數(shù)電課程設計7202424998

1、課程設計任務書學生姓名： 專業(yè)班級：通信0804指導教師：劉雪冬 工作單位：信息工程學院題 目: 多功能數(shù)字鐘電路設計初始條件：模電數(shù)電等相關基礎知識，能使用multisim等相關軟件要求完成的主要任務: （包括課程設計工作量及其技術要求，以及說明書撰寫等具體要求）1. 完成本題目的理論設計，相關參數(shù)符號設計目的2. 對理論設計方案進行實物測試或仿真分析，并與理論結果進行對比3. 完成不少于20頁的設計報告，詳細說明理論設計過程以及測試/仿真分析結果時間安排：7.5： 理論設計7.67.7：安裝調試或仿真7.8： 撰寫報告7.9： 答辯指導教師簽名：2010年 7月 9日系主任簽名： 2010

2、年 7 月 9 日目 錄摘 要4Abstract51 數(shù)字鐘功能要求61.1基本功能61.2擴展功能62電路設計方案72.1 多功能數(shù)字鐘組成框圖72.2設計思路72.3完整電路圖及工作原理73單位電路設計方案93.1振蕩器93.1.1晶體振蕩器93.1.2多諧振蕩器103.2分頻器113.3秒、分、時計時器電路設計133.3.1 60進制計數(shù)器133.3.2 24進制計數(shù)器153.4譯碼顯示電路163.5校時電路174仿真結果及遇到的問題194.1仿真調試方法及結果194.2仿真時遇到的問題及影響因素194.2.1 Multisim10中仿真時間步長與真實時間的不一致性194.2.2 Mul

3、tisim10中仿真時間步長與數(shù)碼顯示管的類型有關195 心得體會216 參考文獻22附錄：元件清單23多功能數(shù)字鐘電路設計摘要所謂數(shù)字鐘，是指利用電子電路構成的計時器。相對機械鐘而言，數(shù)字鐘能實現(xiàn)準確計時，并顯示時，分，秒，而且可以方便，準確的對時間進行調節(jié)。在此基礎上，還可以實現(xiàn)整點報時，時間校準等功能。因此，數(shù)字鐘的應用十分廣泛。通過這次的課程設計掌握數(shù)字鐘的原理，學會設計簡單的數(shù)字鐘。設計過程采用系統(tǒng)設計的方法，先分析任務，得到系統(tǒng)和要求，然后進行總體設計，劃分子系統(tǒng)，然后進行詳細設計，確定各個功能子系統(tǒng)中的內(nèi)部電路，畫出完整電路圖，進行仿真調試，在改進之后做成實物。關鍵詞：數(shù)字鐘 m

4、ultisim 仿真 設計方案AbstractSo-called digital clock, refers to the use of the electronic circuits. Relative mechanical clock, digital clock can realize accurate timing and display, and, second, to accurately time convenient to adjust. On this basis, also can achieve on time, time, etc. Therefore, the dig

5、ital clock used widely. Through this course design principle, the master clock to design simple digital clock.Design process using system design method, the first task analysis, system and overall design requirements, and then dividing subsystems, and the detailed design, make sure each functional s

6、ubsystems of internal circuit, paint, complete circuit simulation testing, after improvement made in object.Keywords:digital clock multisim simulation Design scheme1 數(shù)字鐘功能要求1.1基本功能（1） 準確計時，以數(shù)字形式顯示時，分，秒的時間（2） 小時的計時要求24進制或12進制，分秒為60進制（3） 可校正時間1.2擴展功能 （1）定時控制 （2）仿廣播電臺正點報時 （3）報整點時數(shù) （4）觸摸報整點時數(shù)2電路設計方案2.1

7、多功能數(shù)字鐘組成框圖 圖1 多功能數(shù)字鐘系統(tǒng)組成框圖2.2設計思路根據(jù)數(shù)字鐘的設計思路，可以將它分為七個單元電路：秒脈沖電路，計時電路，譯碼電路，顯示電路，調時調分控制電路，整點報時電路，清零控制電路。它們之間的連接關系見原理方框圖。利用555定時器構成多諧振蕩器，調整其電阻和電容大小，使其輸出信號頻率為1KHz，再利用三個74LS90分頻使輸出信號頻率為1Hz，即構成了秒脈沖發(fā)生器。用兩片74LS90級聯(lián)構成60進制計數(shù)器，用來計“秒”，其CP輸入為秒脈沖；另兩片74LS90級聯(lián)構成60進制計數(shù)器，用來計“分”，其CP輸入為“秒”變?yōu)?時產(chǎn)生的一個下降沿信號；還有兩片74LS90級聯(lián)構成24

8、進制計數(shù)器，用來計“時”，其CP輸入為“分”變0時產(chǎn)生的一個下降沿信號。這樣六片74LS90實現(xiàn)了數(shù)字鐘的計時功能。它們的輸出用六片數(shù)碼管顯示，之間接六片74LS48譯碼器構成顯示驅動電路。再用與非門設計使用開關來調節(jié)進位脈沖和校時脈沖的輸入以達到校時的目的。2.3完整電路圖及工作原理 完整電路圖如圖2 圖2 多功能數(shù)字鐘電路圖工作原理：振蕩器產(chǎn)生的穩(wěn)定高頻脈沖信號，作為數(shù)字鐘的時間基準，再經(jīng)分頻器輸出標準秒脈沖。秒計時器記滿60后向分計時器進位，分計時器記滿60后向時計時器進位，時計時器按24進制計數(shù)。計時器輸出經(jīng)譯碼器送顯示器。計時出現(xiàn)差錯時可用校時校分進行調整。擴展電路必須在主體電路正常

9、運行情況下才能進行功能擴展。由于條件有限，所以只進行了主體電路的設計與制作。3單位電路設計方案3.1振蕩器振蕩器是數(shù)字鐘的核心。振蕩器的穩(wěn)定度及頻率的精確度決定了數(shù)字鐘的準確程度，通常選用石英晶體構成振蕩器電路。一般來說，振蕩器的頻率越高，計時精度越高。3.1.1晶體振蕩器下圖為電子手表集成電路（5C702）中的晶體振蕩器電路，在精度要求不高的條件下，可以采用由邏輯門與RC組成的時鐘源振蕩器或由集成電路定時器555與RC組成的多諧振蕩器。本設計采用的是555構成的多諧振蕩器，設計振蕩頻率為1Hz。 圖3 晶體振蕩器3.1.2多諧振蕩器如果精度要求不高，則可采用由集成邏輯門與R，C組成的時鐘源振

10、蕩器或由集成電路定時器555與R，C組成的多諧振蕩器。 本設計由于不需較高精度及實際問題，故采用555定時器組成的多諧振蕩器，輸出信號為1KHz。圖4 555定時器振蕩器由555定時器構成。在555定時器的外部接適當?shù)碾娮韬碗娙菰嫵啥嘀C振蕩器，再選擇元件參數(shù)使其發(fā)出標準秒信號。555定時器的功能主要由上、下兩個比較器1、2的工作狀況決定。比較器的參考電壓由分壓器提供,在電源與地端之間加上電壓,且控制端懸空,則上比較器1的反相端“-”加上的參考電壓為2/3,下比較器2的同相端“+”加上的參考電壓為1/3。若觸發(fā)端 的輸入電壓21/3,下比較器2輸出為“1”電平,觸發(fā)器的輸入端接受“1”信號,

11、可使觸發(fā)器輸出端為“1”,從而使整個555電路輸出為“1”;若閾值端的輸入電壓62/3,上比較器1輸出為“1”電平,觸發(fā)器的輸入端接受“1”信號,可使觸發(fā)器輸出端為“0”,從而使整個555電路輸出為“0”。控制電壓端外加電壓可改變兩個比較器的參考電壓,不用時,通常將它通過電容(0.01左右)接地。放電管1的輸出端為集電極開路輸出,其集電極最大電流可達50,因此,具有較大的帶灌電流負載能力。若復位端 加低電平或接地,可使電路強制復位,不管555電路原處于什么狀態(tài),均可使它的輸出為“0”電平。只要在555定時器電路外部配上兩個電阻及兩個電容元件,并將某些引腳相連,就可方便地構成多諧振蕩器。 由55

12、5定時器構成的多諧振蕩器如圖5圖5 多諧振蕩器3.2分頻器分頻器的功能主要有兩個：一是產(chǎn)生標準秒脈沖信號；二是提供擴展電路所需的信號，如仿電臺報時用的1kHz的高頻信號和500Hz的低頻信號等。設計時采用3片中規(guī)模集成電路計數(shù)器74LS90完成電路設計。每片計數(shù)器為十分頻，三片級聯(lián)則可將1KHz的信號分頻為1Hz第一片QA輸出500Hz，第二片QD輸出10Hz，第三片QD輸出1Hz。圖6 分頻器設計時使用的74LS90計數(shù)器功能如下：集成異步十進制計數(shù)器74LS90它是二-五-十進制計數(shù)器，、若將Qa與CKB相連從CKA輸入計數(shù)脈沖其輸出Qd、Qc、Qb、Qa便成為8421碼十進制計數(shù)器；若將

13、Qd與CKA相連，從CKB輸入計數(shù)脈沖其輸出Qd、Qc、QbQa便成為5421碼十進制計數(shù)器。74LS90具有異步清零和異步置九功能。當R0全是高電平，R9至少有一個為低電平時，實現(xiàn)異步清零。當R0至少有一個低電平，R9全是高電平時，實現(xiàn)異步置九。當R0、R9為低電平時，實現(xiàn)計數(shù)功能。 如圖7為74LS90構成的8421BCD碼十進制計數(shù)器，圖8為5421BCD碼十進制計數(shù)器。圖7 8421碼十進制圖8 5421碼十進制輸入輸出R01 R02 R91 R92 CP1 CP2Qd Qc Qb QA功能H H L ×××H H × L××

14、L × H H××× L H H××L L L LL L L LH L L HH L L H異步清0異步清0異步置9異步置9× L × L×× L L ××L ×× L×L × L × QD 二進制五進制 8421BCD 5421BCD計計數(shù)表1 74LS90功能表3.3秒、分、時計時器電路設計3.3.1 60進制計數(shù)器（1） 選用74LS92做十位計數(shù)器，74LS90做個位計數(shù)器，再將它們級聯(lián)組成模數(shù)為60的計數(shù)器。如圖9圖

15、9 60進制計數(shù)器（2） 選用兩片74LS90級聯(lián)做成60進制計數(shù)器。通過74LS90的S01和S02端同時為1時置0的特性，將兩片的S01和S02分別與高位片的QB,QC相連，以達到60進位的目的。如圖10圖10 74LS90構成的60進制計數(shù)器3.3.2 24進制計數(shù)器（1） 用74LS161級聯(lián)制成24進制計數(shù)器圖11 74LS161構成的24進制計數(shù)器（2） 用74LS90級聯(lián)制成24進制計數(shù)器由74LS90構成的二十進制計數(shù)器，將兩片74LS90設置為十進制計數(shù)器，個位計數(shù)狀態(tài)為Qd Qc Qb Qa = 0100十位計數(shù)狀態(tài)為Qd Qc Qb Qa = 0010時，要求計數(shù)器歸零。

16、通過把個位Qc、十位Qb相與后的信號送到個位、十位計數(shù)器的清零端，使計數(shù)器清零，從而構成24進制計數(shù)器。如圖12.圖12 74LS90構成的24進制計數(shù)器由于實際設計問題，故時分秒計時器都采用相同的74LS90構成的計數(shù)器，這樣在設計和購買元件時都較方便。3.4譯碼顯示電路圖12 譯碼顯示電路譯碼電路的功能是將秒、分、時計數(shù)器的輸出代碼進行翻譯，變成相應的數(shù)字。用與驅動LED七段數(shù)碼管的譯碼器常用的有74LS48。74LS48是BCD-7段譯碼器/驅動器，輸出高電平有效，專用于驅動LED七段共陰極顯示數(shù)碼管。若將秒、分、時計數(shù)器的每位輸出分別送到相應七段譯嗎管的輸入端，便可以進行不同數(shù)字的顯示

17、。在譯碼管輸出與數(shù)碼管之間串聯(lián)電阻R作為限流電阻。如圖123.5校時電路(1)校時電路是數(shù)字鐘不可缺少的部分，每當數(shù)字鐘與實際時間不符時，需要根據(jù)標準時間進行校時。K1、K2分別是時校正、分校正開關。不校正時，K1、K2開關是閉和的。當校正時位時，需要把K1開關打開，然后用手撥動K3開關，來回撥動一次，就能使時位增加1，根據(jù)需要去撥動開關的次數(shù)，校正完畢后把K1開關閉上。校正分位時和校正時位的方法一樣。其電路圖如下:圖13 校正電路(2) J1,J2分別為時分的校準開關，當開關打開時CP端由低位片的進位脈沖控制，此時正常計數(shù)；當開關關閉時CP端由1Hz的校時脈沖控制，此時進行校準。電容可以起到

18、防抖動的作用，設計時采用了這個校時電路。如圖14圖14 校準電路4仿真結果及遇到的問題4.1仿真調試方法及結果（1） 將校時電路的開關J1,J2都打開。數(shù)字鐘進行計數(shù)，分秒為60進1，時為24進1，當分秒計數(shù)為60時立刻清零，當時計數(shù)為24時立刻清零。（2） 當J1打開，J2關閉時，分的進位由校準脈沖控制，每秒進1而不受秒的進位影響，時的進位由分控制，當分記滿60時進1，時的計數(shù)加1。（3） 當J1關閉，J2打開時，時的進位由校準脈沖控制，每秒進1而不受分的進位影響，分的進位由秒控制，當秒記滿60時進1，分的計數(shù)加1。（4） 當J1,J2都關閉時，分的進位由校準脈沖控制，每秒進1而不受秒的進位

19、影響，時的進位由校準脈沖控制，每秒進1而不受分的進位影響。4.2仿真時遇到的問題及影響因素4.2.1 Multisim10中仿真時間步長與真實時間的不一致性用Multisim10仿真一個數(shù)字頻率計數(shù)器，單個模塊仿真很順利，無論是計數(shù)部分還是秒脈沖發(fā)生電路都正常工作，但最后連起來仿真的時候就出現(xiàn)不同，由于要測量1s內(nèi)的輸入信號的頻率，按道理說如果輸入信號是100Hz的話，應該在1s后在數(shù)碼管顯示出"100”的字樣。 然而，Multisim不知道是出于什么樣的考慮，如果信號頻率調高的話，它會自動延長軟件環(huán)境中的時間，于是，現(xiàn)實中的1s在軟件中居然才是ms級的時間。要在Multisim中模

20、擬1s的波形的話，要等上20min的時間才可以。而且輸入波形的頻率越高，仿真1s所需的時間還會更長4.2.2 Multisim10中仿真時間步長與數(shù)碼顯示管的類型有關如果將我使用的七段顯示數(shù)碼管去除的話，仿真速度明顯加快，數(shù)碼管類型的選取也直接影響仿真的快慢。 于是，設計時把庫中的幾種類型的數(shù)碼管都拿出來試驗一下，最終發(fā)現(xiàn)，加cd4511的七段顯示數(shù)碼管SEVEN_SEG_COM處理信號的速度最慢，換成四段帶譯碼的顯示數(shù)碼管DCD_HEX之后仿真速度提升了8倍左右，而換成相似的DCD_HEX_DIG之后，速度更快，可以提升10倍左右。這樣就容易仿真測量較高頻率的輸入信號。實驗表明，200Hz的

21、信號僅需現(xiàn)實中的20s左右就可以仿真完成了。 下面是接不同類型數(shù)碼管的仿真步長時間對比：圖15 用加cd4511的七段顯示數(shù)碼管SEVEN_SEG_COM，在現(xiàn)實中20s內(nèi)的仿真計數(shù)值圖16 用四段帶譯碼的顯示數(shù)碼管DCD_HEX，在相同的輸入脈沖條件下，20s內(nèi)的仿真計數(shù)值由此可見，不同的數(shù)碼管會對multisim10中仿真所需的時間產(chǎn)生很大的影響，允許的情況下，還是用四段帶譯碼的顯示數(shù)碼管DCD_HEX比較有利于我們的仿真輸出。另外，如果電路中沒有數(shù)碼管的話，要加快仿真時間可以添加一個信號源(不用接入主電路)；其頻率設到想要的步長時間的倒數(shù)即可，同時配合Multisim10中交互仿真設置中的初始時間步長的設置就可以對不同的輸入頻率均可達到便于觀察的仿真速度。5 心得體會 課程設計是一個很好的動手實踐機會，既可以幫助我們加深對所學知識的理解，又能提高我們運用知識，聯(lián)系實際，動手實踐的能力。而且在設計過程中可能用到我們沒學過的知識，需要我們?nèi)ゲ殚嗁Y料獲取相關信息，這又提高了我們查找信息和學習新知識的能力。在設計電路時，我要聯(lián)系所有的以學知識，設計出電路，并分析所有的可能設計之間的差異性，各自的優(yōu)