多功能數(shù)字鐘電路的設(shè)計(jì)與仿真_上海大學(xué)

1、電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告多功能數(shù)字鐘電路的設(shè)計(jì)與仿真上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院自動(dòng)化系電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)姓名:*學(xué)號(hào):*指導(dǎo)老師:徐昱琳2015年6月26日一、任務(wù)及要求 用中小型規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)一個(gè)多功能數(shù)字鐘電路，在EDA軟件上完場(chǎng)硬件系統(tǒng)的仿真。多功能數(shù)字鐘電路的技術(shù)指標(biāo)如下：時(shí)間以24小時(shí)為一個(gè)周期; 數(shù)值顯示時(shí)、分、秒; 有校時(shí)功能,可以分別對(duì)時(shí)及分進(jìn)行單獨(dú)校時(shí),使其校正到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間; 具有整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能,當(dāng)時(shí)間到達(dá)整點(diǎn)前5秒進(jìn)行蜂鳴報(bào)時(shí); 具有鬧鐘功能，當(dāng)時(shí)間到達(dá)預(yù)設(shè)的時(shí)間進(jìn)行蜂鳴鬧鈴； 為了保證計(jì)時(shí)的穩(wěn)定及準(zhǔn)確須由石英晶體振蕩器提供時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)。二、數(shù)字鐘介紹。數(shù)字鐘的構(gòu)成：數(shù)字式計(jì)時(shí)器應(yīng)由秒

2、發(fā)生裝置、計(jì)秒，計(jì)分，計(jì)時(shí)部分、時(shí)間顯示部分、時(shí)間校正和鬧鐘報(bào)時(shí)等幾部分組成。所涉及的電子器件主要有振蕩器、加法計(jì)數(shù)器、譯碼器、顯示器、寄存器、比較器等。其中，振蕩器組成標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)發(fā)生器；由不同進(jìn)制的計(jì)數(shù)器、譯碼器和顯示器組成計(jì)時(shí)，顯示系統(tǒng)；寄存器和比較器構(gòu)成定點(diǎn)報(bào)時(shí)系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)原理圖如下：三、詳細(xì)的電路模塊及電路設(shè)計(jì)過程如下：（1）、秒脈沖器。秒脈沖器可以產(chǎn)生頻率為1Hz的方波信號(hào)。其精確程度直接影響到電子鐘計(jì)時(shí)的精確程度。實(shí)驗(yàn)要求使用石英晶體振蕩器作為秒脈沖器，提供時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)。石英晶體構(gòu)成的秒脈沖器結(jié)構(gòu)圖如下：CD4060由一振蕩器和14級(jí)二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器位組成。其中的振蕩器與石英電路構(gòu)

3、成石英振蕩器，可產(chǎn)生頻率為32768Hz=215Hz的方波信號(hào)。再通過14級(jí)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器分頻。通過14次分頻后可產(chǎn)生頻率為2Hz的方波信號(hào)。再將2Hz的方波信號(hào)通過D觸發(fā)器進(jìn)行分頻，可獲得頻率為1Hz的秒脈沖信號(hào)。74LS74芯片介紹：74LS74是雙路D 型上升沿觸發(fā)器 ，帶獨(dú)立的數(shù)據(jù)（D）輸入、時(shí)鐘 （CP）輸入、設(shè)置（SD）和復(fù)位（RD）輸入、以及互補(bǔ)的Q和Q輸出。設(shè)置和復(fù)位為異步低電平有效，且不依賴于時(shí)鐘輸入。74LS74數(shù)據(jù)輸入口的信息在時(shí)鐘脈沖的上升沿傳輸?shù)絈口。為了獲得預(yù)想中的結(jié)果，D輸入必須在時(shí)鐘脈沖上升沿來臨之前，保持穩(wěn)定一段就緒時(shí)間。 仿真中可用74LS74中的D觸發(fā)器來對(duì)

4、2Hz的方波信號(hào)進(jìn)行分頻以獲得頻率為1Hz的秒脈沖信號(hào)。最終的石英晶體秒脈沖電路如下圖所示：由于Mulitisim軟件不能仿真4060的晶體振蕩電路，無法生成秒脈沖。故仿真電路中暫時(shí)以電壓為5V，頻率為1Hz的方波信號(hào)代替石英晶體振蕩電路。實(shí)際中則使用上圖中的石英晶體秒脈沖電路。（2）、計(jì)時(shí)電路：分和秒的計(jì)時(shí)電路由60進(jìn)制的計(jì)數(shù)器構(gòu)成，其中個(gè)位為十進(jìn)制計(jì)數(shù)器；十位為六進(jìn)制計(jì)數(shù)器。二者級(jí)聯(lián)即可構(gòu)成60進(jìn)制計(jì)數(shù)器。小時(shí)的計(jì)時(shí)電路由24進(jìn)制，其中個(gè)位為十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，只不過十位為2時(shí)個(gè)位需要滿四清零；十位為二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，實(shí)現(xiàn)方法是個(gè)位為4，十位為2時(shí)反饋清零。二者級(jí)聯(lián)即可構(gòu)成24進(jìn)制計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)芯片選

5、用74HC160。74HC160芯片的管腳與74HC161的管腳完全相同，不過160為10進(jìn)制計(jì)數(shù)器，161位四位二進(jìn)制即16進(jìn)制計(jì)數(shù)器。相比之下160使用起來更簡(jiǎn)單。計(jì)數(shù)方法采用反饋清零法。分秒計(jì)時(shí)電路如下：其中IO18是狀態(tài)輸出端，接譯碼器；IO9是進(jìn)位端，接下一個(gè)計(jì)時(shí)電路的CP端；IO10是初始CP輸入端，接秒脈沖信號(hào)。U2為十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，當(dāng)個(gè)位計(jì)數(shù)到9時(shí)，RCO會(huì)輸出一個(gè)高電平，個(gè)位清零時(shí)高電平立即消失，其余時(shí)刻均為低電平。即剛剛到9時(shí)，會(huì)輸出上升沿，剛剛清零時(shí)，輸出下降沿。通過非門，則可以在剛剛清零時(shí)輸出上升沿，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)十位的進(jìn)位。U1為六進(jìn)制計(jì)數(shù)器，通過反饋清零法實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)。當(dāng)清零

6、信號(hào)與電源VCC信號(hào)的與非即可獲得進(jìn)位信號(hào)。小時(shí)計(jì)時(shí)電路如下圖：其中IO18是狀態(tài)輸出端，接譯碼器；IO9是CP輸入端，接分計(jì)時(shí)器的進(jìn)位端。U1為十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，當(dāng)個(gè)位計(jì)數(shù)到9時(shí)，RCO會(huì)輸出一個(gè)高電平，個(gè)位清零時(shí)高電平立即消失，其余時(shí)刻均為低電平。即剛剛到9時(shí)，會(huì)輸出上升沿，剛剛清零時(shí)，輸出下降沿。通過非門，則可以在剛剛清零時(shí)輸出上升沿，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)十位的進(jìn)位。當(dāng)小時(shí)的十位數(shù)值為2時(shí)，則U1必須滿四清零，這個(gè)通過與非門U3A實(shí)現(xiàn)。U2為二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，實(shí)現(xiàn)方法個(gè)位4和十位2的同時(shí)反饋清零。這個(gè)通過與非門U3A實(shí)現(xiàn)。（3）、譯碼電路及顯示電路為了能夠使計(jì)時(shí)電路的狀態(tài)能夠變?yōu)槭M(jìn)制數(shù)字顯示，必須要將計(jì)

7、時(shí)電路輸出的二進(jìn)制數(shù)值通過譯碼器輸出到顯示器。譯碼芯片選擇CD4511芯片。顯示器選用七段數(shù)字顯示器。CD4511芯片介紹：CD4511 是一片 CMOS BCD鎖存/7 段譯碼/驅(qū)動(dòng)器，用于驅(qū)動(dòng)共陰極 LED （數(shù)碼管）顯示器的 BCD 碼。特點(diǎn)：具有BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動(dòng)功能的CMOS電路能提供較大的拉電流?？芍苯域?qū)動(dòng)共陰LED數(shù)碼管。A0A3：二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸入端CD4511引腳圖BI：輸出消隱控制端LE：數(shù)據(jù)鎖定控制端LT：燈測(cè)試端YaYg：數(shù)據(jù)輸出端VDD：電源正VSS：電源負(fù)CD4511真值表如下七段數(shù)字顯示器介紹它是將七個(gè)發(fā)光二極管按一定的方式排列起來，七段a、b

8、、c、d、e、f、g各對(duì)應(yīng)一個(gè)發(fā)光二極管，利用不同發(fā)光段的組合，顯示不同的阿拉伯?dāng)?shù)字。 (a)數(shù)字顯示器分段布置圖 (b)段組合圖七段數(shù)字顯示器的內(nèi)部接法 (a) 共陽(yáng)極電路 (b)供應(yīng)及電路譯碼電路及顯示電路圖如下：其中電阻R1作用是穩(wěn)定數(shù)值顯示,IO14為計(jì)時(shí)狀態(tài)輸入端，接計(jì)時(shí)器的狀態(tài)輸出端。（4）、時(shí)間校準(zhǔn)電路校時(shí)電路有各類開關(guān)組成，開關(guān)類型見圖校時(shí)電路圖如下：其中IO1與IO4串聯(lián)在小時(shí)個(gè)位計(jì)時(shí)芯片CP端和分十位計(jì)時(shí)進(jìn)位端之間，IO2與IO5串聯(lián)在分個(gè)位計(jì)時(shí)芯片CP端和秒十位計(jì)時(shí)進(jìn)位端之間，IO3與IO5串聯(lián)在秒個(gè)位計(jì)時(shí)芯片CP端和秒脈沖信號(hào)端之間。開關(guān)S4在上方是為校準(zhǔn)狀態(tài)，在下方為

9、計(jì)時(shí)狀態(tài)。S1為調(diào)時(shí)按鈕，S2為調(diào)分按鈕，S3為調(diào)秒按鈕。（5）、整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路要求在59分55到59分59秒均輸出高電平供電給蜂鳴器，促使蜂鳴器發(fā)生。可以將計(jì)時(shí)芯片輸出的二進(jìn)制狀態(tài)通過各種門組合，使其在特定的時(shí)間輸出高電平。整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路圖如下：其中U1最上端為多余端，與非門多余端接高電平。IO1IO9分別接：分的十位的計(jì)時(shí)芯片Qc、Qa輸出端，個(gè)位的計(jì)時(shí)芯片的Qd、Qa輸出端，秒的十位的計(jì)時(shí)芯片的Qc、Qa輸出端，個(gè)位的計(jì)時(shí)芯片的Qc、Qb、Qc、Qa、Qd輸出端。（6）鬧鐘電路鬧鐘電路由兩部分電路組成，一個(gè)為定時(shí)電路，用來儲(chǔ)存輸入的預(yù)置的鬧鐘信號(hào)，另一個(gè)為比較電路，用來比較鬧鐘信

10、號(hào)與計(jì)時(shí)電路的輸出信號(hào)是否一致，若一致則輸出高電平來促使蜂鳴器工作。定時(shí)電路的電路與計(jì)時(shí)電路基本一致。去掉計(jì)時(shí)電路的秒，并且將小時(shí)、分的個(gè)位的芯片CP端接手動(dòng)調(diào)成按鈕，即可獲得鬧鐘電路鬧鐘電路的定時(shí)電路部分如下圖所示其中IO116分別按順序連接比較電路的各B接口。同時(shí)為了顯示方便，IO116還要接額外譯碼顯示電路。鬧鐘電路的比較電路部分，鬧鐘的比較部分需要用到數(shù)值比較器。這里可以用74HC85芯片。74HC85是四位數(shù)值比較器。將四片74HC85芯片串聯(lián)起來就可以得到16位數(shù)值比較器。串聯(lián)的方法便是將其中一片85芯片的各I端口依次與另一個(gè)85芯片的Q端口相連。各A端口和各B端口用于輸入用來比較

11、的數(shù)值。74HC85的功能表如下鬧鐘的比較部分的電路圖如下其中各A端口按序依次接計(jì)時(shí)電路的狀態(tài)輸出，各B端口按序依次接定時(shí)電路的狀態(tài)輸出（7）、總電路圖如下其中為了連線方便以及連線整潔，電路圖使用了總線連接的方法（粗線為總線）。四、電路的仿真及指標(biāo)驗(yàn)證。（1）、打開仿真開關(guān)。（2）、仿真校準(zhǔn)時(shí)間功能：把校準(zhǔn)開關(guān)往右撥，進(jìn)入校準(zhǔn)狀態(tài)。調(diào)節(jié)計(jì)時(shí)時(shí)間為9點(diǎn)29分。然后將校準(zhǔn)開關(guān)往左撥，進(jìn)入計(jì)時(shí)狀態(tài)。電子鐘正常工作。如下圖所示，已經(jīng)走了7秒。（3）仿真整點(diǎn)報(bào)時(shí)：為了顯示清楚，蜂鳴器旁邊再接一個(gè)指示燈。這樣便于觀察。將時(shí)間調(diào)到9點(diǎn)59分30秒，然后計(jì)時(shí)。到9點(diǎn)59分55秒時(shí)，指示燈亮，說明蜂鳴器工作，1

12、0點(diǎn)00分00秒時(shí)，指示燈熄滅，說明蜂鳴器停止工作。蜂鳴器工作持續(xù)5秒鐘調(diào)至59分30秒，初始燈不亮：計(jì)入計(jì)時(shí)狀態(tài)，到了59分55秒，燈亮：到了10點(diǎn)00分00秒，燈熄滅：（4）、仿真鬧鐘功能：將鬧鐘定時(shí)至10點(diǎn)01分，開始計(jì)時(shí)：鬧鐘定時(shí)按鈕在下方 時(shí)間走到10點(diǎn)01分00秒，指示燈亮，說明蜂鳴器工作：一分鐘后，定時(shí)時(shí)間與計(jì)時(shí)時(shí)間不同，指示燈滅，表明蜂鳴器停止工作：五、個(gè)人小結(jié)多功能數(shù)字電子鐘電路的設(shè)計(jì)需要用到許多芯片，這就要求我對(duì)各類芯片功能有較好的掌握。通過查閱數(shù)電教科書以及百度文庫(kù)中對(duì)74HC系列芯片的相關(guān)介紹，我對(duì)各類芯片的功能有了一定的掌握。數(shù)字鐘電路線非常多，連起來非常麻煩。在軟件中，我看到總線。通過了解，我發(fā)現(xiàn)線路非常多時(shí)，可以將各種線