數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)--數(shù)字鐘

1、<p><b>　　引言</b></p><p>　　數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)的裝置，與機(jī)械式時(shí)鐘相比具有更高的準(zhǔn)確性和直觀性，且無機(jī)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，其中包括了組合邏輯電路和時(shí)序電路。</p><p>　　此次設(shè)計(jì)數(shù)字鐘就是為了了解數(shù)字鐘的原理，從而學(xué)會制作數(shù)字鐘。

2、而且通過數(shù)字鐘的制作進(jìn)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(shí)用方法。且由于數(shù)字鐘包括組合邏輯電路和時(shí)敘電路。通過它可以進(jìn)一步學(xué)習(xí)與掌握各種組合邏輯電路與時(shí)序電路的原理與使用方法。</p><p><b>　　1、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求</b></p><p>　　設(shè)計(jì)一個(gè)多功能的數(shù)字鐘。要求如下：</p><p>　　時(shí)間以24小時(shí)為一

3、個(gè)周期；</p><p><b>　　顯示時(shí)、分、秒；</b></p><p>　　具有校時(shí)功能，可以分別對時(shí)及分進(jìn)行單獨(dú)校時(shí)，使其校正到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間；</p><p>　　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10秒進(jìn)行蜂鳴報(bào)時(shí)；</p><p>　　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。</p

4、><p>　　2、方案的論證與選擇</p><p>　　數(shù)字鐘實(shí)際上是一個(gè)對1HZ頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)電路。由于計(jì)數(shù)的起始時(shí)間不可能與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間一致，故需要在電路時(shí)行加一個(gè)校時(shí)電路，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)的1HZ時(shí)間信號必須做到準(zhǔn)確穩(wěn)定。通常使用石英晶體振蕩電路構(gòu)成數(shù)字鐘，我這里采用的是555定時(shí)器和RC電路構(gòu)成振蕩器的方案。</p><p>　　振蕩器電路：一般來說，振蕩器的頻率越高，

5、計(jì)時(shí)的精度越高。在本次課程設(shè)計(jì)中，采用的是集成定時(shí)器555與RC組成的多諧振蕩器，經(jīng)過調(diào)整輸出1000HZ脈沖。</p><p>　　分頻器電路：分頻器電路將1000HZ的方波信號經(jīng)1000次分頻后得到1HZ的方波信號供秒計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。分頻器實(shí)際上也是計(jì)數(shù)器。</p><p>　　時(shí)間計(jì)數(shù)器電路：時(shí)間計(jì)數(shù)電路由秒個(gè)位和秒十位計(jì)數(shù)器、分個(gè)位和分十位計(jì)數(shù)器為60進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，時(shí)個(gè)位和時(shí)十位計(jì)

6、數(shù)器為24進(jìn)制的計(jì)數(shù)器。</p><p>　　譯碼顯示電路：譯碼顯示電路將計(jì)數(shù)器輸出的8421BCD碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管需要的邏輯狀態(tài)，并且為保證數(shù)碼管正常工作提供做夠的工作電流，采用的是自帶譯碼功能的數(shù)碼管。</p><p>　　整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路：一般時(shí)鐘都具備整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路功能，即在時(shí)間出現(xiàn)整點(diǎn)前10秒內(nèi)，數(shù)字鐘自動(dòng)報(bào)時(shí)。作用方式是再整點(diǎn)前10秒內(nèi)，出現(xiàn)奇數(shù)秒時(shí)報(bào)時(shí)燈發(fā)光，從而實(shí)現(xiàn)在最后十秒內(nèi)閃爍

7、5次。</p><p>　　校時(shí)電路：由于數(shù)字鐘的初始時(shí)間不一定是標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，而且在數(shù)字鐘的運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)偏差，所以需要校時(shí)電路來對”時(shí)、分“顯示數(shù)字進(jìn)行校正。</p><p>　　3、單元電路的設(shè)計(jì)和元器件的選擇</p><p>　　3.1、六進(jìn)制計(jì)數(shù)電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　由于在EWB5.0這個(gè)仿真軟件上面只找到了74160這個(gè)

8、芯片，所以采用這個(gè)芯片來制作六進(jìn)制、十進(jìn)制、六十進(jìn)制的電路,采用的是反饋清零法.以下為六進(jìn)制主循環(huán)狀態(tài)圖:</p><p><b>　　以下為六進(jìn)制電路：</b></p><p>　　3.2、十進(jìn)制計(jì)數(shù)電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　下面為十進(jìn)制的主循環(huán)狀態(tài)圖:</p><p>　　3.3、六十進(jìn)制計(jì)數(shù)電路的設(shè)計(jì)<

9、/p><p>　　3.4、時(shí)間計(jì)數(shù)電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　理論計(jì)算：555定時(shí)器的脈沖時(shí)間是由于RC充放電確定的。</p><p><b>　　根據(jù)三要素公式：</b></p><p><b>　　充電過程：</b></p><p><b>　　充電時(shí)間： &l

10、t;/b></p><p><b>　　放電過程： </b></p><p><b>　　放電時(shí)間： </b></p><p><b>　　一個(gè)周期的時(shí)間： </b></p><p><b>　　頻率：</b></p><p&

11、gt;　　首先確定C1=0.1uf, R2=5K，需要輸出頻率f=1KHZ,充放電時(shí)間為1ms,可以確定R1=4.65K.震蕩電路圖如下：</p><p>　　3.5、校正電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　時(shí)間校正電路是數(shù)字時(shí)鐘不可缺少的部分，當(dāng)數(shù)字時(shí)鐘接通電源或者計(jì)時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)。需要校正時(shí)間，校時(shí)時(shí)數(shù)字時(shí)鐘的基本功能。按照設(shè)計(jì)要求，只需要設(shè)計(jì)對時(shí)和分進(jìn)行校正。校正小時(shí)的電路和校正分鐘的電路

12、時(shí)一樣的，方法是在分計(jì)數(shù)器和時(shí)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)信號輸入端通過單刀雙擲開關(guān)并入分頻器所輸出的1HZ的信號，當(dāng)開關(guān)吧計(jì)數(shù)器的信號輸入端與低一級的計(jì)數(shù)器進(jìn)位信號連通時(shí)，數(shù)字鐘正常工作；當(dāng)開關(guān)把計(jì)數(shù)信號的輸入端與分頻器的輸出,連通時(shí)，數(shù)字時(shí)鐘處于校正狀態(tài)；校正電路如下：</p><p>　　上圖為正常工作狀態(tài)時(shí)，下圖為校正狀態(tài)時(shí)。</p><p>　　3.6、時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)</p>&l

13、t;p>　　此電路由二個(gè)六十進(jìn)制、一個(gè)二十四進(jìn)制的計(jì)數(shù)電路組成，使用1HZ的脈沖信號作為輸入信號來測試，仿真電路圖如下：</p><p><b>　　3.7分頻器設(shè)計(jì)</b></p><p>　　分頻器的實(shí)質(zhì)就是計(jì)數(shù)器。分頻器的功能就是將振蕩電路所輸出的頻率1000HZ轉(zhuǎn)換成為我們所需要的頻率1HZ?？梢赃x用三片74LS90進(jìn)行串聯(lián)，。因?yàn)?55定時(shí)器產(chǎn)生100

14、0HZ的信號，第一片74LS90的進(jìn)位端輸出100HZ，第二片進(jìn)位端輸出10HZ，第三片進(jìn)位端輸出1HZ。經(jīng)過3次1/10分頻后正好是1HZ，為標(biāo)準(zhǔn)的秒脈沖信號。分頻器的電路圖如下：</p><p>　　3.8整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　一般的數(shù)字時(shí)鐘都會具有整點(diǎn)報(bào)時(shí)的功能，其作用方式是在整點(diǎn)前的十秒內(nèi)，出現(xiàn)奇數(shù)讀秒時(shí)報(bào)時(shí)燈發(fā)光，從而實(shí)現(xiàn)最后10秒內(nèi)閃爍5次，以達(dá)到報(bào)時(shí)的目的。

15、本次設(shè)計(jì)才用74LS151數(shù)據(jù)選擇器選出整點(diǎn)前最后10秒內(nèi)的奇數(shù)秒。這里可以采用9的二進(jìn)制數(shù)1001后面的三位是001，剛好是十進(jìn)制數(shù)的1，從而使得只有三個(gè)數(shù)據(jù)輸入端的74LS151選出了本不能選出的9.我們通過多個(gè)與門選出當(dāng)分鐘的十位是5、個(gè)位是9、秒鐘的十位為5的狀態(tài)，將三個(gè)狀態(tài)與在一起后再非一下，連接到74LS151的G端，從而控制74LS151在五十九分五十秒的時(shí)候開始工作，零分零秒的時(shí)候停止工作。74LS151工作時(shí)，秒鐘時(shí)奇

16、數(shù)時(shí)報(bào)時(shí)燈亮。整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路如下：</p><p>　　3.9、主要元器件的選擇</p><p>　　主要選用了555定時(shí)器 和74LS160芯片，74LS90芯片，74LS151芯片。</p><p>　　由于555定時(shí)器和74LS151芯片教學(xué)課本上已經(jīng)有了，故不做描述，下面介紹下74LS160芯片和74LS90，74LS160是由多個(gè)觸發(fā)器以及門電路構(gòu)成的由時(shí)鐘

17、上升沿出發(fā)的同步十進(jìn)制加法器。LOAD’同步預(yù)置數(shù)控制端，D0-D3為置數(shù)數(shù)據(jù)輸入端，C為進(jìn)位輸出端，CLR’為異步置零端ENP,ENT為工作狀態(tài)控制端（ENP和ENT都為1時(shí)開始計(jì)數(shù)）,QA-QD為數(shù)據(jù)輸出端。</p><p>　　74LS160的功能表如下：</p><p>　　74LS160的管腳如下：</p><p>　　74LS90芯片的功能表如下：<

18、;/p><p><b>　　其管腳如下所示：</b></p><p><b>　　4、系統(tǒng)總圖及原理</b></p><p>　　首先從振蕩電路發(fā)出1KHZ的脈沖信號，經(jīng)過分頻電路將其變?yōu)轭l率為1HZ的脈沖信號，接著脈沖信號進(jìn)入秒計(jì)數(shù)器的個(gè)位開始計(jì)數(shù)，當(dāng)秒的個(gè)位計(jì)數(shù)器從9到0時(shí)，秒個(gè)位計(jì)數(shù)器變?yōu)?，秒十位計(jì)數(shù)器變?yōu)?，如此循環(huán)

19、，當(dāng)秒十位計(jì)數(shù)器從5到0時(shí)，發(fā)出進(jìn)位信號，分計(jì)數(shù)器的個(gè)位開始計(jì)數(shù)，到時(shí)計(jì)數(shù)器的十位從5到0時(shí)，發(fā)出進(jìn)位信號，時(shí)計(jì)數(shù)器的個(gè)位開始計(jì)數(shù)，當(dāng)是時(shí)計(jì)數(shù)器從23：59：59時(shí)，再接受一個(gè)脈沖信號就變成00:00:00。期間當(dāng)分和秒計(jì)時(shí)達(dá)到59:51時(shí)開始報(bào)時(shí)，指示燈開始閃爍，每2秒閃爍1次，當(dāng)時(shí)間到00:00時(shí)停止閃爍報(bào)時(shí)。</p><p>　　以下為部分電路的仿真實(shí)驗(yàn)：</p><p>　　震蕩電

20、路的仿真實(shí)驗(yàn)：</p><p>　　由仿真結(jié)果可知，振蕩電路輸出的信號周期為1ms,也就是頻率為1KHZ,符合要求。</p><p>　　分頻電路的仿真實(shí)驗(yàn)：</p><p>　　有仿真結(jié)果可知，輸入的是頻率為1KHZ的信號，分頻器電路輸出的信號周期為1s,即1HZ,所設(shè)計(jì)的分頻器為1000分頻，符合要求。</p><p>　　報(bào)時(shí)電路的仿真

21、實(shí)驗(yàn)： </p><p>　　由仿真結(jié)果可知，當(dāng)時(shí)間達(dá)到59:51時(shí)，指示燈變紅，并且在51秒，53秒，55秒，57秒，59秒時(shí)變紅，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。</p><p><b>　　5、經(jīng)驗(yàn)體會</b></p><p>　　這次電路課程設(shè)計(jì)，讓我復(fù)習(xí)了數(shù)字電子的知識的同時(shí)也學(xué)習(xí)了許多新的知識。每次課程設(shè)計(jì)是一次難得的鍛煉的機(jī)會，讓我們能夠充分利用所

22、學(xué)的理論知識還有自己的創(chuàng)造力，讓我們學(xué)會了查找資料的方法，培養(yǎng)自己設(shè)計(jì)和分析電路的能力。我相信這是對我的一個(gè)很好的提高。這次課程設(shè)計(jì)讓我深刻的認(rèn)識到了平時(shí)在學(xué)習(xí)理論知識的時(shí)候，我們更應(yīng)該注重實(shí)踐，而不是應(yīng)付考試 ，學(xué)習(xí)就應(yīng)該有所成。這次課程設(shè)計(jì)讓我對我們所學(xué)的知識能干什么有了更直觀的了解，比如我就認(rèn)識到了我們所學(xué)的知識能夠制作出我們身邊隨處可見的數(shù)字鐘。以前那些神秘的東西在不斷的學(xué)習(xí)過程中變得不再那么神秘。</p><

23、;p>　　在設(shè)計(jì)過程中EWB軟件給我們的設(shè)計(jì)帶來了很多的便利，它提供了大量元器件庫，提供修改電路設(shè)計(jì)的靈活性、提供了實(shí)驗(yàn)室在數(shù)量、質(zhì)量上難以相比的虛擬儀器、儀表， 使得設(shè)計(jì)時(shí)間大為縮短，設(shè)計(jì)過程更加直觀、方便。</p><p>　　作為工科類的學(xué)生，以后的工作中難免要遇到許許多多的問題，有了課程設(shè)計(jì)這個(gè)環(huán)節(jié)的鍛煉，以后我會敢于直面我所碰到的任何難題。在這次課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)中，收獲很多，無論是培養(yǎng)自己的實(shí)踐能力方

24、面還是在培養(yǎng)自己的性情方面。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　《電子技術(shù)基礎(chǔ)與仿真》 中南大學(xué)</p><p>　　《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》 高等教育出版社</p><p>　　《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》 高等教育出版社</p>