電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 數(shù)字鐘設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 20092010 學(xué)年第二學(xué)期 專業(yè)： 電子信息工程 學(xué)號(hào)： 姓名： 課程設(shè)計(jì)名稱： 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)題目： 數(shù)字鐘設(shè)計(jì) 完成期限：自 2012 年 5 月 28 日至 2012 年 6 月 15 日共 2 周 設(shè)計(jì)依據(jù)、要求及主要內(nèi)容： 一、課題意義 本課題利用電子技術(shù)知識(shí)設(shè)計(jì)出一個(gè)數(shù)字時(shí)鐘，數(shù)字鐘是一個(gè)將“ 時(shí)”、 “分”、“秒”顯示于人的視覺器官的計(jì)時(shí)裝置。電路系統(tǒng)由秒信號(hào)發(fā)生器、 “時(shí)、分、秒”計(jì)數(shù)器、譯碼器及顯示器等電路組成。通過本課題練習(xí)，學(xué)生 對(duì)綜合知識(shí)應(yīng)用能力、設(shè)計(jì)能力將有較大提高，對(duì)今后從事電子產(chǎn)品的研制、 生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)維修等打下基礎(chǔ)。 二、課題實(shí)現(xiàn)方法

2、本課題利用電子技術(shù)設(shè)計(jì)一個(gè)多功能數(shù)字鐘，可以先查閱相關(guān)資料（網(wǎng)上 查找或參考相關(guān)書籍手冊(cè)） ，明確課題的方向和目的，然后學(xué)習(xí)完成課題所需的 理論知識(shí)，了解多功能數(shù)字鐘的工作原理；在理解的基礎(chǔ)上確定設(shè)計(jì)電路方案， 設(shè)計(jì)電路，畫出原理圖及 PCB 印制版圖，最后提交課程設(shè)計(jì)說明書一份。 三、設(shè)計(jì)內(nèi)容 1設(shè)計(jì)指標(biāo)時(shí)間以 24 小時(shí)為一個(gè)周期；顯示時(shí)、分、秒；有校時(shí)功能， 可以分別對(duì)時(shí)及分進(jìn)行單獨(dú)校時(shí)，使其校正到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間；計(jì)時(shí)過程具有報(bào)時(shí)功 能，當(dāng)時(shí)間到達(dá)整點(diǎn)前 5 秒進(jìn)行蜂鳴報(bào)時(shí)；為了保證計(jì)時(shí)的穩(wěn)定及準(zhǔn)確須由晶 體振蕩器提供表針時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)。 2設(shè)計(jì)要求畫出電路原理圖（或仿真電路圖）；元器件及參數(shù)選

3、擇；電路 仿真與調(diào)試；PCB 文件生成與打印輸出。 3制作要求自行裝配和調(diào)試，并能發(fā)現(xiàn)問題和解決問題。 4編寫設(shè)計(jì)報(bào)告，寫出設(shè)計(jì)與制作的全過程，附上有關(guān)資料和圖紙，有心 得體會(huì)。 四、設(shè)計(jì)要求 1、設(shè)計(jì)秒信號(hào)發(fā)生電路； 2、設(shè)計(jì)二十四進(jìn)制、六十進(jìn)制計(jì)數(shù)電路； 3、設(shè)計(jì)顯示電路； 4、設(shè)計(jì)報(bào)時(shí)電路； 五、參考文獻(xiàn) 1 賈秀美.數(shù)字電路實(shí)踐技術(shù)（第一版）.中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2000. 2 王毓銀.脈沖與數(shù)字電路（第三版）.高等教育出版社，1999. 3 路勇.電子電路實(shí)踐及仿真（第一版）.清華大學(xué)出版社，2004. 4 岳怡.數(shù)字電路與數(shù)字電子技術(shù)（第一版）.西北工業(yè)大學(xué)出版社， 2001. 5

4、 劉常澍.數(shù)字邏輯電路（第一版）.國(guó)防工業(yè)出版社，2002. 6 蕭寶瑾.protel 99 SE 操作指導(dǎo)與電路設(shè)計(jì)實(shí)例（第一版）.太原理工大 學(xué)，2004. 7 趙學(xué)良，張國(guó)華.電源電路M.北京:電子工業(yè)出版社,1995. 8 張義申，陸坤等.電子設(shè)計(jì)技術(shù)M.西安:電子科技大學(xué)出版.1996. 指導(dǎo)教師（簽字）： 教研室主任（簽字）： 批準(zhǔn)日期： 年 月 日 數(shù)字鐘電路 摘 要 數(shù)字鐘就是以數(shù)字顯示取代模擬表盤的鐘表，在顯示上它用數(shù)字反應(yīng)出 此時(shí)的時(shí)間，相比模擬鐘更能使人一目了然，同時(shí)顯示時(shí)、分、秒。而且能對(duì) 時(shí)、分、秒準(zhǔn)確校時(shí)，亦能準(zhǔn)確定時(shí)，在所規(guī)定的時(shí)間里準(zhǔn)確無誤的發(fā)出報(bào)時(shí) 聲音。 數(shù)

5、字鐘是由振蕩器、分頻器、計(jì)數(shù)器、譯碼器、數(shù)碼顯示器等幾部分組成。 振蕩電路：主要用來產(chǎn)生時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，因?yàn)闀r(shí)鐘的精度主要取決于時(shí)間 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的頻率及穩(wěn)定度，所以采用石英晶體振蕩器。 分頻器：因?yàn)檎袷幤鳟a(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率很高，要是要得到“秒”信號(hào)， 需一定級(jí)數(shù)的分頻器進(jìn)行分頻。 計(jì)數(shù)器：有了“秒”信號(hào)，則可以根據(jù) 60 秒為 1 分，24 小時(shí)為 1 天的進(jìn) 制，分別設(shè)定“時(shí)” 、 “分” 、 “秒”的計(jì)數(shù)器，分別為 60 進(jìn)制，60 進(jìn)制,24 進(jìn)制 計(jì)數(shù)器，并輸出一分，一小時(shí)，一天的進(jìn)位信號(hào)。 譯碼顯示：將“時(shí)” “分” “秒”顯示出來。將計(jì)數(shù)器輸入狀態(tài)，輸入到譯 碼器，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)數(shù)碼顯示器信

6、號(hào)，呈現(xiàn)出對(duì)應(yīng)的進(jìn)位數(shù)字字型。 由于計(jì)數(shù)的起始時(shí)間不可能與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間（如北京時(shí)間）一致，故需要在電 路上加一個(gè)校時(shí)電路可以對(duì)分和時(shí)進(jìn)行校時(shí)。另外，計(jì)時(shí)過程要具有報(bào)時(shí)功能， 當(dāng)時(shí)間到達(dá)整點(diǎn)前 5 秒開始，蜂鳴器不停地響 5 秒鐘。 為了使數(shù)字鐘使用方便，在設(shè)計(jì)上使用了一個(gè)變壓器和一個(gè)整流橋來實(shí)現(xiàn) 數(shù)字鐘電能的輸入，使得可以方便地直接插入 220V 的交流電就可以正常地使 用了。 關(guān)鍵詞： 數(shù)字鐘，振蕩，計(jì)數(shù)，校正，報(bào)時(shí) 目錄目錄 1 緒論.1 1.1 課題描述 .1 1.2 電路設(shè)計(jì)要求 .1 1.3 基本工作原理及框圖 .2 2 單元電路的設(shè)計(jì) .3 2.1 秒脈沖產(chǎn)生電路 .3 2.1.1 1

7、KHz 振蕩器.3 2.1.2 分頻器 .3 2.1.3 1Hz 振蕩器.4 2.1.4 石英晶體振蕩器 .4 2.2 計(jì)數(shù)器 .5 2.2.1 二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器.5 2.2.2 六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器 .5 2.2.3 組成的數(shù)字鐘.6 2.3 校準(zhǔn)電路 .6 2.4 報(bào)時(shí)電路 .7 3 總電路圖設(shè)計(jì).7 3.1 總電路圖 .7 3.2 所用元件列表 .8 總 結(jié).9 致 謝.10 參考文獻(xiàn).11 1 緒論 1.1 課題描述 中國(guó)是世界上最早發(fā)明計(jì)時(shí)儀器的國(guó)家。有史料記載，漢武帝太初年間 （紀(jì)元前 104-101 年）由落下閎創(chuàng)造了我國(guó)最早的表示天體運(yùn)行的儀器渾 天儀。東漢時(shí)期（公元 130 年）張

8、衡創(chuàng)造了水運(yùn)渾天儀，為世界上最早的以水 為動(dòng)力的觀測(cè)天象的機(jī)械計(jì)時(shí)器，是世界機(jī)械天文鐘的先驅(qū)。 隨著科學(xué)的進(jìn)步，大量精密的電子元件不斷涌現(xiàn)，石英鐘表也出現(xiàn)了，而 且它小巧精致，既是實(shí)用品，也是裝飾品。它為人們的生活提供方便，更為人 們的生活增添了新的色彩。 在現(xiàn)行情況下根據(jù)簡(jiǎn)單實(shí)用強(qiáng)的、走時(shí)準(zhǔn)確進(jìn)行設(shè) 計(jì)。而實(shí)驗(yàn)證明，鐘表的振蕩部分采用石英晶體作為時(shí)基信號(hào)源時(shí)，走時(shí)更精 確、調(diào)整更方便。鐘是一種計(jì)時(shí)的器具，它的出現(xiàn)開拓了時(shí)間計(jì)量的新里程。 現(xiàn)在我國(guó)的電子業(yè)發(fā)展非?？焖伲娮訕I(yè)的發(fā)展有利于鐘表業(yè)的發(fā)展。在 中國(guó)鐘表發(fā)展史上，國(guó)產(chǎn)機(jī)芯研制的失敗已經(jīng)成為過去， “組裝業(yè)”作為新興鐘表 工業(yè)的起步階段

9、也已成為過去。一支新的充滿智慧的鐘表精英在成長(zhǎng)。 在科技高速發(fā)展的今天，數(shù)字鐘已被廣泛用于個(gè)人家庭,車站, 碼頭、辦公 室等公共場(chǎng)所,成為人們?nèi)粘Ｉ钪械谋匦杵?。由于?shù)字集成電路的發(fā)展和石英 晶體振蕩器的廣泛應(yīng)用,使得數(shù)字鐘的精度,運(yùn)用超過老式鐘表, 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?cái)U(kuò)展了鐘表原先的報(bào)時(shí)功能。諸 如定時(shí)自動(dòng)報(bào)警、按時(shí)自動(dòng)打鈴、時(shí)間程序自動(dòng)控制、定時(shí)廣播、自動(dòng)起閉路 燈、定時(shí)開關(guān)烘箱、通斷動(dòng)力設(shè)備、甚至各種定時(shí)電氣的自動(dòng)啟用等，所有這 些，都是以鐘表數(shù)字化為基礎(chǔ)的1。因此，研究數(shù)字鐘及擴(kuò)大其應(yīng)用，有著非 ?，F(xiàn)實(shí)的意義。本課題設(shè)計(jì)的內(nèi)容就是設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字鐘，使

10、我們?cè)趯W(xué)完了數(shù) 字電子技術(shù)課程的基本理論和基本知識(shí)后，能夠綜合運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)、拓 寬知識(shí)面，系統(tǒng)地進(jìn)行電子電路的工程實(shí)踐訓(xùn)練，鍛煉動(dòng)手能力，培養(yǎng)工程師 的基本技能，提高分析問題和解決問題的能力。 1.2 電路設(shè)計(jì)要求 1、設(shè)計(jì)秒信號(hào)發(fā)生電路； 2、設(shè)計(jì)二十四進(jìn)制、六十進(jìn)制計(jì)數(shù)電路； 3、設(shè)計(jì)顯示電路； 4、設(shè)計(jì)報(bào)時(shí)電路； 5、有校時(shí)功能，可以分別對(duì)時(shí)及分進(jìn)行單獨(dú)校時(shí)，使其校正到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間； 6、計(jì)時(shí)過程具有鳴報(bào)功能，當(dāng)時(shí)間達(dá)到整點(diǎn)前 5 秒進(jìn)行蜂鳴報(bào)時(shí)； 7、為了保證計(jì)時(shí)的穩(wěn)定及準(zhǔn)確須由晶體振蕩器提供表針時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)； 8、畫出電路圖； 9、進(jìn)行電路仿真與測(cè)試。 1.3 基本工作原理及框圖 數(shù)

11、字電子鐘主要分為數(shù)碼顯示器，60 進(jìn)制和 24 進(jìn)制計(jì)數(shù)器，頻率振蕩器 和校時(shí)報(bào)時(shí)這幾個(gè)部分。數(shù)字電子鐘要完成顯示需要 6 個(gè)數(shù)碼管，八段的數(shù)碼 管需要譯碼器械才能顯示，然后要實(shí)現(xiàn)時(shí).分.秒的計(jì)時(shí)器需要 60 進(jìn)制計(jì)數(shù)器和 24 進(jìn)制計(jì)數(shù)器，在仿真軟件中發(fā)生函數(shù)信號(hào)可以用函數(shù)器仿真，頻率可以隨意 調(diào)整。60 進(jìn)制可能由 10 進(jìn)制和 6 進(jìn)制的計(jì)數(shù)器串聯(lián)而成，而小時(shí)的 24 進(jìn)制可 以采用 74LS160 計(jì)數(shù)端觸發(fā)實(shí)現(xiàn)2。頻率振蕩器可以由晶體振蕩器分頻來提供， 也可以由 55 定時(shí)器產(chǎn)生脈沖并分頻為 1Hz。主題思想如圖 1 所示： 圖 1 基本框圖 2 單元電路的設(shè)計(jì) 2.1 秒脈沖產(chǎn)生電

12、路 2.1.1 1KHz 振蕩器 振蕩器由 555 定時(shí)器組成。圖 2 中是由 555 定時(shí)器構(gòu)成的 1KHz 的自激振 蕩器，其原理是：0.7（2R3+R4+R5）C4=1ms f=1/t=1KHz。如圖 2 所示。 圖 2 1KHz 振蕩器 2.1.2 分頻器 如圖 3 所示電路，是三個(gè)用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器 74LS90 串聯(lián)而成的分頻器，分 頻原理是在 74LS90 的輸出端子中，從低位輸入 10 個(gè)脈沖才從高位輸出 1 個(gè)脈 沖，這樣一片 74LS90 就可以起分頻作用，三個(gè) 74LS90 串聯(lián)就構(gòu)成了千分頻電 路，輸出的便是 1Hz 的信號(hào)，從而可以實(shí)現(xiàn)秒脈沖的產(chǎn)生3。 圖 3 74LS9

13、0 組成的千分器 2.1.3 1Hz 振蕩器 直接用 NE555 產(chǎn)生 1Hz 的秒脈沖，由計(jì)算公式可知如 R1=15k,R2=68k,c=10uF,就可以產(chǎn)生秒脈沖，電路如圖 4 所示。 圖 4 NE555 產(chǎn)生 1Hz 的秒脈沖 利用 NE555 多諧振蕩器，優(yōu)點(diǎn)：555 內(nèi)部的比較其靈敏度比較高，而且采 用差分電路形式，它的振蕩頻率受電源電壓和溫度影響很小。缺點(diǎn)：要精確輸 出 1Hz 脈沖，對(duì)電容和電阻的數(shù)值精度要求很高，所以輸出脈沖不夠準(zhǔn)確也不 夠穩(wěn)定4。 但是在仿真時(shí)，1Hz 的頻率太慢了，在實(shí)際中得到的時(shí)間不是 1s 計(jì)數(shù)一次， 所以在仿真使用函數(shù)發(fā)生器代替，所以在數(shù)字電子鐘電路圖

14、中沒有振蕩器。 2.1.4 石英晶體振蕩器 可以利用石英晶體產(chǎn)生 32768Hz 的頻率，然后經(jīng)過 CD4060 的十四分頻， 再用 74LS74 二分頻就可以產(chǎn)生 1Hz 的脈沖。如圖 5 所示。 圖 5 石英晶體振蕩電路 2.2 計(jì)數(shù)器 秒信號(hào)經(jīng)秒計(jì)數(shù)器.分計(jì)數(shù)器.時(shí)計(jì)數(shù)器之后，分別得到“秒”個(gè)位十位， “分” 個(gè)位十位，以及“時(shí)”個(gè)位十位輸出信號(hào)，然后送至顯示電路，以便實(shí)現(xiàn)用數(shù)字 顯示時(shí).分.秒的要求。 “秒”和“分計(jì)數(shù)器應(yīng)為六十進(jìn)制，二“時(shí)”計(jì)數(shù)器應(yīng)為二十四 進(jìn)制。采用 10 進(jìn)制計(jì)數(shù)器 74LS160 來實(shí)現(xiàn)時(shí)間計(jì)數(shù)單元的計(jì)數(shù)功能5。 2.2.1 二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器 時(shí)計(jì)數(shù)器電路由 U

15、3 和 U4 兩部分組成。當(dāng)時(shí)個(gè)位 U4 計(jì)數(shù)為 4，U3 計(jì)數(shù)為 2 時(shí)，兩片 74LS160 復(fù)零，從而構(gòu)成 24 進(jìn)制計(jì)數(shù)。如圖 6 所示。 圖 6 時(shí)計(jì)數(shù)器電路 2.2.2 六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器 分秒計(jì)數(shù)電路由 U3 和 U4 兩部分組成。當(dāng)時(shí)十位 U4 計(jì)數(shù)器為 5，U3 計(jì)數(shù) 為 5，兩片 74LS160，再加上一片 74LS13，從而構(gòu)成 60 進(jìn)制計(jì)數(shù)。如圖 7 所示。 圖 7 六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器 2.2.3 組成的數(shù)字鐘 數(shù)字鐘系統(tǒng)的組成利用上面的六十進(jìn)制和二十四進(jìn)制遞增計(jì)數(shù)器子電路構(gòu) 成的數(shù)字鐘系統(tǒng)如圖 8 所示 圖 8 數(shù)字鐘系統(tǒng) 2.3 校準(zhǔn)電路 數(shù)字鐘應(yīng)具有分校正功能，一次，應(yīng)

16、截?cái)喾謧€(gè)位和時(shí)個(gè)位的直接計(jì)數(shù)通 路，并采用正常計(jì)時(shí)信號(hào)與校正信號(hào)可以隨時(shí)切換的電路接入其中。校正信號(hào) 可直接取值信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)，輸出端則與分或時(shí)個(gè)位計(jì)時(shí)輸入端相連6。 當(dāng)開關(guān)打到一端時(shí)，正常輸入信號(hào)可以順利通過，故校時(shí)電路處于正常計(jì)時(shí)狀 態(tài)；當(dāng)開關(guān)打到另一端時(shí)，信號(hào)產(chǎn)生校正電路處于校時(shí)狀態(tài)。如圖 9 所示。 圖 9 校準(zhǔn)電路 2.4 報(bào)時(shí)電路 電路應(yīng)在整點(diǎn)前 5 秒開始報(bào)時(shí)，即在 59 分 55 秒到 59 分 59 秒期間時(shí)，報(bào) 時(shí)電路控制信號(hào)。 當(dāng)時(shí)間子啊 59 分 55 秒到 59 分 59 秒期間時(shí)，分十位.分個(gè)位和秒十位保 持不變，分別為 5 9 和 5，因此可將計(jì)數(shù)器十位的

17、Qc 和 Qa，個(gè)位的 Qd 和Qa 及秒計(jì)數(shù)器十位的 Qc 和 Qa 相與，從而產(chǎn)生報(bào)時(shí)控制信號(hào)7。電路如圖 10 所 示： 圖 10 報(bào)時(shí)電路 3 總電路圖設(shè)計(jì) 3.1 總電路圖 總電路圖如圖 11 所示： 圖 11 總電路圖 3.2 所用元件列表 顯示管 6 個(gè)，74LS160 兩塊，74160 四塊，7413 兩塊，7412 一個(gè)，7404 兩 塊，石英振蕩器一塊，4060 一塊，74LS74 一塊，NC7S08 六塊，NC7S32 一塊， 蜂鳴器一個(gè)，導(dǎo)線若干。 總 結(jié) 經(jīng)過這段時(shí)間的課程設(shè)計(jì)，我學(xué)到了許多東西，對(duì)課本上的內(nèi)容的理解加 深了印象，同時(shí)也學(xué)會(huì)了一種學(xué)習(xí)的態(tài)度。 理論要聯(lián)

18、系實(shí)踐，當(dāng)然實(shí)踐也離不開理論，由于對(duì)課本的內(nèi)容還不是很熟 悉，所以在做這個(gè)課程設(shè)計(jì)前，我先把課本的重點(diǎn)知識(shí)復(fù)習(xí)了一遍，時(shí)序邏輯 電路、組合邏輯電路等，然后就是到圖書館查找相應(yīng)的資料，抱著好幾本書就 在那里認(rèn)真地查，查的過程中也看到了很多關(guān)于 CMOS 芯片的應(yīng)用實(shí)例。 理論上的知識(shí)搞定了，接下來就是開始設(shè)計(jì)了。multisim 仿真，給我的印 象是簡(jiǎn)潔實(shí)用，很多電路都能在上面先進(jìn)行仿真，不過我這個(gè)題目的核心芯片 在仿真上面，出現(xiàn)了一些問題，一些管腳的位置和實(shí)際的不一樣，仿真調(diào)試不 成功，于是我就想到，按照理論來講這是沒有錯(cuò)的，為了驗(yàn)證清除，我先將電 路進(jìn)行分模塊調(diào)試，把每一部分都仔細(xì)檢查了一遍

19、，最終發(fā)現(xiàn)了與仿真的不同， 接線是一樣的，不過在真實(shí)的接線中可行，在仿真中卻不行，最大一個(gè)不同之 處就在于校時(shí)模塊，雖然仿真是那種接法可行，不過在實(shí)際接線中我采用了另 外一種接法。 這次課程設(shè)計(jì)也再次讓我看到理論與實(shí)踐的差別和聯(lián)系，理論固然重要， 然而我們要在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，并解決錯(cuò)誤，也提高了自己的動(dòng)手能力和實(shí)際 解決問題的能力。 一種學(xué)習(xí)態(tài)度：認(rèn)真、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度。這就是我的另一個(gè)收獲，不僅僅 是做課程設(shè)計(jì)，無論是做什么研究，都必須要有一種認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度，比 如說，獨(dú)立思考獨(dú)立完成，認(rèn)真接線，仔細(xì)檢查等，這些都是對(duì)我們自身能力 的一種培養(yǎng)，在以后的學(xué)習(xí)甚至工作中，很多東西都只能靠自己去獨(dú)立思考完 成，因此我們也藉此學(xué)會(huì)了一種獨(dú)立思考的學(xué)習(xí)態(tài)度。 參與就肯定有收獲。在這幾天的課程設(shè)計(jì)過程中，我也收獲了許多，我仍 然記得將課程設(shè)計(jì)做出來的時(shí)候，那種喜悅的心情，是難以形容的。 這次設(shè)計(jì) 提高了我理論和實(shí)踐相結(jié)合的能力，增加了把理論用于