數(shù)電課程設(shè)計(jì)報(bào)告-數(shù)字電子鐘 東北大學(xué)

1、課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告設(shè)計(jì)題目：數(shù)字電子鐘設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)班 級(jí)：學(xué) 號(hào)：姓 名：指導(dǎo)教師： 設(shè)計(jì)時(shí)間： 摘 要數(shù)字時(shí)鐘已成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚谋匦杵?，廣泛于個(gè)人家庭以及辦公室等公共場(chǎng)所，給人們的生活、學(xué)習(xí)、工作、娛樂(lè)帶來(lái)了極大的方便。由于數(shù)字集成電路技術(shù)的發(fā)展采用了先進(jìn)的三石英技術(shù)，使數(shù)字時(shí)鐘具有走時(shí)準(zhǔn)確、性能穩(wěn)定、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，它還用于計(jì)時(shí)、自動(dòng)報(bào)時(shí)及自動(dòng)控制等各個(gè)領(lǐng)域。盡管目前市場(chǎng)上已有現(xiàn)成的數(shù)字時(shí)鐘電路芯片出售，價(jià)格便宜、使用也方便，但鑒于數(shù)字時(shí)鐘電路的基本組成包含了數(shù)字電路的組成部分，因此進(jìn)行數(shù)定時(shí)鐘的設(shè)計(jì)是必要的。在這里我們將已學(xué)過(guò)的比較零散的數(shù)字電路的知識(shí)有機(jī)的、系統(tǒng)的聯(lián)系起來(lái)

2、用于實(shí)際，來(lái)增養(yǎng)我們的綜合分析和設(shè)計(jì)電路的能力。本次設(shè)計(jì)以數(shù)字時(shí)鐘為主 ，實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)、分、秒數(shù)字顯示的計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)裝置，周期為24小時(shí)，顯示滿(mǎn)為23時(shí)59分59秒并具有校時(shí)功能的數(shù)電子時(shí)鐘。電路主要采用中規(guī)模的集成電路，本電路主要脈沖產(chǎn)生模塊、校時(shí)模塊、兩個(gè)六十進(jìn)制模塊（分、秒）、一個(gè)二十四進(jìn)制模塊（時(shí)）和一個(gè)報(bào)時(shí)邏輯電路組成。時(shí)、分、秒再通過(guò)BCD-7段譯碼顯示屏顯示出來(lái)。關(guān)鍵詞：計(jì)數(shù)器譯碼器校時(shí)目 錄 1 概述 22 課程設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 2.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 4 2.2 設(shè)計(jì)要求 43 理論設(shè)計(jì) 3.1方案論證 4 3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 3.2.1 結(jié)構(gòu)框圖及說(shuō)明 53.2.2 系統(tǒng)原理圖及工作原

3、理 6 3.3 單元電路設(shè)計(jì) 3.3.1秒脈沖電路設(shè)計(jì) 7 3.3.2時(shí)、分、秒計(jì)數(shù)器電路 8 3.3.3校時(shí)電路 10 3.3.4譯碼顯示電路 11 3.3.5定時(shí)電路設(shè)計(jì) 134.軟件仿真4.1 仿真電路圖 15 4.2 仿真過(guò)程 15 4.2 仿真結(jié)果 165.結(jié)論 186.使用儀器設(shè)備清單 197.參考文獻(xiàn)。 198.收獲、體會(huì)和建議。 202.課程設(shè)計(jì)及要求2.1設(shè)計(jì)任務(wù) 數(shù)字電子時(shí)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。其中，時(shí)間以24小時(shí)為一個(gè)周期；顯示時(shí)、分、秒；具有校時(shí)功能，可以分別對(duì)時(shí)、分進(jìn)行單獨(dú)校時(shí)，使其校正到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間；時(shí)鐘具有鬧鐘功能；具有開(kāi)機(jī)清零功

4、能；設(shè)計(jì)所需的脈沖電路。2.1設(shè)計(jì)要求 獨(dú)立完成系統(tǒng)的原理設(shè)計(jì)。說(shuō)明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能，應(yīng)達(dá)到技術(shù)指標(biāo)，進(jìn)行方案論證，確定設(shè)計(jì)方案。畫(huà)出電路圖，說(shuō)明各部分電路的工作原理，初步選定所使用的各種器件的主要參數(shù)及型號(hào)，列出元器件明細(xì)表。系統(tǒng)中包含的中小規(guī)模集成電路的種類(lèi)至少在六種以上。根據(jù)理論設(shè)計(jì)用multisim 7在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真。驗(yàn)證所設(shè)計(jì)方案的正確性。 3.理論設(shè)計(jì)3.1方案論證 數(shù)字時(shí)鐘是一個(gè)將“時(shí)”、“分”、“秒”顯示于人的視覺(jué)器官的計(jì)時(shí)裝置。電路由秒信號(hào)發(fā)生器、“時(shí)、分、秒”計(jì)數(shù)器、譯碼器、顯示電路、校準(zhǔn)電路、定時(shí)電路等組成。秒、分、時(shí)分別為60、60和24進(jìn)制計(jì)數(shù)器。分、秒均為60進(jìn)制

5、，顯示0059，個(gè)位為十進(jìn)制，十位為六進(jìn)制；時(shí)為24進(jìn)制，對(duì)于24進(jìn)制來(lái)說(shuō)個(gè)位為十進(jìn)制，十位為三進(jìn)制。用74LS161和74LS160均可實(shí)現(xiàn)六十進(jìn)制和二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器，再通過(guò)LED六段顯示器將具體信號(hào)顯示出來(lái)。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)觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)報(bào)時(shí)。校時(shí)電路是通過(guò)改變時(shí)計(jì)數(shù)器和分計(jì)數(shù)器的輸入脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)校時(shí)功能。 3.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.2.1結(jié)構(gòu)框圖及說(shuō)明 原理框圖如圖1所示 圖1 該系統(tǒng)的工作原理是：由石英晶體多諧振蕩器和分頻器產(chǎn)生1HZ標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖?！懊腚娐贰?、“分電路”均為0059的六十進(jìn)制計(jì)數(shù)、譯碼、顯示電路； “時(shí)電路”為0023的二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)、譯

6、碼、顯示電路。校時(shí)電路分別控制對(duì)時(shí)和分的校正。 3.2.2 系統(tǒng)原理圖及工作原理系統(tǒng)具體電路連接情況如圖2 圖23.3單元電路設(shè)計(jì)3.3.1秒脈沖電路設(shè)計(jì) 圖3 由555構(gòu)成的多諧振蕩器電路圖如圖3所示，由555定時(shí)器、電容和電阻組成震蕩電路，產(chǎn)生秒脈沖信號(hào)。它是數(shù)字電子鐘的核心部分，它的精度和穩(wěn)定度決定于數(shù)字中的質(zhì)量。通常晶體振蕩器發(fā)出的脈沖經(jīng)過(guò)整形、分頻獲得1Hz的秒脈沖。555定時(shí)器與RC組成的系統(tǒng)接通電源后，電容C1被充電，vc上升，當(dāng)vc上升到大于2/3VCC時(shí)，觸發(fā)器被復(fù)位，放電管T導(dǎo)通，此時(shí)v0為低電平，電容C1通過(guò)R2和T放電，使vc下降。當(dāng)vc下降到小于1/3VCC時(shí)，觸發(fā)器

7、被復(fù)位，v0翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器C1放電結(jié)束，所需時(shí)間為： T1=0.7R2C當(dāng)C1放電結(jié)束時(shí)，T截止，VCC將通過(guò)R1、R2向電容器C1充電，vc由1/3VCC上升到2/3VCC所需的時(shí)間為： T2=0.7（R1+R2）C當(dāng)vc上升到2/3VCC時(shí)，觸發(fā)器又被復(fù)位發(fā)生翻轉(zhuǎn)，如此周而復(fù)始，在輸出端就得到一個(gè)周期性的方波，其頻率為：1.43/（R1+2R2）C本設(shè)計(jì)中頻率可通過(guò)以上公式計(jì)算出來(lái)，f=1Hz3.3.2時(shí)、分、秒計(jì)數(shù)器電路一般采用10進(jìn)制計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間計(jì)數(shù)單元計(jì)數(shù)功能，要實(shí)現(xiàn)這一要求，可選用的中規(guī)模集成計(jì)數(shù)器較多，這里我們選擇使用74LS160。圖 4 74LS160 引腳圖如果采

8、用反饋清零方式時(shí)在計(jì)數(shù)一遍后進(jìn)入重新計(jì)數(shù)時(shí)時(shí)間間隔不是一個(gè)時(shí)間脈沖而是兩個(gè)，會(huì)造成計(jì)數(shù)不準(zhǔn)，例如十進(jìn)制從00000001001010011010（此狀態(tài)雖不會(huì)顯示但已經(jīng)出來(lái)）0000。 故現(xiàn)在采用反饋置數(shù)法實(shí)現(xiàn)，以十進(jìn)制為例0000000100101001 0000（不會(huì)出現(xiàn)1010狀態(tài)，故很準(zhǔn)） 其接法電路如圖5圖6。秒信號(hào)經(jīng)秒計(jì)數(shù)器、分計(jì)數(shù)器、時(shí)計(jì)數(shù)器之后。分別得到顯示電路，以便實(shí)現(xiàn)用數(shù)字顯示時(shí)、分、秒的要求?！懊搿焙汀胺帧庇?jì)數(shù)器應(yīng)為六十進(jìn)制，而“時(shí)”計(jì)數(shù)器應(yīng)為二十四進(jìn)制。圖 5兩塊74LS160構(gòu)成的六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器采用置數(shù)法74LS160 的3、4、5、6引腳接地，低位的7、10、1引腳

9、和高位1引腳接高電平，高位7、10引腳接低位15引腳。其1411引腳接顯示譯碼器的7、1、2、6引腳。圖6兩塊74LS160構(gòu)成的二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器（1） 六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。它由兩塊中規(guī)模集成十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS160，一塊組成十進(jìn)制，另一塊組成六進(jìn)制。采用置數(shù)法時(shí)，當(dāng)高位出現(xiàn)0101狀態(tài)，低位為1001狀態(tài)，即計(jì)到59（第60個(gè)脈沖），如圖5所示六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。（2） 二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器。它由兩塊中規(guī)模集成十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS160構(gòu)成。當(dāng)高位出現(xiàn)0010狀態(tài)，低位為0011狀態(tài)，即計(jì)到第24個(gè)來(lái)自“分”計(jì)數(shù)器的進(jìn)位信號(hào)時(shí)，產(chǎn)生反饋置數(shù)信號(hào)，如圖6所示為二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器。3.3.3校時(shí)電路在剛接通

10、電源或者時(shí)鐘走時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí)，則需要進(jìn)行時(shí)間的校準(zhǔn)。因此，應(yīng)截?cái)鄷r(shí)分的直接計(jì)數(shù)通路，并采用正常計(jì)數(shù)信號(hào)與校時(shí)信號(hào)可以切換的電路接入其中。故我們?cè)O(shè)計(jì)了對(duì)時(shí)、分、秒各自校時(shí)的電路。設(shè)計(jì)原理是：將74ls160的兩個(gè)使能端接在一起后接到單刀雙擲開(kāi)關(guān)的公共端，再將進(jìn)位端和高電平分別接到另外兩端。當(dāng)開(kāi)關(guān)按下時(shí)接入高電平，反之便會(huì)接到進(jìn)位端。圖7 校時(shí)部分電路原理圖通過(guò)一個(gè)單刀雙擲開(kāi)關(guān)控制接入“時(shí)”計(jì)數(shù)電路的脈沖信號(hào)。若要校時(shí)，將校時(shí)脈沖信號(hào)引入“時(shí)”計(jì)數(shù)器，讓其快速計(jì)數(shù)，在時(shí)計(jì)數(shù)器顯示到需要的數(shù)字后再切掉校時(shí)信號(hào)，引入正常脈沖信號(hào)，完成校時(shí)功能。校分的原理和校時(shí)一樣。校時(shí)電路的連接情況如圖8所示圖8 校時(shí)

11、電路連接3.3.4譯碼顯示電路選用器件時(shí)應(yīng)當(dāng)注意譯碼器和顯示器件相互配合。一是驅(qū)動(dòng)功率要足夠大，二是邏輯電平要匹配秒計(jì)數(shù)器、分計(jì)數(shù)器、和時(shí)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)分別輸送給各自的顯示譯碼器74LS48，在數(shù)送給各自的數(shù)碼管，顯示出時(shí)、分、秒的計(jì)時(shí)。電路如圖9所示為計(jì)數(shù)、譯碼顯示電路。 圖9譯碼顯示電路圖10 74LS48引腳圖這里采用74LS48作為顯示譯碼器，A0A3接74LS160的QAQD端3、 4、 5引腳都接高電平，915端接七段數(shù)碼管。七段數(shù)碼管引腳圖如下圖11（共陰極） 圖11 七段數(shù)碼管引腳圖譯碼顯示電路在仿真中的連接情況如圖12 圖123.3.5定時(shí)電路設(shè)計(jì)每當(dāng)數(shù)字時(shí)鐘計(jì)時(shí)與所設(shè)定的時(shí)間

12、相同時(shí)開(kāi)始發(fā)出5s的響聲，響聲是從第1s開(kāi)始到第6s,響聲的頻率一樣，即所發(fā)出的聲音是一樣的沒(méi)有變化。定時(shí)電路即邏輯見(jiàn)下圖13。圖13定時(shí)響5s真值表由卡諾圖可以計(jì)算出定時(shí)響5s的邏輯，其邏輯電路連接見(jiàn)下圖14圖14 響5s邏輯電路連接 4.軟件仿真4.1仿真電路圖4.2仿真過(guò)程按下仿真開(kāi)始開(kāi)關(guān)，觀(guān)測(cè)時(shí)鐘是否正常計(jì)時(shí)。鍵盤(pán)上的A和B分別控制著校時(shí)和校分，按下A開(kāi)始校時(shí)，再次按下，校時(shí)停止；按下B開(kāi)始校分，再次按下，校分停止。讓鐘表計(jì)時(shí)到整點(diǎn)，觀(guān)測(cè)整點(diǎn)指示燈是否點(diǎn)亮。4.3仿真結(jié)果 按下仿真開(kāi)關(guān)后，數(shù)字鐘可以正常計(jì)時(shí)，從左至右依次是“時(shí)”十位，“時(shí)”個(gè)位，“分”十位，“分”個(gè)位，“秒”十位，“秒

13、”個(gè)位。 按下校時(shí)開(kāi)關(guān)和校分開(kāi)關(guān)后，可以正常校時(shí)和校分。時(shí)鐘計(jì)時(shí)到23點(diǎn)59分59秒后， 會(huì)全部清零，重新開(kāi)始新的一天。 5.結(jié)論通過(guò)這次對(duì)數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)與制作，對(duì)電子技術(shù)有了一些初步了解，但那都是一些理論的東西。通過(guò)這次數(shù)字電子鐘的課程設(shè)計(jì)，我們才把學(xué)到的知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合。從而對(duì)我們學(xué)的知識(shí)有了更進(jìn)一步的理解，使我們進(jìn)一步加深了對(duì)所學(xué)知識(shí)的記憶。在此次的數(shù)字鐘設(shè)計(jì)過(guò)程中，我更進(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。也鍛煉了自己獨(dú)立思考問(wèn)題的能力和通過(guò)查看相關(guān)資料來(lái)解決問(wèn)題的習(xí)慣。雖然這只是一次簡(jiǎn)單的課程設(shè)計(jì)，但通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)我們了解了課程設(shè)計(jì)的一般步驟，和設(shè)計(jì)中應(yīng)

14、注意的問(wèn)題，同時(shí)我們也掌握了做設(shè)計(jì)的基本流程，為我們以后進(jìn)行更復(fù)雜的設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 6.使用儀器設(shè)備清單1.555定時(shí)器2.74LS1603.74LS1614.6段譯碼顯示器5. 脈沖發(fā)生器6. 74LS487. 74LS208. 74LS049. 74LS0810. 單刀雙擲開(kāi)關(guān) 7.參考文獻(xiàn)1. 馬學(xué)文，李景宏.電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教程. 北京：科學(xué)出版社.20132. 李景宏，王永軍編著.數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng). 北京：電子工業(yè)出版社，20123. 高吉祥，易凡編著.電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì). 北京：電子工業(yè)出版社，20024. 王義軍.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ). 北京：中國(guó)電力出版社，20075

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