數(shù)電課程設(shè)計多功能數(shù)字鐘

1、課 程 設(shè) 計 課程名稱_數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計 _題目名稱_多功能數(shù)字鐘的電路設(shè)計_學生學院_物理與光電工程學院_專業(yè)班級_08光信息與科學技術(shù)2班_學 號_3108009486_學生姓名_伍國章_指導教師_黃老師_2010 年 06 月 9 日共 14 頁 第 13 頁一、設(shè)計題目多功能數(shù)字鐘的電路設(shè)計數(shù)字鐘是采用數(shù)字電路實現(xiàn)“時”、“分”、“秒”數(shù)字顯示的計時裝置。鐘表的數(shù)字化在提高報時精度的同時，也大大擴展了它的功能，諸如定時自動報警、按時自動打鈴、時間程序自動控制、定時廣播、定時啟閉路燈等。因此，研究數(shù)字鐘及擴大其應用，有著非?，F(xiàn)實的意義。1）掌握數(shù)字鐘的設(shè)計、組裝與調(diào)試方法。2）熟悉

2、集成電路的使用方法。二、 設(shè)計任務(wù)與要求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，便自動發(fā)出鳴叫聲，時長1s。選做：1）鬧鐘功能，可按設(shè)定的時間鬧時。2）日歷顯示功能。將時間的顯示增加“年”、“月”、“日”。三、 原理電路一個具有計時、校時、報時、顯示等基本功能的數(shù)字鐘主要由振蕩器、分頻器、計數(shù)器、譯碼器、顯示器、校時電路、報時電路等七部分組成。石英晶體振蕩器產(chǎn)生的信號經(jīng)過分頻器得到秒脈沖，秒脈沖送入計數(shù)器計數(shù)，計數(shù)結(jié)果通過“時”、“分”、“秒”譯碼器譯碼，并通過顯示器顯示時間。1、 振蕩器單元電路設(shè)計方案一：晶體振蕩器電路

3、晶體振蕩器是構(gòu)成數(shù)字式時鐘的核心，它保證了時鐘的走時準確及穩(wěn)定。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TTL門電路構(gòu)成；另一類是通過CMOS非門構(gòu)成的電路，如圖1.2所示，從圖上可以看出其結(jié)構(gòu)非常簡單。該電路廣泛使用于各種需要頻率穩(wěn)定及準確的數(shù)字電路，如數(shù)字鐘、電子計算機、數(shù)字通信電路等。圖1.2 CMOS晶體振蕩器(仿真電路)圖1.2所示電路中，CMOS非門U1與晶體、電容和電阻構(gòu)成晶體振蕩器電路，U2實現(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。輸出反饋電阻為非門提供偏置，使電路工作于放大區(qū)域，即非門的功能近似于一個高增益的反相放大器。電容、與晶體構(gòu)成

4、一個諧振型網(wǎng)絡(luò)，完成對振蕩頻率的控制功能，同時提供了一個180度相移，從而和非門構(gòu)成一個正反饋網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了振蕩器的功能。由于晶體具有較高的頻率穩(wěn)定性及準確性，從而保證了輸出頻率的穩(wěn)定和準確。方案二：555定時器與RC組成的多諧振蕩器如果精度要求不高可以采用由集成電路定時器555與RC組成的多諧振蕩器。設(shè)振蕩頻率f0103Hz，電路參數(shù)如圖555多諧振蕩器原理電路及工作波形本設(shè)計采用方案一，單元電路連接、各參數(shù)及產(chǎn)生的波形如下圖所示：、分頻器單元電路設(shè)計通常，數(shù)字鐘的晶體振蕩器輸出頻率較高，為了得到1Hz的秒信號輸入，需要對振蕩器的輸出信號進行分頻。通常實現(xiàn)分頻器的電路是計數(shù)器電路，一般采用多級

5、2進制計數(shù)器來實現(xiàn)。例如，將32768z的振蕩信號分頻為1Z的分頻倍數(shù)為32768（），即實現(xiàn)該分頻功能的計數(shù)器相當于15級2進制計數(shù)器。常用的2進制計數(shù)器有74HC393等。方案一：可選用14級二進制串行計數(shù)/分頻器CD4060得到精確頻率。CD4060計數(shù)為級進制計數(shù)器，可以將32768z的信號分頻為z。欲得到1秒信號，還需要加入分頻電路。14級二進制串行計數(shù)/分頻器1HZ分頻電路圖2 秒脈沖產(chǎn)生電路方案二：利用計數(shù)器級聯(lián)選用三片74LS90進行級聯(lián)，因為每片為1/10分頻器，三片級聯(lián)好獲得1Hz標準秒脈沖。其電路圖如下：由于CD4060在MULTISIM中仿真不了，所以本設(shè)計采用三片74

6、HC161和一片74HC160IC級聯(lián)，構(gòu)成215分頻器。單元電路連接如下圖所示：、計數(shù)器單元電路設(shè)計時間計數(shù)單元有時計數(shù)、分計數(shù)和秒計數(shù)等幾個部分。時計數(shù)單元一般為12進制計數(shù)器或24進制計數(shù)器，其輸出為兩位8421BCD碼形式；分計數(shù)和秒計數(shù)單元為60進制計數(shù)器，其輸出也為8421BCD碼。可用于計數(shù)的芯片很多，比如可預置的 4 位二進制同步計數(shù)器(74LS161)，可二/五分頻十進制計數(shù)器(74LS90)，可預置BCD雙時鐘可逆計數(shù)器(74LS192)，雙十進制計數(shù)器（74LS390）等。本設(shè)計采用74ls160作為計數(shù)器分別構(gòu)成60、24進制計數(shù)器。60進制計數(shù)器由74ls160構(gòu)成的

7、60進制計數(shù)器，將一片74ls160設(shè)計成10進制加法計數(shù)器，另一片設(shè)置6進制加法計數(shù)器。兩片74ls160按反饋清零法串接而成。秒計數(shù)器的十位和個位，輸出脈沖除用作自身清零外，同時還作為分計數(shù)器的輸入脈沖CP1。下圖電路即可作為秒計數(shù)器，也可作為分計數(shù)器。24進制計數(shù)器由74ls160構(gòu)成的二十四進制計數(shù)器，將一片74ls160設(shè)計成四進制加法計數(shù)器，另一片設(shè)置二進制加法計數(shù)器。即個位計數(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。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(gòu)成24進

8、制計數(shù)器。電路圖如下:4、譯碼驅(qū)動及顯示單元電路設(shè)計計數(shù)器實現(xiàn)了對時間的累計以8421BCD碼形式輸出，為了將計數(shù)器輸出的8421BCD碼顯示出來，需用顯示譯碼電路將計數(shù)器的輸出數(shù)碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼顯示器件所需要的輸出邏輯和一定的電流，一般這種譯碼器通常稱為7段譯碼顯示驅(qū)動器。常用的7段譯碼顯示驅(qū)動器有CD4511。方案一、由CD4511和七段譯碼管構(gòu)成，電路如圖所示：方案二、直接由帶譯碼功能的LED數(shù)碼管構(gòu)成。本設(shè)計采用方案一，并增加限流電阻R=100歐，防止電流過大損壞LED數(shù)碼管。單元電路連接如下圖所示：5、校時單元電路設(shè)計當重新接通電源或走時出現(xiàn)誤差時都需要對時間進行校正。通常，校正時間的方

9、法是：首先截斷正常的計數(shù)通路，然后再進行人工出觸發(fā)計數(shù)或?qū)㈩l率較高的方波信號加到需要校正的計數(shù)單元的輸入端，校正好后，再轉(zhuǎn)入正常計時狀態(tài)即可。方案一、慢校時，用手動產(chǎn)生單脈沖作校時脈沖。K1、K2分別是時校正、分校正開關(guān)。不校正時，K1、K2開關(guān)是閉和的。當校正時位時，需要把K1開關(guān)打開，然后用手撥動K3開關(guān)，來回撥動一次，就能使時位增加1，根據(jù)需要去撥動開關(guān)的次數(shù)，校正完畢后把K1開關(guān)閉上。校正分位時和校正時位的方法一樣。其電路圖如下:方案二、快校時，通過開關(guān)控制，使計數(shù)器對2Hz的校時脈沖計數(shù)。接電容C1、C2可以緩解抖動。本設(shè)計采用方案二、單元電路連接如下圖所示：6、整點報時單元電路設(shè)計

10、一般時鐘都應具備整點報時電路功能，即在時間出現(xiàn)整點前數(shù)秒內(nèi)，數(shù)字鐘會自動報時，以示提醒。其作用方式是發(fā)出連續(xù)的或有節(jié)奏的音頻聲波，較復雜的也可以是實時語音提示。按題目要求，本設(shè)計利用一個八輸入與非門，當分秒為59分59秒時，控制蜂鳴器響，蜂鳴時間為1s。電路如圖所示：7、鬧時擴展單元電路的設(shè)計鬧鐘功能，可按設(shè)定的時間鬧時?？傮w設(shè)計方案如下圖：設(shè)定鬧時預置時間代 碼產(chǎn) 生電 路數(shù)據(jù)比較器電路驅(qū)動蜂鳴器計數(shù)器輸出定時時間當前時間增加計四個計數(shù)器，作為鬧時電路的記憶單元，通過開關(guān)控制CD4511的BI端輸入電平的高低，當BI端為1時，譯碼器正常工作，當BI端為0時，譯碼器的七個輸出端均輸出低電平，此

11、時LED數(shù)碼管不會顯示該譯碼器的數(shù)字，時鐘計數(shù)單元和鬧鐘定時單元譯碼器的輸出端分別連接CD4071或門的輸入端，CD4071或門的輸出端連接LED數(shù)碼管的七個輸入端，這樣，就可通過一個開關(guān)控制LED數(shù)碼管分別顯示時鐘計數(shù)單元和鬧鐘定時單元，而不會相互影響計數(shù)，并且可減小LED數(shù)碼管的數(shù)量?？墒謩訌挠嫈?shù)器Q輸入端輸入需要定時的時間，按動開關(guān)可以讓LED數(shù)碼管返回顯示時鐘的實際時間。利用四片同或門IC比較時鐘計數(shù)單元和鬧鐘記憶單元輸出端的BCD碼，當相同時就控制蜂鳴器蜂鳴，時長為一分鐘。電路連接如下圖：增加一個開關(guān)單元，控制蜂鳴器，鬧鈴期間可手動關(guān)閉蜂鳴器，并可作為蜂鳴器的總開關(guān)使用。此單元電路圖

12、如圖所示：8、日歷擴展單元電路的設(shè)計顯示年份分由四片74LS190級聯(lián)，構(gòu)成十進制計數(shù)器。為了方便顯示，把前三片置數(shù)成201，由此，可以顯示2010到2019的年份，九年的時間已經(jīng)足夠使用。此電路如下：月份部分由兩片74LS190級聯(lián)構(gòu)成十二進制計數(shù)器，并在第十三個脈沖到來時置01。增加一個調(diào)校電路，用于調(diào)校月份。日期部分由兩片74LS190級聯(lián)構(gòu)成28、29、30、31進制計數(shù)器，并分別在第28、29、30、31個脈沖到來時置01。利用一個3-8譯碼器、一個4-10譯碼器及八片門電路構(gòu)成月份反饋單元，顯示每個月份所對應的日期。主要功能原理：把月份個位計數(shù)器的輸出端接到4-10譯碼器的輸入端，

13、這樣就可以從4-10譯碼器的輸出端選擇到1到9月份，把月份個位計數(shù)器的輸出端的QA和QB、月份十位計數(shù)器的輸出端的QA分別接到3-8譯碼器的輸入端ABC，這樣3-8譯碼器輸出端的Y4、Y5、Y就對應10、11和12月份。通過兩個八輸入與非門把十二個月份分成三組，1、3、5、7、8、10、12作為一組，期為31日；2、4、6、9、11作為一組，日期為30日；2月單獨作為一組，日期為28或29日。并且任意時刻只有一組輸出為1，其他兩組為0。通過另三個與非門構(gòu)成置數(shù)選擇單元，哪個組月份輸出為1就在該組月份對應的日期到達時把日期置為01，同時產(chǎn)生日期進位脈沖。為了化簡設(shè)計，用一個開關(guān)手動選擇閏年與平年對應二月的日期總數(shù)。如下圖所示：9、整體電路1）基本功能整體電路圖：2）整體電路圖（包括兩個擴展電路圖）：3）元件清單四、電路和程序調(diào)試過程與結(jié)果：由于時間不是很充足，沒有做實物，只用multisim做仿真，不能測量計算誤差值。1、 對60進制計數(shù)器的時序邏輯仿真圖：五、總結(jié)本課程設(shè)計的不足是用到比較多的IC,由于對各種IC參數(shù)不了解，所以也就不能很好的選擇正確的IC，但由于只是仿真，對結(jié)果的影響也不是很大。本課程設(shè)計的有點就是電路的功能比較多，能考慮到實際的情況，如可通過幾個開關(guān)切換和控制電路，使用比較靈活。需要該進的地方就是本課程設(shè)計的不足之處，就是要在IC的選擇上多下功夫。經(jīng)過