數(shù)電課程設(shè)計(jì)x數(shù)字時(shí)鐘

1、吉林建筑大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)學(xué)院數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)題目： 多功能數(shù)字鐘的電路設(shè)計(jì) 專業(yè)班級(jí)： 建筑電氣與智能化141 學(xué)生姓名： 王帥 學(xué) 號(hào)： 201412567 指導(dǎo)教師： 王銳 魏大慧 設(shè)計(jì)時(shí)間： 2016.06.202016.07.01 教師評(píng)語(yǔ)：成績(jī) 評(píng)閱教師 日期 設(shè)多功能數(shù)字鐘的電路設(shè)計(jì)報(bào)告數(shù)字鐘是采用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)“時(shí)”、“分”、“秒”數(shù)字顯示的計(jì)時(shí)裝置。由于數(shù)字集成電路的發(fā)展和石英晶體振蕩器的使用，使得數(shù)字鐘的精度、穩(wěn)定度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了機(jī)械鐘表。鐘表的數(shù)字化在提高報(bào)時(shí)精度的同時(shí)，也大大擴(kuò)展了它的功能，諸如定時(shí)自動(dòng)報(bào)警、按時(shí)自動(dòng)打鈴、時(shí)間程序自動(dòng)控制、定時(shí)廣播、定時(shí)啟閉路燈等。

2、因此，研究數(shù)字鐘及擴(kuò)大其應(yīng)用，有著非?，F(xiàn)實(shí)的意義。一、 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求基本功能：1.時(shí)鐘顯示功能，能夠以十進(jìn)制顯示“時(shí)”、“分”、“秒”。2.具有校時(shí)功能，可分別對(duì)“時(shí)”、“分”進(jìn)行單獨(dú)校時(shí)。3.能用硬件成功實(shí)現(xiàn)以上各功能。擴(kuò)展功能：1.具有整點(diǎn)自動(dòng)報(bào)時(shí)功能，整點(diǎn)前的6s自動(dòng)發(fā)出鳴叫聲，步長(zhǎng)1s，每1s鳴叫一次，前五響是低音，最后一響為高音。2.日歷顯示功能。將時(shí)間的顯示擴(kuò)展為“年”、“月”、“日”。二、設(shè)計(jì)的作用、目的1.掌握數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)、組裝與調(diào)試方法。2.熟悉集成電路的使用方法。三、設(shè)計(jì)過程1.方案設(shè)計(jì)與論證【本節(jié)為簡(jiǎn)單介紹系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路與總體方案的可行性論證，各功能塊的劃分與組成，全面介

3、紹總體工作過程或工作原理。（含系統(tǒng)框圖）】數(shù)字鐘的構(gòu)成: 主體電路 擴(kuò)展電路 時(shí)顯示器 時(shí)譯碼器 時(shí)計(jì)數(shù)器 分顯示器 分譯碼器 分計(jì)數(shù)器 校時(shí)電路 振蕩器 分頻器 秒顯示器 秒譯碼器 秒計(jì)數(shù)器 整點(diǎn)報(bào)時(shí) 日歷顯示 1s 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 數(shù)字鐘電路系統(tǒng)的組成方框圖主體電路是由功能部件或單元電路組成的。在設(shè)計(jì)這些電路或選擇部件時(shí)，盡量選用同類型的器件，如所有功能部件都采用TTL集成電路或都

4、采用CMOS集成電路。整個(gè)系統(tǒng)所用的器件種類應(yīng)盡可能少。下面介紹各功能部件與單元電路的設(shè)計(jì)。2.單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和元器件的選擇【本節(jié)為詳細(xì)介紹各單元電路的選擇、設(shè)計(jì)及工作原理分析、仿真，并介紹有關(guān)參數(shù)的計(jì)算及元器件參數(shù)的選擇等?！?.1 秒脈沖發(fā)生器設(shè)計(jì)振蕩器（英文：oscillator）是用來產(chǎn)生重復(fù)電子訊號(hào)（通常是正弦波或方波）的電子元件,即一種能量轉(zhuǎn)換裝置將直流電能轉(zhuǎn)換為具有一定頻率的交流電能。其構(gòu)成的電路叫振蕩電路。能將直流電轉(zhuǎn)換為具有一定頻率交流電信號(hào)輸出的電子電路或裝置。種類很多，按振蕩激勵(lì)方式可分為自激振蕩器、他激振蕩器；按電路結(jié)構(gòu)可分為阻容振蕩器、電感電容振蕩器、晶體振蕩

5、器、音叉振蕩器等；按輸出波形可分為正弦波、方波、鋸齒波等振蕩器。廣泛用于電子工業(yè)、醫(yī)療、科學(xué)研究等方面。振蕩器是數(shù)字鐘的核心。石英晶體振蕩器的特點(diǎn)是振蕩頻率準(zhǔn)確、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻率調(diào)整。它還具有壓電效應(yīng)，在晶體某一方向加一電場(chǎng)，則在與此垂直的方向產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，有了機(jī)械振動(dòng)，就會(huì)在相應(yīng)的垂直面上產(chǎn)生電場(chǎng)，從而使機(jī)械振動(dòng)和電場(chǎng)互為因果，這種循環(huán)過程一直持續(xù)到晶體的機(jī)械強(qiáng)度限制時(shí)，才達(dá)到最后穩(wěn)定，這種壓電諧的頻率即為晶體振蕩器的固有頻率。振蕩器的穩(wěn)定度及頻率的精確度決定了數(shù)字鐘計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確程度，通常選用石英晶體構(gòu)成振蕩器電路。一般來說，振蕩器的頻率越高，計(jì)時(shí)精度越高 如圖2所示為電子手表集成電路（如5

6、C702）中的晶體振蕩器電路，常取晶振的頻率為32768Hz，因其內(nèi)部有15級(jí)2分頻集成電路，所以輸出端正好可得到1Hz的標(biāo)準(zhǔn)脈沖 圖2 晶體振蕩器電路如果精度要求不高也可以采用由集成邏輯門與RC組成的時(shí)鐘源振蕩器或由集成電路定時(shí)器555與RC組成的多諧振蕩器。這里設(shè)振蕩頻率f0=1KHz，電路參數(shù)如圖3所示：圖3 555振蕩器電路綜合分析，選擇555與RC組成的振蕩電路，原因如下：1.如用32768晶振分頻作秒脈沖，仿真時(shí)間會(huì)很慢，可能數(shù)小時(shí)才出一秒脈沖，這樣仿真的話什么效果都沒有，所以multisim的時(shí)鐘仿真基本都用555組成1Hz或直接用1Hz方波來作秒脈沖，沒有用32768+4060

7、的。2. 較簡(jiǎn)單，易調(diào)節(jié)，成本較低。用555組成的脈沖產(chǎn)生電路: R1=47k，R2=47k，C=10F，則555所產(chǎn)生的脈沖的為:f=1/(R1+2*R2)CLn2=1Hz,而設(shè)計(jì)要求為1Hz,在精度要求不是很高的時(shí)候可以使用；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門電路通常在0.72K之間;對(duì)于CMOS門則常在10100M之間。另外因?yàn)檫x擇了頻率為1000HZ的振蕩器以提高計(jì)時(shí)器的精度而74LS390計(jì)數(shù)器所需要的是1HZ的標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)，這時(shí)就需要用分頻器對(duì)振蕩器的固有頻率進(jìn)行分頻。

8、選用中規(guī)模計(jì)數(shù)器74LS390就可以完成上述功能。 用NE555芯片以及外圍電路搭建成一個(gè)多諧振蕩器，通過設(shè)計(jì)外圍電路的參數(shù)輸出方波頻率為1Hz，故稱為秒方波發(fā)生器。由于脈沖的占空比對(duì)系統(tǒng)的影響不大，故把占空比設(shè)計(jì)為1/3。輸出方波用作計(jì)數(shù)器及D觸發(fā)器的clk信號(hào)。NE555定時(shí)器引腳圖如圖9所示，脈沖頻率公式：f=1（R1+2R2）C2 選擇R1=47K，R2=47K，RV1=2K，C=10F，形成電路圖如圖10所示：圖4 NE555的引腳圖 圖5 秒脈沖發(fā)生器2.2 時(shí)分秒計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì) 分和秒計(jì)數(shù)器都是模數(shù)M=60的計(jì)數(shù)器，其計(jì)數(shù)規(guī)律為0001585900選74LS390作為十位計(jì)數(shù)器，7

9、4LS90作為個(gè)位計(jì)數(shù)器，再將他們級(jí)聯(lián)組成模數(shù)M=60的計(jì)數(shù)器。 圖6 分秒計(jì)數(shù)器邏輯電路圖時(shí)計(jì)數(shù)器是一個(gè)“12翻1”的特殊進(jìn)制計(jì)數(shù)器，即當(dāng)數(shù)字鐘運(yùn)行到12時(shí)59分59秒，秒的個(gè)位計(jì)數(shù)器再輸入一個(gè)秒脈沖時(shí)，數(shù)字鐘應(yīng)自動(dòng)顯示為01時(shí)00分00秒，實(shí)現(xiàn)日常生活中習(xí)慣常用的計(jì)時(shí)規(guī)律。74LS390是4位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，下圖采取置零法，QD QC QB QA=4 2 1 0通過兩片74LS390串行連接，右邊的引腳2為進(jìn)位端，當(dāng)右邊計(jì)數(shù)到9在來一個(gè)脈沖時(shí)向左進(jìn)位，左邊芯片的與非門接在QB，即，QD QC QB QA=0 0 1 0也就是十進(jìn)制2，右邊芯片與非門連在QC，也就是十進(jìn)制4，即QD QC QB

10、 QA=0 1 0 0，當(dāng)左邊脈沖進(jìn)位為2，右邊為4，也就是計(jì)數(shù)為24時(shí)與非門輸出為0，送給清零端，達(dá)到置零的目的。因?yàn)檩敵鰰r(shí)間非常短，所以24基本不會(huì)顯示，到23時(shí)就變?yōu)?0.圖7 時(shí)計(jì)數(shù)器邏輯電路圖2.3 校時(shí)電路的設(shè)計(jì) 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)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。校準(zhǔn)電路由基本RS觸發(fā)器和“與”門組成，基本RS觸發(fā)器的功能是產(chǎn)生單脈沖，主要作用是起防抖動(dòng)作用。未撥動(dòng)開關(guān)K時(shí)，“與非”門G2的一個(gè)輸入端接地，基本RS觸發(fā)器處

11、于“1”狀態(tài)，這是數(shù)字鐘正常工作，“分”進(jìn)位脈沖能進(jìn)入“分”計(jì)數(shù)器。撥動(dòng)開關(guān)K時(shí)，“與非”門G1的一個(gè)輸入端接地，于是基本RS觸發(fā)器轉(zhuǎn)為“0”狀態(tài)。秒狀態(tài)可以直接進(jìn)入“分”計(jì)數(shù)器，而“分”進(jìn)位脈沖被阻止進(jìn)入，因而能較快地校準(zhǔn)分計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值。校準(zhǔn)后，將校正開關(guān)恢復(fù)原位，數(shù)字鐘繼續(xù)進(jìn)行正常計(jì)時(shí)工作。電路圖如圖7所示:圖8 校時(shí)電路電路圖2.4 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路的設(shè)計(jì)報(bào)整點(diǎn)時(shí)數(shù)電路的功能是：每當(dāng)數(shù)字鐘計(jì)時(shí)到整點(diǎn)時(shí)發(fā)出聲音，。與門1取出59分信號(hào)，計(jì)數(shù)到59分時(shí)輸出高電平，與門取出5159秒信號(hào)，奇數(shù)秒時(shí)輸出高電平，偶數(shù)秒時(shí)輸出低電平，與非門3在59分50奇數(shù)秒時(shí)輸出低電平，送至74153數(shù)據(jù)選擇器的A

12、1，1KHZ信號(hào)送至數(shù)選器的D1，經(jīng)兩個(gè)D觸發(fā)器分頻后得到250HZ的信號(hào)送至數(shù)選器的D0，與門4到59秒時(shí)輸出高電平送至數(shù)選器的A0，在指定的時(shí)間可以使發(fā)光二極管亮，從而得到閃爍。電路圖如下：圖9 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路圖2.5 日期顯示電路設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)原本是要求設(shè)計(jì)日期顯示功能，能夠進(jìn)行年月日的顯示，理論上按照前面時(shí)分秒電路的設(shè)計(jì)思想，是可以實(shí)現(xiàn)的，但考慮到這樣電路的復(fù)雜程度就會(huì)大大增加，同時(shí)仿真出路即可。周為七進(jìn)制數(shù)，按人們一般的概念一周的顯示日期“日，1，2，3，4，5，6”，所以我們?cè)O(shè)計(jì)這個(gè)七進(jìn)制計(jì)數(shù)器，應(yīng)根據(jù)譯碼顯示器的狀態(tài)表來進(jìn)行。按狀態(tài)表設(shè)計(jì)出“日”計(jì)數(shù)器的電路（日用數(shù)字8代替）。圖10

13、 星期顯示電路圖3.電路的安裝與調(diào)試3.1 測(cè)試方法與數(shù)據(jù)測(cè)試方法：1.用示波器檢測(cè)脈沖信號(hào)發(fā)生器部分，看其輸出的秒脈沖信號(hào)的波形、頻率和周期等是否符合要求，必須確保秒脈沖信號(hào)的頻率準(zhǔn)確（F1HZ），這關(guān)系整個(gè)數(shù)字鐘的準(zhǔn)確性。2.分別將時(shí)、分、秒計(jì)數(shù)器的脈沖信號(hào)輸入端調(diào)至較時(shí)脈沖，檢查各計(jì)數(shù)器是否按所要求的進(jìn)制形式進(jìn)行，顯示是否正常。同時(shí)看較時(shí)電路是否達(dá)到較時(shí)的目的。3.時(shí)、分、秒計(jì)數(shù)器接回計(jì)時(shí)脈沖，看總體工作是否正常。測(cè)試數(shù)據(jù)：顯示“星期四，21時(shí)，13分，10秒”圖11 測(cè)試結(jié)果電路圖3.2實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題及解決方法1.面包板和芯片的測(cè)試 測(cè)試面包板各觸點(diǎn)是否接通；有時(shí)電路不通的原因是

14、因芯片引腳接觸不良而造成的，因此，確認(rèn)芯片是否接觸良好是非常重要的。2.時(shí)間計(jì)數(shù)電路的連接與測(cè)試 六進(jìn)制、十進(jìn)制都沒有什么大的問題，只是芯片引腳的問題，只要重新插過芯片就可以解決了。但在六十進(jìn)制時(shí)，按圖接線后發(fā)現(xiàn)，顯示器上的數(shù)字總是100進(jìn)制的，而不是六十進(jìn)制，檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)無(wú)論是線路的連通還是芯片的接觸都沒有問題。最后，在重對(duì)連線時(shí)發(fā)現(xiàn)是線路接錯(cuò)引腳造成的，改過之后，顯示就正常了。3.校正電路 因引腳接錯(cuò)而造成錯(cuò)誤，所以校正電路是完全按照仿真圖所連的，在測(cè)試時(shí)，開始進(jìn)行時(shí)校時(shí)時(shí)，沒有出現(xiàn)問題，但當(dāng)進(jìn)行到分校時(shí)時(shí)，發(fā)現(xiàn)計(jì)數(shù)電路的秒電路開始亂跳出錯(cuò)。因此，電路一定是有地方出錯(cuò)了，在反復(fù)對(duì)照后，發(fā)現(xiàn)是

15、因?yàn)樵诮尤胄Ｕ娐窌r(shí)忘了把秒十位和分個(gè)位之間的連線拿掉而造成的，因此，在接線時(shí)一定要注意把多余的線拿掉。四、心得體會(huì)及建議結(jié)果基本符合要求，實(shí)現(xiàn)了相關(guān)功能，能正常顯示時(shí)間。通過這次課程設(shè)計(jì)，讓我感覺整體規(guī)劃很重要，同時(shí)必須要有足夠的耐心，腳踏實(shí)地一點(diǎn)一點(diǎn)的完成。在拿到課程設(shè)計(jì)題目的時(shí)候，第一步要根據(jù)設(shè)計(jì)要求，思考原理以及實(shí)現(xiàn)方案。第二步要根據(jù)自己所選定的方案確定選用那些元器件，然后查閱相應(yīng)芯片的資料，掌握其引腳分布以及用法。第三部將整體的設(shè)計(jì)分成各個(gè)子模塊，然后一個(gè)模塊一個(gè)模塊的進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后將各個(gè)子模塊整合在一起進(jìn)行整體仿真。整個(gè)仿真過程中必須仔細(xì)認(rèn)真，而且要有足夠的耐心，不厭其煩的進(jìn)行測(cè)量校正修改。直到得到預(yù)想的結(jié)果。通過本次課程設(shè)計(jì)，通過借助網(wǎng)絡(luò)搜集,查閱相關(guān)資料鞏固了所學(xué)知識(shí)。從中提高了自己的實(shí)踐能力。五、附錄5.1 元器件列表器件型號(hào)用途介紹數(shù)量BS202數(shù)碼