數(shù)字電子鐘邏輯電路設(shè)計報告

-.z.《數(shù)字電路》課程設(shè)計設(shè)計報告題目：數(shù)字電子鐘邏輯電路設(shè)計 班級:電子工程 姓名:**************** 指導(dǎo)教師:*******2012年12月摘要在生活中的各種場合經(jīng)常要用到電子鐘，現(xiàn)代電子技術(shù)的飛躍發(fā)展，各類智能化產(chǎn)品相應(yīng)而出，數(shù)字電路具有電路簡單、可靠性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計就以數(shù)字電路為核心設(shè)計數(shù)字電子鐘邏輯電路。數(shù)字鐘是一個將“周”、“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6日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。其主干電路系統(tǒng)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(diǎn)報時電路組成。關(guān)鍵詞分頻計數(shù)譯碼校時報時數(shù)字電子鐘邏輯電路設(shè)計設(shè)計目的數(shù)字電子鐘是一種用數(shù)字顯示秒、分、時、日的計時裝置，與傳統(tǒng)的機(jī)械鐘相比，它具有走時準(zhǔn)確，顯示直觀、無機(jī)械傳動裝置等優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛的應(yīng)用。小到人們?nèi)粘Ｉ钪械碾娮邮直?，大到車站、碼頭、機(jī)場等公共場所的大型數(shù)顯電子鐘。通過設(shè)計與實(shí)驗(yàn)調(diào)試，了解數(shù)字電子鐘邏輯電路設(shè)計的方法，進(jìn)一步理解設(shè)計方案與設(shè)計理念，擴(kuò)展設(shè)計思路與視野。數(shù)字電子鐘的電路組成方框圖如圖1.1所示。圖1.1數(shù)字電子鐘框圖由圖1.1可見，數(shù)字電子鐘由以下幾部分組成：石英晶體振蕩器和分頻器組成的秒脈沖發(fā)生器；校時電路；六十進(jìn)制秒、分計數(shù)器，二十四進(jìn)制（或十二進(jìn)制）計時計數(shù)器；秒、分、時的譯碼顯示部分等。二、設(shè)計任務(wù)和要求用中、小規(guī)模集成電路設(shè)計一臺能顯示日、時、分、秒的數(shù)字電子鐘，要求如下：由晶振電路產(chǎn)生1Hz標(biāo)準(zhǔn)秒信號。秒、分為00～59六十進(jìn)制計數(shù)器。3.時為00～23二十四進(jìn)制計數(shù)器。4.周顯示從1～日為七進(jìn)制計數(shù)器。5.可手動校時：能分別進(jìn)行秒、分、時、日的校時。只要將開關(guān)置于手動位置，可分別對秒、分、時、日進(jìn)行手動脈沖輸入調(diào)整或連續(xù)脈沖輸入的校正。6.整點(diǎn)報時。整點(diǎn)報時電路要求在每個整點(diǎn)前嗚叫五次低音（500Hz），整點(diǎn)時再嗚叫一次高音（1000Hz）。注：不能借助單片機(jī)或?qū)Ｓ眯酒∪⒖傮w方案選擇的論證實(shí)現(xiàn)數(shù)字電子鐘顯示時間的方案有多種，如：用繼電器改變運(yùn)算放大器的反饋網(wǎng)絡(luò)；用模擬開關(guān)來控制運(yùn)算放大器的反饋網(wǎng)絡(luò)；用數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A）的電阻網(wǎng)絡(luò)來改變增益。方案對比：方案一：本次設(shè)計考慮到使實(shí)驗(yàn)器材盡量可以在市場上及時的買到以及節(jié)省不必要的實(shí)驗(yàn)器材，最終考慮使用方案二模擬開關(guān)來控制運(yùn)算放大器的反饋網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)程控放大器。方案框圖如下：方案二：簡要原理：用模擬開關(guān)來控制運(yùn)算放大器的反饋網(wǎng)絡(luò)來設(shè)計程控放大器。通過對微動開關(guān)的閉合和斷開，由CC4051模擬開關(guān)控制輸出的電阻，作為三運(yùn)放構(gòu)成的數(shù)據(jù)放大器的電阻Rg，構(gòu)成程控放大器，改變Rg的值可以對輸入的信號進(jìn)行相應(yīng)的放大。優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：該種方案的電路相對于其他兩種方案的電路來說，電路結(jié)構(gòu)較為簡單，原理容易理解，使用器件較少，而且使用起來也十分方便。缺點(diǎn)：如果電路器件選擇不當(dāng)，可能造成電路無法達(dá)到設(shè)計的要求，即增益無法達(dá)到60dB或者當(dāng)增益為40dB時，－3dB帶寬≥40kHz。所選方案的理由：電路簡單，使用器件少，可在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)操作，焊接起來較為方便，調(diào)試較為簡單，符合課程設(shè)計的原則。使用方案框圖：4、單元電路的設(shè)計1、單元電路的設(shè)計根據(jù)設(shè)計任務(wù)和要求，對照數(shù)字電子鐘的框圖，可以分以下幾部分進(jìn)行模塊化設(shè)計。秒脈沖信號電路的設(shè)計：如上圖所示，使用晶體振蕩器發(fā)出的脈沖進(jìn)過整形分頻并通過Q14端輸出后（此時輸出2Hz信號）再次經(jīng)D觸發(fā)器分頻來獲得1Hz的秒脈沖信號。(2.電子鐘主體計數(shù)電路設(shè)計：秒分時日計數(shù)單元輸出均為8421BCD碼，采用了74LS161來實(shí)現(xiàn)計數(shù)單元的計數(shù)功能，74LS161可以進(jìn)行置數(shù)和清零。A、秒、分60進(jìn)制電路設(shè)計秒、分60進(jìn)制計數(shù)器都是顯示00-59數(shù)字信號，如上圖所示，從左到右依次為低位、高位片，低位為0-9十進(jìn)制計數(shù)器，高位為0-5六進(jìn)制計數(shù)器。秒分計數(shù)器的低位計數(shù)單元為10進(jìn)制計數(shù)器，無需進(jìn)行進(jìn)制轉(zhuǎn)換，當(dāng)Q3Q2Q1Q0變成1001時，通過與非門把它的送數(shù)端置0，則計數(shù)器跳過1010狀態(tài)，下一時刻又從0000開始，如此重復(fù)。秒分計數(shù)器的高位計數(shù)單元為6進(jìn)制計數(shù)器，當(dāng)Q3Q2Q1Q0變成0110時，通過與非門把它的清零端置0，計數(shù)器被置0，跳過了0110——1111狀態(tài)，又從0000狀態(tài)開始，如此重復(fù)。低位和高位計數(shù)器級聯(lián)便可以實(shí)現(xiàn)60進(jìn)制計數(shù)器的功能，秒計數(shù)器低位的Q3取非后為高位輸出時鐘信號，而高位的Q2取非后為分計數(shù)器的低位輸出時鐘信號。同理，分計數(shù)器低位Q3取非為高位提供時鐘信號，高位Q2取非后提供給時計數(shù)器時鐘信號。B、時24進(jìn)制電路設(shè)計時24進(jìn)制計數(shù)器顯示00-23數(shù)字信號，如上圖所示，從左到右依次為低位、高位片，低位為0-9十進(jìn)制計數(shù)器，高位為0-3四進(jìn)制計數(shù)器。時計數(shù)器的低位計數(shù)單元為10進(jìn)制計數(shù)器，無需進(jìn)行進(jìn)制轉(zhuǎn)換，當(dāng)Q3Q2Q1Q0變成1001時，通過與非門把它的送數(shù)端置0，則計數(shù)器跳過1010狀態(tài)，下一時刻又從0000開始，如此重復(fù)。時計數(shù)器的高位計數(shù)單元為4進(jìn)制計數(shù)器，當(dāng)Q3Q2Q1Q0變成0100時，通過與非門把它的清零端置0，計數(shù)器被置0，跳過了0101——1010狀態(tài)，又從0000狀態(tài)開始，如此重復(fù)低位和高位計數(shù)器級聯(lián)便可以實(shí)現(xiàn)24進(jìn)制計數(shù)器的功能，分計數(shù)器低位的Q3取非后為高位輸出時鐘信號，而高位的Q1取非后為日計數(shù)器輸出時鐘信號。但是，此時的級聯(lián)并不能實(shí)現(xiàn)00-23的輸出，相反，它是40進(jìn)制，此時需要將低位的Q2和高位的Q1進(jìn)行與非，同時將高位和低位清零，從而實(shí)現(xiàn)24進(jìn)制。B、日7進(jìn)制電路設(shè)計日7進(jìn)制計數(shù)器顯示0-6數(shù)字信號，如上圖所示。日計數(shù)器需要進(jìn)行10進(jìn)制到7進(jìn)制的進(jìn)制轉(zhuǎn)換，當(dāng)Q3Q2Q1Q0變成0110時，通過與非門把它的送數(shù)端置0，則計數(shù)器跳過0111-1010狀態(tài)，下一時刻又從0000開始，如此重復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)7進(jìn)制的轉(zhuǎn)換。3、譯碼顯示電路設(shè)計本設(shè)計使用CD4511共陰極數(shù)碼驅(qū)動芯片對數(shù)碼管進(jìn)行驅(qū)動，根據(jù)數(shù)碼管驅(qū)動功能表：設(shè)計了如下的譯碼驅(qū)動電路：A、上圖為時分秒電路譯碼顯示。B、上圖為日顯示譯碼部分電路。只需要將CD4511的D0-3端與對應(yīng)的計數(shù)器Q0-3端口連接即可。4、校時電路設(shè)計在數(shù)字電子鐘開機(jī)時，由于時分秒日均為任意值，為了顯示正確，就需要進(jìn)行調(diào)整，將時間顯示校正為正確的時間。并且此次設(shè)計要求要對時分秒日4部分可進(jìn)行單獨(dú)校正，由于電路輸入秒脈沖信號為1Hz，校正速度較慢，所以引入了更高頻率的脈沖信號進(jìn)入電路中（只需要引入CD4060的不同輸出端輸出信號即可），進(jìn)行手動校正。上圖為日計數(shù)部分手動校正電路，時分秒部分同理。5、整點(diǎn)報時電路設(shè)計要求:當(dāng)計數(shù)到整點(diǎn)前6秒時，電路開始準(zhǔn)備報時。如上圖所示，當(dāng)分計時到59時，將分觸發(fā)器QH（左）置1，而等到秒計數(shù)器到54時，將秒觸發(fā)器Q1（右）置1，然后通過Q1和QH相與之后再和1S標(biāo)準(zhǔn)信號相與而去控制低音喇叭鳴叫，直到59秒時產(chǎn)生一個復(fù)位信號，使Q1清零，停止低音鳴叫，同時59秒信號取反與QH相與后控制高音喇叭鳴叫。當(dāng)計時到分，秒從59：59-00：00時，鳴叫結(jié)束，完成整點(diǎn)報時。附：鳴叫電路設(shè)計鳴叫電路由高低兩種頻率通過或門去驅(qū)動一個三極管，從而帶動喇叭鳴叫。1Hz和500Hz從晶振分頻器近似獲得，CD4060分頻器的輸出端Q5和Q6的輸出頻率分別為1024Hz和512Hz。電路設(shè)計如下圖所示：2、繪出總體電路圖(詳見附錄一)四、電路的組裝與調(diào)試1、使用主要儀器、儀表。應(yīng)列出名稱、型號、生產(chǎn)廠家和生產(chǎn)日期等；數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)箱數(shù)字萬用表2、實(shí)物調(diào)試過程：七、所用元器件的編號列表序號符號與編號名稱數(shù)量規(guī)格說明1無萬用電路板22Y32768Hz晶振13U4060CD40601集成電路4U7474HC741集成電路5U(1)-U(7)74HC1617集成電路6U01-U06CD45117集成電路7YF11-YF4174HC002集成電路8F174HC042集成電路9YF1-374LS201集成電路10C1,C220P電容211R20M歐電阻112U2,U3，U4兩位LED共陰顯示器30.56英寸，18個引腳的13U1單位LED共陰顯示器10.56英寸，10個引腳的14無16腳管座15DIP封裝15無14腳管座5DIP封裝16S1-S7一常開一常閉按鍵7不帶自鎖的17無導(dǎo)線若干18無面包板319無硬導(dǎo)線若干20B蜂鳴器121Q三極管8050122R1電阻1k123Y1-Y574LS082集成電路24H74LS321集成電路附一：CD4060功能概述。CD4060由一振蕩器和14級二進(jìn)制串行計數(shù)器位組成，振蕩器的結(jié)構(gòu)可以是RC或晶振電路，CR為高電平時，計數(shù)器清零且振蕩器使用無效。所有的計數(shù)器位均為主從觸發(fā)器。在CP1(和CP0)的下降沿計數(shù)器以二進(jìn)制進(jìn)行計數(shù)。在時鐘脈沖線上使用斯密特觸發(fā)器對時鐘上升和下降時間無限制。電氣參數(shù)。RemendedOperatingConditions建議操作條件：SupplyVoltage電源電壓(VDD)+3Vto+15VInputVoltage輸入電壓(VIN)0VtoVDDOperatingTemperatureRange工作溫度*圍(TA)-40℃to+85℃管腳圖。附二：74HC74功能概述：74HC74是一個高速硅柵CMOS器件，其引腳與低功耗肖特基TTL兼容（輸入通道）。該74HC74是雙正邊沿觸發(fā)，D型觸發(fā)器與（D）輸入，時鐘（CP）的輸入個人資料，集（SD）和復(fù)位（RD）的投入;也互補(bǔ)Q和Q輸出。設(shè)定和復(fù)位是異步積極投入低并能獨(dú)立工作的時鐘輸入。信息輸入的數(shù)據(jù)傳送到Q輸出的低到高的時鐘脈沖過渡。D的投入必須是穩(wěn)定的一個設(shè)定時間之前低到高時鐘轉(zhuǎn)換為可預(yù)知的操作。施密特觸發(fā)器的時鐘輸入操作，使電路高度耐慢時鐘上升和下降時間電氣參數(shù)管腳圖附三：74HC161功能概述。74HC161是常用的四位二進(jìn)制可預(yù)置的同步加法計數(shù)器，他可以靈活的運(yùn)用在各種數(shù)字電路，以及單片機(jī)系統(tǒng)種實(shí)現(xiàn)分頻器等很多重要的功能。一片74HC161可以組成16進(jìn)制以下的任意進(jìn)制分頻器。電氣參數(shù)。管腳圖。附四：CD4511功能概述。CD4511是一個用于驅(qū)動共陰極LED（數(shù)碼管）顯示器的BCD碼—七段碼譯碼器，特點(diǎn)：具有BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動功能的CMOS電路能提供較大的拉電流。可直接驅(qū)動LED顯示器。電氣參數(shù)。管腳圖。附五：74HC00功能概述。電氣參數(shù)。管腳圖。附六：74HC04功能概述。電氣參數(shù)。管腳圖。附七：74HC08功能概述電氣參數(shù)管腳圖附八：74HC32功能概述電氣參數(shù)管腳圖附九：74HC20功能概述電氣參數(shù)管腳圖七、設(shè)計收獲體會：通過本實(shí)驗(yàn)的關(guān)于程控放大器