數字電子時鐘

1、電氣與計算機學院數字電子技術課程設計報告設計題目： 數字電子時鐘（仿真）專業(yè)班級： 自動化151學生姓名： 趙鑫國學 號： 201512912指導教師： 韋大川設計時間： 201-2017.07.06教師評語：成績 評閱教師 日期 目 錄第1章 緒論11.111.22第2章 設計任務和要求3332.332.44第3章 電路設計的計算與分析53.1 53.2 63.3 93.4103.5113.612第4章方案的制作與安裝154.115154.316第5章 電路的仿真與調試18總結19參考文獻21元件清單22第1章 緒論1.1多功能電子時鐘簡介多功能數字電子鐘實際上是一個標準頻鐘表作為一種定時工

2、具被廣泛的使用在生產生活的各方面。人類最初依靠太陽的角度來進行定時，所以受天氣的影響比較大，為了克服依靠自然現象定時的缺點人們發(fā)明的機器鐘表，電子鐘表一系列的定時工具。而電子鐘表具有價格便宜，質量輕，定時誤差小等優(yōu)點，被廣泛的應用在生產，生活的各個方面。由于電子鐘的能提供精確又被廣泛的運用在測量之中。此數字電子鐘采用555定時器提供定時脈沖，74160,74290集成塊作為計時模塊，8段數碼顯示管作為顯示工具。其設 計的產品可以廣泛的用于公共場所，匾額裝飾，以及教學等方面。率計數的計數電路，它的計時周期為二十四小時。數字電子鐘主要由時鐘信號源、秒計數器、分計數器、時計數器、譯碼顯示管組成。其中

3、電路系統(tǒng)由時鐘信號源，時、分、秒計數器，譯碼器及顯示器電路組成。秒信號產生器是整個系統(tǒng)的時基信號，一般多用555定時器來實現，將標準時基信號送入秒計數器，秒計數器采用六十進制計數器，每累計六十秒發(fā)出一個“分脈沖”信號，該信號將作為分計數器的計數脈沖，分計數器同樣采用六十進制計數器，每累計六十分鐘，發(fā)出一個時脈沖信號，而該信號將被送到式計數器，時計數器采用十二進制計數器，可以實現對一天二十四小時的計時。譯碼顯示電路將時、分、秒的計數器輸出狀態(tài)通過顯示驅動電路，七段顯示譯碼器譯碼，在經過六位LED七段顯示器顯示出來。1.2發(fā)展前景隨著人類社會步入高度發(fā)達的信息化時代，電子信息類產品日益廣泛地應用于

4、各個領域。市場需求的變化使產品更新換代越來越快，能否盡快開發(fā)出適應市場需求的產品已成為企業(yè)生存發(fā)展的關鍵。定時器在實際工作中用到的場合很多，它成為今天工業(yè)控制領域、通訊設備、信息處理以及日常生活中最廣泛使用的電路之一，在許多領域中計時器均得到普遍應用，諸如在體育比賽，定時報警器、游戲中的倒時器，交通信號燈、紅綠燈、行人燈、交通纖毫控制機、還可以用來做為各種藥丸，藥片，膠囊在指定時間提醒，用于各種競賽的計時器、競賽用定時器、數控電梯、數控機床、交通燈管理系統(tǒng)、各種智能醫(yī)療器械等，定時器是家用電器中的常用產品。  電子技術的高速發(fā)展和計算機技術的普遍應用，電子設計也越來越普遍地應用于整個

5、電子行業(yè)中。電子設計是人們進行電子產品設計、開發(fā)和制造過程中十分關鍵的一步，其核心就是電子電路的設計。電子技術課程設計能鞏固電子技術的理論知識，提高電子電路的設計水平，加強綜合分析問題和解決問題的能力，進一步培養(yǎng)我們的實驗技能和動手能力，啟發(fā)我們的創(chuàng)新意識及創(chuàng)新思維。課程設計是針對一些課程的要求，對我們綜合性的訓練，培養(yǎng)我們的獨立能力，能夠運用課程中所學到的理論與實踐緊密結合地去獨立地解決實際問題，使我們靈活應用電路原理和電子技術的有關知識。我們通過自己動腦動手解決實際問題，鞏固和運用在“模擬電子技術”、“數字電子技術”及“電路分析”等課程中所學的理論知識和實驗技能，基本掌握常用電子電路的一般

6、設計方法，提高設計能力和實驗技能，通過從原理圖的設計和仿真到具體電子系統(tǒng)的安裝和調試，全面提高了我們的實際動手能力、安裝調試能力、科學試驗能力等方面的綜合素質，對進行畢業(yè)設計及畢業(yè)后從事電子技術方面的工作都有很大的幫助第2章 設計任務和要求1.時鐘顯示功能，能夠以十進制顯示“時”、“分”、“秒”。 2.具有校準“時”、“分”的功能。 3.整點自動報時：在整點時自動發(fā)出鳴叫聲并有指示燈閃爍。 4.鬧鐘功能：可按設定的時間報時。  1.用Multisim畫出整個系統(tǒng)電路圖，并列出所需器件清單。2.調試振蕩電路，用Multisim提供的示波器觀察其輸

7、出波形是否復合要求。 3.實現整個數字電子鐘電路各項任務的正常工作干電路系統(tǒng)由秒信號發(fā)生器、“時、分、秒”計數器、譯碼器及顯示器、校時電路、整點報時電路組成。秒信號產生器是整個系統(tǒng)的時基信號，它直接決定計時系統(tǒng)的精度，用555定時器接成的多諧振蕩器加分頻器來實現。將標準秒信號送入“秒計數器”，“秒計數器”采用六十進制計數器，每累計六十秒發(fā)現胡一個“分脈沖”信號，該信號將作為“分計數器”的時鐘脈沖?！胺钟嫈灯鳌币膊捎昧M制計數器，每累計六十分鐘，發(fā)出一個“時脈沖”信號，該信號將被送到“時計數器”?！皶r計數器”采用二十四進制計時器，可實現對一天二十四小時的累計。指示器部分是由T觸發(fā)器構

8、成的，每有一個脈沖進入T觸發(fā)器，其輸出端狀態(tài)就會發(fā)生改變，與原態(tài)相反。譯碼顯示電路將“時”、“分”、“秒”計數器的輸出狀態(tài)由七段顯示譯碼器譯碼，通過四位LED七段顯示器顯示出來。校時電路時用來對“時”、“分”、“秒”顯示數字進行校對調整的。校準部分是將單次脈沖轉換為二進制代碼，再經過譯碼器對輸出端進行選擇，從而形成對電路的校準的可控制。 總體結構總共分為六個小部分：時間顯示部分，譯碼部分，分頻器部分，調時部分，穩(wěn)壓電路部分以及信號發(fā)生電路部分，此設計各部分由統(tǒng)一電源集中供電。電阻選擇時，應考慮到受溫度影響較小的固態(tài)鋁質電解電容確保定時的精確性分頻器采用74160使用方便，而其容易購買顯示部分采

9、用LED七段數碼顯示管 ，具有顯示明亮，容易識別，價格便宜等優(yōu)點，調時部分采用普通的按建開關。 2.4.1 秒脈沖信號發(fā)生器秒脈沖信號發(fā)生器是數字電子鐘的核心部分，它的精度和穩(wěn)定度決定了數字鐘的質量。由振蕩器與分頻器組合產生秒脈沖信號。 2.4.2 分頻器電路 分頻器: 分頻器功能主要有兩個，一是產生標準秒脈沖信號，一是提供功能擴展電路所需要的信號2.4.3 校時電路 當數字鐘剛接通電源或走時出現誤差時，需要對其進行時間的校準，實用校時電路很多。校時電路包括校準小時電路、校準分鐘電路和校準秒電路，但校準信號頻率必須要大，可手動較時或脈沖校時，可用普通機械開關或由機械開關與門

10、電路構成無抖動開關來實現校時。2.4.4 時間計數器電路時間計數電路由秒個位和秒十位計數器,分個位和分十位計數器及時個位和時十位計數器電路構成,其中秒個位和秒十位計數器,分個位和分十位計數器為六十進制計數器,而根據設計要求,時個位和時十位計數器為二十四進制計數器。2.4.5 數字顯示電路計數器實現了對時間的累計以8421BCD碼形式輸出,選用顯示譯碼電路將計數器的輸出數碼轉換為數碼顯示器件所需要的輸出邏輯和一定的電流,選用DCD_HEX作為顯示譯碼電路。第3章 電路設計的計算與分析3.1 振蕩電路多諧振蕩器是一種能產生矩形波的自激振蕩器，也稱矩形波發(fā)生器?！岸嘀C”指矩形波中除了基波成分外，還含

11、有豐富的高次諧波成分。多諧振蕩器沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)。在工作時，電路的狀態(tài)在這兩個暫穩(wěn)態(tài)之間自動地交替變換，由此產生矩形波脈沖信號，常用作脈沖信號源及時序電路中的時鐘信號。用555定時器構成的多諧振蕩器電路如圖：圖中電容C、電阻R2和R4作為振蕩器的定時元件，決定著輸出矩形波正、負脈沖的寬度。定時器的觸發(fā)輸入端（2腳）和閥值輸入端（6腳）與電容相連；集電極開路輸出端（7腳）接R1、R2相連處，用以控制電容C的充、放電；外界控制輸入端（5腳）通過0.01uF電容接地。圖1通過仿真，示波器XSC1輸出圖2所示波形。圖2從圖1一中得知：R4=100K,R2=20K,C3=100Nf,C4=10n

12、F。 因此其輸出頻率為1HZ?？梢宰鳛殡娮訒r鐘電路的秒脈沖信號。3.2 時間計數電路 3.2.1 十進制計數器74160 計數器是對CP 脈沖進行計數的時序邏輯電路。如果組成計數器中的各個觸發(fā)器的CP 不是同一信號，這樣的計數器稱異步計數器。本次設計采用6片十進制同步計數器74160組成兩個六十進制的計數器（分、秒）和一個二十四進制計數器（時）。74160如圖所示。74160是中規(guī)模集成的同步十進制加法計數器，有著同步預置數、異步置零和保持的功能。其功能表如表1所示。 圖3 電子時鐘的“分”和“秒”由六十進制計數器實現，“時”由二十四進制計數器實現。因此，就需要用

13、74160接成兩個六十進制和一個二十四進制計數器。多片計數器組合，各級之間的連接方式分串行進位方式、并行進位方式。本次設計采用串行進位的方式。  在串行進位方式中，以低位片的進位輸出信號作為高位片的時鐘輸入信號。兩片74160的EP和ET恒為1，都工作在計數狀態(tài)，第一片每計到9（1001）時，C端輸出變?yōu)楦唠娖剑浄聪嗥骱笫沟诙腃LK端為低電平。下一個計數輸入脈沖到達后，第一片記成0(0000)狀態(tài)，C端跳回低電平，經反相器后使第二片的輸入端產生跳變，于是，第二片計入1。從而，將兩片十進制計數器74160串聯成一個百進制計數器。  得到百進制計數器后，應用整體置零的方法

14、接成六十進制和二十四進制計數器。當計數器從全0狀態(tài)開始計數，計入60個脈沖時，經與非門產生低電平信號，立即將兩片74160同時置零，于是便得到一個六十進制計數器，如圖4。同理，當計入24個脈沖時，經與非門產生的低電平信號立即將兩片74160同時置零，得到二十四進制計數器，如圖5。圖4圖5按“秒”、“分”、“時”的順序，將兩片六十進制計數器和一片二十四進制計數器串聯，便得到完整的電子時鐘計時電路，如圖6。圖6 3.3 顯示電路 數碼管按照其發(fā)光二極管的連接方式不同，可分為共陽極和共陰極兩種。共陰極是指數碼管中所有發(fā)光二極管的陰極連在一起接低電平，而陽極分別由a、b、c、d、e、f、g輸入信號驅動

15、，當某個輸入為高電平時，相應的發(fā)光二極管點亮；共陽極數碼管則相反，它的所有發(fā)光二極管的陽極連在一起接高電平，而陰極分別由a、b、c、d、e、f、g輸入信號驅動，當某個輸入為低電平時，相應的發(fā)光二極管點亮。  由于計數器輸出的是8421BCD碼，數碼管不能直接顯示成數字，為了讓數數碼管顯示人們能看懂的數字，就需要把計數器輸出的8421BCD碼轉換成數碼管顯示的阿拉伯數字，這就需要譯碼器的翻譯。圖7 本設計采用DCD_HEX七段發(fā)光二極管譯碼顯示器。DCD_HEX為共陽極LED數碼管。顯示器引腳從右到左依次為：1,2,3,4。該顯示包含了譯碼功能，所以無需專門的譯碼器。正確的引腳連接方式

16、為：QA接1，QB接2，QC接3，DQ接4。如圖7。3.4 校時電路 數字鐘應具有分校正和時校正功能，因此，應截斷分十位和時十位的直接計數通路，并采用正常計時信號與校正信號可以隨時切換的電路接入其中。  本設計的校時電路的關鍵，是通過開關，控制電路中“秒”到“分”、“分”到“時”的進位輸入端的高低電平的變化，從而實現手動調節(jié)“分”和“時”。  現以分校時電路為例，如圖8。  正常時刻，與非門U17的一端接高電平，另一端接秒十位的進位輸出端，即U13。此時，若秒十位的進位輸出端輸出低電平，則分個位的CLK有低電平信號輸入，得到進位。若秒十位的進位輸出端輸出高電平，則

17、分個位的CLK有高電平信號輸入，因此，無進位。  當接通開關J1，與非門一端接地，即為低電平，另一端還是接到秒十位的進位輸出端。此時，無論秒十位的進位輸出端輸出高電平還是低電平，經與非門U17輸出的均為高電平，經非門U19得到低電平，并輸入到分個位的CLK，使其得到進位，實現“分”加1。J1為單刀雙擲的跳變開關，即按下M鍵開關閉合，松開M鍵開關隨之斷開。所以，可以通過連續(xù)按下M鍵連續(xù)增加“分”。時校時與分校時同理，連續(xù)按下H鍵（控制開關J2的閉合與斷開）便可連續(xù)增加“時”。因此，通過控制開關J1和J2的斷開與閉合，便可得到想要校正的時刻。要強調的是，此種校時方法是可以實現進位的。即，

18、當“分”顯示為59時，再按M，“時”顯示便會加1，同時“分”顯示清零。但當“時”顯示為23時，再按H，“時”清零，但“分”顯示會繼續(xù)按原狀態(tài)計數。圖83.5 整點報時電路 該部分電路的關鍵是通過開關J3的閉合與斷開來控制信號源信號輸入到蜂鳴器，從而使嗡鳴器發(fā)出聲音。本設計用燈泡X1的閃爍來代替蜂鳴器的發(fā)聲。電路如圖所示。  當電路計時到59分50秒時，電路經三個與門U21、U22、U23，輸出高電平，使得電壓控制開關J3中獲得電流（J3的開啟電壓設置要小于信號源電壓值），從而控制開關閉合，燈泡與信號源接通，電燈亮起。又由于信號源與提供秒脈沖信號源的信號一致，均是多諧振蕩器產生的頻率為

19、1HZ的脈沖信號，因此，開關J3閉合后，因秒脈沖信號的作用，電燈X1出現閃爍狀態(tài)，閃爍持續(xù)到“時”得到進位（持續(xù)10秒）?！皶r”得到進位后，經三個與門輸出為低電平，因此，開關J3斷開，燈泡X1與信號源斷開，閃爍停止，等待下一次高電平的出現（×時59分50秒）。圖93.6 鬧鐘功能電路3.6.1 4位數值比較器74LS85  在一些數字系統(tǒng)當中經常要求比較兩個數圖10值的大小。為完成這一功能所設計的邏輯電路稱為數值比較器。 如圖10為1位數值比較器。AB為A>B；AB為A=B；AB為A<B。在比較兩個多位數時，必須自高到低地逐級比較，而且只有在高位相等時

20、才需比較低位。例如，A、B是兩個4位二進制數A3A2A1A0和B3B2B1B0。進行比較時應首先比較A3和B3。如果A3>B3，那么不管其他幾位數各位何值，可定是A>B，反之A<B。如果A=B就必須通過比較下一位A2和B2來判斷A和B的大小了。依次類推，定能比出結果。該設計需要比較出A=B，即當時鐘顯示數字所對應的二進制數與鬧鐘設定的二進制數相等時，鬧鐘響起（本設計用燈泡的閃爍代替蜂鳴器的發(fā)聲）。  A=B的邏輯函數表達式為：  Y=(A3B3)(A2B2)(A1B1)(A0B0)I（A=B） 圖11為4為數值比較器74LS85圖11 可以將兩片

21、以上的74LS85可以組合成位數更多的數值比較器電路。只要將兩個數的高4位接到第二片75LS85上，而將低4位接到第一片74LSA85上，同時把第一片的Y接到第二片的I上就行了（即：OAGTB接AGTB，OAEQB接AEQB，OALTB接ALTB）。 如圖12為兩片74LS85組成的8為數值比較器。圖12第4章 方案制作與安裝4.1 完整鬧鐘電路鬧鐘電路要完成對所設置鬧鐘時刻與時鐘顯示時刻的比較。比較的數值包括時十位、是個位、分十位、分個位，并按從高到低的順序逐級比較。因此，本次設計采用4片74LS85和4個撥碼開關構成鬧鐘電路。將時鐘電路顯示十進制數對應的二進制數A與撥碼開關所設置

22、的鬧鐘時刻B做比較。從時十位到分個位，逐級比較，若均分別相等，即為A=B，此時從最低位（分個位）對應的比較器74LS85圖13（U27）的OAEQB輸出高電平。高電平是開關J8閉合，燈泡X2與脈沖信號相連，閃爍（開關J8的功能和要求與整點報時電路中J3的功能相同）。完整鬧鐘功能電路如圖13所示。4.2 完整電路含有以上所述功能的完整的數字電子鐘 Multisim 仿真電路圖如圖14所示。圖144.3 設計校準電路 在實際生活中，由于各種各樣的原因，可能會使數字鐘計時不準。當數字鐘計時出現誤差時，必須對時間進行校正，通常稱為“校時”。校時是數字鐘應圖15該具備的基本功能，要求能對時和分進行校對。

23、 對校時電路的設計要求是，在進行小時校正時，不影響分和秒計數器的正常計數。這時就要進行手動或者自動的校準，若采用自動校準，由于脈沖一直存在，所以校準的時候會帶來不便。因此本次設計采用手動校準。校準脈沖即為秒進位脈沖或者分進位脈沖。圖15所示電路為校“時”電路、?！胺帧彪娐罚渲蠮1為?！胺帧笨刂崎_關，J2為?！皶r”控制開關，J3為總的校時開關。其中當總校時開關打到校準檔時手動校準開始。校準時總開關接5V直流電源，輸入為高電平，經過一個反相器輸出低電平，輸入的信號經過三個與非門低電平 0，送到分計時器的個位計數器，就可以進行校分。，同理也可以進行校時。設計的校準電路如圖16所示。圖16第5章 電

24、路的仿真與調試1可以先將系統(tǒng)劃分為多諧振蕩器、計數器、校準電路、 譯碼顯示等部分對它們分別進行設計與調試最后聯機統(tǒng) 調。 2各部件調試完畢后用示波器或頻率計觀察石英晶體 振蕩器的輸出頻率 3將頻率為1Hz的標準秒脈沖信號分別送入“時“分”、“秒”計數器檢查各級計數器的工作狀況。 4各部件調試正常后進行組裝聯調檢查校準電路是 否可以實現快速校時最后對系統(tǒng)進行微調。 5仿真調試完畢后得電子時鐘總電路如圖17所示。圖17總結  通過這次課程設計，加強了我們動手、思考和解決問題的能力。經過兩周的努力，基本上完成了課題，在完成課題過程中，同時我們的實踐能力增強了許多，而且在理論上也有了更深的認

25、識。實習的過程實際上就是能力提高的過程。我沉得做課程設計同時也是對課本知識的鞏固和加強，由于課本上的知識太多，平時課間的學習并不能很好的理解和運用各個元件的功能，而且考試內容有限，所以在這次課程設計過程中，我們了解了很多元件的功能，并且對于其在電路中的使用有了更多的認識。平時看課本時，有時問題老是弄不懂，做完課程設計，那些問題就迎刃而解了。而且還可以記住很多東西。比如一些芯片的功能，平時看課本，這次看了，下次就忘了，通過動手實踐讓我們對各個元件映象深刻。認識來源于實踐，實踐是認識的動力和最終目的，實踐是檢驗真理的唯一標準。所以這個期末測試之后的課程設計對我們的作用是非常大的。剛開始設計時，我們

26、覺得無從下手，在經過一番資料查找與討論后，我們發(fā)現它其實并不是很難懂，只是還不會靈活運用。這次課程設計我們學會了一種設計的思想。把問題分成多個模塊，一一拆解開來。再逐一加以分析，最終解決問題?；仡^看看我們的設計，還存在一些問題，本次課程設計中，老師只對我們進行了宏觀的基本的指導，在設計過程中，完全放手讓我們自己搞。這樣對我們來說是一種極大的考驗，也是我們最好的鍛煉自己單獨解決問題的能力的時候！針對老師提出的課程設計問題，自己獨立進行設計。通過動腦動手及查閱圖書資料文獻等多種途徑解決問題，鞏固和運用了在“模擬電子技術”、“數字電子技術”及“電路分析”等課程中所學的理論知識和實驗技能，基本掌握了常

27、用電子電路的一般設計方法，提高了設計能力和實驗技能，為以后從事電子電路設計、研制電子產品打下了基礎。這種經歷對我們來說，無疑是非常寶貴的！  與其他課題相比較，這個課題中接線較為復雜，因此可就更能考驗全局布線的統(tǒng)籌觀。電路的接線工藝是本設計可以實現的很重要的因數。由于接線較為復雜，因此更能體現實踐課程的特色。在報告制作中，電路圖的繪制也是一中鍛煉，我們?yōu)榇擞謱W習了繪圖軟件的用法與操作。  在整個課設工程中，我們同學之間進行了大量的技術交流與合作。一起攻克難題，又增進了大家的友誼。也培養(yǎng)出了我們同學之間的這種合作精神。通過這種合作，大家一起討論解決問題，共同查閱資料。合作雙方能否融洽的合作其實也是考核的一個很重要的方面。生活就是這樣，汗水預示著結果也見證著收獲。勞動是人類生存生活永