)聯(lián)，74LS90 是二—五—十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。 因?yàn)?555 定時(shí)器產(chǎn)生 1KHZ 的信號(hào)，第一片的 Q3 輸出 100HZ，第二片的 Q3 輸 出 10HZ，第三片輸出 1HZ。經(jīng)過 3 次 1/10 分頻后正好是 1HZ，為標(biāo)準(zhǔn)的秒輸入 脈沖。電路圖如下圖所示：

圖3

分頻器電路

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4.2 秒、分、時(shí)計(jì)時(shí)器電路設(shè)計(jì)
秒、分計(jì)數(shù)器為 60 進(jìn)制計(jì)數(shù)器，小時(shí)計(jì)數(shù)器為 24 進(jìn)制計(jì)數(shù)器。實(shí)現(xiàn)這兩種 模數(shù)的計(jì)數(shù)器采用中規(guī)模集成計(jì)數(shù)器 74LS160D 構(gòu)成。 4.2.1 秒、分計(jì)數(shù)部分設(shè)計(jì) 分和秒一樣，都采用 60 進(jìn)制計(jì)數(shù)，本設(shè)計(jì)選 74LS160D 作為計(jì)數(shù)器，將一片 74LS160D 設(shè)計(jì)成 10 進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，另一片設(shè)置 6 進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。兩片 74LS160D 按反饋清零法串接而成。秒計(jì)數(shù)器的十位和個(gè)位，輸出脈沖除用作自 身清零外，同時(shí)還作為分計(jì)數(shù)器的輸入脈沖 CP1。當(dāng)分（秒）計(jì)數(shù)部分的個(gè)位接 受秒計(jì)數(shù)部分的信號(hào)（秒計(jì)數(shù)接受的信號(hào)為振蕩器經(jīng)分頻后輸出的 1HZ 的標(biāo)準(zhǔn) 脈沖） ，計(jì)數(shù)滿 60 后向時(shí)計(jì)數(shù)部分的十位給出一個(gè)進(jìn)位信號(hào)。分（秒）十位計(jì)數(shù) 部分接受個(gè)位的進(jìn)位信號(hào)并進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)滿 6 就想前一級(jí)給出進(jìn)位信號(hào)。當(dāng)十位 和個(gè)位計(jì)滿 60 個(gè)數(shù)后計(jì)數(shù)器清零。計(jì)數(shù)規(guī)律是從 00——59——00。設(shè)計(jì)電路圖 如圖 4。 4.2.2 時(shí)計(jì)數(shù)部分設(shè)計(jì) 時(shí)間計(jì)數(shù)設(shè)計(jì)為 24 進(jìn)制計(jì)數(shù)，本設(shè)計(jì)選 74LS160D 作為計(jì)數(shù)器，將一片 74LS160D 設(shè)計(jì)成十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，另一片設(shè)置 2 進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。既個(gè)位計(jì) 數(shù)狀態(tài)為 Qd Qc Qb Qa = 0100 十位計(jì)數(shù)狀態(tài)為 Qd Qc Qb Qa = 0010 時(shí)，要求計(jì) 數(shù)器歸零。通過把個(gè)位 Qc、十位 Qb 相與后的信號(hào)送到個(gè)位、十位計(jì)數(shù)器的清 零端， 使計(jì)數(shù)器清零， 從而構(gòu)成 24 進(jìn)制計(jì)數(shù)器， 計(jì)數(shù)規(guī)律是從 00——23——00。 設(shè)計(jì)電路圖如圖 5。

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圖4

秒、分計(jì)數(shù)部分電路

圖5

時(shí)計(jì)數(shù)部分電路

4.3 譯碼顯示電路設(shè)計(jì)
譯碼電路的功能是將秒、分、時(shí)計(jì)數(shù)器的輸出代碼進(jìn)行翻譯，變成相應(yīng)的數(shù) 字，由數(shù)碼管和譯碼器 74LS47D 組成。74LS47D 是 BCD-7 段譯碼器/驅(qū)動(dòng)器， 輸出高電平有效，專用于驅(qū)動(dòng) LED 七段共陽極顯示數(shù)碼管。若將秒、分、時(shí)計(jì) 數(shù)器的每位輸出分別送到相應(yīng)七段譯碼管的輸入端，，便可以進(jìn)行不同數(shù)字的顯 示。在譯碼管輸出與數(shù)碼管之間串聯(lián)電阻 R=510? 作為限流電阻。

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圖6

譯碼顯示電路

4.4 校時(shí)電路設(shè)計(jì)
校時(shí)電路是數(shù)字鐘不可缺少的部分，每當(dāng)數(shù)字鐘與實(shí)際時(shí)間不符時(shí)，需要根 據(jù)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間進(jìn)行校時(shí)。當(dāng)數(shù)字鐘接通電源或者計(jì)時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤是，需要校正時(shí)間， 校時(shí)是數(shù)字鐘應(yīng)具備的基本功能。為了電路簡(jiǎn)單，只對(duì)時(shí)和分進(jìn)行校時(shí)。校時(shí)電 路要求在小時(shí)校正時(shí)不影響分和秒的正常計(jì)數(shù)， 在分校時(shí)時(shí)不影響秒和小時(shí)的計(jì) 數(shù)。時(shí)校時(shí)電路和分校時(shí)電路都是一致的，校時(shí)脈沖信號(hào)為 10HZ 脈沖，這樣速 度正好適中，適合校時(shí)。 方法是控制六十進(jìn)制的時(shí)鐘輸入端 CP，使用兩個(gè)三態(tài)門或者把秒進(jìn)位信號(hào) （V2 信號(hào)源仿真）加入，或者把校分的按鍵信號(hào) J1 加入，J2 用來控制校分和計(jì) 分切換，由于兩個(gè)三態(tài)門 U10A 和 U11A 的使能端有效電平剛好相反，J2 接地時(shí) 為校分功能，J2 不接地時(shí)為計(jì)分功能。

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圖7

校時(shí)電路

4.5 上電復(fù)位電路
在計(jì)數(shù)器清零端處接一個(gè)或門即可。

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4.6 總體設(shè)計(jì)電路圖

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5、元器件使用說明
5.1 振蕩器 （555 定時(shí)器）
5.1.1 NE555 的特點(diǎn) ●只需簡(jiǎn)單的電阻器、電容器，即可完成特定的振蕩延時(shí)作用。其延時(shí)范圍 極廣，可由幾微秒至幾小時(shí)之久。 ●它的操作電源范圍極大，可與 TTL，CMOS 等邏輯閘配合，也就是它的 輸出準(zhǔn)位及輸入觸發(fā)準(zhǔn)位，均能與這些邏輯系列的高、低態(tài)組合。 ●其輸出端的供給電流大，可直接推動(dòng)多種自動(dòng)控制的負(fù)載。 ●它的計(jì)時(shí)精確度高、溫度穩(wěn)定度佳，且價(jià)格便宜。

5.1.2 NE555 引腳位配置說明 如右圖 NE555 接腳圖 Pin 1 (接地) -地線(或共同接地) ，通常被連接到電路共同接地。 Pin 2 (觸發(fā)點(diǎn)) -這個(gè)腳位是觸發(fā) NE555 使其啟動(dòng)它的時(shí)間周期。 觸發(fā)信號(hào)上緣電壓須大于 2/3 VCC，下緣須低于 1/3 VCC 。 Pin 3 (輸出) -當(dāng)時(shí)間周期開始 555 的輸出輸出腳位，移至比電源 電壓少 1.7 伏的高電位。周期的結(jié)束輸出回到 O 伏左右的低電位。于高電位時(shí)的 最大輸出電流大約 200 mA 。 Pin 4 (重置) -一個(gè)低邏輯電位送至這個(gè)腳位時(shí)會(huì)重置定時(shí)器和使輸出回到一 個(gè)低電位。它通常被接到正電源或忽略不用。 Pin 5 (控制) -這個(gè)接腳準(zhǔn)許由外部電壓改變觸發(fā)和閘限電壓。 當(dāng)計(jì)時(shí)器經(jīng)營(yíng)在 穩(wěn)定或振蕩的運(yùn)作方式下,這輸入能用來改變或調(diào)整輸出頻率。 Pin 6 (重置鎖定) - Pin 6 重置鎖定并使輸出呈低態(tài)。當(dāng)這個(gè)接腳的電壓從 1/3 VCC 電壓以下移至 2/3 VCC 以上時(shí)啟動(dòng)這個(gè)動(dòng)作。 Pin 7 (放電) -這個(gè)接腳和主要的輸出接腳有相同的電流輸出能力，當(dāng)輸出為 ON 時(shí)為 LOW，對(duì)地為低阻抗，當(dāng)輸出為 OFF 時(shí)為 HIGH，對(duì)地為高阻抗。 Pin 8 (V +) -這是 555 個(gè)計(jì)時(shí)器 IC 的正電源電壓端。供應(yīng)電壓的范圍是+4.5 伏特(最小值)至+16 伏特(最大值)。 參數(shù)功能特性：

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?供應(yīng)電壓 4.5-18V ?供應(yīng)電? 3-6 mA ?輸出電? 225mA (max) ?上升/下?時(shí)間 100 ns NE555 的相關(guān)應(yīng)用: NE555 的作用范圍很廣，但一般多應(yīng)用于單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器（Monostable Mutlivibrator）及無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器(Astable Multivibrator)。

5.2 計(jì)數(shù)器 74LS160D
74LS160D 計(jì)數(shù)器是一種中規(guī)模二一五 -十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，下降 沿觸發(fā)， R0(1),R0(2)是清零端，R9（1） ，R9(2)是置 9 端，CPA 和 QA 可組成一個(gè)二進(jìn)制 計(jì)數(shù)器，CPB 和 QBQCQD 組成五進(jìn)制計(jì)數(shù)器；若把 QA 和 CPB 相連，脈沖從 CPA 輸入，則構(gòu)成 8421BCD 碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。由 74LS160D 的 truth table 可以 看出，選擇 74LS160D 可以在數(shù)字鐘進(jìn)位和清零上有極大的方便，不需要其他門 電路輔助就能自己完成進(jìn)位和清零。

表1

74LS160D 計(jì)數(shù)/復(fù)位真值表

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表2

74LS160D BCD 數(shù)碼順序

5.3 譯碼器 74LS48
74LS48 芯片是一種常用的七段數(shù)碼管譯碼器驅(qū)動(dòng)器， 下面是 74LS48 的引腳 圖和功能表。

圖9

74LS48 引腳圖

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表3

74LS48 功能表

6、電路仿真
隨著科技的發(fā)展， “計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)”已成為許多設(shè)計(jì)部門重要的前期設(shè)計(jì) 手段。它具有設(shè)計(jì)靈活，結(jié)果、過程的統(tǒng)一的特點(diǎn)�？墒乖O(shè)計(jì)時(shí)間大為縮短、耗 資大為減少，也可降低工程制造的風(fēng)險(xiǎn)。仿真軟件有很多，multisim、protues 等 都可以電路仿真。本設(shè)計(jì)仿真過程是在 multisim 平臺(tái)上完成的。課程設(shè)計(jì)、畢業(yè) 設(shè)計(jì)是學(xué)生走向就業(yè)的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)。由于 MULTISIM 提供了實(shí)驗(yàn)室無法相比 的大量的元器件庫，提供了修改電路設(shè)計(jì)的靈活性、提供了實(shí)驗(yàn)室在數(shù)量、質(zhì)量 上難以相比的虛擬儀器、儀表，因而也提供了培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐精神、創(chuàng)造精神的平 臺(tái)。

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6.1 振蕩器部分的仿真

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6.2 分頻器部分仿真

7、元器件清單

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序號(hào) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

元件名稱 NE555 定時(shí)器 74LS160D 74LS48N 共陰數(shù)碼管 電阻 電阻 開關(guān) 導(dǎo)線 瓷片電容 74LS00 74LS20N（與非門） 74LS04D（非門） 按鍵 74LS125N （三態(tài)門）

數(shù)量 1 6 6 6 6 4 2 若干 4 3 4 12 2 2

規(guī)格

備注 DIP 封裝 DIP 封裝 DIP 封裝

51? 105?

0.1uf

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15 16 17

74LS126D （三態(tài)門） 74LS90D 74LS32（或門）

2 3 1

8、設(shè)計(jì)總結(jié)
設(shè)計(jì)電路過程中， multisim 軟件中出現(xiàn)了許多各種各樣的錯(cuò)誤， 在 雖然最后 經(jīng)過不斷的修改以及和同學(xué)的討論得到了比較好的解決， 但從中卻讓我弄明白了 很多東西，很好的理解那句“失敗乃成功之母”的含義。其中有一個(gè)問題弄的我 是焦頭爛額，就是連接好譯碼顯示電路后 LED 卻不能顯示出數(shù)字，最后查出原 來所選用的譯碼器型號(hào)不同連接方式也不同，74LS48D 需要用共陰極接法， 74LS47D 則需要用共陽極接法。還有就是設(shè)計(jì)六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器和二十四進(jìn)制計(jì) 數(shù)器是各個(gè)計(jì)數(shù)器之間的連接、秒到分間的進(jìn)位問題、分到時(shí)之間的進(jìn)位問題、 校時(shí)電路的連接方式等等問題。 這次電子電路課程設(shè)計(jì)，也對(duì)電子電路設(shè)計(jì)的知識(shí)有了更深一步的了解，熟 悉了更多不同的數(shù)字芯片，比如 74LS90，74LS290,74LS00，74LS48，74LS47， 數(shù)碼管等， 這為我以后的電路設(shè)計(jì)打了一定的基礎(chǔ)。在連接六進(jìn)制,十進(jìn)制,六十 進(jìn)制的進(jìn)位及二十四進(jìn)制的接法中,要求熟悉邏輯電路及其芯片各引腳的功能, 那么在電路出錯(cuò)時(shí)便能準(zhǔn)確地找出錯(cuò)誤所在并及時(shí)糾正了。 在這次的設(shè)計(jì)中，我 考慮了許多不同的方案， 做出過不同的選擇，從理論上細(xì)致的比較各個(gè)方案的好 壞，同時(shí)又充分的考慮實(shí)際情況，以實(shí)際情況為主要，在此過程中學(xué)會(huì)了把理論 和實(shí)際充分結(jié)合起來的思維方式。 在設(shè)計(jì)的過程中我采用了 MULTISIM 仿真軟件， 通過這次的課程設(shè)計(jì)使我對(duì)這個(gè)仿真軟件的使用更加的熟練。 通過此次課程設(shè)計(jì)，總體來說，收獲頗豐，無論是在培養(yǎng)自己的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能 力還是培養(yǎng)自己的性情方面。

9、參考資料
秦曾煌 主編《電工學(xué)》電子技術(shù)下冊(cè) 第六版 高等教育出版社

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