上海大學(xué)電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)數(shù)電

1、電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告多功能數(shù)字鐘電路設(shè)計(jì)上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院自動化系電氣工程及其自動化姓名:*學(xué)號:*指導(dǎo)老師:徐昱琳201*年*月*日2目錄一，設(shè)計(jì)課題1二，用途1三，設(shè)計(jì)任務(wù)和要求13.1設(shè)計(jì)任務(wù)指標(biāo)13.2設(shè)計(jì)要求1四，電路構(gòu)成分析14.1秒脈沖產(chǎn)生電路24.1.1晶體振蕩電路34.1.2分頻電路34.2計(jì)數(shù)器電路44.2.1六十進(jìn)制計(jì)數(shù)電路44.2.2二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)電路54.3譯碼顯示電路64.3.1CD4511譯碼器64.3.2小時(shí)譯碼顯示電路64.4校時(shí)、校分電路74.5整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路84.6鬧鐘電路8五，總電路9六，電路仿真106.1初始狀態(tài)106.2校時(shí)、校分功能116.3滿六十進(jìn)位

2、11七，總結(jié)12一，設(shè)計(jì)課題多功能數(shù)字鐘電路設(shè)計(jì)二，用途數(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)的鐘表。與機(jī)械鐘相比具有更高的準(zhǔn)確性和直觀性，具有更長的使用壽命，已得到廣泛的使用。數(shù)字鐘實(shí)際上是一個(gè)對標(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。三，設(shè)計(jì)任務(wù)和要求3.1設(shè)計(jì)任務(wù)指標(biāo)1，時(shí)間以24小時(shí)為一個(gè)周期；2，數(shù)值顯示時(shí)、分、秒；3，有校時(shí)功能，可以分別對時(shí)及分進(jìn)行單獨(dú)校時(shí),使其校正到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間；4，具有整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能，當(dāng)時(shí)間到達(dá)整點(diǎn)前

3、5秒進(jìn)行蜂鳴報(bào)時(shí)；5，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；6，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。3.2設(shè)計(jì)要求利用中規(guī)模數(shù)字集成器件設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)所需電路，并在Multisim，Pspice或其它EDA軟件上對功能電路進(jìn)行仿真、調(diào)試和完善。（本次設(shè)計(jì)采用Multisim軟件）四，電路構(gòu)成分析數(shù)字式計(jì)時(shí)器應(yīng)由秒發(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

4、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：圖 Error! Main Document Only. 數(shù)字鐘基本原理框圖4.1秒脈沖產(chǎn)生電路秒脈沖產(chǎn)生電路的功能是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號，提供整點(diǎn)報(bào)時(shí)所需要的頻率信號。主要由振蕩器和分頻器組成。振蕩器是計(jì)數(shù)器的核心，振蕩器的穩(wěn)定度和頻率的精準(zhǔn)度決定了計(jì)時(shí)器的準(zhǔn)確度，本次設(shè)計(jì)采用石英晶體振蕩電路。石英晶體振蕩器具有頻率準(zhǔn)確、振蕩穩(wěn)定、溫度系數(shù)小的特點(diǎn)。通常用晶體振蕩器發(fā)出的脈沖經(jīng)過整形、分頻獲得1Hz的脈沖輸出，電路如下圖：圖 24.1.1晶體振蕩電路電路通過CMOS非門構(gòu)成的輸出為方波的數(shù)字式晶體振蕩電路，該電路中CMOS非門U1與晶體、電容和電阻構(gòu)成的晶

5、體振蕩器電路，U2實(shí)現(xiàn)整形功能，將輸出的近似于正弦波的波形轉(zhuǎn)換為較為理想的方波。輸出反饋電阻R1為非門提供偏置，使電路工作于放大區(qū)。電容C1,C2與晶體構(gòu)成一個(gè)諧振型網(wǎng)絡(luò)，完成對振蕩頻率的控制功能，同時(shí)提供180°相移，從而和非門構(gòu)成一個(gè)正反饋網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)振蕩器功能。圖 34.1.2分頻電路一般采用多級2進(jìn)制計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)分頻，本設(shè)計(jì)將32768Hz的振蕩信號分頻為1Hz的分頻倍數(shù)為32768（215），即需15級二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，常用的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器有74HC74等等。本設(shè)計(jì)中采用CD4060輸入端串接非門來構(gòu)成分頻電路。圖 4圖 54.2計(jì)數(shù)器電路由秒計(jì)數(shù)器、分計(jì)數(shù)器和時(shí)計(jì)數(shù)器串接而成。秒

6、脈沖信號將經(jīng)過6級計(jì)數(shù)器，分別得到秒個(gè)位、秒十位、分個(gè)位、分十位、時(shí)個(gè)位、時(shí)十位的計(jì)時(shí)。為此需要6片中規(guī)模計(jì)數(shù)器。秒、分計(jì)數(shù)器都是六十進(jìn)制（10*6），時(shí)計(jì)數(shù)器為二十四進(jìn)制，用74160來實(shí)現(xiàn)。（反饋清零法）4.2.1六十進(jìn)制計(jì)數(shù)電路秒計(jì)數(shù)器和分計(jì)數(shù)器各由一個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器（個(gè)位）和一個(gè)六進(jìn)制計(jì)數(shù)器（十位）串組成，形成兩個(gè)六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其中個(gè)位計(jì)數(shù)器接成十進(jìn)制形式。十位計(jì)數(shù)器懸著QB和QC端做反饋端，經(jīng)與非門輸出至控制清零端CLR,接成六進(jìn)制計(jì)數(shù)形式（計(jì)數(shù)至0110時(shí)清零）。個(gè)位與十位計(jì)數(shù)器之間采用同步級聯(lián)復(fù)位方式，將個(gè)位計(jì)數(shù)器的進(jìn)位輸出端ROC接至十位計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號輸入端CLK，完成個(gè)位對

7、十位計(jì)數(shù)器的進(jìn)位控制。將十位計(jì)數(shù)器的反饋清零信號經(jīng)非門輸出，作為六十進(jìn)制的進(jìn)位輸出脈沖信號，即當(dāng)計(jì)數(shù)器至60時(shí)，反饋清零的低電平信號輸入CLR端，同時(shí)經(jīng)非門變?yōu)楦唠娖?，在同步級?lián)方式下，控制高位計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)。創(chuàng)建如圖3所示的電路，IO1IO4是個(gè)位數(shù)碼管的顯示輸出端，IO5-Io8是十位數(shù)碼管的顯示輸出端，IO9接電源，給兩個(gè)芯片的使能端提供高電平，IO10在此電路作為秒計(jì)數(shù)電路時(shí)接秒信號產(chǎn)生電路，作為分計(jì)數(shù)電路時(shí)接秒計(jì)數(shù)電路提供過來的進(jìn)位信號（即接至秒計(jì)數(shù)器的CLR端）。IO11作為低位計(jì)數(shù)器的進(jìn)位輸出，與高位計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號端相連。圖 64.2.2二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)電路創(chuàng)建如下圖所示的電路，I

8、O1IO4是個(gè)位數(shù)碼管的顯示輸出端，IO5IO8時(shí)十位數(shù)碼管的顯示輸出端，IO9接電源，給兩個(gè)芯片的使能端提供高電平，IO10接分計(jì)數(shù)電路提供過來的進(jìn)位信號（即接至分計(jì)數(shù)器的CLR端）。分計(jì)數(shù)器需要的是一個(gè)二十四進(jìn)制轉(zhuǎn)換的遞增計(jì)數(shù)電路。個(gè)位和十位數(shù)均連接成十進(jìn)制計(jì)數(shù)形式，采用同步級聯(lián)復(fù)位方式。將個(gè)位計(jì)數(shù)器的進(jìn)位輸出端RCO接至十位計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號輸入端CLK，完成個(gè)位對十位計(jì)數(shù)器的進(jìn)位控制。完成二十四進(jìn)制，十位計(jì)數(shù)器的輸出端QB和個(gè)位計(jì)數(shù)器的輸出端QC通過與非門控制兩片計(jì)數(shù)器的清零端CLR，當(dāng)計(jì)數(shù)器的輸出狀態(tài)為00100100時(shí)立即反饋清零，從而實(shí)現(xiàn)二十四進(jìn)制遞增計(jì)數(shù)。圖 74.3譯碼顯示電路

9、4.3.1CD4511譯碼器使數(shù)碼管能顯示十進(jìn)制數(shù)，經(jīng)譯碼器譯出，然后經(jīng)驅(qū)動器點(diǎn)亮對應(yīng)段。圖 84.3.2小時(shí)譯碼顯示電路把4511譯碼器的數(shù)據(jù)與74160計(jì)數(shù)器的輸出端相連，分和秒顯示譯碼器也是如此。圖 94.4校時(shí)、校分電路校對時(shí)間一般在選定的準(zhǔn)確時(shí)間到來之前進(jìn)行的，可分為四個(gè)步驟：首先把時(shí)計(jì)數(shù)器置到所需的數(shù)字；然后再將分計(jì)數(shù)器置到所需的數(shù)字；與此同時(shí)或之后應(yīng)將秒計(jì)數(shù)器清零，時(shí)鐘暫停計(jì)數(shù)，處于等待啟動階段；當(dāng)選定的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)刻到達(dá)的瞬間，按啟動按鈕，電路則從所預(yù)置時(shí)間開始計(jì)數(shù)。由此可知，校時(shí)、校分電路應(yīng)具有預(yù)置小時(shí)、預(yù)置分、等待啟動、計(jì)時(shí)四個(gè)階段。在設(shè)計(jì)電路時(shí)既要方便可靠地實(shí)現(xiàn)校時(shí)校分的功能，

10、又不能影響時(shí)鐘的正常計(jì)時(shí)，通常采用邏輯門切換。當(dāng)Q=1時(shí)，輸入的預(yù)置信號可以傳到時(shí)計(jì)數(shù)器的CLK端，進(jìn)行校時(shí)工作，二分進(jìn)位信號被封鎖。例如，校時(shí)電路原理示意圖如圖所示。當(dāng)Q=0時(shí)，分進(jìn)位信號可以傳到時(shí)計(jì)數(shù)器的CLK端，進(jìn)行計(jì)時(shí)工作，而輸入的預(yù)置信號分進(jìn)位信號被封鎖。校分電路也仿照此進(jìn)行。圖 10當(dāng)然上訴方法比較精確,也比較復(fù)雜,在精確要求不高時(shí),也可以采用另一種方法.只需使用兩個(gè)雙向選擇開關(guān)將秒脈沖直接引入時(shí)計(jì)數(shù)器和分計(jì)數(shù)器即可實(shí)現(xiàn)功能。此時(shí),低位計(jì)數(shù)器的進(jìn)位信號輸出端需要通過雙向選擇開關(guān)的其中一選擇接至高位計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號端,開關(guān)的另一選擇端接至秒脈沖信號。當(dāng)日常顯示時(shí)間時(shí),開關(guān)撥向低位計(jì)數(shù)

11、器的進(jìn)位信號輸出端;調(diào)時(shí)調(diào)分時(shí)撥向秒脈沖信號,這樣可使計(jì)數(shù)器自動跳至所需校對的時(shí)間。4.5整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路圖 114.6鬧鐘電路在指定的時(shí)間發(fā)出信號，或驅(qū)動音響電路“鬧時(shí)”；或?qū)δ逞b置的電源進(jìn)行接通或斷開“控制”。不管是鬧時(shí)還是控制，都要求時(shí)間準(zhǔn)確，即信號的開始時(shí)刻與持續(xù)時(shí)間必須滿足規(guī)定的要求。例如：要求上午6:30發(fā)出鬧時(shí)信號，6:30對應(yīng)的時(shí)個(gè)位狀態(tài)為：0110，分十位對應(yīng)的狀態(tài)為：0011。將上述計(jì)數(shù)器輸出為1的所有輸出端經(jīng)過與門電路去控制蜂鳴器，可以使蜂鳴器電路正好在6:30響持續(xù)1分鐘后停響，也可以通過開關(guān)自己關(guān)閉聲響。圖 12定時(shí)圖 13比較五，總電路圖 14六，電路仿真6.1初始狀態(tài)

12、圖 156.2校時(shí)、校分功能控制K1/K2兩個(gè)開關(guān)將秒脈沖信號直接引入時(shí)、分，從而實(shí)現(xiàn)校時(shí)，校分功能。圖 166.3滿六十進(jìn)位秒à分：圖 17圖 18分à時(shí)：圖 19七，總結(jié)雖然是這學(xué)期才學(xué)的數(shù)電，但我仍然對數(shù)電設(shè)計(jì)感到巨大的壓力。從看到設(shè)計(jì)任務(wù)要求時(shí)的手足無措到慢慢著手查閱資料，舉步維艱的一點(diǎn)點(diǎn)設(shè)計(jì)確實(shí)經(jīng)歷了相當(dāng)長一段時(shí)間。這也讓我明白了，像這種電路設(shè)計(jì)的課程實(shí)踐死相當(dāng)重要的環(huán)節(jié)，光是看著原理和電路圖是沒用的，一定要親手使用Multism軟件仿真和親手連過線，才能真正體會到其中的原理以及實(shí)踐中可能出現(xiàn)的問題，從而去想辦法解決，也能更深入的去理解電路的實(shí)質(zhì)。通過這個(gè)設(shè)計(jì)，加

13、強(qiáng)了自己對電路的調(diào)試能力，學(xué)到了更多關(guān)于改錯的技能，犯錯時(shí)難免的，但更重要的是要懂得如何去改正并且做出改進(jìn)。因?yàn)橹皬奈词褂眠^軟件Multisim，所以在這款軟件的使用中我面臨了相當(dāng)多的問題。首先是元件找不到，因?yàn)檐浖怯⑽陌?，元件名看不懂，也不知道在哪個(gè)元件庫中，所以一開始只有百度所需元件的位置，實(shí)在是苦不堪言。而且，在仿真過程中我也遇到許多困難，所幸通過自己的努力和同學(xué)的幫助都一一克服了。首先，連接電路圖過程中，數(shù)碼管不能顯示，后經(jīng)圖形放大后才發(fā)現(xiàn)是電路斷路了。其次，布局的時(shí)候因元件比較多，整體布局比較困難，因子電路不如原電路直觀，最后在不斷努力下，終于不用子電路布好整個(gè)電路。經(jīng)過這次Multisim的仿真設(shè)計(jì)，我得到了一下收獲：、利用網(wǎng)絡(luò)這個(gè)信息匯集的領(lǐng)域，通過檢索、閱讀，提高自己閱讀文獻(xiàn)的本領(lǐng)；、在仿真過程中對芯片工作原理的