數(shù)字鐘電子課程設(shè)計(jì)-數(shù)字時(shí)鐘

1、數(shù)字時(shí)鐘設(shè)計(jì)報(bào)告 姓名： 學(xué)號(hào)： 班級(jí)： 專(zhuān)業(yè)： 評(píng)閱老師： 評(píng)分： 評(píng)語(yǔ)： 目 錄 引言（3）設(shè)計(jì)意義和要求（4） 1.1設(shè)計(jì)意義（4） 1.2設(shè)計(jì)目的（4） 1.3設(shè)計(jì)要求（4）方案設(shè)計(jì)（5） 2.1設(shè)計(jì)思路（5） 2.2 方案設(shè)計(jì) （5）單元電路設(shè)計(jì)（8） 3.1秒脈沖電路（8） 3.2 計(jì)時(shí)電路 （8） 3.3 譯碼和顯示電路（13） 3.4調(diào)時(shí)調(diào)分控制電路（13） 3.5整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路 （14） 3.6 清零控制電路（15）元件清單（16）調(diào)試與檢測(cè)（17）總結(jié)與體會(huì)（18）參考文獻(xiàn)（19）引言所謂數(shù)字鐘，是指利用電子電路構(gòu)成的計(jì)時(shí)器。相對(duì)機(jī)械鐘而言，數(shù)字鐘能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，并顯示時(shí)，分

2、，秒，而且可以方便，準(zhǔn)確的對(duì)時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)。在此基礎(chǔ)上，還可以實(shí)現(xiàn)整點(diǎn)報(bào)時(shí)的功能。因此，數(shù)字鐘的應(yīng)用十分廣泛。我們要通過(guò)這次的課程設(shè)計(jì)掌握數(shù)字鐘的原理，學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的數(shù)字鐘。設(shè)計(jì)過(guò)程采用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法，先分析任務(wù)，得到系統(tǒng)和要求，然后進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，劃分子系統(tǒng)，然后進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，確定各個(gè)功能子系統(tǒng)中的內(nèi)部電路，最后按照原理圖構(gòu)成實(shí)物，進(jìn)行調(diào)試和改進(jìn)。一 設(shè)計(jì)意義及要求 1.1設(shè)計(jì)意義 (1). 了解數(shù)字鐘的原理和功能 (2)學(xué)會(huì)使用555定時(shí)器構(gòu)成脈沖發(fā)生器 (3)了解和掌握計(jì)數(shù)器，譯碼器和顯示器的工作原理和使用方法 (4). 進(jìn)一步學(xué)習(xí)與掌握各種組合邏輯電路與時(shí)序電路的原理與使用方法，學(xué)會(huì)利用數(shù)

3、字電路實(shí)現(xiàn)數(shù)字鐘的功能1.2設(shè)計(jì)目的 電子技術(shù)（數(shù)字）課程設(shè)計(jì)是電子技術(shù)基礎(chǔ)課程的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，通過(guò)該教 學(xué)環(huán)節(jié)，要求達(dá)到以下目的： (1). 使學(xué)生進(jìn)一步掌握數(shù)字電子技術(shù)的理論知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生工程設(shè)計(jì)能力和綜合 分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力； (2). 使學(xué)生基本掌握常用電子電路的一般設(shè)計(jì)方法，提高電子電路的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ?(3). 熟悉并學(xué)會(huì)選用電子元器件，為以后從事生產(chǎn)和科研工作打下一定的基礎(chǔ)。1.3設(shè)計(jì)要求 (1). 設(shè)計(jì)一個(gè)有“時(shí)”，“分”，“秒”（23小時(shí)59分59秒）顯示的數(shù)字鐘。 (2). 數(shù)字鐘具有“時(shí)”，“分”的調(diào)時(shí)功能。 (3). 擴(kuò)展功能：具有整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能，即在某分某秒能

4、輸出某一音頻信號(hào)。 (4). 可以根據(jù)自己的設(shè)計(jì)添加其它功能。 (5). 秒清零的功能。二、方案設(shè)計(jì)2.1 設(shè)計(jì)思路 利用555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器，調(diào)整其電阻和電容大小，使其輸出信號(hào)頻率為1kHz，通過(guò)三個(gè)十進(jìn)制74160N分頻即構(gòu)成了秒脈沖發(fā)生器。用兩片74LS160N級(jí)聯(lián)構(gòu)成60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，用來(lái)計(jì)“秒”，其CP輸入為秒脈沖；另兩片74LS160N級(jí)聯(lián)構(gòu)成60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，用來(lái)計(jì)“分”，其CP輸入為“秒”變?yōu)?時(shí)產(chǎn)生的一個(gè)下降沿信號(hào)；還有兩片74LS160N級(jí)聯(lián)構(gòu)成24進(jìn)制計(jì)數(shù)器，用來(lái)計(jì)“時(shí)”，其CP輸入為“分”變0時(shí)產(chǎn)生的一個(gè)下降沿信號(hào)。這樣六片74LS160N實(shí)現(xiàn)了數(shù)字鐘的計(jì)時(shí)功能。它們

5、的輸出用六片譯碼顯示的數(shù)碼管顯示。對(duì)“時(shí)”，“分”的調(diào)節(jié)采用將原來(lái)使他們計(jì)時(shí)加“1” 的信號(hào)切換為可控脈沖信號(hào)的方法。報(bào)時(shí)電路由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器，三極管和蜂鳴器組成，這樣蜂鳴器輸出的音頻信號(hào)有高低變化。報(bào)時(shí)電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)要在報(bào)時(shí)時(shí)間段內(nèi)使振蕩器工作。我還設(shè)計(jì)了數(shù)字鐘的“秒”清零功能，只要使“秒”所對(duì)應(yīng)的74LS160N各自的清零端信號(hào)為高電平即可。2.2 方案設(shè)計(jì)根據(jù)數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)思路，可以將它分為六個(gè)單元電路：秒脈沖電路，計(jì)時(shí)電路，譯碼電路，顯示電路，調(diào)時(shí)調(diào)分控制電路，整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路，清零控制電路。它們之間的連接關(guān)系見(jiàn)原理方框圖，如圖1所示：整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路清零控制電路調(diào)時(shí)調(diào)分控制電路秒

6、脈沖電路顯示電路計(jì)時(shí)電路圖 1. 數(shù)字電路原理框圖 由原理方框圖可以看出，在整個(gè)數(shù)字鐘電路中，計(jì)時(shí)電路是主體。它不僅是顯示電路的基礎(chǔ)，還要與調(diào)時(shí)調(diào)分控制電路，整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路，清零控制電路配合來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。而數(shù)字鐘的準(zhǔn)確性則依賴(lài)于由多諧振蕩器構(gòu)成的秒脈沖源的準(zhǔn)確性，在連接實(shí)物時(shí)要將其輸出信號(hào)的頻率控制為1KHz。由設(shè)計(jì)思路和原理方框圖得圖 圖2. 數(shù)字時(shí)鐘整體圖三、單元電路設(shè)計(jì)3.1秒脈沖電路 如圖3，由555定時(shí)器和外接元件R1、R2、C構(gòu)成多諧振蕩器，腳2與腳6直接相連。電路沒(méi)有穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，電路亦不需要外接觸發(fā)信號(hào)，利用電源通過(guò)R1、R2向C充電，以及C通過(guò)R2向放電端Dc放電

7、，使電路產(chǎn)生振蕩。電容C在2/3Vcc和1/3Vcc之間充電和放電，從而在輸出端得到一系列的矩形波，對(duì)應(yīng)的波形如圖4所示。圖3. 555構(gòu)成多諧振蕩器 圖4. 多諧振蕩器的波形圖輸出信號(hào)的時(shí)間參數(shù)是： T= tw1+tw2 ，tw1=0.7（R1+R2）C，tw2=0.7R2C 。其中，tw1為VC由1/3Vcc上升到2/3Vcc所需的時(shí)間，tw2為電容C放電所需的間。555電路要求R1與R2均應(yīng)不小于1K，但兩者之和應(yīng)不大于3.3M。外部元件的穩(wěn)定性決定了多諧振蕩器的穩(wěn)定性，555定時(shí)器配以少量的元件即獲得較高精度的振蕩頻率和具有較強(qiáng)的功率輸出能力。因此，這種形式的多諧振蕩器很廣?，F(xiàn)在要用多

8、諧振蕩器產(chǎn)生頻率為1Hz的脈沖信號(hào)，由上面的三個(gè)表達(dá)式可得T=0.7（R1+2R2）C.若選擇R1=108K R2=100K，C=10nF可求得T約為1mS，則輸出信號(hào)頻率約為1KHz。選擇此參數(shù)的多諧振蕩器可作為脈沖通過(guò)三個(gè)74160N進(jìn)行十進(jìn)制分頻即可得到秒脈沖，如圖5所示。3.2 計(jì)時(shí)電路 計(jì)時(shí)電路主要由異步計(jì)數(shù)器74LS160N組成。74LS160N為中規(guī)模TTL集成計(jì)數(shù)器十分頻功能，。其引腳排列圖和功能表如圖6和表1所示。圖6中MS1，MS2為置9端，它們都接高電平時(shí)置數(shù)有效；M01，M02為清零端，它們都接高電平時(shí)清零有效；CLK0端接Q0端，CK1端接脈沖信號(hào)，Q3，Q2，Q1，

9、Q0作為輸出時(shí)為10進(jìn)制計(jì)數(shù)器。制作數(shù)字鐘時(shí)單片74LS160N都要采用這種接法。圖5. 秒脈沖發(fā)生器 圖6. 74LS160N的引腳排列圖 CLKRDLDEP ET工作狀態(tài)0 置零10 預(yù)置數(shù)110 1保持11 0保持（但C=0）111 1計(jì)數(shù)表1. 74LS160N的功能表計(jì)時(shí)電路可分為“時(shí)”,“分”，“秒”三部分計(jì)時(shí)。以“秒”計(jì)時(shí)為例，它要求兩片74LS160N構(gòu)成60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)從0開(kāi)始，到59后秒脈沖來(lái)時(shí)計(jì)數(shù)又變?yōu)?，如此循環(huán)。而且在“秒”由59變?yōu)?時(shí)要產(chǎn)生“進(jìn)位信號(hào)”，使“分”的計(jì)時(shí)加1.首先將計(jì)“秒”的十位和個(gè)位的芯片分別編號(hào)為2，1.片1的CLK端接秒脈沖，它的RCO端在

10、它計(jì)數(shù)從9變?yōu)?時(shí)由“1”變?yōu)椤?”，把它接到片2的CLK端作為進(jìn)位信號(hào)。采用兩片74LS00N將片2的Q2，Q1端接到片2的清零端，當(dāng)計(jì)數(shù)為“60”時(shí)，片2計(jì)數(shù)為“6”，它的Q2，Q1端都為“1”，則兩片芯片的清零端都有效，計(jì)數(shù)清零。因?yàn)?4LS160N是異步清零，故數(shù)碼管上不會(huì)顯示“60”，而是顯示由“59”變?yōu)?.“秒”計(jì)時(shí)電路圖如圖7所示。圖7. 秒計(jì)時(shí)電路利用相同的原理再做一個(gè)60進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)“分”，考慮到“秒”計(jì)時(shí)清零時(shí)片2的RCO端由“1”變?yōu)椤?”，這一下降沿信號(hào)可作為進(jìn)位信號(hào)接到“分”計(jì)時(shí)的個(gè)位計(jì)數(shù)芯片的CLK端，當(dāng)“秒”計(jì)時(shí)清零時(shí)“分”計(jì)時(shí)加1.類(lèi)似的做一個(gè)24進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)

11、“時(shí)”，將它的十位計(jì)數(shù)芯片的Q1端和個(gè)位計(jì)數(shù)芯片的Q2端接到兩個(gè)芯片的清零端，并將“分”計(jì)時(shí)的十位計(jì)數(shù)芯片的U13A端作為進(jìn)位信號(hào)接到“時(shí)”計(jì)數(shù)的個(gè)位計(jì)數(shù)芯片的CK1端，這樣“分”計(jì)時(shí)清零時(shí)“時(shí)”計(jì)數(shù)加1.根據(jù)上述原理可得到計(jì)時(shí)電路，如圖8所示。 圖8. 計(jì)時(shí)電路圖 3.3 譯碼和顯示電路我所采用的譯碼和顯示器件為DCD_EX_BLUE。此器件為譯碼和顯示一體器件。此處只需按照相應(yīng)的引腳連接即可。3.4調(diào)時(shí)調(diào)分控制電路調(diào)時(shí)調(diào)分的原理是將“時(shí)”“分”計(jì)時(shí)電路原來(lái)所接的進(jìn)位信號(hào)切換為單脈沖，各通過(guò)一個(gè)單刀雙擲開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)信號(hào)切換。單脈沖由一個(gè)帶彈簧的開(kāi)關(guān)模擬，把它接在與電源相連的線(xiàn)路中，當(dāng)開(kāi)關(guān)按下去時(shí)

12、線(xiàn)路連通為高電平，彈起時(shí)線(xiàn)路斷開(kāi)為低電平，開(kāi)關(guān)一次按下和彈起就是一個(gè)下降沿脈沖，可以使計(jì)時(shí)器計(jì)數(shù)加1，這樣可以通過(guò)這個(gè)開(kāi)關(guān)調(diào)時(shí)和調(diào)分。電路圖如 所示 ： 圖9. 校時(shí)校分電路3.5整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路如圖10所示。它由一個(gè)多諧振蕩器，一個(gè)NPN型三極管和一個(gè)揚(yáng)聲器組成，當(dāng)振蕩器工作時(shí)，三極管驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出震蕩音頻。但是這個(gè)振蕩器的4腳和VCC之間接了一個(gè)上拉電阻，那么4腳處就不一定是高電平，當(dāng)它為低電平時(shí)振蕩器不工作，只有當(dāng)它為高電平時(shí)振蕩器才工作，那么只要找到合適的信號(hào)接到4腳，當(dāng)需要報(bào)時(shí)此信號(hào)為高電平，其他時(shí)間為低電平，就可以實(shí)現(xiàn)報(bào)時(shí)功能。我想把報(bào)時(shí)功能設(shè)置成整點(diǎn)前十秒蜂鳴器開(kāi)始鳴叫

13、，十秒后停止鳴叫即為整點(diǎn)。注意到某點(diǎn)59分50秒后的十秒鐘內(nèi)，“5”“9”“5”對(duì)應(yīng)的8421BCD碼為0101 1001 0101，將3塊芯片上對(duì)應(yīng)的輸出為“1”的輸出端相與輸出為高電平，把它接到振蕩器4腳上，在整點(diǎn)前十秒蜂鳴器會(huì)報(bào)時(shí)。在其它時(shí)間這六個(gè)輸出端不可能同時(shí)為“1”，即他們相與的輸出為低電平，振蕩器不會(huì)工作，不會(huì)報(bào)時(shí)。如此可以實(shí)現(xiàn)整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能。 圖 10.報(bào)時(shí)電路圖3.6 清零控制電路清零功能要求在“清零”后，“秒”數(shù)碼管顯示為0，但計(jì)時(shí)電路仍然工作。此功能是通過(guò)兩個(gè)帶彈簧的開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)兩個(gè)開(kāi)關(guān)分別接至74160N芯片的CLR端，當(dāng)按下開(kāi)關(guān)時(shí)CLR端將變?yōu)榈碗娖?，從而?shí)現(xiàn)清零

14、。但是此處需要考慮一個(gè)問(wèn)題，即“秒”計(jì)時(shí)器十位端如果將開(kāi)關(guān)直接接在CLR端是不可以的，因?yàn)镃LR端平時(shí)為高電平，而當(dāng)直接接上在按下開(kāi)關(guān)時(shí)會(huì)導(dǎo)致短路。故此處應(yīng)加入一個(gè)電阻以實(shí)現(xiàn)電壓的拉升。從而實(shí)現(xiàn)“清零”的作用。四、元件清單序號(hào)名稱(chēng)數(shù)量174LS160N8片2DCD_HEX_BLUE6片34012B6片474LS00N8片574LS00N8片674F04D2片7555定時(shí)器1片8單刀雙擲開(kāi)關(guān)2個(gè)9帶彈簧的開(kāi)關(guān)4個(gè)10蜂鳴器1個(gè)1110K電阻2個(gè)12100K電阻2個(gè)135K電阻2個(gè)1418nf電容1個(gè)15100uF電容1個(gè)五、 調(diào)試與檢測(cè) 調(diào)試過(guò)程中遇到的問(wèn)題主要是開(kāi)關(guān)校時(shí)問(wèn)題。當(dāng)把“時(shí)”，“分”

15、原來(lái)所接的進(jìn)位信號(hào)切換為按鍵脈沖時(shí)，本想是作為一個(gè)控制開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)主這樣的功能，但是實(shí)際上在切換開(kāi)關(guān)的過(guò)程中也會(huì)使時(shí)鐘進(jìn)位。這是因?yàn)樵诎鈩?dòng)開(kāi)關(guān)的過(guò)程中產(chǎn)生了信號(hào)的高低電平轉(zhuǎn)換，進(jìn)而形成了進(jìn)位信號(hào)，導(dǎo)致當(dāng)調(diào)整好電路后扳回開(kāi)關(guān)時(shí)繼續(xù)進(jìn)一。因此我對(duì)調(diào)時(shí)電路作了改進(jìn)，改為調(diào)節(jié)“時(shí)”，“分”時(shí)，將它們?cè)瓉?lái)所接的進(jìn)位信號(hào)切換為秒脈沖信號(hào)，這個(gè)信號(hào)是比較穩(wěn)定的，避免了機(jī)械開(kāi)關(guān)的抖動(dòng)問(wèn)題。當(dāng)時(shí)間調(diào)好時(shí)，只要將CP信號(hào)切換回原來(lái)的進(jìn)位信號(hào)即可恢復(fù)正常計(jì)時(shí)。六、體會(huì)和總結(jié) 課程設(shè)計(jì)是我們運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，動(dòng)手實(shí)踐的一個(gè)很好的機(jī)會(huì)。它既可以幫助我們加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，又能提高我們運(yùn)用知識(shí)，聯(lián)系實(shí)際，動(dòng)手實(shí)踐的能力。而且在設(shè)計(jì)過(guò)程中可能用到我們沒(méi)學(xué)過(guò)的知識(shí)，需要我們?nèi)ゲ殚嗁Y料獲取相關(guān)信息，這又提高了我們查找信息和學(xué)習(xí)新知識(shí)的能力。在實(shí)物的調(diào)試與檢測(cè)過(guò)程中，又會(huì)遇到許多意想不到的問(wèn)題，需要我們?nèi)シ治鲈蚝徒鉀Q問(wèn)題。有些現(xiàn)象能夠證明我們所學(xué)知識(shí)的正確性，有些現(xiàn)象有說(shuō)明理論和現(xiàn)實(shí)是有差異的，比如數(shù)字鐘的調(diào)時(shí)問(wèn)題。理論上彈簧開(kāi)關(guān)模擬單脈沖是可行的，但實(shí)際的“機(jī)械抖動(dòng)”