課程設(shè)計(jì) 數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)

1、淮海工學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)課程名稱：數(shù)電技術(shù)課程設(shè)計(jì)題 目：數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)系 （院）： 電子工程學(xué)院 學(xué) 期：專業(yè)班級(jí)：姓 名：學(xué) 號(hào)：評(píng)語(yǔ)：成績(jī)：簽名：日期：1 緒論現(xiàn)在我國(guó)的電子業(yè)發(fā)展非?？焖伲娮訕I(yè)的發(fā)展有利于鐘表業(yè)的發(fā)展。在中國(guó)鐘表發(fā)展史上，國(guó)產(chǎn)機(jī)芯研制的失敗已經(jīng)成為過(guò)去，“組裝業(yè)”作為新興鐘表工業(yè)的起步階段也已成為過(guò)去。一支新的充滿智慧的鐘表精英在成長(zhǎng)。我們相信在科技高速發(fā)展的今天，鐘表業(yè)運(yùn)用當(dāng)今材料工業(yè)、電子工業(yè)和其他領(lǐng)域的最新技術(shù)，一定會(huì)生產(chǎn)出代表中國(guó)科學(xué)水平的產(chǎn)品。我們希望鐘表業(yè)的精英們?cè)谔岣咧圃旒夹g(shù)水平中不斷創(chuàng)新，培育出擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的品牌。這正是中國(guó)鐘表業(yè)發(fā)展的希望。數(shù)字鐘被

2、廣泛用于個(gè)人家庭,車站, 碼頭、辦公室等公共場(chǎng)所,成為人們?nèi)粘Ｉ钪械谋匦杵?。由于?shù)字集成電路的發(fā)展和石英晶體振蕩器的廣泛應(yīng)用,使得數(shù)字鐘的精度,運(yùn)用超過(guò)老式鐘表, 鐘表的數(shù)字化給人們生產(chǎn)生活帶來(lái)了極大的方便，而且大大地?cái)U(kuò)展了鐘表原先的報(bào)時(shí)功能。諸如定時(shí)自動(dòng)報(bào)警、按時(shí)自動(dòng)打鈴、時(shí)間程序自動(dòng)控制、定時(shí)廣播、自動(dòng)起閉路燈、定時(shí)開(kāi)關(guān)烘箱、通斷動(dòng)力設(shè)備、甚至各種定時(shí)電氣的自動(dòng)啟用等，所有這些，都是以鐘表數(shù)字化為基礎(chǔ)的。因此，研究數(shù)字鐘及擴(kuò)大其應(yīng)用，有著非?，F(xiàn)實(shí)的意義。2 設(shè)計(jì)目的1、鞏固加深對(duì)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)的理解，提高綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力，熟悉集成電路的使用方法。2、通過(guò)查找資料、選方案、設(shè)計(jì)

3、電路、仿真或調(diào)試、寫(xiě)報(bào)告等環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問(wèn)題、解決問(wèn)題能力。3、了解電子線路設(shè)計(jì)的工程、工藝技術(shù)規(guī)范，學(xué)會(huì)書(shū)寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。 4、了解與掌握常用電子儀器的使用方法，及簡(jiǎn)單的制版、焊接、組裝、調(diào)試工藝過(guò)程。5、培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)肅、認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度和工作作風(fēng)。6、掌握數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)、組裝與調(diào)試方法。3 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求1、設(shè)計(jì)一個(gè)具有“時(shí)”、“分”、“秒”顯示的電子鐘（23小時(shí)59分59秒）。應(yīng)具有校時(shí)功能。2、用中小規(guī)模集成電路組成電子鐘，并在實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行組裝、調(diào)試。3、畫(huà)出框圖和邏輯電路圖，寫(xiě)出設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)總結(jié)報(bào)告。4 系統(tǒng)框圖振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)分頻器作為產(chǎn)生秒脈沖，秒脈沖送入計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)結(jié)果

4、經(jīng)過(guò)“時(shí)”、“分”、“秒”，譯碼器，顯示器顯示時(shí)間。其中振蕩器和分頻器組成標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)發(fā)生器，由不同進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，譯碼器和顯示電路組成計(jì)時(shí)系統(tǒng)。秒信號(hào)送入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，把累計(jì)的結(jié)果以“時(shí)”，“分”、“秒”的數(shù)字顯示出來(lái)?！皶r(shí)”顯示由二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器，譯碼器，顯示器構(gòu)成；“分”、“秒”顯示分別由六十進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，譯碼器，顯示器構(gòu)成；校時(shí)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)，分的校準(zhǔn)。數(shù)字時(shí)鐘基本原理的邏輯框圖如下所示：圖1 數(shù)字時(shí)鐘基本原理的邏輯框圖5 單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和器件選擇由圖1的數(shù)字時(shí)鐘基本原理的邏輯框圖知其由振蕩器、分頻器、計(jì)數(shù)器、譯碼器、顯示器、校正電路組成。5.1 振蕩器4MHz的石英晶體構(gòu)成振

5、蕩器。74LS160構(gòu)成分頻器，對(duì)石英晶體振蕩器分頻。74LS160分別組成六十進(jìn)制的秒計(jì)數(shù)器、六十進(jìn)制分計(jì)數(shù)器、二十四進(jìn)制時(shí)計(jì)數(shù)器。用74LS00及74LS04芯片構(gòu)成時(shí)間校準(zhǔn)電路。使用由4MHz的石英晶體振蕩器和由74LS160構(gòu)成的分頻器構(gòu)成的產(chǎn)生震蕩周期為一秒的標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖，把振蕩周期為一秒的標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖輸入秒計(jì)數(shù)中，把秒計(jì)數(shù)器地進(jìn)位輸出作為分計(jì)數(shù)器的CP脈沖，分計(jì)數(shù)器的進(jìn)位輸出作為時(shí)計(jì)數(shù)器的CP脈沖。由于4MHz石英晶體振蕩器產(chǎn)生的頻率為4MHz，造成分頻電路復(fù)雜，整個(gè)電路分頻較困難，信號(hào)發(fā)生電路比較復(fù)雜。而555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器的震蕩頻率輸出信號(hào)頻率為100Hz，分頻電路比較容易

6、實(shí)現(xiàn)。整體信號(hào)發(fā)生電路簡(jiǎn)單。555定時(shí)器（又稱時(shí)基電路）是一個(gè)模擬與數(shù)字混合型的集成電路。555定時(shí)器是一種應(yīng)用極為廣泛的中規(guī)模集成電路。該電路使用靈活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以構(gòu)成單穩(wěn)、多諧和施密特觸發(fā)器。因而廣泛用于信號(hào)的產(chǎn)生、變換、控制與檢測(cè)。目前生產(chǎn)的定時(shí)器有雙極型和CMOS兩種類型，其型號(hào)分別有NE555(或5G555)和C7555等多種。它們的結(jié)構(gòu)及工作原理基本相同。通常，雙極型定時(shí)器具有較大的驅(qū)動(dòng)能力，而CMOS定時(shí)器具有低功耗、輸入阻抗高等優(yōu)點(diǎn)。555定時(shí)器工作的電源電壓很寬，并可承受較大的負(fù)載電流。雙極型定時(shí)器電源電壓范圍為516V，最大負(fù)載電流可達(dá)200mA；CM

7、OS定時(shí)器電源電壓范圍為318V，最大負(fù)載電流在4mA以下。采用集成電路555定時(shí)器與RC組成多諧振蕩器，如圖2所示。 圖2 集成電路555定時(shí)器與RC組成多諧振蕩器 圖3 555多諧振蕩器仿真結(jié)果555定時(shí)器組成多諧振蕩器，多諧振蕩器產(chǎn)生OUT的信號(hào)頻率。電阻、電容參數(shù)值計(jì)算如下： C2為電路的濾波電容，提高電路的穩(wěn)定性，一般選取0.01F.因?yàn)樾盘?hào)發(fā)生電路頻率為1Hz，所以其3腳輸出的信號(hào)周期為0.01s .555定時(shí)器組成的多諧振蕩器頻率計(jì)算公式：選取以上的電阻、電容，多諧振蕩器產(chǎn)生100Hz信號(hào)。表1555定時(shí)器的功能表清零端RET高觸發(fā)端THR低觸發(fā)端TRIQn+1放電管T功能00導(dǎo)

8、通直接清零10導(dǎo)通置011截止置11Qn不變保持5.2 分頻器分頻器的功能主要有兩個(gè)：一個(gè)是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)；二是提供功能擴(kuò)展電路所需要的信號(hào)，如仿電臺(tái)報(bào)時(shí)用的1000Hz的高音頻信號(hào)和500Hz的低音頻信號(hào)等。在本設(shè)計(jì)過(guò)程中將多次用到74LS160，這里對(duì)它的引腳圖以及功能做一下介紹（如表2、表3、表4）。表2設(shè)計(jì)過(guò)程中所畫(huà)的圖中74LS160的引腳介紹74LS160邏輯符號(hào)各引腳端名稱A B C D置數(shù)端QA QB QC QD輸出端ENT ENP工作狀態(tài)控制端CLK信號(hào)輸入端LOAD預(yù)置數(shù)控制端CLR異步置零（復(fù)位）端RCO進(jìn)位輸出端表374LS160的功能表74LS160的功能表CLK

9、CLRLOADENP ENT工作狀態(tài)×0×××置零10××預(yù)置數(shù)×110 1保持×11× 0保持（RCO=0）111 1計(jì)數(shù)表474LS160的真值表74LS160的真值表CLKQDQCQBQA00000100012001030011401005010160110701118100091001100000通過(guò)對(duì)74LS160的功能表（表2）的觀察可知，使用74LS160實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的功能時(shí)，ENP端和ENT端均要接1，CLK端和ROAD端不用的要接1。振蕩器產(chǎn)生的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)通常頻率很高，要使它變成能

10、用來(lái)計(jì)時(shí)的“秒”信號(hào)，需要用分頻器來(lái)完成。分頻器的級(jí)數(shù)和每級(jí)的分頻次數(shù)要根據(jù)振蕩頻率及時(shí)基頻率來(lái)決定。若選用的時(shí)基頻率為100Hz，因此分頻器采用了2級(jí)74LS160作分頻器。圖4 分頻器及邏輯分析儀分析 使用Multisim11軟件進(jìn)行分析，采用1KHz的信號(hào)進(jìn)行模擬分析，可看到頻率被逐級(jí)分頻。當(dāng)信號(hào)通過(guò)第一級(jí)分頻器時(shí)，信號(hào)變?yōu)?00Hz，到第二級(jí)時(shí)，信號(hào)變?yōu)?0Hz。（第一行為第一級(jí)仿真信號(hào)，第二行為第二級(jí)仿真信號(hào)）本次課程設(shè)計(jì)使用555定時(shí)器所構(gòu)成的諧振電路，可直接產(chǎn)生1Hz電路，故不使用分頻器。即通過(guò)調(diào)整R3阻值變化或者調(diào)整C2電容值來(lái)完成。5.3 譯碼器與顯示器74LS247是驅(qū)動(dòng)共

11、陽(yáng)極數(shù)碼管的顯示譯碼器。圖5為74LS247的邏輯符號(hào)及引腳排列圖。LED數(shù)碼顯示器是一種七段顯示器，它由七個(gè)發(fā)光二級(jí)管裝封而成，如圖 所示，七段的不同組合能顯示出十個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字。 圖5 LED和譯碼器本次課程設(shè)計(jì)采用將LED和譯碼器集成好的DCD_HEX，如圖6所示。圖6 DCD_HEX5.4 計(jì)數(shù)器5.4.1 60進(jìn)制數(shù)因?yàn)槊胗?jì)時(shí)，和分計(jì)時(shí)都是六十進(jìn)制計(jì)數(shù)，所以在此將它們歸在一起。秒計(jì)時(shí)電路使用原理為六十進(jìn)制計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器記到59時(shí)，再來(lái)一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，計(jì)數(shù)器進(jìn)位輸出變?yōu)?，送到更高一級(jí)的計(jì)數(shù)電路中去，同時(shí)自身置0。下面是六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器具體工作原理：選用2片74LS160來(lái)實(shí)現(xiàn)60進(jìn)制同步遞

12、增計(jì)數(shù)器，其中個(gè)位數(shù)計(jì)數(shù)器接成十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。十位計(jì)數(shù)器選用QC與QB做反饋端，經(jīng)與非門74LS00輸出控制端控制清零端，接成六進(jìn)制形式。其中分個(gè)位、秒個(gè)位及時(shí)個(gè)位是十進(jìn)制，分十位和秒十位是六進(jìn)制現(xiàn)。十位只能顯示0,1,2,3,4,5數(shù)字。XFG1為信號(hào)發(fā)生器，來(lái)提供脈沖信號(hào)進(jìn)行仿真。60時(shí)進(jìn)制電路結(jié)構(gòu)如圖7所示： 圖7 60進(jìn)制顯示電路原理圖 圖8 邏輯分析儀分析60進(jìn)制電路波形圖6，7，8，9，2，3，4，5端分別接到各位計(jì)數(shù)器QA,QB,QC,QD和十進(jìn)制計(jì)數(shù)器QA,QB,QC,QD端完成仿真。從圖8邏輯分析儀分析60進(jìn)制電路波形圖可以看出各位計(jì)數(shù)器和十位計(jì)數(shù)器QDQCQBQA的變化符合表

13、4 74LS160的真值表變化，各位計(jì)數(shù)器QDQCQBQA從0000到1001到1000。十位計(jì)數(shù)器QDQCQBQA從0000到0110到0000。5.4.2 24進(jìn)制計(jì)數(shù)選用2片74LS160能實(shí)現(xiàn)二十四進(jìn)制同步遞增計(jì)數(shù)器，圖中個(gè)位與十位計(jì)數(shù)器均接成十進(jìn)制技術(shù)形式，采用同步級(jí)聯(lián)復(fù)位方式。選擇十位計(jì)數(shù)器的輸出端QB和個(gè)位數(shù)出端QC通過(guò)與非門74LS00控制兩片計(jì)數(shù)器的清零段，當(dāng)計(jì)數(shù)器輸出狀態(tài)為00100100時(shí)，立即反饋清零。其中時(shí)十位只能顯示0、1、2三個(gè)數(shù)字。 24時(shí)進(jìn)制電路結(jié)構(gòu)圖如圖9所示：圖9 24進(jìn)制顯示電路原理圖 圖10 邏輯分析儀分析24進(jìn)制電路波形圖6，7，8，9，2，3，4，

14、5端分別接到各位計(jì)數(shù)器QA,QB,QC,QD和十進(jìn)制計(jì)數(shù)器QA,QB,QC,QD端完成仿真。從圖10邏輯分析儀分析24進(jìn)制電路波形圖可以看出各位計(jì)數(shù)器和十位計(jì)數(shù)器QDQCQBQA的變化符合表4 74LS160的真值表變化，各位計(jì)數(shù)器QDQCQBQA從0000到1001到1000。十位計(jì)數(shù)器QDQCQBQA從0000到0010到0000。5.5 校時(shí)電路秒、分、時(shí)計(jì)數(shù)器之間采用同步級(jí)連方式。敲擊【S1】和【S2】鍵，可控制開(kāi)關(guān)【S1】和【S2】將秒脈沖直接引入分、時(shí)計(jì)數(shù)器，實(shí)現(xiàn)分計(jì)數(shù)器和時(shí)計(jì)數(shù)器的校時(shí)，如圖11所示。校時(shí)的功能是通過(guò)芯片的ENT為0或?yàn)?，來(lái)控制電路的變化。當(dāng)電路正常計(jì)時(shí)時(shí)，EN

15、T端接到Co端，其中時(shí)和分的Co端是由十位QA,QC和各位RCO輸出端經(jīng)與門來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)QA,QC,RCO均為1時(shí)，ENT為1，電路實(shí)行計(jì)數(shù)功能。否者電路進(jìn)行保持。ENT接到1時(shí)，電路工作進(jìn)行校時(shí)。 圖11 分時(shí)、時(shí)時(shí)校正電路6 完整電路圖及工作原理 圖12 數(shù)字鐘電路圖由圖12可以清楚得看出整個(gè)數(shù)字時(shí)鐘的總體工作原理和整個(gè)工作過(guò)程：由兩個(gè)60進(jìn)制計(jì)數(shù)器同步遞增計(jì)數(shù)器分別構(gòu)成秒鐘計(jì)時(shí)器和分時(shí)計(jì)數(shù)器，由24進(jìn)制同步遞增實(shí)現(xiàn)小時(shí)計(jì)數(shù)。由555和RC構(gòu)成的振蕩器產(chǎn)生的1Hz的秒脈沖信號(hào)，計(jì)數(shù)器進(jìn)入60進(jìn)制的“秒”計(jì)時(shí)，“秒”的分位進(jìn)入60進(jìn)制的“分”計(jì)時(shí)，最后，由分的“時(shí)”進(jìn)位進(jìn)入24進(jìn)制的“時(shí)”計(jì)時(shí)

16、。在電路中，還有由門電路和開(kāi)關(guān)構(gòu)成的校時(shí)電路對(duì)電路的“時(shí)”，“分”進(jìn)行校時(shí)，得到正確的時(shí)間。圖2-圖10各個(gè)部分功能的電路和圖12的總體數(shù)字時(shí)鐘的電路均在電子電路計(jì)算機(jī)仿真軟件Multisim11中進(jìn)行調(diào)試和仿真得到的。7 電路組裝調(diào)試本次課程設(shè)計(jì)仿真使用了函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、四通道示波器、邏輯分析儀等。在電路調(diào)試過(guò)程中分塊進(jìn)行調(diào)試，每塊成功后再進(jìn)行整體連線，來(lái)進(jìn)行整體調(diào)試。由圖12中所示的數(shù)字鐘電路圖按照信號(hào)的流向分級(jí)安裝，逐級(jí)級(jí)聯(lián)。這里的每一級(jí)是指組成數(shù)字中的各個(gè)功能電路。在電路連接過(guò)程中也遇到種種問(wèn)題，例如元器件參數(shù)設(shè)置，可以通過(guò)書(shū)籍及網(wǎng)絡(luò)來(lái)查看。級(jí)聯(lián)時(shí)如果出現(xiàn)時(shí)序配合不同步，或劍鋒脈沖干擾

17、，引起的邏輯混亂，可以增加多級(jí)邏輯門來(lái)延時(shí)。如果顯示字符變化很快，模糊不清，可能是由于電源電流的跳變引起的，可在集成電路器件的電源端Vcc加退藕濾波電容。通常用幾十微法的大電容與0.01F的小電容相并聯(lián)。通過(guò)運(yùn)用數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)的24小時(shí)制的數(shù)字電子時(shí)鐘，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，成功實(shí)現(xiàn)了一下基本功能：1.能準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，以數(shù)字形式顯示時(shí)、分、秒的時(shí)間。2.能定時(shí)控制，且能校正時(shí)間（通過(guò)開(kāi)關(guān)調(diào)時(shí)、分）。8 電路設(shè)計(jì)總結(jié)本設(shè)計(jì)主要采用的是計(jì)數(shù)器、門電路等器件，雖然器件使用數(shù)量比較多，但相對(duì)來(lái)說(shuō)，不是很復(fù)雜。此課題的核心價(jià)值是他讓我們把理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際知識(shí)，對(duì)電路進(jìn)行分塊，在分模塊具體落實(shí)。對(duì)于具體模塊電路的構(gòu)成

18、有很多不同的設(shè)計(jì)方法。此次設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是本設(shè)計(jì)所需要的元器件比較常見(jiàn)，總體實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較方便。但缺點(diǎn)是在設(shè)計(jì)當(dāng)中首先是555定時(shí)器產(chǎn)生的OUT信號(hào)，應(yīng)為實(shí)際電阻、電容值的限制，產(chǎn)生的信號(hào)不是1Hz，故不是標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖。9 系統(tǒng)所需的元器件表5 系統(tǒng)所需元器件名稱類型數(shù)量電阻10k133k149.9k1電容0.1F10.01F1TTL74LS00374LS08474LS1606開(kāi)關(guān)單刀雙置2LEDDCD_HEX6555定時(shí)器1電源VCC310 參考文獻(xiàn)【1】閻石.進(jìn)制，555定時(shí)器應(yīng)用舉例.北京：高等教育出版社【2】何其貴.分頻器.北京：北京理工大學(xué)出版社【3】王冠華.Mulitisim11電路設(shè)計(jì)及其應(yīng)用.北京：國(guó)防工業(yè)出版社【4】呂思忠，施齊云.數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì).哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社【5】歐陽(yáng)星明.數(shù)字系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì).北京：電子工業(yè)出版社【6】盧結(jié)成，高世忻.電子電路實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用課題設(shè)計(jì).合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社11 收