多功能數(shù)字鐘-時分秒

1"f也大電子電路綜合實驗設(shè)計報告——多功能數(shù)字鐘的設(shè)計第第頁共26頁TOC\o"1-5"\h\z目錄 2\o"CurrentDocument"一．實驗?zāi)康?3\o"CurrentDocument"二．設(shè)計要求 3\o"CurrentDocument"三．總體設(shè)計概要 3四．單元電路設(shè)計 4振 蕩 器 電路 4\o"CurrentDocument"分 頻 器 電路 7\o"CurrentDocument"時間計時單元的設(shè)計 9譯碼與顯示電路的設(shè)計 13\o"CurrentDocument"校時電路的設(shè)計 15\o"CurrentDocument"定時控制電路的設(shè)計 17方案一整體電路圖 18模塊接線圖及仿真結(jié)果 18用ＥＷＢ軟件繪制的單元接線圖 18單元模塊仿真 21整體仿真 22\o"CurrentDocument"五.測試結(jié)果分析 23\o"CurrentDocument"六．面包板 23\o"CurrentDocument"七．設(shè)計過程中出現(xiàn)的問題 25\o"CurrentDocument"八.實驗用到的器件 25一．實驗?zāi)康募由顚?shù) 字電子技術(shù)的理論 知識的理解，結(jié)合實踐進(jìn)一步加深對單元 電路基本功能的掌握和 應(yīng)用。通 過具體 數(shù)字電 路模型，掌握一種 常用電子電路仿 真的軟件，使 學(xué)生能利用所學(xué)理論知識完成實際電路的設(shè)計、仿真和制作。握 數(shù)字鐘的基本知識以及所用數(shù)字鐘相關(guān)芯片的功能及使用方法。解面包板 結(jié)構(gòu)及其接線方法。悉 數(shù)字鐘電路的設(shè)計與制作。二．設(shè)計要求本課題是設(shè)計一個多功能數(shù)字鐘，準(zhǔn)確計時，以數(shù)字形式顯示，時、分、秒的時間；小時的計時要求為“12翻1”，分和秒的 計時要求為60進(jìn)位。三．總體設(shè)計概要數(shù)字鐘實際上是一個對標(biāo)準(zhǔn)頻率（1HZ）進(jìn)行計數(shù)的計數(shù)電路。由于計數(shù)的起始時間不可能與標(biāo)準(zhǔn)時間（如北京時間）一致，故需要在電路上加一個校時電路，同時標(biāo)準(zhǔn)的 1HZ時間 信號必須做到準(zhǔn)確穩(wěn)定。通常使用石英晶體振 蕩器電路構(gòu)成數(shù)字鐘。數(shù)字鐘電路系統(tǒng)的組成方框圖如下。四．單元電路設(shè)計振蕩器電路芯片介紹： 555定時器引腳功能：i1（TH）：高電平觸發(fā)端，簡稱高觸發(fā)端，又稱閾值端，標(biāo)志為TH。i2（TR）：低電平觸發(fā)端，簡稱低觸發(fā)端，標(biāo)志為TR。CO：控制電壓端。O：輸出端。Dis：放電端。Rd：復(fù)位端。

VcoVi1(TH)Vi2(TR)VCCR5KVoRR5KVo'R5KRdDisR1GG1C28CCVisD4dR7215TRDVcoVi1(TH)Vi2(TR)VCCR5KVoRR5KVo'R5KRdDisR1GG1C28CCVisD4dR7215TRDNTHGVco(a)555的邏輯符號VCCDisTHVco1234GNDTRVoRd(b)555的引腳排列555定時器邏輯符555555定時器邏輯符觸發(fā)：當(dāng)輸入電壓 Vi2<13VCC且Vi1<23VCC時，VTR=0，VTH=0，比 較器C2輸出低電平，C1輸出為高電平，基本 RS觸發(fā) 器的輸入端S=0、R=1，使Q＝1，Q＝0，經(jīng)輸出反相緩沖器后， VO＝1，T截止。 這時稱 555定時器“低觸發(fā)”；Vi2>13VCC且Vi1<23VCC，則VTR=1，VTH=0，S=R=1，基本 RS觸發(fā) 器VO和T狀態(tài)不變，這時稱 555定時器“保持”。觸發(fā)：若Vi1>23VCC，則VTH=1，比較器C1輸出為低電平，無論C2輸出何種電平，RS觸發(fā) 器因 R=0，使 Q＝1，經(jīng)輸出反相緩沖器后， VO＝0；T導(dǎo)通。這時稱555定時器“高觸發(fā)”。555定時器控制功能表輸入輸出THTRRdVODis

××LL導(dǎo)通<23VCC<13VCCHH截止<23VCC>13VCCH不變不變>23VCC×HL導(dǎo)通振蕩器是數(shù)字鐘的核心。振蕩器的穩(wěn)定度及頻率的精確度決定了數(shù)字鐘計時通常選用石英晶體構(gòu)成振蕩器電路。 一般來說， 振蕩器的頻率越高，電路圖如圖。本課程設(shè)計采取用 555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器。由555定時器和外接元件R1、R2、C1構(gòu)成多諧振蕩器，腳 2與腳6直接相連，如圖所示。電路沒有穩(wěn)態(tài)，存在兩個暫穩(wěn)態(tài) ，電路亦不需要外加 觸發(fā)信號，利用電源通過R1、R2向C充，以及C通過 R2向放 電端Ct放電，使電路產(chǎn)生振 蕩。輸 出信號的 時間參數(shù)是：T＝tw1 ＋tw2 ，tw1＝0.7(R1＋R2)C， tw2＝ 0.7R2C輸出波形仿真圖如圖所示分頻器電路芯片介紹：74LS90是異步二—五—十進(jìn)制加法計數(shù)器，它既可以作二進(jìn)制加法計數(shù)器，又可以作五進(jìn)制和十進(jìn)制加法計數(shù)器。 圖17－3為74LS90引腳排列， 表17－1為功能表。通過不同的連接方式， 74LS90可以實現(xiàn)四種不同的邏輯功能； 而且還可借助R0(1)、R0(2)對計數(shù)器清零，借助 S9(1)、S9(2)將計數(shù)器置 9。其具體功能詳述如下： (1)計數(shù)脈沖從 CP1輸入， QA作為輸出端，為二進(jìn)制計數(shù)器。 (2)計數(shù)脈沖從 CP2輸入， QDQCQ作為輸出端，B 為異步五進(jìn)制加法計數(shù)器。 (3)若將CP2和QA相連，計數(shù)脈沖由 CP1輸入， QD、QC、QB、QA作為輸出端， 則構(gòu)成異步8421碼十進(jìn)制加法計數(shù)器。 (4)若將 CP1與QD相連， 計數(shù)脈沖由 CP2輸入， QA、QD、QC、QB作為輸出端， 則構(gòu)成異步 5421碼十進(jìn)制加法計數(shù)器。 (5)清零、置9功能。 a)異步清零 當(dāng)R0(1)、R0(2)均為 “1”；S9(1)、S9(2)中有“ 0”時，實現(xiàn)異步清零功能，即 QDQCQB＝QA0000。 b)置9功能 當(dāng)S9(1)、S9(2)均為“1”；R0(1)、R0(2)中有“0”時， 實現(xiàn)置 9功能， 即QDQCQBQA＝1001。74LS90 引腳排列圖

74LS90 功能表設(shè)計：分頻器的功能主要有兩個： 一是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號； 二是提供功能擴展電路所需要的信號，如仿電臺報時用的 1KHz的高音頻信號和 500KHz的低音頻信號等。因此，可以選用 3片我們較熟悉的中規(guī)模集成電路計數(shù)器 74LS90可以完成上述功能。因每片為 1/10分頻，3片級聯(lián)則可獲得所需要的頻率信號，即每 1片Q0端輸出頻率為 500Hz,每2片Q3輸出為 10Hz，每 3片的 Q3端輸出 1Hz。分頻器設(shè)計電路時間計時單元的設(shè)計分和秒計數(shù)器都是模數(shù)M=60的計數(shù)器，其計數(shù)規(guī)律為00—01—?— 58—59—00?選74LS92作為十位計數(shù)器， 74LS90作為個位計數(shù)器，再將他們級聯(lián)組成數(shù)M=60的計數(shù)器。1分秒計數(shù)器邏輯電路圖時計數(shù)器：時計數(shù)器是一個“12翻1”的特殊進(jìn)制計數(shù)器，即當(dāng)數(shù)字鐘運行到 12時59分59秒，秒的個位計數(shù)器再輸入一個秒脈沖時，數(shù)字鐘應(yīng)自動顯示為01時00分00秒，實現(xiàn)日常生活中 習(xí)慣常用的計時規(guī)律。選用74LS191和74LS74。圖2時計數(shù)器邏輯電路圖方案二：時計數(shù)器：U5、U6分別為時計時電 路的十位個位計時芯片，將CKB接Q0實現(xiàn) 十進(jìn)制計數(shù)功能，兩芯片的 R0（ 1）相接、 R0（ 2）相接， 顯示 12時 U6芯片的 Q0輸 出高電平接R0（1）， U5芯片的 Q1、Q2要實現(xiàn)12翻1必須輸出是 3也就是 0110，所以將U5芯片的 Q1、Q2接與門輸出再接 R0（2）實現(xiàn)對兩個 芯片的清零操作，但此時僅僅是 12翻 0.為了實現(xiàn) 12翻 1必 須在翻 0的 時候?qū)?U5芯片 產(chǎn)生一個下降沿脈沖信號，所以本電路采用將U5芯片的 Q1、Q1接與門輸出再和 U6芯片的 Q0相與，如圖1-6所示，然后 與U5芯片的進(jìn)位信號相或，輸出接 U5的進(jìn)位脈沖端， 這樣就

實現(xiàn)在12翻0前的任何 計時，第二個與門輸出0，或門打開，脈沖信號正常通或門進(jìn)入 U5的脈沖 輸入端，當(dāng)要 12翻 0的 時候， U5輸 出 0110， U6輸出0001，個與門輸出1將或門封鎖，此時兩個芯片清零或門那兒產(chǎn)生了一個1-0的下降位脈沖，使得 U5此時變?yōu)?，實現(xiàn)了12翻1的功能。選用兩片74LS9074LS192芯片介 紹：74LS192是同步十進(jìn)制可逆計數(shù)器，它具有雙時鐘輸入，并具有清除和置等功能，其引腳排列及 邏輯符號如下所示：

圖2-174LS192的引腳排列及 邏輯符號CPU為加計數(shù)時鐘輸 入端，CPD為減計數(shù)時鐘輸 入端。LD為預(yù)置輸入控制端， 異步預(yù)置。CR為復(fù) 位輸入端，高電平有效，異步清除。CO為進(jìn) 位輸出： 1001狀態(tài) 后 負(fù) 脈沖 輸 出，BO為 借位輸出： 0000狀態(tài) 后 負(fù) 脈沖 輸 出。74LS192的功能表如下表：表2-1 74LS192功能表74LS192為十進(jìn)制計數(shù)器， TCU為進(jìn) 位端，其中一 個74LS192和與門構(gòu)成六制計數(shù)。當(dāng)秒十位的 74LS192計數(shù) 至6（0110）時，與門發(fā)出清零信號使74LS192

零。同時另一個74LS192也完成 清零，這樣就完成了 60進(jìn)制計數(shù)。秒和分 的器結(jié)構(gòu)完全相同。 當(dāng)秒的十位在 清零時也同時向分的個位發(fā)一個脈沖，使分1。分秒計數(shù)器電路圖4.4譯碼與顯示電路的設(shè)計圖3譯碼顯示TOC\o"1-5"\h\z當(dāng)要求 輸出0-15時 ， 消 隱 輸入 “BI”應(yīng) 為 高 電平 或開路；滅 零 輸 入“RBI ”和 測試燈 輸入 “LT”都必須 在 無 效 電平狀 態(tài)，即應(yīng) 為 高 電平 。LED顯 示器件有 共 陽 極和 共陰極 兩 種。 選 用共陰 極 的 5011數(shù)A碼 管 作為顯示器件。譯碼驅(qū)動也可選CD451，1BCD碼輸人。它的譯碼輸出端為低電平有效，可直接驅(qū)動共陽極LED數(shù)碼管。74LS48是BCD碼到七段顯示譯碼器，它可以直接 驅(qū)動共陰極數(shù)碼 管。

其中， ABCD分別為輸入端，OAOBOCODOEOF分OG別為輸 出端接到 數(shù)碼顯abcdefg上。 LTN稱為測試數(shù)碼 管信號，LTN=0時，則所有的二極管都發(fā)稱為一個“8”字，表示 數(shù)碼管顯示正常，可以正常工作，否 則不能。 BIN稱為燈信號，當(dāng)BIN=0時，則無論ABCD為何值，均不顯示； RBIN稱為滅 零信號，當(dāng)RBIN=0時，如果 ABCD=000，0則顯 示管不顯示， RBO稱為滅N 零輸出端，當(dāng)ABCD=0000，則RBO輸N出為0。需要顯示時，只需將74LS48的顯示譯碼器的輸出端接到數(shù)碼顯示管上對應(yīng)的位置即可。校時電路的設(shè)計當(dāng)數(shù)字鐘接通電源或者計數(shù)出現(xiàn)誤差時，需要校正 時間。校時是數(shù)字鐘應(yīng)具備的基本功能。一般 電子手表都具有 時，分，秒等校 時功能。為了使電路簡單，這里只進(jìn)行分和小時的校時。如圖所示為校時電路邏輯圖。

對校時電路的要求是， 在小時校正時不影響分和秒的正常 計數(shù)；在分校正時不影響秒和小時的正常計數(shù)。校時方式有“快校時”和“慢校時”兩種，“快校時”是通過開關(guān)控制，使計數(shù)器對1Hz的校時脈沖計數(shù)?！奥r”是用手動產(chǎn)生單脈沖作為校時脈沖。圖示電路為?！皶r”，?！胺帧彪娐贰Ｆ渲?S1為?！胺帧庇玫目刂崎_關(guān)，S2為?！皶r”用的控制開關(guān)，他們的控制功能如 圖表示。校時脈沖采用分 頻器輸出的 1Hz脈沖， 當(dāng)S1或S2分別為 “0”時可以進(jìn)行快校時。如果校時脈沖由單次脈沖產(chǎn)生器提供， 則可以進(jìn)行慢校時。需要注意的是，校 時電路是由與非們構(gòu)成的組合邏輯電路，開S1或S2為“1”或“0”時，可能會產(chǎn)生抖動，接電容C1，C2可緩解抖動。所以實際使用時，一般S1S2會接一個RS觸發(fā) 器，將其改為去抖動開關(guān)電路。S1S2功能計數(shù)校分校時

定時控制電路的設(shè)計數(shù)字鐘在指定的時刻發(fā)出信號，或驅(qū)動音響電路“鬧時”(這里用可用指示燈來代替音響電路)；或?qū)δ逞b置的電源進(jìn)行接通或斷開“控制”。不管是鬧還是控制，都要求 時間準(zhǔn)確，即信 號的開始時刻與持續(xù)時間必須滿足規(guī)定的要求。例如要求 6時59分發(fā)出鬧鐘信號，持續(xù)時間為 1分鐘這是對應(yīng)數(shù)字中的時個位計數(shù)器的狀態(tài) (Q3Q2Q1Q0)H1=0110，分十位 計數(shù)器的狀態(tài)為 (Q3Q2Q1Q0)M2=0101,分個位計數(shù)器的狀態(tài)為 (Q3Q2Q1Q0)M1=1001。若將上述技術(shù)其輸出為1的所有 輸出端經(jīng)過與門電 路去控制指示燈，可以使指示燈正好在6點59分亮，持 續(xù)1分鐘后熄滅，所以鬧時控制信號Z的表 達(dá)式為Z=(Q2Q1)H1(Q2Q0)M2(Q3Q0)MZ=4.7方案一整體電路圖4.8模塊接線圖及仿真結(jié)果4.8.1用ＥＷＢ軟件繪制的單元接線圖計數(shù)器模塊：圖4分、秒計數(shù)單 元4.8.2單元模塊仿真分頻仿真結(jié)果：計數(shù)器仿真結(jié)果：圖5時鐘結(jié)果仿真圖由圖5可知， 該時刻為1時28分51秒。4.8.3整體仿真此時仿真出時刻為 10時0分0秒。五.測試結(jié)果分析根據(jù)在ＥＷＢ軟件中的仿真結(jié)果及相應(yīng)的分析可知，電路可以實現(xiàn)設(shè)計要求，可以實現(xiàn)數(shù)字鐘的基本功能，既計數(shù)功能，其時間以數(shù)字形式顯示時、分、秒的時間 ；小時的計時要求為“ 12翻1”，分和秒的計時要求為 60進(jìn)位?；诜抡娼Y(jié)果可以認(rèn)定，此次多功能數(shù)字鐘的設(shè)計是成功的。六．面包板面包板（也叫集成 電路實驗板）是電路實驗中一種常用的具有多孔 插座的插件板，在進(jìn)行電路實驗時，可以根據(jù)電路連接要求，在相應(yīng)孔內(nèi)插入電子元器件的引腳以及 導(dǎo)線等，使其與孔內(nèi)彈性接觸簧片接觸，由此連接成所需的 實驗電路，是用于搭試電路的重要工具。面包板的構(gòu)成面包板的外 觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，面包板分上下 兩部分，上面部分一般是由一行或兩行的插孔構(gòu)成的窄條，行和行之 間電氣不連通。每5列插孔為一組，通常的面包板上有 10組或11組。對于10組的結(jié)構(gòu)，左邊3組內(nèi)部電氣連通，中間4組內(nèi)部電氣連通，右邊3組內(nèi)部電氣連通，但左邊3組、中間4組以及右邊3組之間是不連通的。對于11組的結(jié)構(gòu)，左邊4組內(nèi)部電氣連通，中間3組內(nèi)部電氣連通，右邊4組內(nèi)部電氣連通，但左邊4組、中間3組以及右邊4組之間是不連通的。若使用的 時候需要連通，必須在兩者之間跨接導(dǎo)線。下面部分是由中間一條隔離凹槽和上下各 5行的插孔構(gòu)成。在同一列中的 5個插孔是互相連通的，列和列之 間以及凹槽上下部分 則是不連通的。

電子控制電路基本實驗所用的元器件包括： 電池組2組（3V、6V，帶電池電極引線）。面包板（ SYB-130或118、SYB-46型）。 4只（ 紅、綠、黃、極管4只（ 8050、9013×2、9014），數(shù)碼管（LC5011）。數(shù)字集成路10塊（74LS00、74LS02、74LS04、74LS08、74LS32、74LS73、74LS74、74LS86、4511、4518）。繼電器（JRC