多功能數(shù)字鐘的電路設計-數(shù)電課程設計報告

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上吉林建筑大學電氣與計算機學院數(shù)字電子技術課程設計報告設計題目： 多功能數(shù)字鐘的電路設計 專業(yè)班級： 自動化141 學生姓名： 學 號： 指導教師： 設計時間： 2016.06.202016.07.01 教師評語：成績 評閱教師 日期 多功能數(shù)字鐘的電路設計報告一、設計任務及要求 本課程設計的基本任務，通過指導學生循序漸進地獨立完成數(shù)字電路 的設計任務，加深學生對理論知識的理解，有效地提高了學生的動手能力，獨立分析問題、解決問題能力，協(xié)調(diào)能力和創(chuàng)造性思維能力。側(cè)重提高學生在數(shù)字電路應用方面的實踐技能，樹立嚴謹?shù)目茖W作風，培養(yǎng)學生綜合運用理論知識解決實際問題的能力。學生通

2、過電路的設計、安裝、調(diào)試、整理資料等環(huán)節(jié)，初步掌握工程設計方法和組織實踐的基本技能，逐步熟悉開展科學實踐的程序和方法。設計要求： 1.時鐘顯示功能，能夠以十進制顯示“時”、“分”、“秒”。 2.具有校時功能，可分別對“時”、“分”進行單獨校時。 3.能用硬件成功實現(xiàn)以上各功能。 4.具有整點自動報時功能，整點前的6s自動發(fā)出鳴叫聲，步長1s，每1s鳴叫一次，前五響是低音，最后一響為高音。二、設計的作用、目的數(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，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)字鐘從原理上講是一種典型的數(shù)字電路，

3、其中包括了組合邏輯電路和時序電路 。因此，我們此次設計與制做數(shù)字鐘就是為了了解數(shù)字鐘的原理，從而學會制作數(shù)字鐘.而且通過數(shù)字鐘的制作進一步的了解各種在制作中用到的中小規(guī)模集成電路的作用及實用方法.且由于數(shù)字鐘包括組合邏輯電路和時敘電路.通過它可以進一步學習與掌握各種組合邏輯電路與時序電路的原理與使用方法。掌握數(shù)字鐘的設計、組裝與調(diào)試方法。熟悉集成電路的使用方法。三、設計過程1.方案設計與論證1.1系統(tǒng)設計思路 能按時鐘功能進行小時、分鐘、秒計時，能調(diào)時調(diào)分，能整點報時，使用3個2位數(shù)碼管顯示。 1.2總體方案系統(tǒng)原理框圖 數(shù)字鐘實際上是一個對標準頻率（1HZ）進行計數(shù)的計數(shù)電路。由于計時 的過

4、程中必然會產(chǎn)生一定的誤差，故需要在電路上加一個校時電路，同時標準的1HZ時間信號必須做到準確穩(wěn)定。通常使用石英晶體振蕩器電路構成數(shù)字鐘。圖1所示為數(shù)字鐘的一般構成框圖。圖 1系統(tǒng)原理框圖該系統(tǒng)的工作原理是：振蕩器產(chǎn)生的穩(wěn)定高頻脈沖信號，作為數(shù)字鐘的時間基準，再經(jīng)過分頻器輸出標準秒脈沖。秒計數(shù)器計滿60后向分計數(shù)器進位，分計數(shù)器計滿60后向小時計數(shù)器，小時計數(shù)器采用12進制計數(shù)，并通過一LED來提示上下午。計數(shù)器的輸出經(jīng)譯碼器送顯示器。計時出現(xiàn)誤差時可以用標準時電路進行校時、校分、校秒。擴展電路（整點報時系統(tǒng)）在主體電路正常運行的情況下才能進行擴展。1.3振蕩器電路振蕩器是數(shù)字鐘的核心。振蕩器的

5、穩(wěn)定度及頻率的精確度決定了數(shù)字鐘計時的準確程度。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信號。圖 2 石英晶體振蕩器圖如果精度要求不高剛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：由集成邏輯門與RC組成的時鐘源振蕩器。圖 3 門電路組成的多諧振蕩器圖石英晶體振蕩電路:采用的32768晶體振蕩電路,其頻率為32768Hz,然后再經(jīng)過15分頻電路可得到標準的1Hz的脈沖輸出.R的阻值,對于TTL門電路通常

6、在0.72K之間;對于CMOS門則常在10100M之間。由門電路組成的多諧振蕩器的振蕩周期不僅與時間常數(shù)RC有關，而且還取決于門電路的閾值電壓VTH，由于VTH容易受到溫度、電源電壓及干擾的影響，因此頻率穩(wěn)定性較差，只能用于對頻率穩(wěn)定性要求不高的場合。綜上分析，選擇方案一，用555組成的脈沖產(chǎn)生電路做為信號源，它工作穩(wěn)定而且誤差較小，在此課設中可以較好的滿足要求。1.4分頻器電路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

7、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。1.5時間計數(shù)器電路一般采用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，其內(nèi)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）。圖 4 74LS90內(nèi)部邏輯框圖秒個位計數(shù)單元為10進制計數(shù)器，無需進制轉(zhuǎn)換，只需將0與W（下降沿有效）相連即可。R（下降沿有效）與1Hz秒輸入信號相連，可作為向上的進位信號與十位計數(shù)單元的R相連。秒十位計數(shù)單元為6進制計數(shù)器

8、，需要進制轉(zhuǎn)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(zhuǎn)6進制，具體電路見下面設計圖。分個位和分十位計數(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“12翻1”的特殊進制計數(shù)器，即當數(shù)字鐘運行到12時59分59秒，秒的個位計數(shù)器再輸入一個脈沖時，數(shù)字鐘應自動顯示01時00分00秒，實現(xiàn)日常生活習慣用的計時規(guī)律。選用74LS192和74LS74實現(xiàn)。74LS192實現(xiàn)時個位的十進制，74LS74實現(xiàn)時十位的二進制，電路如圖8所示。1.6譯碼驅(qū)動及顯示單元電路譯碼電路的功能是將“秒”、“分”、“時”計數(shù)器的輸出代碼進行翻譯，變成相應的數(shù)

9、字。用于驅(qū)動LED七段數(shù)碼管的譯碼器常用的有74LS48。74LS48是BCD-7段譯碼器/驅(qū)動器，其輸出是OC門輸出且低電平有效，專用于驅(qū)動LED七段共陰極顯示數(shù)碼管。如圖9所示。若將“秒”、“分”、“時”計數(shù)器的每位輸出分別接到相應七段譯碼器的輸入端，便可進行不同數(shù)字的顯示。1.7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?qū)㈩l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(zhuǎn)入正常計時狀態(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

10、其中。圖5所示為所設計的校時電路。圖 5 方案一校正電路圖方案二： 方案二與方案一相比，在開關兩邊多了0.01uf的電容防抖動。圖6方案二校正電路圖通過比較可知，方案二比方案一多了防抖動的措施，穩(wěn)定性更好，所以選擇方案二，既能實現(xiàn)防抖動功能，做出事物也更經(jīng)濟一些。1.8 整點自動報時功能的設計整點自動報時功能的電路的設計要求是：每當數(shù)字鐘計時塊要到正點時發(fā)出聲響，通常按照5低音1高音的順序發(fā)出聲響，以最后一聲高音結束的時刻為正點時刻。 自動正點報時的電路如圖7所示。這里采用的都是TTL與非門，如果用其他器件，則報時電路還會簡單一些。 圖7 自動報時電路設5聲低音（約500Hz）分別發(fā)生在59分

11、54秒，55秒，56秒，57秒和58秒，最后一聲高音（約1KHz）發(fā)生在59分59秒，它們的持續(xù)時間均為1秒。如表1所示CP/sQ3s1Q2s1Q1s1Q0s1功能500000510001520010530011540100鳴低音550101鳴低音560110鳴低音570111鳴低音581000鳴低音591001鳴高音001010停表1 秒個位計數(shù)器的狀態(tài)2.單元電路設計、參數(shù)計算和元器件的選擇 2.1時間脈沖產(chǎn)生電路的設計圖 8 產(chǎn)生1Hz時間脈沖的電路圖555構成振蕩電路和74LS90構成分頻電路。如圖8，555輸出1KHz的脈沖，三片74LS90級聯(lián)分頻即可得500Hz和1Hz信號。2.

12、2計數(shù)電路的設計秒、分計數(shù)器為60進制計數(shù)器。小時計數(shù)器為12進制計數(shù)器。實現(xiàn)這兩種模數(shù)的計數(shù)器采用中規(guī)模集成計數(shù)器74LS90，74LS192和74LS74。 60進制計數(shù)器的設計“秒”計數(shù)器電路與“分”計數(shù)器電路都是60進制，它由一級10進制計數(shù)器和一級6進制計數(shù)器連接構成。如圖9所示由74LS90構成的60進制計數(shù)器。首先將兩片74LS90設置成十進制加法計數(shù)器，將兩片計數(shù)器并行進位則最大可實現(xiàn)100進制的計數(shù)器?，F(xiàn)要設計一個60進制的計數(shù)器，可利用“反饋清零”的方法實現(xiàn)。因為74LS90有兩個異步清零端R0（1）他R0（2），分別用十位端人Q2和Q0與他們相連，當計數(shù)器輸出“2Q32Q

13、22Q12Q0、1Q3Q2Q1Q0=0110、0000”時，通過門電路形成一置數(shù)脈沖，使計數(shù)器歸零，這樣可以不用門電路實現(xiàn)60進制計數(shù)器。圖9 60進制電路圖 12進制計數(shù)器的設計同理，將D觸發(fā)器的輸出和74LS192的Q1和Q0輸入到四輸入的與非門，輸出端輸入到D觸發(fā)器靖零R端和74LS192的置數(shù)端PL，當個位計數(shù)狀態(tài)為“Q3Q2Q1Q0=0011”，十位計數(shù)器狀態(tài)為“Q=1”時，D觸發(fā)器歸零，74LS192計數(shù)器歸一。計時器剛開始工作時時會顯示“02”，圖中開關用于清零，然后用手動調(diào)到“01”即可正常工作。圖10 12進制計數(shù)器圖2.3 譯碼及驅(qū)動顯示電路譯碼電路的功能是將“秒”、“分”

14、、“時”計數(shù)器的輸出代碼進行翻譯，變成相應的數(shù)字。用于驅(qū)動LED七段數(shù)碼管的譯碼器常用的有74LS48。74LS48是BCD-7段譯碼器/驅(qū)動器，其輸出是OC門輸出且高電平有效，專用于驅(qū)動LED七段共陰極顯示數(shù)碼管。由74LS48和LED七段共陽數(shù)碼管組成的一位數(shù)碼顯示電路如圖 11 所示。若將“秒”、“分”、“時”計數(shù)器的每位輸出分別接到相應七段譯碼器的輸入端，便可進行不同數(shù)字的顯示。圖 11譯碼及驅(qū)動顯示電路圖2.4 校時電路的設計 校時電路用于調(diào)節(jié)時間。一個開關來實現(xiàn)此功能，由于機械開關在接通時會產(chǎn)生抖動現(xiàn)象，所以需要加一個去抖動電路，可以用4013芯片實現(xiàn)。電路如圖12， 圖中，去機械

15、開關抖動電路輸出信號與秒位進位信號加一個或門，作為分位的時鐘信號。來自秒位的進位信號分位時鐘信號分位時鐘信號圖12 去抖動校時電路2.5 整點自動報時電路 根據(jù)要求，電路應在整點前6秒鐘內(nèi)開始整點報時，即當時間在59分54秒到59分59秒期間時，報時電路報時控制信號。當時間在59分54秒到59分59秒期間時，分十位、分個位和秒十位均保持不變，分別為5、9和5，因此可將分計數(shù)器十位的Q和Q 、個位的Q和Q及秒計數(shù)器十位的Q和Q相與，從而產(chǎn)生報時控制信號。 選蜂鳴器為電聲器件，蜂鳴器是一種壓電電聲器件，當其兩端加上一個直流電壓時就會發(fā)出鳴叫聲，兩個輸入端是極性的，其較長引腳應與高電位相連，圖13的

16、三極管時為了驅(qū)動蜂鳴器。圖 13報時電路圖3.電路的安裝與調(diào)試 （1）在檢測CD4511驅(qū)動電路的過程中發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管不能正常顯示的狀況，經(jīng)檢驗發(fā)現(xiàn)主要是由于接觸不良的問題，其中包括線的接觸不良和芯片的接觸不良，在實驗過程中，數(shù)碼管有幾段二極管時隱時現(xiàn)，有時會消失。用5V電源對數(shù)碼管進行檢測，一端接地，另一端接觸每一段二極管，發(fā)現(xiàn)二極管能正常顯示的，再用萬用表歐姆檔檢測每一根線是否接觸良好，在檢測過程中發(fā)現(xiàn)有幾根線有時能接通，有時不能接通，把接觸不好的線重新接過后發(fā)現(xiàn)能正常顯示了。其次是由于芯片接觸不良的問題，用萬用表歐姆檔檢測有幾個引腳本該相通的地方卻未通，而檢測的導線狀況良好，其解決方法為把C

17、D4511的芯片拔出，根據(jù)面包板孔的的狀況重新調(diào)整其引腳，使其正對于孔，再用力均勻地將芯片插入面包板中，此后發(fā)現(xiàn)能正常顯示。 （2）有時電路上電后，數(shù)碼管沒有全亮，經(jīng)檢查電路沒問題。這是因為剛上電，74ls90的輸出狀態(tài)不定，有的碼值超過十，譯碼芯片不能正常工作，則輸出出錯。在輸入一個脈沖之后數(shù)碼管又顯示正常。 （3）連接分頻電路時，把時個位的QD和時十位的1腳斷開，然后時十位的1腳接到晶振的3腳，時十位的3腳接到秒個位的1腳，所連接的電路圖無法正常工作，時十位從0-9的跳，時個位只能顯示一個0，在這個電路中3腳的分頻用到兩次，故無法正常顯示，因此要把12進制接到74HC390的一個邏輯電路空

18、出來用于分頻即可，因此把時十位的CD4511的12、6腳接地，7腳改為接74HC390的5腳，74HC390的3、4腳斷開，然后4腳接9腳即可，其中空出的74HC390的3腳就可用于2Hz的分頻，分頻后變?yōu)?Hz，整個電路也到此為正常的數(shù)字鐘計數(shù)。四、心得體會及建議 經(jīng)過長達兩個星期的設計與思考，最終在Proteus上完成了數(shù)字鐘的模擬。其間遇到了許多問題，但最后都一一得到解決。現(xiàn)將心得體會總結如下： 1.設計初期要考慮周到，否則后期改進很困難。應該在初期就多思考幾個方案，進行比較論證，選擇最合適的方案動手設計?？傮w設計在整個設計過程中非常重要，應該花較多的時間在上面。 2.方案確定后，才開始設計。設計時，多使用已學的方法，如列真值表，化簡邏輯表達式，要整體考慮，不可看一步，做一步。在整體設計都正確后，再尋求簡化的方法。 3.在設計某些模塊的時候無法把握住整體，這時可以先進行小部分功能的實現(xiàn)，在此基礎上進行改進，雖然可能會多花一些時間，但這比空想要有效的多。 4.盡可能是電路連線有序，模塊之間關系清楚，既利于自己修改，也利于與別人交流。如果電路亂的連自己都看不懂，那還如何改