數(shù)字電子鐘邏輯電路設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)名稱： 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 題 目： 數(shù)字電子鐘邏輯電路設(shè)計(jì) 學(xué) 期：2012-2013學(xué)年第2學(xué)期專(zhuān) 業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí)：11-5 姓 名：吳宇 學(xué) 號(hào)：1105040518 指導(dǎo)教師：曹媛 遼寧工程技術(shù)大學(xué)課 程 設(shè) 計(jì) 成 績(jī) 評(píng) 定 表評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定合格不合格單元電路及整體設(shè)計(jì)方案合理性正確性創(chuàng)新性仿真或?qū)嵺`是否進(jìn)行仿真或?qū)嵺`技術(shù)指標(biāo)或性能符合設(shè)計(jì)要求有完成結(jié)果設(shè)計(jì)報(bào)告格式正確內(nèi)容充實(shí)語(yǔ)言流暢標(biāo)準(zhǔn)說(shuō)明：以上三大項(xiàng)指標(biāo)中，每大項(xiàng)中有兩小 項(xiàng)或三小項(xiàng)合格，視為總成績(jī)合格?？偝煽?jī)?nèi)掌?013年6月26日課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)一、設(shè)計(jì)題目 數(shù)字電子鐘邏輯電路設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)任務(wù)

2、用中、小規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)一臺(tái)能顯示日、時(shí)、分、秒的數(shù)字電子鐘，要求如下：1. 由晶振電路產(chǎn)生1hz標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)。2. 秒、分為0059六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。3. 時(shí)為0023二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器。4. 周顯示從1日為七進(jìn)制計(jì)數(shù)器。5. 可手動(dòng)校時(shí)：能分別進(jìn)行秒、分、時(shí)、日的校時(shí)。6. 有整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能。三、設(shè)計(jì)計(jì)劃電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)共1周。第1天：查找相關(guān)資料；第2天：確定總體方案；第3天：器件選擇；第4天：設(shè)計(jì)硬件電路；第5天：整理報(bào)告。四、設(shè)計(jì)要求1確定原理方框圖。2畫(huà)出整個(gè)系統(tǒng)電路原理圖。3對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行分析。4心得體會(huì)。指 導(dǎo) 教 師： 曹媛時(shí) 間： 2013 年 6月 27 日摘要通過(guò)計(jì)數(shù)器可組

3、成不同進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，然后經(jīng)過(guò)譯碼器譯碼器驅(qū)動(dòng)即可顯示出所需要的結(jié)果。本設(shè)計(jì)就是運(yùn)用所學(xué)集成電路的工作原理和使用方法，在單元電路的基礎(chǔ)上進(jìn)行小型數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)數(shù)字電子時(shí)鐘，可完成0時(shí)00分00秒23時(shí)59分59秒和周0周7的計(jì)時(shí)功能。利用晶體振蕩器產(chǎn)生秒脈沖，接著利用74hc161進(jìn)行進(jìn)制計(jì)算，再經(jīng)過(guò)74ls48譯碼器顯示輸出，并可使用k1、k2、k3、k4實(shí)現(xiàn)調(diào)整時(shí)間的功能，而且還有整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能，最后形成一個(gè)功能完善的數(shù)字電子鐘。關(guān)鍵詞：計(jì)數(shù)器；譯碼器；數(shù)字電子鐘；晶體振蕩器；74hc161；74ls48遼寧工程技術(shù)大學(xué)電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)目錄綜述11 系統(tǒng)原理22 方案設(shè)計(jì)與分析32.1 時(shí)

4、間脈沖產(chǎn)生電路32.2 分頻器電路42.3 時(shí)間計(jì)數(shù)器電路52.4 譯碼驅(qū)動(dòng)及顯示單元電路72.5 校時(shí)電路72.6 報(bào)時(shí)電路83 仿真結(jié)果極其分析83.1 仿真93.2 結(jié)果分析94 數(shù)字電子鐘總電路圖10課程設(shè)計(jì)體會(huì)11參考文獻(xiàn)12- 11 -綜述數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)的裝置，與機(jī)械式時(shí)鐘相比具有更高的準(zhǔn)確性和直觀性，且無(wú)機(jī)械裝置，具有更更長(zhǎng)的使用壽命，因此得到了廣泛的使用。數(shù)字鐘從原理上講是一種典型的數(shù)字電路，其中包括了組合邏輯電路和時(shí)序電路。目前，數(shù)字鐘的功能越來(lái)越強(qiáng)，并且有多種專(zhuān)門(mén)的大規(guī)模集成電路可供選擇。數(shù)字鐘適用于自動(dòng)打鈴、自動(dòng)廣播，也適用于節(jié)電、節(jié)水及自動(dòng)

5、控制多路電器設(shè)備。它是由數(shù)子鐘電路、定時(shí)電路、放大執(zhí)行電路、電源電路組成。為了簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，數(shù)字鐘電路與定時(shí)電路之間的連接采用直接譯碼技術(shù)。具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作可靠、使用壽命長(zhǎng)、更改設(shè)定時(shí)間容易、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。從有利于學(xué)習(xí)的角度考慮，這里主要介紹以中小規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)數(shù)字鐘的方法。1 系統(tǒng)原理數(shù)字鐘實(shí)際上是一個(gè)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率（1hz）進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)電路。由于計(jì)數(shù)的起始時(shí)間不可能與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間（如北京時(shí)間）一致，故需要在電路上加一個(gè)校時(shí)電路，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)的1hz時(shí)間信號(hào)必須做到準(zhǔn)確穩(wěn)定。通常使用石英晶體振蕩器電路構(gòu)成數(shù)字鐘。圖1所示為數(shù)字鐘的一般構(gòu)成框圖1。圖1 系統(tǒng)原理框圖晶體振蕩器電路：晶體振蕩器

6、電路給數(shù)字鐘提供一個(gè)頻率穩(wěn)定準(zhǔn)確的32768hz的方波信號(hào)，可保證數(shù)字鐘的走時(shí)準(zhǔn)確及穩(wěn)定。不管是指針式的電子鐘還是數(shù)字顯示的電子鐘都使用了晶體振蕩器電路。分頻器電路：分頻器電路將32768hz的高頻方波信號(hào)經(jīng)15次分頻后得到1hz的方波信號(hào)供秒計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。分頻器實(shí)際上也就是計(jì)數(shù)器。時(shí)間計(jì)數(shù)器電路：時(shí)間計(jì)數(shù)電路由秒個(gè)位和秒十位計(jì)數(shù)器、分個(gè)位和分十位計(jì)數(shù)器及時(shí)個(gè)位和時(shí)十位計(jì)數(shù)器，還有日個(gè)位計(jì)數(shù)器電路構(gòu)成。其中秒個(gè)位和秒十位計(jì)數(shù)器、分個(gè)位和分十位計(jì)數(shù)器為60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，而根據(jù)設(shè)計(jì)要求，時(shí)個(gè)位和時(shí)十位計(jì)數(shù)器為24進(jìn)制計(jì)數(shù)器，日個(gè)位計(jì)數(shù)器為7進(jìn)制計(jì)數(shù)器。譯碼驅(qū)動(dòng)電路：譯碼驅(qū)動(dòng)電路將計(jì)數(shù)器輸出的842

7、1bcd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。整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路：一般時(shí)鐘都應(yīng)具備整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路功能,即在時(shí)間出現(xiàn)整點(diǎn)時(shí),數(shù)字鐘會(huì)自動(dòng)報(bào)時(shí),以示提醒.其作用方式是發(fā)出連續(xù)的或有節(jié)奏的音頻聲波,較復(fù)雜的也可以是實(shí)時(shí)語(yǔ)音提示。2 方案設(shè)計(jì)與分析數(shù)字電子鐘邏輯電路由時(shí)間脈沖產(chǎn)生電路、分頻器電路、時(shí)間計(jì)數(shù)器電路、譯碼驅(qū)動(dòng)電路、顯示單元電路、校時(shí)電路和報(bào)時(shí)電路組成。2.1 時(shí)間脈沖產(chǎn)生電路晶振引腳的內(nèi)部通常是一個(gè)反相器, 或者是奇數(shù)個(gè)反相器串聯(lián)。在晶振輸出引腳 xo 和晶振輸入引腳 xi 之間用一個(gè)電阻連接, 對(duì)于cmos 芯片通常是數(shù)m 到數(shù)十m 歐之間. 很多芯片的引腳內(nèi)

8、部已經(jīng)包含了這個(gè)電阻, 引腳外部就不用接了。這個(gè)電阻是為了使反相器在振蕩初始時(shí)處與線性狀態(tài), 反相器就如同一個(gè)有很大增益的放大器, 以便于起振。 石英晶體也連接在晶振引腳的輸入和輸出之間, 等效為一個(gè)并聯(lián)諧振回路, 振蕩頻率應(yīng)該是石英晶體的并聯(lián)諧振頻率。 晶體旁邊的兩個(gè)電容接地, 實(shí)際上就是電容三點(diǎn)式電路的分壓電容, 接地點(diǎn)就是分壓點(diǎn). 以接地點(diǎn)即分壓點(diǎn)為參考點(diǎn), 振蕩引腳的輸入和輸出是反相的, 但從并聯(lián)諧振回路即石英晶體兩端來(lái)看, 形成一個(gè)正反饋以保證電路持續(xù)振蕩。在芯片設(shè)計(jì)時(shí), 這兩個(gè)電容就已經(jīng)形成了, 一般是兩個(gè)的容量相等, 容量大小依工藝和版圖而不同, 但終歸是比較小, 不一定適合很寬

9、的頻率范圍。 外接時(shí)大約是數(shù) pf 到數(shù)十 pf, 依頻率和石英晶體的特性而定。并且，這兩個(gè)電容串聯(lián)的值是并聯(lián)在諧振回路上的, 會(huì)影響振蕩頻率. 當(dāng)兩個(gè)電容量相等時(shí), 反饋系數(shù)是 0.5, 一般是可以滿足振蕩條件的, 但如果不易起振或振蕩不穩(wěn)定可以減小輸入端對(duì)地電容量, 而增加輸出端的值以提高反饋量。石英晶體振蕩電路:采用的32768晶體振蕩電路,其頻率為32768hz,然后再經(jīng)過(guò)15分頻電路可得到標(biāo)準(zhǔn)的1hz的脈沖輸出.r的阻值,對(duì)于ttl門(mén)電路通常在0.72k之間;對(duì)于cmos門(mén)則常在10100m之間。本系統(tǒng)中；選取r=10m，選取c1=c2=30pf2。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，時(shí)間脈沖信號(hào)由晶振電

10、路產(chǎn)生，所以方案只有晶振電路，因此用晶體振蕩器組成時(shí)間脈沖產(chǎn)生電路作為時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源。圖2 石英晶體振蕩器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15，即實(shí)現(xiàn)該分頻功能的計(jì)數(shù)器相當(dāng)于15級(jí)2進(jìn)制計(jì)數(shù)器。從盡量減少元器件數(shù)量的角度來(lái)考慮，這里可選多極2進(jìn)制計(jì)數(shù)電路cd4060和cd4040來(lái)構(gòu)成分頻電路。cd4060和cd4040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

11、的非門(mén)，使用更為方便。方案一：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3所示，從圖中可以看出，cd4060的時(shí)鐘輸入端兩個(gè)串接的非門(mén)，因此可以直接實(shí)現(xiàn)振蕩和分頻的功能。圖3 cd4060內(nèi)部框圖圖4 cd4040內(nèi)部框圖方案二：cd4040計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)模數(shù)為4096，其邏輯框圖如圖4。如將32768 hz信號(hào)分頻為1 hz，則需外加一個(gè)8分頻計(jì)數(shù)器，故一般較少使用cd4040來(lái)實(shí)現(xiàn)分頻。綜上所述，可選擇cd4060同時(shí)構(gòu)成振蕩電路和分頻電路。照?qǐng)D3，在和之間接入振蕩器外接元件可實(shí)現(xiàn)振蕩，并利用時(shí)計(jì)數(shù)電路中多一個(gè)2分頻器（后述）可實(shí)現(xiàn)15級(jí)2分

12、頻，即可得1hz信號(hào)，所以方案一更合理。2.3 時(shí)間計(jì)數(shù)器電路由74hc161構(gòu)成的60進(jìn)制遞增計(jì)數(shù)器電路如圖5所示。它是由兩個(gè)74hc161級(jí)聯(lián)構(gòu)成的，右邊的74hc161為第一級(jí)，脈沖信號(hào)從該74hc161的clk端輸入，該74hc161就對(duì)輸入的脈沖信號(hào)進(jìn)行加計(jì)數(shù)，當(dāng)q3q2q1q0=1010時(shí)，通過(guò)反饋清零，該74hc161輸出端立即變?yōu)榱?。左邊?4hc161為第二級(jí)，在第一級(jí)反饋清零的同時(shí)，也給了第二級(jí)74hc161的clk端一個(gè)脈沖信號(hào)，第二級(jí)就計(jì)一次數(shù)，當(dāng)?shù)诙?jí)的74hc161的q3q2q1q0=0110時(shí)，通過(guò)反饋清零，第二級(jí)的74hc161輸出端立即變?yōu)榱恪＿@樣，通過(guò)兩個(gè)7

13、4hc161級(jí)聯(lián)就構(gòu)成了一個(gè)60進(jìn)制計(jì)數(shù)器。圖5 由74hc161構(gòu)成的60進(jìn)制遞增計(jì)數(shù)器電路圖由74hc161構(gòu)成的24進(jìn)制遞增計(jì)數(shù)器如圖6所示。它是由兩個(gè)74hc161級(jí)聯(lián)構(gòu)成的，右邊的74hc161為第一級(jí)，脈沖信號(hào)從該74hc161的clk端輸入，該74hc161就對(duì)輸入的脈沖信號(hào)進(jìn)行加計(jì)數(shù)，由于24進(jìn)制第一級(jí)清零不同于60進(jìn)制那么簡(jiǎn)單，60進(jìn)制只需在q3q2q1q0=1010時(shí)反饋清零，而24進(jìn)制有兩種情況都需清零。第一種和60進(jìn)制一樣，在q3q2q1q0=1010時(shí)反饋清零；第二種則較為復(fù)雜一些，這種情況需要和第二級(jí)（左邊的74hc161）聯(lián)合起來(lái)清零，當(dāng)?shù)谝患?jí)的q3q2q1q0=

14、0100且第二級(jí)的q3q2q1q0=0011時(shí)，它們共同給第一級(jí)的74hc161一個(gè)清零信號(hào)，此時(shí)第一級(jí)的74hc161輸出端立即變?yōu)榱恪Ｔ诘谝患?jí)q3q2q1q0=1010時(shí)反饋清零的同時(shí)，也給了第二級(jí)74hc161的clk端一個(gè)脈沖信號(hào)，第二級(jí)就計(jì)一次數(shù)，當(dāng)?shù)诙?jí)的74hc161的q3q2q1q0=0011時(shí)，通過(guò)反饋清零，第二級(jí)的74hc161輸出端立即變?yōu)榱?。這樣，通過(guò)兩個(gè)74hc161級(jí)聯(lián)就構(gòu)成了一個(gè)24進(jìn)制計(jì)數(shù)器。同理7進(jìn)制計(jì)數(shù)器原理同上，如圖7所示3。圖6 由74hc161構(gòu)成的24進(jìn)制遞增計(jì)數(shù)器電路圖圖7由74hc161構(gòu)成的7進(jìn)制遞增計(jì)數(shù)器電路圖2.4 譯碼驅(qū)動(dòng)及顯示單元電路用

15、74ls48作計(jì)數(shù)器與顯示單元之間的橋接，由74hc161和74ls48還有數(shù)碼顯示管構(gòu)成的時(shí)鐘計(jì)數(shù)顯示電路如圖7所示。它是由4部分組成的，第一、二部分都是為60進(jìn)制的計(jì)數(shù)器及數(shù)碼管組成的，第三部分是由24進(jìn)制的計(jì)數(shù)器和數(shù)碼管組成的。第一部分為秒計(jì)數(shù)部分（最下面2個(gè)74hc161及對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管），第二部分為分計(jì)數(shù)部分（最中間2個(gè)74hc161及對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管），第三部分為時(shí)計(jì)數(shù)部分（最上面2個(gè)74hc161及對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管）。這三部分之間是通過(guò)級(jí)聯(lián)起來(lái)的，當(dāng)?shù)谝徊糠钟?jì)數(shù)到60的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)“進(jìn)位信號(hào)”，將這個(gè)“進(jìn)位信號(hào)”輸送到第二部分，第二部分就計(jì)數(shù)一次，這樣，第一部分每計(jì)數(shù)60次，第二部分就計(jì)

16、數(shù)一次，這就完成了秒與分之間的級(jí)聯(lián)。第二部分與第三部分的級(jí)聯(lián)是：當(dāng)?shù)诙糠钟?jì)數(shù)到60的同時(shí)同樣也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)“進(jìn)位信號(hào)”，會(huì)將這個(gè)“進(jìn)位信號(hào)”輸送到第三部分，第三部分就計(jì)數(shù)一次，這樣，第二部分每計(jì)數(shù)60次，第三部分就計(jì)數(shù)一次，這就完成了分與時(shí)之間的級(jí)聯(lián)，同理第四部分周顯也同樣級(jí)聯(lián)。這樣一來(lái)，就完成了整個(gè)日、時(shí)、分、秒的級(jí)聯(lián)，再加上上層用于橋接的74ls48和各個(gè)計(jì)數(shù)器所對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管，共同構(gòu)成了時(shí)鐘的計(jì)數(shù)顯示部分，如圖8所示4。圖8 74ls48譯碼器電路2.5 校時(shí)電路校時(shí)信號(hào)只需當(dāng)數(shù)字鐘暫停時(shí)給74hc161輸入一個(gè)脈沖信號(hào)即可，因此只需直流電源、電阻、電容外加一個(gè)開(kāi)關(guān)即可，此方案簡(jiǎn)單有效，如

17、圖9所示5。圖9 校時(shí)電路觸發(fā)裝置將此電路接入74hc161的脈沖信號(hào)輸入端，即可校對(duì)該芯片所控制的顯示數(shù)碼管的數(shù)字。2.6 報(bào)時(shí)電路利用蜂鳴器、三極管、電阻和電源等簡(jiǎn)單元器件即可組成報(bào)時(shí)電路，這樣組成的電路簡(jiǎn)單方便，如圖10所示。圖10 蜂鳴器報(bào)時(shí)電路3 仿真結(jié)果極其分析利用proteus軟件進(jìn)行整個(gè)電路的仿真與調(diào)試。3.1 仿真數(shù)字電子鐘使用方法：接入電源后，數(shù)字鐘顯示為圖11所示。圖11 接通電源后數(shù)字鐘狀態(tài)首先按下開(kāi)關(guān)k0，數(shù)字鐘開(kāi)始工作，如圖12所示。圖12 按下開(kāi)關(guān)k0數(shù)字中進(jìn)入工作狀態(tài)若進(jìn)行校時(shí)則先彈起開(kāi)關(guān)k0，然后分別閉合k1、k2、k3、k4即可對(duì)秒、分、時(shí)和周進(jìn)行校對(duì)，每次

18、按下開(kāi)關(guān)數(shù)字增加一次，如圖13所示。圖13 各校時(shí)開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)當(dāng)每小時(shí)59分59秒時(shí)，蜂鳴器均會(huì)發(fā)出1秒的蜂鳴聲。3.2 結(jié)果分析經(jīng)過(guò)仿真和調(diào)試，數(shù)字鐘所有器件均正常工作，要求功能均可實(shí)現(xiàn)，根據(jù)仿真結(jié)果可以認(rèn)定，此次多功能數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)是成功的。4 數(shù)字電子鐘總電路圖課程設(shè)計(jì)體會(huì)在此次的數(shù)字鐘設(shè)計(jì)過(guò)程中，更進(jìn)一步地熟悉了芯片的結(jié)構(gòu)及掌握了各芯片的工作原理和其具體的使用方法。這學(xué)期數(shù)電實(shí)驗(yàn)課的考試就是做的數(shù)字電子鐘，所以在計(jì)數(shù)模塊上面有模電、數(shù)電實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，仔細(xì)認(rèn)真的設(shè)計(jì)技術(shù)模塊后就得出了正確的結(jié)果，雖然跟實(shí)驗(yàn)室所用芯片有所區(qū)別，但原理差不多，其實(shí)，不同的電路可以實(shí)現(xiàn)同樣的功能，而且應(yīng)該用最簡(jiǎn)單，最經(jīng)濟(jì)，最實(shí)用的電路。當(dāng)然這個(gè)不一定所有條件都符合，找到一個(gè)最大限度滿足各種條件的方案是我的目標(biāo)。這次課程設(shè)計(jì)是一次難得的鍛煉機(jī)會(huì)，讓自己能夠充分利用所學(xué)過(guò)的理論知識(shí)和想象力，另外還是自己掌握了查找芯片資料的方法，以及鍛煉了自己處理分析電路，設(shè)計(jì)電路的能力。我相信這是對(duì)自己的一個(gè)很好的鍛煉。平時(shí)在學(xué)習(xí)理論知識(shí)的時(shí)候，我們應(yīng)該更注重實(shí)踐，應(yīng)付考試有應(yīng)付考試的方法。這次的