數(shù)字鐘課程設(shè)計

1、河南城建學(xué)院本科課程設(shè)計報告河南城建學(xué)院電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計報告數(shù)字鐘課程設(shè)計 姓 名： 學(xué) 號： 專業(yè)班級： 指導(dǎo)老師： 所在院系：電氣與信息工程學(xué)院 2014年6月20日摘要 電子鐘在現(xiàn)代社會已經(jīng)使用的非常廣泛，伴隨著數(shù)字電路技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字鐘的出現(xiàn)，更加方便了大家的生活，同時也大大地促進(jìn)了社會的進(jìn)步。數(shù)字電路具有電路簡單、可靠性高、成本低等優(yōu)點，本設(shè)計就以數(shù)字電路為核心設(shè)計智能電子鐘。數(shù)字鐘就是由電子電路構(gòu)成的計時器。是一個將“時”，“分”，“秒”顯示于人的視覺器官的計時裝置。它的計時周期為24小時，顯示滿刻度為23時59分59秒，另外應(yīng)有校時功能和、報時、整體清零等附加功能。主電路系統(tǒng)

2、由秒信號發(fā)生器、時、分、秒計數(shù)器，譯碼器及顯示器，校時電路，整體清零電路，整點報時電路組成。秒信號產(chǎn)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，一般用石英晶體振蕩器加分頻器來實現(xiàn)。秒信號產(chǎn)生器將標(biāo)準(zhǔn)秒信號送入“秒計數(shù)器”，“秒計數(shù)器”采用60進(jìn)制計數(shù)器，每累計60秒發(fā)出一個“分脈沖”信號，該信號將作為“分計數(shù)器”的時鐘脈沖?！胺钟嫈?shù)器”也采用60進(jìn)制計數(shù)器，每累計60分鐘，發(fā)出一個“時脈沖”信號，該信號將被送到“時計數(shù)器”。“時計數(shù)器”采用24進(jìn)制計時器，可實現(xiàn)對一天24小時的累計。計數(shù)器用的是74160。譯碼顯示電路將“時”、“分”、“秒”計數(shù)器的輸出狀態(tài)送到七段顯示譯碼器譯碼，通過

3、六位LED七段顯示器顯示出來。整點報時電路時根據(jù)計時系統(tǒng)的輸出狀態(tài)產(chǎn)生一脈沖信號，然后去觸發(fā)一音頻發(fā)生器實現(xiàn)報時。整體清零電路是根據(jù)74160計數(shù)器在2,3腳均為1時清零的特點用電源，開關(guān)和邏輯門組成的清零電路對“時”、“分”、“秒”顯示數(shù)字清零。校時電路時用來對“時”、“分”、“秒”顯示數(shù)字進(jìn)行校對調(diào)整的鐘表的數(shù)字化給人們生產(chǎn)生活帶來了極大的方便，而且大大地擴(kuò)展了鐘表原先的報時功能。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、定時啟閉電路、定時開關(guān)烘箱、通斷動力設(shè)備，甚至各種定時電氣的自動啟用等，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)實的

4、意義。關(guān)鍵詞：計時器；計數(shù)；譯碼；報時；校時校分目錄引言1第1章 概述21.1 設(shè)計任務(wù)21.2 設(shè)計要求2 1.3 設(shè)計目的2第2章 課程設(shè)計內(nèi)容32.1 數(shù)字鐘的基本組成和基本原理3 2.2 振蕩電路3 2.3 分頻電路5 2.4 時分秒計數(shù)電路6 2.5 校時電路9 2.6 譯碼顯示電路10 2.7 整點報時電路12第3章 系統(tǒng)的整體設(shè)計與仿真143.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計14 3.2 系統(tǒng)的仿真153.2.1仿真軟件的簡介15 3.2.1電路的仿真15總結(jié)16附錄17555定時器17參考文獻(xiàn)2022引言數(shù)字鐘是采用數(shù)字電路實現(xiàn)的計時裝置，并能將計時結(jié)果時、分、秒以數(shù)字形式顯示。隨著數(shù)字集成

5、電路的發(fā)展和石英晶體與555 振蕩器的廣泛應(yīng)用，數(shù)字鐘的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過老式鐘表。同時，數(shù)字鐘閱讀更直觀、更容易，因此在各領(lǐng)域的使用越來越廣泛。數(shù)字鐘電路是組合邏輯電路和時序邏輯電路的綜合應(yīng)用。目前廣泛使用的數(shù)字鐘一般是兩種: 一種是采用555 定時器構(gòu)成的多諧振蕩電路作為時鐘源; 另一種是采用石英晶體為核心的振蕩電路作為時鐘源。兩種方法各有優(yōu)缺點, 用555定時器中的兩個運(yùn)算放大器作為電壓的比較器,靈敏度非常高。因此用這種器件構(gòu)成的多諧振蕩器頻率穩(wěn)定, 受電源電壓及環(huán)境溫度的影響很小。缺點是占空比的調(diào)節(jié)不靈活, 振蕩頻率不能太高, 一般不超過幾百赫茲。石英晶體兩端加不同頻率的電壓信號石英晶體會表

6、現(xiàn)出不同的阻抗值。因此, 對頻率要求很高的情況下要采用石英晶體振蕩器。本文將對555 定時器構(gòu)成的多諧振蕩電路作為時鐘源的數(shù)字鐘進(jìn)行設(shè)計。第1章 概述1.1設(shè)計任務(wù)運(yùn)用555 定時器構(gòu)成的多諧振蕩器、74LS160、7448、74LS90、等基本邏輯器件設(shè)計一個數(shù)字電子鐘。1.2設(shè)計要求1. 能夠顯示23h59m59s，歸零后重新開始；2. 具有校時、校分、校秒功能；3. 具有整點報時功能。1.3 設(shè)計目的4. 學(xué)會應(yīng)用數(shù)字電路課程的理論知識獨立完成一個課程設(shè)計。5. 能夠通過設(shè)計掌握獨立分析和解決實際問題的能力。6. 通過設(shè)計掌握數(shù)字電路設(shè)計和制作的一般方法。7. 學(xué)會使用和查找設(shè)計有關(guān)的書

7、籍和資料。8. 通過對實際電路的方案的分析比較、設(shè)計計算、元件選取、安裝調(diào)試環(huán)節(jié)，初步掌握簡單實用電路的分析方法和工程設(shè)計。9. 學(xué)會撰寫課程設(shè)計總結(jié)報告，培養(yǎng)嚴(yán)肅認(rèn)真的工作作風(fēng)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。第2章 課程設(shè)計內(nèi)容2.1 數(shù)字鐘的基本組成和工作原理數(shù)字鐘電路由主體電路( 振蕩電路、分頻電路、時分秒計數(shù)電路、校時電路、譯碼顯示電路) 和功能擴(kuò)展電路( 整點報時電路) 兩部分組成，它的基本邏輯框圖如圖1 所示。圖2.1數(shù)字鐘結(jié)構(gòu)框圖工作時, 555構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)定的脈沖信號, 經(jīng)過若干次分頻, 得到秒脈沖信號。并送計秒電路計數(shù), 當(dāng)秒計數(shù)器計滿60秒時, 輸出秒進(jìn)位脈沖,送計分電路計數(shù),

8、 當(dāng)計分器計滿60分時, 輸出分進(jìn)位脈沖, 送計時電路計數(shù), 當(dāng)計時電路滿24 時時, 時、分、秒計數(shù)器同時復(fù)零, 又開始新一天的計時。2.2 振蕩電路圖2.2用555定時器組成的占空比可調(diào)的多諧振蕩器本系統(tǒng)的振蕩器采用由555 定時器與RC 組成的多諧振接通電源后，電容C1被充電，vC上升，當(dāng)vC上升到大于2/3VCC時，觸發(fā)器被復(fù)位，放電管T導(dǎo)通，此時v0為低電平，電容C1通過R2和T放電，使vC下降。當(dāng)vC下降到小于1/3VCC時，觸發(fā)器被置位，v0翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器C1放電結(jié)束,所需的時間為： 當(dāng)C1放電結(jié)束時，T截止，VCC將通過R1、R2向電容器C1充電，vC由1/3VCC上升到

9、2/3VCC所需的時為：當(dāng)vC上升到2/3VCC時，觸發(fā)器又被復(fù)位發(fā)生翻轉(zhuǎn)，如此周而復(fù)始，在輸出端就得到一個周期性的方波，其頻率為 。 本設(shè)計中，由電路圖和f的公式可以算出，微調(diào)R3=60k左右，其輸出的頻率為f=1000Hz.圖2.3 555構(gòu)成的多諧振蕩器2.3 分頻電路分頻器能將高頻脈沖變換為低頻脈沖，它可由觸發(fā)器以及計數(shù)器來完成。由于一個觸發(fā)器就是一個二分頻，N 個觸發(fā)器就是2n 個分頻器。如果用計數(shù)器作分頻器，就要按進(jìn)制數(shù)進(jìn)行分頻。例如十進(jìn)制計數(shù)器就是十分頻器，M 進(jìn)制計數(shù)器就為M 分頻器。分頻器的功能主要有兩個：一個是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號；二是提供功能擴(kuò)展電路所需要的信號，如仿電臺報

10、時用的1000Hz的高音頻信號和500Hz的低音頻信號等。本設(shè)計中，由于振蕩器產(chǎn)生的信號頻率太高，要得到標(biāo)準(zhǔn)的秒信號，就需要對所得的信號進(jìn)行分頻。這里所采用的分頻電路是由3個總規(guī)模計數(shù)器74LS90來構(gòu)成的3級1/10分頻。其電路圖如下圖所示:圖2.4分頻電路圖從圖4可以看出，由振蕩器的1000Hz高頻信號從U1的14端輸入，經(jīng)過3片74LS90的三級1/10分頻，就能從U3的11端輸出得到標(biāo)準(zhǔn)的秒脈沖信號。相應(yīng)的如果輸入的是100KHz時，就需要5片進(jìn)行5級分頻，電路圖畫法和上圖4一樣，同理依次類推。2.4時分秒計數(shù)電路計數(shù)電路就要用到計數(shù)器，而計數(shù)器又有同步和異步之分。這里時計數(shù)電路要用到

11、24進(jìn)制計數(shù)器；分、秒計數(shù)器則需要用到60進(jìn)制計數(shù)器。為了電路器件的統(tǒng)一，也方便電路器件的購買，這里均采用74160同步十進(jìn)制計數(shù)器。74160計數(shù)器不僅具有二進(jìn)制加法計數(shù)功能，還具有預(yù)置數(shù)、保持、和異步置零等附加功能。圖中LD為預(yù)置數(shù)控制端，D0-D3為數(shù)據(jù)輸入端，C為進(jìn)位輸出端，RD為異步置零端，EP、ET為工作狀態(tài)控制端。圖2.5 74160同步十進(jìn)制計數(shù)器以下是74160計數(shù)器的功能表表2.1 74160計數(shù)器功能表有了“秒”信號，則可根據(jù)60 秒為1 分，60 分為1 小時，24 小時為1 天的進(jìn)制，分別選定“秒”、“分”、“時”的計數(shù)器。在“秒”計數(shù)器中，因為是60 進(jìn)制，即有60

12、 個“秒”信號，才能輸出一個“分”進(jìn)位信號。若用十進(jìn)制數(shù)表示需要兩位十進(jìn)制的數(shù)（個位和十位），這樣，“秒”個位應(yīng)是十進(jìn)制，“秒”十位應(yīng)是六進(jìn)制，符合人們計數(shù)的習(xí)慣。將來便于應(yīng)用8421 碼譯碼顯示電路，“秒”計數(shù)器中通常用兩個十進(jìn)制計數(shù)器的集成片組成，然后再采用反饋歸零的方法使“秒”十位變成六進(jìn)制，以使個位、十位合起來實現(xiàn)60 進(jìn)制圖2.6秒部分計數(shù)電路其中個位計數(shù)為十進(jìn)制形式。個位與十位計數(shù)器之間采用同步級連方式，將個位計數(shù)器的進(jìn)位輸出控制端RCO接至十位計數(shù)器容許端ENP，ENT，完成個位對十位計數(shù)器的進(jìn)位控制。選擇十位計數(shù)器QC與QA和個位計數(shù)器QD和QA做反饋端，經(jīng)與非門輸出控制LDN

13、置數(shù)端，接成六進(jìn)制計數(shù)形式。當(dāng)計數(shù)器狀態(tài)為59時，重新置數(shù)00000000，并輸出一進(jìn)位（S-JW）。其仿真波形為：圖2.7秒部分計數(shù)仿真電路分鐘部分電路與秒鐘部分相似，當(dāng)計數(shù)器狀態(tài)為59時，重新置數(shù)00000000，并輸出一進(jìn)位（M-JW）。圖2.8分鐘部分電路其仿真波形為：圖2.9分鐘部分仿真電路由兩片74160組成的能實現(xiàn)24進(jìn)制轉(zhuǎn)換的同步遞增計數(shù)器如圖：圖2.10小時部分電路圖中個位與十位計數(shù)器均為十進(jìn)制計數(shù)形式，采用同步級連方式。選擇十位計數(shù)器的輸出端QB和個位計數(shù)器的輸出端QC作為反饋，可實現(xiàn)24進(jìn)制遞增計數(shù)。2.5 校時電路當(dāng)數(shù)字鐘的指示同實際時間不相符時，必須予以校準(zhǔn)，校時電路

14、的基本原理如圖3 所示，即將“秒”信號直接引進(jìn)“時”計數(shù)器，同時將“分”的計數(shù)器置0，讓“時”計數(shù)器快速計數(shù)，在“時”的指示調(diào)到需要的數(shù)字后，再切斷“秒”信號，校“分”電路也是按此方法讓“秒”信號輸入“分”計數(shù)器，同時讓“秒”計數(shù)器置0?？焖俑淖儭胺帧钡呐荆⒌降扔谛枰臄?shù)字為止。校“秒”電路略有不同，選用的周期為0.5 秒的脈沖信號，使“秒”計數(shù)比正常計“秒”快一倍，以便對準(zhǔn)“秒”的數(shù)字。圖2.11校時電路2.6譯碼顯示電路譯碼驅(qū)動電路是將“ 秒”、“ 分”、“ 時” 計數(shù)器輸出的8421BCD 碼進(jìn)行編譯，轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管需要的邏輯狀態(tài)，驅(qū)動LED-7 段數(shù)碼管顯示，并且為保證數(shù)碼管正常工作

15、提供足夠的工作電流。若將秒、分、時計數(shù)器的每位輸出分別與相應(yīng)七段譯碼器的輸出端連接，在脈沖的作用下，便可進(jìn)行不同的數(shù)字顯示。由于使用的譯碼器74LS48 輸出端高電平有效，所以選擇共陰極的數(shù)碼管來與之搭配。圖2.12 BCD-七段顯示譯碼器7448的邏輯圖表2.2 BCD-七段顯示譯碼器的真值表圖2.13譯碼顯示電路2.7整點報時電路整點報時電路可設(shè)計為在整點前十秒時開始每隔1 秒鳴叫一次，鳴叫時長為1 秒，即59 分51 秒、53 秒、55 秒、57 秒、59 秒各鳴叫一次，到整點時共鳴叫5 次，鳴叫結(jié)束，正好是整點。5 次鳴叫中，前4次為低音( 500Hz) ，第5 次為高音( 1kHz)

16、 。因為報時電路因未涉及到“時”，所以它只與“分”、“秒”計數(shù)器有關(guān)。“分”十位計數(shù)器輸出端為D4、C4、B4、A4，“分”個位計數(shù)器輸出端為D3、C3、B3、A3，“秒”十位計數(shù)器輸出端為D2、C2、B2、A2，“秒”個位計數(shù)器輸出端為D1、C1、B1、A1。在報時時段內(nèi)，“分”十位、個位計數(shù)器和“秒”十位計數(shù)器的狀態(tài)是不發(fā)生變化的，即D4C4B4A4 = 0101，D3C3B3A3 = 1001，D2C2B2A2 = 0101 保持不變，所以C4 = A4 = D3 =A3 = C2 = A2 = 1。只有“秒”個位計數(shù)器在正常計數(shù)，在51 秒、53 秒、55 秒、57 秒時，A1 = 1

17、，D1 = 0，輸出500 Hz 信號; 在59 秒時，A1 = 1，D1 = 1，輸出1kHz 信號。綜上所述，可得整點報時電路如圖7 所示，報時電路采用射極輸出推動蜂鳴器，三極管基極串接1k 限流電阻，是為了防止電流過大損壞蜂鳴器圖2.14整點報時電路第三章 系統(tǒng)的總體設(shè)計和仿真3.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計 由第二章介紹的電路各個部分的子電路構(gòu)成的各個部分的功能，再由第一章的數(shù)字時鐘的系統(tǒng)原理框圖，可以清楚的知道了總體的電路情況。下面圖3.1就時本設(shè)計的總體電路：由圖3.1可以看出和清楚的整個數(shù)字時鐘的總體工作原理和整個工作過程：由555和RC構(gòu)成的振蕩器產(chǎn)生的1000Hz的高頻信號經(jīng)過由3片7

18、4LS90構(gòu)成的1/1000分頻的分頻器后得到標(biāo)準(zhǔn)的秒脈沖信號，進(jìn)入60進(jìn)制的“秒”計時，“秒”的分位進(jìn)入60進(jìn)制的“分”計時，最后，由分的“時”進(jìn)位進(jìn)入24進(jìn)制的“時”計時。在電路中，還有由門電路和開關(guān)構(gòu)成的校時電路對電路的“時”，“分”進(jìn)行校時，得到正確的時間。圖3.1系統(tǒng)的總體設(shè)計圖3.2系統(tǒng)的仿真3.2.1 仿真軟件簡介NI Multisim 軟件結(jié)合了直觀的捕捉和功能強(qiáng)大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對電路進(jìn)行設(shè)計和驗證。憑借NI Multisim，您可以立即創(chuàng)建具有完整組件庫的電路圖，并利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SPICE 模擬器模仿電路行為。3.2.2 電路的仿真按照原理圖逐部分仿真，先仿真數(shù)

19、字電子鐘的秒部分，然后分部分和時部分，最后是日部分。仿真秒部分時，應(yīng)先仿真顯示器而后是74LS248 譯碼器，然后是74LS161 計數(shù)器組成的60 進(jìn)制計數(shù)器。然后按上述順序分別連成秒、分、時計數(shù)電路。圖3.2 秒計數(shù)仿真電路總結(jié)通過本次設(shè)計，使我對已學(xué)過的電路、數(shù)電、模電等電子技術(shù)的知識有了更深一步的了解，鍛煉和培養(yǎng)了自己利用已學(xué)知識來分析和解決實際問題的能力。對自己以后的學(xué)習(xí)和工作有很大的幫助。剛開始做這個設(shè)計的時候感覺自己什么都不知道怎么下手，腦子里比較浮躁和零亂。但通過一段時間的努力，通過重溫數(shù)電，模電等電子技術(shù)的書籍，還有通過查看相關(guān)的設(shè)計技術(shù)以及一些參考文獻(xiàn)，再加之在老師的指導(dǎo)和

20、周圍同學(xué)的幫助下，使我對自己的本設(shè)計有了熟練的掌握。在整個的設(shè)計過程中我充滿了激情和用心。記得在電子電工實習(xí)的時候，也是用滿腔的熱情來完成各項實習(xí)任務(wù)，并在每項實習(xí)項目中都達(dá)到了優(yōu)秀的成績。 所以，我相信自己的實際動手能力，并一向的加強(qiáng)自己在這方面的努力。在這次的電子技術(shù)設(shè)計中亦是如此，用自己的雙手和滿腔的熱情來完成各個環(huán)節(jié)，不斷的在圖書管查看相關(guān)資料和期刊文獻(xiàn)，特別在Internt上也收收獲了很多新鮮的東西。這次設(shè)計更讓我熟悉了一些常用集成邏輯電路和其相應(yīng)芯片的使用。雖然，在本設(shè)計中所用的方案不是最好的，但我想其中的原理是最基本的；雖然其中可能出現(xiàn)的誤差會計較大些，但是是最經(jīng)濟(jì)的和實用的，我

21、想在下去的一段時間里，我會將其的實物在一個PLC板實現(xiàn)出來，當(dāng)然也有可能做成一個成型的數(shù)字時鐘哦.最后，我要衷心的感謝賀老師給了我一次實踐的機(jī)會，讓我更加深刻地了解和認(rèn)識到了自己的優(yōu)點和不足，通過這個課程設(shè)計我發(fā)現(xiàn)了我好多知識都不熟悉甚至有的東西我根本就不知道，這讓我感到了要學(xué)習(xí)的東西還有很多很多。因此使我更堅定了在以后的學(xué)習(xí)中要扎實好基礎(chǔ)，闊廣知識面。附錄5.1 555定時器555定時器（又稱時基電路）是一個模擬與數(shù)字混合型的集成電路。555定時器是一種應(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。因而廣泛用于信號的產(chǎn)生、變換、

22、控制與檢測。目前生產(chǎn)的定時器有雙極型和CMOS兩種類型，其型號分別有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，雙極型定時器具有較大的驅(qū)動能力，而CMOS定時器具有低功耗、輸入阻抗高等優(yōu)點。555定時器工作的電源電壓很寬，并可承受較大的負(fù)載電流。雙極型定時器電源電壓范圍為516V，最大負(fù)載電流可達(dá)200mA；CMOS定時器電源電壓范圍為318V，最大負(fù)載電流在4mA以下。 555的引腳圖如下圖：圖5.1 555引腳圖圖5.2用555定時器組成的占空比可調(diào)的多諧振蕩器555的內(nèi)部電路和功能：圖5.3 555內(nèi)部電路圖上面圖5.2是555定時器內(nèi)部組成框圖。它主要由兩個高精度電壓比較器A1、A2，一個RS觸發(fā)器，一個放電三極管和三個5K電阻的分壓器而構(gòu)成。它的各個引腳功能如下：1腳：外接電源負(fù)端VSS或接地，一般情況下接地。8腳：外接電源VCC，雙極型時基電路VCC的范圍是4.5 16V，CMOS型時基電路VCC的范圍為3 18V。一般用5V。3腳：輸出端Vo2腳：低觸發(fā)端6腳：TH高