十二小時(shí)電子鐘課設(shè)報(bào)告

1、27十二小時(shí)電子鐘 課程設(shè)計(jì)說明書課程設(shè)計(jì)名稱： 數(shù)字邏輯 課程設(shè)計(jì)題目： 十二小時(shí)電子鐘 學(xué) 院 名 稱： 信息工程學(xué)院 專業(yè)： 電子信息工程 班級(jí)： 130414 學(xué)號(hào)： 13041432 姓名：何貴涵 評(píng)分： 教師： 鄧洪峰、陶秋香 20 15 年 9 月 14 日第 27 頁(yè) 數(shù)字邏輯 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書20 15 20 16 學(xué)年 第 一 學(xué)期第 1 周 4 周 題目十二小時(shí)電子鐘內(nèi)容及要求1. 基本要求：利用基本數(shù)字電路制作小時(shí)電子鐘，要求顯示時(shí)分秒；并能實(shí)現(xiàn)校時(shí)校分功能。2. 提高要求：1）針對(duì)影響電子鐘走時(shí)精度的因素提出改進(jìn)方案 2）增加日期顯示 3）實(shí)現(xiàn)倒計(jì)時(shí)功能 4)實(shí)現(xiàn)整點(diǎn)報(bào)

2、時(shí)（非語(yǔ)音報(bào)時(shí)）5）定時(shí)功能。3.進(jìn)度安排1. 根據(jù)任務(wù)要求，查閱相關(guān)資料，完成設(shè)計(jì)的前期工作；（兩天）2. 根據(jù)資料，進(jìn)行方案設(shè)計(jì)并對(duì)比論證，完成參數(shù)計(jì)算；（三天）3. 庫(kù)房領(lǐng)取元器件，制作電路板，連接電路，完成電路調(diào)試；（二十五天）4. 檢查完畢后，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。5.學(xué)生姓名：陳家智 何貴涵指導(dǎo)時(shí)間：第14周指導(dǎo)地點(diǎn)：E樓311室任務(wù)下達(dá)2015年 9月7 日任務(wù)完成2015 年 10月 2 日考核方式1.評(píng)閱 2.答辯 3.實(shí)際操作 4.其它指導(dǎo)教師鄧洪峰、陶秋香系（部）主任賈杰注：1、此表一組一表二份，課程設(shè)計(jì)小組組長(zhǎng)一份；任課教師授課時(shí)自帶一份備查。2、課程設(shè)計(jì)結(jié)束后與“課程設(shè)計(jì)小結(jié)

3、”、“學(xué)生成績(jī)單”一并交院教務(wù)存檔。 摘要 這個(gè)設(shè)計(jì)主要以數(shù)字電路的基礎(chǔ)理論、低頻電子線路為指導(dǎo)，采用中、小規(guī)模的集成器LM555、CD4060、74LS161和LS248設(shè)計(jì)而成。該電路采用模塊設(shè)計(jì)、分模塊安裝調(diào)試等方法設(shè)計(jì)而成，所選用的器件主要是中小規(guī)模的集成芯片，本產(chǎn)品由于采用多片74LS系列的集成芯片組成，生產(chǎn)成本低等原因使這個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)既容易實(shí)現(xiàn)，又不會(huì)浪費(fèi)太多成本。 產(chǎn)品由石英晶體振蕩器產(chǎn)生頻率可以調(diào)節(jié)的時(shí)鐘脈沖信號(hào)，經(jīng)十五分頻得到秒信號(hào)秒沖作為數(shù)字鐘計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)，當(dāng)?shù)竭_(dá)整點(diǎn)前一秒時(shí)，電路通過一個(gè)蜂鳴器準(zhǔn)時(shí)報(bào)時(shí)。這個(gè)電路還可以通過手動(dòng)，即過撥動(dòng)開關(guān)來(lái)選擇是否進(jìn)行實(shí)踐校準(zhǔn)。 關(guān)鍵詞

4、：電子鐘、分頻、計(jì)數(shù)、驅(qū)動(dòng)目錄 前言.6第1章 電路初步設(shè)計(jì).61.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容以及要求.61.2 系統(tǒng)框圖.61.3設(shè)計(jì)方案.71.4 設(shè)計(jì)過程.8第2章 電路詳參設(shè)計(jì).82.1 晶體振蕩器電路.82.2 分頻器電路.92.3 時(shí)間計(jì)數(shù)器電路.102.4 譯碼驅(qū)動(dòng)電路.122.5 數(shù)碼管.132.6 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路及倒計(jì)時(shí)功能.16第3章 測(cè)試及調(diào)試.18 3.1 晶體振蕩器電路的測(cè)試和調(diào)試.183.2 分頻器電路的測(cè)試和調(diào)試.183.3 時(shí)間計(jì)數(shù)器電路的測(cè)試和調(diào)試.193.4 譯碼驅(qū)動(dòng)電路的測(cè)試和調(diào)試.193.5 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路的測(cè)試和調(diào)試.19結(jié) 論.19參考文獻(xiàn).20附 錄.20附錄 I

5、總電路圖.21附錄II 電路圖PCB.22附錄III 實(shí)物圖.25附錄 IV 元器清單.26 前言 基于十二小時(shí)電子鐘在日常生活中的應(yīng)用，能夠了解生活中一些電子產(chǎn)品的工作原理以及其制作過程，以便能更好的了解生活。本實(shí)驗(yàn)采用的是十分簡(jiǎn)易的方法：使用中、小規(guī)模的集成電子器件制作而成。第1章 總電路的初步設(shè)計(jì)1.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容以及要求 1.1.1 設(shè)計(jì)要求 1.基本要求：利用基本數(shù)字電路制作小時(shí)電子鐘，要求顯示時(shí)分秒；并能實(shí)現(xiàn)校時(shí)校分功能。 2.提高要求：計(jì)時(shí)過程具有報(bào)時(shí)功能以及倒計(jì)時(shí)功能，當(dāng)時(shí)間到達(dá)整點(diǎn)進(jìn)行蜂鳴器報(bào)時(shí)； 1.1.2 主要參考元器件 LM555、CD4060、74LS161、74LS2

6、48、74LS741.2 系統(tǒng)框圖 圖1.1所示為十二小時(shí)電子鐘的原理框圖，該電路由晶振分頻電路、74LS161芯片構(gòu)成的計(jì)數(shù)單元、74LS248驅(qū)動(dòng)電路、手動(dòng)校時(shí)電路等主體模塊構(gòu)成。 1.3 設(shè)計(jì)方案 根據(jù)設(shè)計(jì)要求可知，設(shè)計(jì)電路的核心部分是74LS161構(gòu)成的計(jì)數(shù)器，設(shè)計(jì)圍繞著怎樣使計(jì)數(shù)器正常工作，由于數(shù)字電子鐘實(shí)驗(yàn)要求精度高，因此想到的是利用石英晶體振蕩器產(chǎn)生頻率穩(wěn)定信號(hào)，再經(jīng)分頻，得到所需的秒信號(hào)作為74LS161的CP脈沖信號(hào)。其次，電路產(chǎn)生的時(shí)鐘秒信號(hào)也會(huì)有誤差，我們要考慮的是，如何實(shí)現(xiàn)手動(dòng)校時(shí)。經(jīng)過考慮，我們選擇通過雙擲開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)CP信號(hào)的送入是手動(dòng)還是自動(dòng)，若開關(guān)打向手動(dòng)這邊，則

7、人為送入單次脈沖到CP，若開關(guān)打向自動(dòng)這邊，則電路產(chǎn)生的秒信號(hào)送入CP；然后，我們考慮的是如何產(chǎn)生上面提到的單次脈沖，我們采用的是用RS鎖存器來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的輸出脈沖；最后，當(dāng)電路將要到達(dá)整點(diǎn)時(shí)，通過對(duì)74LS161的輸出端進(jìn)行處理，通過蜂鳴器進(jìn)行整點(diǎn)報(bào)時(shí)。1.4 設(shè)計(jì)過程 在接到課題之后，首先按照設(shè)計(jì)的課題要求查找資料，獲取設(shè)計(jì)中可能應(yīng)用到的知識(shí)和數(shù)據(jù)信息。根據(jù)所查資料，進(jìn)行數(shù)據(jù)的估算，畫出了符合實(shí)驗(yàn)要求的基本原理圖，對(duì)原理圖各個(gè)部分電路進(jìn)行仿真，并修改產(chǎn)生的錯(cuò)誤，證實(shí)各部分電路的可行性；最后對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行仿真和調(diào)試，證實(shí)所設(shè)計(jì)的基本原理圖的可行性。第2章 電路設(shè)計(jì)2.1 石英晶體振蕩器電路晶體

8、振蕩器是構(gòu)成數(shù)字式時(shí)鐘的核心，它保證了時(shí)鐘的走時(shí)準(zhǔn)確及穩(wěn)定。圖2.2-1所示電路通過非門構(gòu)成的輸出為方波的數(shù)字式晶體振蕩電路，這個(gè)電路中，CMOS非門U1與晶體、電容和電阻構(gòu)成晶體振蕩器電路，并實(shí)現(xiàn)整形功能，將振蕩器輸出近似于正弦波的波形轉(zhuǎn)換為較理想的方波。輸出反饋電阻P1位非門提供偏置，使電路工作于放大區(qū)域，即非門的功能近似于一個(gè)高增益的反相放大器。電容C1、C2與晶體構(gòu)成一個(gè)諧振型網(wǎng)絡(luò)，完成對(duì)振蕩器頻率的控制功能，同時(shí)提供了一個(gè)180度相移，從而和非門構(gòu)成一個(gè)正反饋網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了振蕩器的功能。由于晶體具有較高的頻率穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性，從而保證了輸出頻率的穩(wěn)定和準(zhǔn)確。晶體XTAL的頻率選為3276

9、8HZ。該元件專為數(shù)字鐘電路而設(shè)計(jì)，其頻率較低，有利于減少分頻器級(jí)數(shù)。從有關(guān)手冊(cè)中，可查得C1、C2均為30pF。當(dāng)要求頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度更高是，還可接入校正電容并采取溫度補(bǔ)償措施。由于CMOS電路的輸入阻抗極高，因此反饋電阻R1可選為22M歐姆。較高的反饋電阻有利于提高振蕩頻率的穩(wěn)定性。圖2.1 石英晶體振蕩器 圖2.2 CD4060內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2.2 分頻器電路 通常，數(shù)字鐘的晶體振蕩器輸出頻率較高，為了得到1HZ的秒信號(hào)輸入，需要對(duì)振蕩器的輸出信號(hào)進(jìn)行分頻。 通常實(shí)現(xiàn)分頻器的電路是計(jì)數(shù)器電路，一般采用多級(jí)2進(jìn)制計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，將32768HZ的振蕩信號(hào)分頻為1HZ的分頻倍數(shù)為32768

10、，即實(shí)現(xiàn)分頻功能的計(jì)數(shù)器相當(dāng)于15級(jí)2進(jìn)制計(jì)數(shù)器。 本實(shí)驗(yàn)中采用CD4060來(lái)構(gòu)成分頻電路。CD4060在數(shù)字集成電路中可實(shí)現(xiàn)的分頻次數(shù)最高，而且CD4060還包含振蕩電路所需的非門，使用更為方便。 CD4060計(jì)數(shù)為14級(jí)2進(jìn)制計(jì)數(shù)器，可以將32768HZ的信號(hào)分頻為2HZ，其內(nèi)部框圖如圖2.2-2所示，從圖中可以看出，CD4060的時(shí)鐘輸入端的兩個(gè)串接的非門，因此可以直接實(shí)現(xiàn)振蕩和分頻功能。在CD4060的輸出端再接一個(gè)74LS74，可再進(jìn)行二分頻，從而得到1s的信號(hào)。以下為CD4060、電阻及晶振連接成一個(gè)晶振分頻電路，CD4060的輸出端3腳得到的是2HZ的脈沖信號(hào)。圖2.3 晶振分頻

11、電路2.3 時(shí)間計(jì)數(shù)單元 時(shí)間計(jì)數(shù)單元有時(shí)計(jì)數(shù)、分計(jì)數(shù)和秒計(jì)數(shù)等幾個(gè)部分。時(shí)計(jì)數(shù)單元一般為12進(jìn)制計(jì)時(shí)器，其輸出為兩位8421BCD碼形式；分計(jì)數(shù)單元和秒計(jì)數(shù)單元為60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其輸出也為8421BCD碼，我們采用16進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS161來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間計(jì)數(shù)單元的功能。 74LS161管腳圖與真值表如下所示 秒個(gè)位計(jì)數(shù)單元為10進(jìn)制計(jì)數(shù)器，需將74LS161的QD與QA接入與非門的輸入腳，與非門的輸出腳接74LS161的清零端CR。 秒十位計(jì)數(shù)單元為6進(jìn)制計(jì)數(shù)器，需要進(jìn)制轉(zhuǎn)換。需將QB與QC接入與非門的輸入腳，與非，門的輸出腳接74LS161的清零端CR。 將秒個(gè)位的CR接入秒十位的CP腳，這

12、樣，當(dāng)秒個(gè)位計(jì)數(shù)單元完成一個(gè)計(jì)數(shù)循環(huán)時(shí)，CR變?yōu)榈碗娖矫}沖，使秒十位計(jì)一個(gè)數(shù)。 分個(gè)位和分十位計(jì)數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)分別與秒個(gè)位和秒十位計(jì)數(shù)單元完全相同，時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)仍與秒或個(gè)位計(jì)數(shù)單元相同，但是要求，整個(gè)時(shí)計(jì)數(shù)單元應(yīng)為12進(jìn)制計(jì)數(shù)器，不是10的整數(shù)倍，因此需將個(gè)位和十位計(jì)數(shù)單元合并為一個(gè)整體才能進(jìn)行12進(jìn)制轉(zhuǎn)換。 圖2.5 由74LS161構(gòu)成的六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器 圖2.6 由74LS161構(gòu)成的12進(jìn)制計(jì)數(shù)器2.4 譯碼驅(qū)動(dòng)電路電路分析：計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)了對(duì)時(shí)間的累計(jì)以8421BCD碼形式輸出，選用顯示譯碼電路將計(jì)數(shù)器的輸出數(shù)碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼顯示器件所需的輸出邏輯和一定的電流，選用74LS248作為

13、顯示譯碼電路，選用LED數(shù)碼管作為顯示單元電路。一個(gè)74LS248與一個(gè)LED數(shù)碼管連接起來(lái)成一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路如下，數(shù)碼管可以從0到計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)范圍變化。 2.5 手動(dòng)校時(shí)電路 當(dāng)重新接通電源或走時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí)都需要對(duì)時(shí)間進(jìn)行校正。通常，校正時(shí)間的方法是：首先截?cái)嗾５挠?jì)數(shù)通路，然后再進(jìn)行人工出觸發(fā)器計(jì)數(shù)或?qū)㈩l率較高的方波信號(hào)加到需要校正的計(jì)數(shù)單元的輸入端，校正好后，再轉(zhuǎn)入正常計(jì)時(shí)狀態(tài)即可。根據(jù)要求，數(shù)字鐘應(yīng)具有時(shí)、分、秒校正功能，因此，應(yīng)截?cái)嗝雮€(gè)位，分個(gè)位和時(shí)個(gè)位的直接計(jì)數(shù)通路，并采用正常計(jì)數(shù)信號(hào)與校正信號(hào)可以隨時(shí)切換的電路接入其中。圖2.8所示即為帶有基本RS觸發(fā)器的校時(shí)電路。當(dāng)開關(guān)打在圖示中的位

14、置時(shí)，其右邊的兩個(gè)與非門的上一個(gè)輸出為高電平，下一個(gè)輸出為低電平，則電路的最終輸出的信號(hào)為正常輸入信號(hào)。當(dāng)要實(shí)現(xiàn)時(shí)間校準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)將開關(guān)打向另一面，即其右邊的兩個(gè)與非門上一個(gè)輸出高電平，下一個(gè)輸出低電平，則電路的最終輸出端輸出的信號(hào)為手動(dòng)輸出信號(hào)。圖2.9所示為分單元與時(shí)單元合起來(lái)的校時(shí)電路。 在上面兩圖中，正常信號(hào)指的是晶振經(jīng)分頻后產(chǎn)生的秒信號(hào)及計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的清零脈沖，校正信號(hào)指的是通過手動(dòng)按鍵，產(chǎn)生所需的脈沖。然后將該校正信號(hào)加到上兩圖中所示的校正信號(hào)輸入端口，即完成了一個(gè)完整的校時(shí)電路，單次脈沖產(chǎn)生電路如下。 圖2.10 單次脈沖產(chǎn)生電路2.6 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路 在時(shí)間出現(xiàn)整點(diǎn)前一數(shù)秒內(nèi)，數(shù)字鐘會(huì)

15、自動(dòng)報(bào)時(shí)，以示提醒。若要求簡(jiǎn)單，可選為電路在59分在進(jìn)位時(shí)的CLK在接出到一個(gè)整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路。該電路圖如下。倒計(jì)時(shí)功能：我們由于時(shí)間及現(xiàn)實(shí)的原因只是做了秒的個(gè)位倒計(jì)時(shí)，利用的是直接在74LS161接上一些門達(dá)到倒計(jì)時(shí)功能具體如下： A3 A2 A1 A0 Z3 Z2 Z1 Z00 0 0 0 0 9 1 0 0 1 1 0 0 0 1 8 1 0 0 0 2 0 0 1 0 7 0 1 1 13 0 0 1 1 6 0 1 1 04 0 1 0 0 5 0 1 0 15 0 1 0 1 4 0 1 0 06 0 1 1 0 3 0 0 1 17 0 1 1 1 2 0 0 1 08 1 0 0

16、0 1 0 0 0 19 1 0 0 1 0 0 0 0 0由上面可得：Z0=，Z1=A1，Z2=A1A2，Z3= 由于考慮到有競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)，所以在74LS266D后面加了一個(gè)非門。圖如下： 第3章3.1 分頻晶振電路的測(cè)試與調(diào)式電路圖如圖2.3所示，電路圖如圖2.3所示，因?yàn)橐婚_始不知道庫(kù)房?jī)?chǔ)件情況，導(dǎo)致開始進(jìn)行實(shí)物連接時(shí)沒有合適的石英晶體，去電子市場(chǎng)太匆忙也沒找到合適的石英晶體，最后臨時(shí)改成了555秒脈（T=(R1+2R2)Cln2=0.9773s)沖進(jìn)行實(shí)物連接.3.2 時(shí)間計(jì)數(shù)單元電路的測(cè)試與調(diào)試 電路圖如圖2.5-2.6所示，接通5V電源，秒計(jì)數(shù)單元，分計(jì)數(shù)單元的計(jì)數(shù)周期與設(shè)計(jì)好的進(jìn)制一

17、致，分別是60進(jìn)制，60進(jìn)制12進(jìn)制，符合設(shè)計(jì)要求。 3.3 譯碼驅(qū)動(dòng)及顯示的測(cè)試與調(diào)試 電路模塊如圖2.7所示，由于數(shù)碼管數(shù)字顯示及計(jì)數(shù)器周期均正常，說明74LS248與數(shù)碼管的連接均正常，符合設(shè)計(jì)要求。3.4 手動(dòng)校時(shí)電路的測(cè)試與調(diào)試 由于沒有領(lǐng)到74LS85所以手動(dòng)校時(shí)電路暫時(shí)沒有制作出來(lái)3.5 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路的測(cè)試與調(diào)試 當(dāng)電路正常計(jì)數(shù)以后，時(shí)鐘走到59分時(shí)，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，時(shí)間為1S，然后停息，與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)預(yù)想的一致，符合設(shè)計(jì)要求。結(jié)論 接到的這個(gè)課題雖然電路圖看起來(lái)很繁瑣，但各個(gè)模塊功能很清晰，通過對(duì)各個(gè)功能模塊的仔細(xì)分析和推敲，對(duì)計(jì)數(shù)器功能有了比較清楚的掌握了。在本次實(shí)驗(yàn)過程開始后我們組在對(duì)各模塊進(jìn)行原理分析后很快進(jìn)行分工，把秒信號(hào)、基本要求（秒分時(shí)）和日期顯示交由一個(gè)人負(fù)責(zé)，其余提高要求另外一個(gè)人做，一起進(jìn)行綜合仿真調(diào)試和實(shí)物制作。我負(fù)責(zé)基本要求（秒分時(shí)）和日期顯示，首先做秒信號(hào)，在最一開始做秒信號(hào)時(shí)，用的是石英晶體震蕩電路加分頻電路，發(fā)現(xiàn)Multisim不能仿真晶振秒信號(hào)，在仿真中我們用的是函數(shù)發(fā)生器代替秒信號(hào)（這樣也利于更便捷的調(diào)節(jié)頻率），基本要求利用的是74ls160（考慮到160相對(duì)較靈活所以采用了160）和74ls161的多層級(jí)聯(lián)，用160輸出端和161清零端做進(jìn)位達(dá)到