數(shù)字電子時(shí)鐘總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖及分析(畢業(yè)論文)

1、哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)位論文數(shù)字電子時(shí)鐘總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖及分析 The Operating Theory of Essential Truth in Journalism作 者 姓 名：學(xué)科、專業(yè) ：學(xué) 號(hào) ：指 導(dǎo) 教 師：完 成 日 期：哈爾濱工業(yè)大學(xué)Shandong University摘 要數(shù)字電子鐘在我們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ髦械玫搅藦V泛的應(yīng)用，本課程設(shè)計(jì)中采用中小規(guī)模集成芯片設(shè)計(jì)多功能數(shù)字鐘，實(shí)現(xiàn)其準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，以數(shù)字形式顯示時(shí)(0023)、分(0059)、秒(0059)的時(shí)間；具有校時(shí)功能，可以對(duì)時(shí)和分單獨(dú)校時(shí)，對(duì)分校時(shí)的時(shí)候，停止分向小時(shí)進(jìn)位等功能。根據(jù)該課程設(shè)計(jì)任務(wù)書要求、現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件及本人所

2、學(xué)的數(shù)電、模電等相關(guān)知識(shí)，選擇的主要元器件有：二-五-十進(jìn)制異步加法計(jì)數(shù)器74LS290、 74LS74CMOS BCD-7段鎖存/譯碼/LED驅(qū)動(dòng)、7SEG-COM-CAT-GRN共陽(yáng)七段數(shù)碼管、以及74HC00D等器件。用32768Hz的CMOS石英諧振器制作信號(hào)產(chǎn)生器，產(chǎn)生1Hz時(shí)鐘脈沖；用74LS290設(shè)計(jì)兩個(gè)六十進(jìn)制的計(jì)數(shù)器對(duì)“分”、“秒”信號(hào)計(jì)數(shù)，二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器對(duì)“時(shí)”信號(hào)計(jì)數(shù)、再通過(guò)“時(shí)”、“分”校正電路進(jìn)行時(shí)間的校正，實(shí)現(xiàn)數(shù)字電子鐘的功能。關(guān)鍵詞：數(shù)字電子鐘；中小規(guī)模集成芯片；計(jì)數(shù)器；數(shù)字電子技術(shù)I目 錄摘要 錯(cuò)誤！未定義書簽。第一章 數(shù)字電子鐘簡(jiǎn)介及思路設(shè)計(jì) . 錯(cuò)誤！未定

3、義書簽。1.1 基本原理 . 31.2 設(shè)計(jì)任務(wù)和要求 . 31.3 設(shè)計(jì)軟件和硬件設(shè)備環(huán)境 . 3第二章 總體設(shè)計(jì) . 錯(cuò)誤！未定義書簽。2.1 數(shù)字電子時(shí)鐘總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖 . 4第三章 各控制電路模塊設(shè)計(jì) . 錯(cuò)誤！未定義書簽。3.1 時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生電路 . 63.2 校時(shí)電路 . 8第四章 時(shí)、分、秒計(jì)數(shù)電路 . 94.1 74LS290介紹 . 94.2 “分”信號(hào)和“秒”信號(hào) . 114.3 “時(shí)”信號(hào) . 12第五章 BCD-七段譯碼器電路 . 135.1 4511芯片介紹 . 135.2 CD4511真值表 . 135.3 CD4511引腳圖 . 155.4 譯碼器電路 . 16

4、第六章 數(shù)字電路總電路仿真圖 . 18 總結(jié) 18參考文獻(xiàn) 19第一章 數(shù)字電子鐘簡(jiǎn)介及思路設(shè)計(jì)數(shù)字式電子時(shí)鐘是一種用數(shù)字電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)的裝置，與機(jī)械式時(shí)鐘相比具有更高的準(zhǔn)確性、直觀性和便攜性、使用壽命更長(zhǎng)，因此在日常的生活和工作中得到了廣泛的應(yīng)用。1.1 設(shè)計(jì)思路數(shù)字電子鐘的設(shè)計(jì)方法有許多種,例如,可用中小規(guī)模集成電路組成電子鐘；也可以利用專用的電子鐘芯片配以顯示電路及其所需要的外圍電路組成電子鐘；還可以利用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)電子鐘等等。本課程設(shè)計(jì)采用的是中小規(guī)模集成電路法，時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器采用32768Hz的CMOS石英諧振器制作，產(chǎn)生1Hz時(shí)鐘脈沖；用74LS290設(shè)計(jì)兩個(gè)六十進(jìn)制的

5、計(jì)數(shù)器對(duì)“分”、“秒”信號(hào)計(jì)數(shù)，二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器對(duì)“時(shí)”信號(hào)計(jì)數(shù)、再通過(guò)“時(shí)”、“分”校正電路進(jìn)行時(shí)間的校正，實(shí)現(xiàn)數(shù)字電子鐘的功能。1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)和要求本課程設(shè)計(jì)的任務(wù)是用中小規(guī)模集成芯片設(shè)計(jì)多功能數(shù)字鐘數(shù)字電子時(shí)鐘，要求其實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，并且六位數(shù)字同時(shí)顯示，以數(shù)字形式顯示時(shí)(0023)、分(0059)、秒(0059)的時(shí)間；具有校時(shí)功能，可以對(duì)時(shí)和分單獨(dú)校時(shí)，對(duì)分校時(shí)的時(shí)候，停止分向小時(shí)進(jìn)位等功能。1.3設(shè)計(jì)軟件和硬件設(shè)備環(huán)境軟件環(huán)境：PROTEUS 7.4 PROFESSIONAL等硬件環(huán)境：電子電工實(shí)驗(yàn)室可以提供的主要儀器設(shè)備：示波器 型號(hào)規(guī)格VP-5220、電子學(xué)習(xí)機(jī) 型號(hào)規(guī)格WL-

6、V、萬(wàn)用表 MF10；以及分立元件、或中規(guī)模集成芯片等。第二章 總體設(shè)計(jì)2.1 數(shù)字電子時(shí)鐘總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖及分析數(shù)字電子時(shí)鐘實(shí)際上是一個(gè)對(duì)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)間不可能與某一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間（如東八時(shí)區(qū)時(shí)間）一致，故需要在電路上加上一個(gè)對(duì)“時(shí)”、“分”進(jìn)行校正的校時(shí)電路，同時(shí)為了提高計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確性，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)的1Hz時(shí)間信號(hào)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)字電子時(shí)鐘中的信號(hào)發(fā)生器電路的主元件。數(shù)字電子時(shí)鐘總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1 2.2 所示。圖2.1 數(shù)字電子時(shí)鐘總體結(jié)構(gòu)框圖2.1.1 晶體振蕩器電路晶體振蕩器電路給數(shù)字鐘提供一個(gè)頻率穩(wěn)

7、定準(zhǔn)確的32768z的方波信號(hào)，可保證數(shù)字鐘的走時(shí)準(zhǔn)確及穩(wěn)定。不管是指針式的電子鐘還是數(shù)字顯示的電子鐘都使用了晶體振蕩器電路。2.1.2 分頻器電路分頻器電路將32768z的高頻方波信號(hào)經(jīng)32768（）次分頻后得到1Hz的方波信號(hào)供秒計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。分頻器實(shí)際上也就是計(jì)數(shù)器。2.1.3 時(shí)間計(jì)數(shù)器電路時(shí)間計(jì)數(shù)電路由秒個(gè)位和秒十位計(jì)數(shù)器、分個(gè)位和分十位計(jì)數(shù)器及時(shí)個(gè)位和時(shí)十位計(jì)數(shù)器電路構(gòu)成，其中秒個(gè)位和秒十位計(jì)數(shù)器、分個(gè)位和分十位計(jì)數(shù)器為60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，而根據(jù)設(shè)計(jì)要求，時(shí)個(gè)位和時(shí)十位計(jì)數(shù)器為12進(jìn)制計(jì)數(shù)器。2.1.4 譯碼驅(qū)動(dòng)電路譯碼驅(qū)動(dòng)電路將計(jì)數(shù)器輸出的8421BCD碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管需要的邏輯狀態(tài)

8、，并且為保證數(shù)碼管正常工作提供足夠的工作電流。2.1.5 數(shù)碼管數(shù)碼管通常有發(fā)光二極管（LED）數(shù)碼管和液晶（LCD）數(shù)碼管，本設(shè)計(jì)提供的為數(shù)碼管。第三章 各控制電路模塊設(shè)計(jì)3.1 時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生電路3.1.1 CMOS石英晶體振蕩器電路目前較好的家用電子鐘表幾乎都采用具有石英晶體諧振器的方波發(fā)生器由于它的頻率穩(wěn)定性高，所以走時(shí)準(zhǔn)確，在通常的氣溫條件下很容易保證每天不差半秒的精度。通常選用固有頻率為32768Hz的石英諧振器，經(jīng)過(guò)15次二分頻可得1Hz的時(shí)鐘脈沖，作為計(jì)時(shí)基準(zhǔn)。一般輸出為方波的數(shù)字式晶體振蕩器電路通常有兩類，一類是用門電路構(gòu)成；另一類是通過(guò)CMOS非門構(gòu)成的電路，本次設(shè)計(jì)采用了后

9、一種。如圖3.1所示，由CMOS非門U1:B與晶體、電容和電阻構(gòu)成晶體振蕩器電路，U1:A實(shí)現(xiàn)整形功能，將振蕩器輸出的近似于正弦波的波形轉(zhuǎn)換為較理想的方波。輸出反饋電阻1（偏置電阻）為非門提供偏置，使CMOS反相器工作于放大區(qū)域，即非門的功能近似于一個(gè)高增益的反相放大器，這時(shí)電壓放大倍數(shù)很大。晶體諧振器工作在頻率位于其串聯(lián)諧振頻率fs和并聯(lián)諧振頻率fp之間，這時(shí)它相當(dāng)于一個(gè)電感。電容、與晶體構(gòu)成一個(gè)諧振型網(wǎng)絡(luò)，完成對(duì)振蕩頻率的控制功能，同時(shí)提供了一個(gè)180度相移，從而和非門構(gòu)成一個(gè)正反饋網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了振蕩器的功能。這樣電路就形成了一個(gè)由反相器組成的電容三點(diǎn)式振蕩器。石英晶體振蕩器產(chǎn)生的極其穩(wěn)定的

10、頻率后再經(jīng)過(guò)U1:A的整形，CMOS晶體振蕩器電路給數(shù)字鐘提供一個(gè)頻率穩(wěn)定準(zhǔn)確的方波信號(hào)，可保證數(shù)字鐘的走時(shí)準(zhǔn)確及穩(wěn)定。圖3.1 時(shí)鐘信號(hào)發(fā)路3.1.2 時(shí)鐘方波信號(hào)產(chǎn)生電路時(shí)鐘方波信號(hào)產(chǎn)生電路由石英晶體與2個(gè)30pF電容、1個(gè)4060、一個(gè)10兆的電阻組成，芯片3腳輸出2Hz的方波信號(hào)圖3.2所示圖3.2時(shí)鐘方波信號(hào)產(chǎn)生電路（仿真圖）3.2 校時(shí)電路3.2.1 校時(shí)電路圖數(shù)字電子鐘應(yīng)具有“分”校正和“時(shí)”校正功能，可以對(duì)“時(shí)”和“分”單獨(dú)校時(shí)，對(duì)分校時(shí)的時(shí)候，停止分向小時(shí)進(jìn)位等功能。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)截?cái)喾謧€(gè)位和時(shí)個(gè)位的直接計(jì)數(shù)通路，并采用正常計(jì)時(shí)信號(hào)與校正信號(hào)可以隨時(shí)切換的電路接入其中。即為用

11、COMS與或非門實(shí)現(xiàn)的時(shí)或分校時(shí)電路，In1端與低位的進(jìn)位信號(hào)相連；In2端與校正信號(hào)相連，校正信號(hào)可直接取自分頻器產(chǎn)生的1Hz或2Hz（不可太高或太低）信號(hào)；輸出端則與分或時(shí)個(gè)位計(jì)時(shí)輸入端相連。當(dāng)開(kāi)關(guān)打向下時(shí)，因?yàn)樾Ｕ盘?hào)和0相與的輸出為0，而開(kāi)關(guān)的另一端接高電平，正常輸入信號(hào)可以順利通過(guò)與或門，因此校時(shí)電路處于正常計(jì)時(shí)狀態(tài)；當(dāng)開(kāi)關(guān)打向上時(shí)，情況正好與上述相反，這時(shí)校時(shí)電路處于校時(shí)狀態(tài)。當(dāng)重新接通電源或走時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí)都需要對(duì)時(shí)間進(jìn)行校正。通常，校正時(shí)間的方法是：首先截?cái)嗾５挠?jì)數(shù)通路，然后再進(jìn)行人工出觸發(fā)計(jì)數(shù)或?qū)㈩l率較高的方波信號(hào)加到需要校正的計(jì)數(shù)單元的輸入端，校正好后，再轉(zhuǎn)入正常計(jì)時(shí)狀態(tài)即

12、可。實(shí)際使用時(shí)，因?yàn)殡娐烽_(kāi)關(guān)存在抖動(dòng)問(wèn)題，所以一般會(huì)接一個(gè)RS觸發(fā)器構(gòu)成開(kāi)關(guān)消抖動(dòng)電路，所以整個(gè)校時(shí)電路圖如圖3.3所示。R1=10M 圖3.3校時(shí)電路第四章 時(shí)、分、秒計(jì)數(shù)電路4.1 74LS290介紹4.1.1計(jì)數(shù)器74LS290原理74LS290是異步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。其邏輯圖和外引線排例圖如圖9-24所示。它由一個(gè)一位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器和一個(gè)異步五進(jìn)制計(jì)數(shù)器組成。如果計(jì)數(shù)脈沖由端CP0輸入，輸出由端引出，即得二進(jìn)制計(jì)數(shù)器；如果計(jì)數(shù)脈沖由CP1端輸入，輸出由引出，即是五進(jìn)制計(jì)數(shù)器；如果將與CP1相連，計(jì)數(shù)脈沖由CP0輸入，輸出由引出，即得8421碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。因此，又稱此電路為二-五-十進(jìn)制計(jì)數(shù)

13、器。4.1.2 74LS290功能表表4.1是74LS290的功能表。由表可以看出，當(dāng)復(fù)位輸入R0(1)=R0(2)=1，且置位輸入S9(1)·S9(2)=0時(shí)，74LS290的輸出被直接置零；只要置位輸入S9(1)·S9(2)=1，則74LS290的輸出將被直接置9，即1001；只有同時(shí)滿足R0(1)·R0(2)=0和S9(1)·S9(2)=0時(shí)，才能在計(jì)數(shù)脈沖(下降沿)作用下實(shí)現(xiàn)二-五-十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)。表4.1 74LS290功能表4.1.3 引腳圖74LS2904.2 “分”信號(hào)和“秒”信號(hào)因?yàn)閱纹?4LS290所能實(shí)現(xiàn)的最大計(jì)數(shù)模數(shù)M=10,s構(gòu)

14、成N=60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，M<N<M×M=100，故需要兩片74LS290。而且Sn狀態(tài)只能 用8421BCD碼，而不能用二進(jìn)制碼。N=60，Sn=01100000；F=R01R02=Q1=Q6Q5 。用74LS290構(gòu)成六十分頻電路如圖4.2所示，高位片U2實(shí)現(xiàn)六進(jìn)制進(jìn)位，它的Q2端作為六十分頻信號(hào)輸出端，低位片U1實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制進(jìn)位。六十分頻電路廣泛地應(yīng)用于計(jì)時(shí)電路中，它的輸出可以作為“分”信號(hào)和“時(shí)”信號(hào)。4.3 “時(shí)”信號(hào)根據(jù)課程設(shè)計(jì)要求，“時(shí)”必須為二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)，U1為“時(shí)”信號(hào)的低位片，U2為“時(shí)”信號(hào)的高位片。當(dāng)高位片為0、1時(shí)，低位片為十進(jìn)制計(jì)數(shù)，當(dāng)高位片為2時(shí)

15、，低位片為4進(jìn)制計(jì)數(shù)。因此，要實(shí)現(xiàn)數(shù)字電子時(shí)鐘“時(shí)”信號(hào)二十四小時(shí)制的功能 ，只需要加入與非門進(jìn)行條件判斷，再按照4.2內(nèi)容，同理易得二十四進(jìn)第五章 BCD-七段譯碼器電路5.1 74LS47芯片介紹74LS47BC CMOS BCD-7段鎖存、譯碼、LED驅(qū)動(dòng)是由CMOS構(gòu)成的集成于單一整體結(jié)構(gòu)中的增強(qiáng)型器件和雙極輸出驅(qū)動(dòng)器。該器件中的電路提供了一個(gè)4功能位存儲(chǔ)鎖存器，一個(gè)8421的BCD-7段解碼器和一個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)能力。燈測(cè)試（LT）、消隱（BI）和鎖存使能（LE）分別被用于檢測(cè)顯示時(shí)的中斷、脈沖調(diào)節(jié)顯示的亮度，以及儲(chǔ)存BCD碼信號(hào)?？梢杂糜谄叨伟l(fā)光二極管（LED）、白熾燈、熒光燈、氣體放電

16、或液晶，進(jìn)行直接或間接讀數(shù)。廣泛應(yīng)用于設(shè)備（例如，計(jì)數(shù)器，數(shù)字電壓表等）顯示驅(qū)動(dòng)程序，計(jì)算機(jī)/計(jì)算器顯示驅(qū)動(dòng)程序，駕駛艙顯示驅(qū)動(dòng)程序和各種時(shí)鐘，手表以及定時(shí)器。5.2 74LS47真值表74LS47真值表如表5.1所示表5.1 74LS47真值表5.3 74LS47引腳圖5.4 譯碼器電路根據(jù)74LS47的真值表和引腳圖，我們會(huì)很容易得知其與計(jì)數(shù)器模塊、LED模塊的接線方法。BCD-七段數(shù)碼管采用的是7SEG-COM-CAT-GRN共陽(yáng)極LED數(shù)碼管，低電平有效。譯碼器模塊電路中74LS47的各引腳的接線方法請(qǐng)參見(jiàn)附錄1 時(shí)鐘顯示電路仿真圖。七段數(shù)碼管結(jié)構(gòu)如圖5.2所示。afbgecd圖5.2

17、 七段數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖第六章 數(shù)字電路總電路仿真圖圖6.1 數(shù)字電子鐘總電路圖總結(jié)數(shù)字電子鐘從原理上講是一種典型的數(shù)字電路，其中包括了組合邏輯電路和時(shí)序電路。我們此次設(shè)計(jì)與制作數(shù)字鐘是為了了解數(shù)字電子鐘的原理，從而學(xué)會(huì)制作數(shù)字電子鐘。而且通過(guò)數(shù)字鐘的制作進(jìn)一步的了解各種在制作中用到的中小規(guī)模集成電路的作用及實(shí)用方法。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要靈活地運(yùn)用到組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路的分析和設(shè)計(jì)，通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，我們可以進(jìn)一步學(xué)習(xí)和掌握各種組合邏輯電路與時(shí)序電路的原理與使用方法。通過(guò)課程設(shè)計(jì)，使我加鞏固和加深對(duì)電子電路基本知識(shí)的理解，學(xué)會(huì)查尋資料、方案設(shè)計(jì)、方案比較，以及單元電路設(shè)計(jì)計(jì)算等環(huán)節(jié)，進(jìn)一步提高我綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力，提高分析解決實(shí)際問(wèn)題的能力。鍛煉分析、解決電子電路問(wèn)題的實(shí)際本領(lǐng)，通過(guò)此綜合訓(xùn)練,不僅學(xué)會(huì)啦實(shí)驗(yàn)技術(shù)，掌握啦實(shí)驗(yàn)方法即用實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)理論的方法，尋求物理量之間相互關(guān)系的方法，尋求最佳方案的方法等等。在數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)中，研究和觀察其他同學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法，在數(shù)據(jù)處理中練習(xí)分類，數(shù)據(jù)歸納的方法，在計(jì)算分析中練習(xí)比較，分析等科學(xué)方法。以便實(shí)驗(yàn)原理，實(shí)驗(yàn)操作方法，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法的遷移能力。我在老師的啟發(fā)引導(dǎo)下，通過(guò)解決問(wèn)題，獲取知識(shí)，掌握物理實(shí)驗(yàn)思想和實(shí)驗(yàn)方法的實(shí)質(zhì)，從而培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，在?shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)中使我受益非淺。參考文獻(xiàn)1張克農(nóng) 主編.數(shù)字電子技術(shù)