數(shù)電課程設計報告-耿澤浩

耿澤浩專業(yè)班級：目:多功能數(shù)字鐘電路設計通信1305耿澤浩專業(yè)班級：目:多功能數(shù)字鐘電路設計通信1305班

課程設計任務書

學生：

指導教師：政穎工作單位：信息工程學院

題

初始條件：

本設計既可以使用集成譯碼器、計數(shù)器、定時器、脈沖發(fā)生器和必要的門電路等，

也可以使用單片機系統(tǒng)構建多功能數(shù)字鐘。用數(shù)碼管顯示時間計數(shù)值。

要求完成的主要任務:

基本功能：1、準確計時，以數(shù)字形式顯示時、分、秒的時間；2、小時得計時為十二

進制（或二十四進制），分和秒的計時要求為60進制；3、校正時間。

擴展功能：1、定時功能；2、整點報時功能；3、仿廣播電臺整點報時。

時間安排：

1、2015年7月2日，做課設具體實施計劃與課程設計報告格式的要求說明。

2、2015年7月2日至2015年7月5日，查閱相關資料，確定方案，仿真調試。

3、2015年7月5日至2015年7月8日，焊接實物，電路調試和設計說明書撰寫。

4、2015年7月9日上交課程設計成果及報告，同時進行答辯。

課設答疑地點：鑒主十七樓七號實驗室

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年年月月日日

武漢理工大學《數(shù)字電子技術》課程設計說明書年年月月日日

指導教師簽名：

系主任（或責任教師）簽名：

武漢理工大學《數(shù)字電子技術》課程設計說明書

目錄

摘要.................................................................................................................................................1

Abstract............................................................................................................................................2

1系統(tǒng)原理框圖.............................................................................................................................3

2方案設計與論證.........................................................................................................................4

2.1振蕩器..............................................................................................................................4

2.2分頻器..............................................................................................................................6

2.3時分秒計數(shù)器..................................................................................................................6

2.4校時電路..........................................................................................................................7

2.5定時控制電路..................................................................................................................9

3單元電路的設計.......................................................................................................................11

3.1譯碼及驅動顯示電路的設計：....................................................................................11

3.2時鐘電路的設計............................................................................................................12

3.3時鐘脈沖電路的設計....................................................................................................12

3.4校時電路的設計............................................................................................................14

3.5鬧鐘電路的設計............................................................................................................14

3.6報時電路的設計............................................................................................................15

4仿真結果及分析.......................................................................................................................16

4.1仿真結果........................................................................................................................16

4.2仿真結果分析................................................................................................................173

武漢理工大學《數(shù)字電子技術》課程設計說明書

4.2.1時鐘脈沖仿真結果.............................................................................................17

4.2.2時鐘電路和校時電路仿真.................................................................................19

4.2.3鬧鐘電路及報時電路仿真.................................................................................20

5實物焊接及調試.......................................................................................................................21

6收獲及體會...............................................................................................................................23

7元件清單...................................................................................................................................24

8參考文獻...................................................................................................................................25

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與機械式時鐘相比具、具有更長的使用壽命。因此得到了更加

武漢理工大學《數(shù)字電子技術》課程設計說明書與機械式時鐘相比具、具有更長的使用壽命。因此得到了更加

摘要

數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術實現(xiàn)時、分、秒計時的裝置有更高的準確性和直觀性、且無機械裝置廣泛的使用。

數(shù)字鐘從原理上講是一種典型的數(shù)字電路，其中包括了組合邏輯和時序電路。數(shù)字式鬧鐘是一種用數(shù)字電路技術實現(xiàn)時、分、秒計時的裝置，與機械式時鐘相比具有更高的準確性和直觀性，且無機械裝置，具有更更長的使用壽命，因此得到了廣泛的使用。數(shù)字式鬧鐘從原理上講是一種典型的數(shù)字電路，其中包括了組合邏輯電路和時序電路。目前，數(shù)字式鬧鐘的功能越來越強，并且有多種專門的大規(guī)模集成電路可供選擇。數(shù)字式鬧鐘適用于自動打鈴、自動廣播，也適用于節(jié)電、節(jié)水及自動控制多路電器設備。

關鍵詞：數(shù)字式鬧鐘；組合邏輯電路；時序邏輯電路。

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theassembltheassemblylogiccircuit

Abstract

Digitalclockisakindofwhenusingadigitalcircuittechnology,minutesandsecondstimerdevicehashigheraccuracycomparedwiththemechanicalclockandintuitive,andnomechanicaldevice,hasalongerservicelife.Sohasbeenmorewidelyused.

Digitalclockinprincipleisatypicaldigitalcircuit,includingthecombinationallogicandsequentialcircuits.Digitalalarmclockisakindofwhenusingadigitalcircuittechnology,minutesandsecondstimingdevice,hashigheraccuracycomparedwiththemechanicalclockandintuitive,andnomechanicaldevice,hasalongerservicelife,thereforehasbeenwidelyused.Digitalclockinprincipleisatypicaldigitalcircuit,includingandsequentialcircuits.Atpresent,thedigitalalarmclockfunctionisstrongerandstronger,andthereareavarietyofspecialselectionoflargescaleintegratedcircuit.Digitalalarmclockissuitableforautomaticringingthebell,automaticradio,canalsobeappliedtoelectricitysaving,watersavingandautomaticcontrolmulti-channelelectricalequipment.Keywords:digitalalarmclock;Combinationallogiccircuit;Temporallogiccircuit.

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分電路校時時電路個位鬧鐘比較器系統(tǒng)原理框圖時分電路校時時電路個位鬧鐘比較器系統(tǒng)原理框圖時鐘脈分電路十位鬧鐘比較器分電路個位鬧鐘比較器秒電路十位揚聲器電路秒電路個位

多功能數(shù)字鐘的設計與實現(xiàn)

1系統(tǒng)原理框圖

時電路校時沖

時電路十位

鬧鐘比較器

圖1

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2方案設計與論證

2.1振蕩器

方案一：

振蕩器的頻率越高，計時精度越高。通常選用石英晶體構成振蕩器電路（如圖2）。

石英晶體振蕩器的作用是產(chǎn)生時間標準信號，因此一般采用石英晶體振蕩器經(jīng)過分頻得到

這一時間脈沖。

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圖2石英晶體振蕩器

如果精度要求不高也可以采用由集成邏輯門與R、C組成的時鐘源振蕩器或由集成電路定時器555與R、C組成的多諧振蕩器。方案二:定時器555與RC組成的多諧振蕩器作為時間標準信號源。

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555振蕩器

武漢理工大學《數(shù)字電子技術》課程設計說明書555振蕩器

圖3

綜上分析，選擇方案二，用555組成的脈沖產(chǎn)生電路作為信號源，他工作穩(wěn)定而且誤差較小，在本次課設中可以較好的滿足要求。2.2分頻器

分頻器的功能主要有兩個：一是產(chǎn)生標準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。2.3時分秒計數(shù)器

一般采用10進制計數(shù)器來實現(xiàn)時間計數(shù)單元的計數(shù)功能。為減少器件使用數(shù)量，可

選74LS90，其部邏輯框圖如圖4所示。該器件為雙2-5-10異步計數(shù)器，并且每一計數(shù)器均提供一個異步清零端（高電平有效）。

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分個位

武漢理工大學《數(shù)字電子技術》課程設計說明書分個位

圖474LS90內部邏輯圖

秒個位計數(shù)單元為10進制計數(shù)器，無需進制轉換，只需將Ｑ0與ＣＰ1（下降沿有效）相連即可。ＣＰ0（下降沿有效）與1Hz秒輸入信號相連，Ｑ３可作為向上的進位信號與十位計數(shù)單元的ＣＰ0相連。秒十位計數(shù)單元為6進制計數(shù)器，需要進制轉換,可以利用74LS90的有兩個清零端的特點，在不用門電路的情況下實現(xiàn)10進制轉6進制，具體電路見下面設計圖。和分十位計數(shù)單元電路結構分別與秒個位和秒十位計數(shù)單元完全相同。時計數(shù)單元電路是一個“24翻1”的特殊進制計數(shù)器，即當數(shù)字鐘運行到23時59分59秒，秒的個位計數(shù)器再輸入一個脈沖時，數(shù)字鐘應自動顯示00時00分00秒，實現(xiàn)日常生活習慣用的計

時規(guī)律。2.4校時電路

方案一：

通常，校正時間的方法是：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)或將頻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，再轉入正常計時狀

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武漢理工大學《數(shù)字電子技術》課程設計說明書

態(tài)即可。根據(jù)要求，數(shù)字鐘應具有分校正和時校正功能，因此，應截斷分個位和時個位的直接計數(shù)通路，并采用正常計時信號與校正信號可以隨時切換的電路接入其中。圖5所示為所設計的校時電路。

圖5校時電路1

方案二：校時電路是有與非構成的組合邏輯電路，開關S1或S2為“0”或“1”時，可能會產(chǎn)生抖動，接電容C1、C2可以緩解抖動。

圖6校時電路28

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2.5定時控制電路

方案一：例要求上午7時59分發(fā)出鬧時信號，持續(xù)時間1分鐘。解7時59分對應數(shù)字鐘的時個位計數(shù)器的狀態(tài)為(Q3Q2Q1Q0)H1=0111,分十位計數(shù)器的狀態(tài)為（Q3Q2Q1Q0M2=0101，分個位計數(shù)器的狀態(tài)為（Q3Q2Q1Q0M1=1001。若將上述計數(shù)器輸出為“1”的所有輸出端經(jīng)過與門電路去控制音響電路，可以使音響電路正好在7點59

分響，持續(xù)1分鐘后（即8點時）停響。所以鬧時控制信號Z的表達式為

Z（Q2Q1Q0）H1*（Q2Q0)M2*M（1.1）式中，M為上午的信號輸出，要求M=1。如果有與非門實現(xiàn)式（1.1）所表示的邏輯功能，則可以將Z進行布爾代數(shù)變換，即

Z(Q2Q1Q0)H1*M*(Q2Q0)M2*(Q3Q0)M1（1.2）實現(xiàn)上式的邏輯電路如圖6所示，其中74LS20位四輸入2與非門，74LS03為集電極開路（OC門）的2輸入4與非門，因OC門的輸出端可以進行“線與”,使用時在它們的輸出端與電源+5V端之間應接一電阻Rp,Rp的值通過計算，取RL=3.3k歐姆。如果控制1kHz高音和驅動音響電路的兩級與非也采用OC門，則Pp的值應重新計算。

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圖7鬧時電路

方案二

利用《數(shù)字電子技術基礎》中的所學過得知識，4片4位數(shù)值比較器74LS85串聯(lián)比較時、分的十位個位，當時間到達與所定時的時間相同時，即A=B時，輸出高電平，從而驅動音響電路。綜上所述，方案二利用4片數(shù)值比較器74LS85芯片串聯(lián)法時，可以很方便的定時。

而且思路很簡單，易實施。

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3單元電路的設計

3.1譯碼及驅動顯示電路的設計：

電路由數(shù)碼顯示管和譯碼器組成。譯碼器選擇CD4511，其中abcd為BCD碼輸入，a為最低位。LT為燈測試端，加高電平時，顯示器正常顯示，加低電平時，顯示器一直顯示數(shù)碼“8”，各筆段都被點亮，以檢查顯示器是否有故障。a～g是7段輸出，可驅動共陰LED數(shù)碼管。

芯片引腳圖及功能表如圖：

圖8CD4511管腳圖

圖9CD4511功能圖

電路由秒、分、時三部分單元電路構成，全部采用兩塊74LS90芯片進行級聯(lián)擴展。

利用異步清零法，得到“秒”和“分”六十進制計數(shù)器以及“時”二十四進制計數(shù)器。芯片由下降沿觸發(fā)，通過反饋可實現(xiàn)清零狀態(tài)，實現(xiàn)循環(huán)。芯片引腳圖以及功能表如下：

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圖12時鐘電路

武漢理工大學《數(shù)字電子技術》課程設計說明書圖12時鐘電路

圖1174LS90管腳圖圖1074LS90功能圖

3.2時鐘電路的設計

狀態(tài)起始時，由R01、R02直接進入清零狀態(tài)，當R91、R92均置0時，在CP脈沖信號作用下，電路開始進入計數(shù)狀態(tài)。秒和分電路個位為十進制計數(shù)器，可0～9循環(huán)，當個位循環(huán)一次，取其高位QD連接CPA，在下降沿作用下，實現(xiàn)十進制進位操作。秒和分電路十位為六進制計數(shù)器，可0～5循環(huán)。循環(huán)一次后利用下一狀態(tài)的暫態(tài)控制R01、R02

使電路實現(xiàn)清零操作。時電路為二十四進制計數(shù)，利用同樣思路實現(xiàn)。將秒和分電路的十位QC端接下一電路的個位CPA端可實現(xiàn)電路之間的進位操作。電路完成一次大循環(huán)，數(shù)碼管顯示23：59：59，時電路反饋控制R01、R02使狀態(tài)回到起始（00：00：00）。時鐘電路原理圖如下：

3.3時鐘脈沖電路的設計

時鐘脈沖電路由LM555和74LS90芯片組成。下面分別是555的部邏輯圖、管腳圖和

功能表。

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圖14555管腳圖

圖13555內部邏輯圖

圖15555功能表

脈沖電路選擇由LM555組成的多諧振蕩器發(fā)出1Khz脈沖，再經(jīng)過由計數(shù)器74LS90組成的分頻器，分出1hz脈沖。電路如下：

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圖16時鐘脈沖電路

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分頻器的功能主要有兩個：一是產(chǎn)生標準秒脈沖信號；二是提供功能擴展電路所需的信號。分頻電路由3個74LS90計數(shù)器進行三次分頻。7490是二－五－十進制異步計數(shù)器，將計數(shù)器組合成為十進制輸出計數(shù)器，只需將CP1與Q0接，以CP0做輸入，則Q3為十進制輸出。電路原理圖(如圖16)1khz脈沖由第一塊芯片的INA輸入，1hz脈沖由第三塊芯片的QD輸出。

3.4校時電路的設計

當數(shù)字鐘接通電源或者計時出現(xiàn)誤差時，需要校正時間。校時是數(shù)字鐘應具有的基本

功能。對校時電路的要，在小時校正事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)。校時電路由開關控制，使計數(shù)器對1Hz的校時脈沖計數(shù)。電路圖如下：

圖17校時電路

其中，A端輸入1Hz標準時鐘脈沖，D、E端分別接入分和秒電路的十位進位脈沖，C、B接至時和分的個位計數(shù)器端。電路S2為?！胺帧庇玫目刂崎_關，S1為?！皶r”用的控制開關。閉合開關進行校時。3.5鬧鐘電路的設計

鬧鐘電路采用四個74LS85數(shù)據(jù)選擇芯片串聯(lián)。數(shù)值比較器就是對兩數(shù)A、B進行比較，以判斷其大小的邏輯電路。比較結果有A>B、A<B以及A=B三種情況。集成數(shù)值比較器

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85芯片的A0A1A2A3，芯片的85芯片的A0A1A2A3，芯片的鬧鐘電路

74LS85具有四位比較功能，其功能表如下：

圖1874LS85功能

真值表中的輸入變量包括A3與B3、A2與B2、A1與B1、A0與B0和A與B的比較結果。其中A和B是另外兩個低位數(shù)，IA>B、IA<B和IA=B是它們的比較結果。設置低位數(shù)比較結果輸入端是為了能與其他數(shù)值比較器連接，以便組成位數(shù)更多的數(shù)值比較器。本電路將時和分電路的四個輸出端從高到低接到B0B1B2B3端接至四位撥碼開關。利用撥碼開關的四位高低電平輸入組成一個十六進制的控制端。四個85芯片采用級聯(lián)形式，當四個芯片的A=B端同時滿足時，最后一個芯片的A=B

端輸出高電位。原理圖如下：

圖19

3.6報時電路的設計

報時電路利用分秒電路的脈沖，將分電路十位的74LS90芯片QA、QC輸出端，個位的QA、QD輸出端以及秒電路十位的QA、QC六個信號輸入端共同接入一個六位輸入與門。當

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六個脈沖都為高電平時，與門輸出高電平，三極管導通，揚聲器發(fā)聲。同時利用單刀雙擲開關可關閉報時功能。（在仿真過程中使用六位輸入與門，實際操作中可利用二位輸入的與非門實現(xiàn)。）電路圖如下：

圖20報時電路

注：或門的另一端為鬧鐘電路的脈沖輸入

4仿真結果及分析

4.1仿真結果

總電路仿真如下：

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圖21總電路圖

該電路圖實現(xiàn)了時以24進制，分和秒以60進制的準確計時，通過開關S1、S2分別實現(xiàn)時、分的校時。并且通過4片四位數(shù)值比較器完成了可以任意定時的功能。以及完成了整

點報時的功能。4.2仿真結果分析

4.2.1時鐘脈沖仿真結果

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1kHz脈沖

武漢理工大學《數(shù)字電子技術》課程設計說明書1kHz脈沖

用示波器觀察555芯片組成的多諧振蕩器發(fā)出的脈沖信號如圖：

圖22

由仿真結果可知，555芯片組成的多諧振蕩器可穩(wěn)定得發(fā)出頻率為1Khz的方波脈沖。其可以提供擴展電路所需要的信號。

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將此脈沖信號經(jīng)過分頻器分頻，脈沖信號波形如下：（由于經(jīng)三次分頻的1Hz脈沖信號在仿真過程中由于時間過長不易采集，所以此處的波形為經(jīng)過兩次分頻后的頻率為10hz的脈沖信號）

圖2310Hz脈沖4.2.2時鐘電路和校時電路仿真

將時鐘脈沖接入時鐘電路，對電路進行仿真（在實際仿真過程中選擇使用100hz脈沖減少仿真等待時間）。仿真圖如下：

圖24時鐘仿真圖利用校時電路快速觀察時電路和分電路的進位情況，仿真顯示分電路和秒電路在顯示“59”時下一狀態(tài)跳轉至“00”。時電路在顯示“23”時下一狀態(tài)跳轉至“00”，成功實現(xiàn)二十四進制和六十進制的進位。閉合校時電路開關，可以實現(xiàn)分電路和時電路以秒電路的頻率計時，校時電路成功。

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4.2.3鬧鐘電路及報時電路仿真

將鬧鐘電路的撥碼開關調成“11：11”狀態(tài)，用示波器觀察鬧鐘電路輸出波形，波形如下：

圖25鬧鐘仿真圖

利用校時電路將分和時電路與秒電路以同一頻率計時以縮短仿真時間，可觀察到當顯示“11：11”時，電路產(chǎn)生一個一分鐘的脈沖。鬧鐘響鈴一分鐘。