課程設(shè)計-- 數(shù)字鐘的設(shè)計

1、<p><b>　　課程設(shè)計報告書</b></p><p>　　課程名稱： 數(shù)電技術(shù)課程設(shè)計 </p><p>　　題 目： 數(shù)字鐘的設(shè)計 </p><p>　　系 （院）： 電子工程學(xué)院 </p><p>　　學(xué) 期：

2、 </p><p>　　專業(yè)班級： </p><p>　　姓 名： </p><p>　　學(xué) 號： </p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　現(xiàn)在我國的電子業(yè)發(fā)展非?？焖?，電子業(yè)的發(fā)展

3、有利于鐘表業(yè)的發(fā)展。在中國鐘表發(fā)展史上，國產(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)的起步階段也已成為過去。一支新的充滿智慧的鐘表精英在成長。</p><p>　　我們相信在科技高速發(fā)展的今天，鐘表業(yè)運(yùn)用當(dāng)今材料工業(yè)、電子工業(yè)和其他領(lǐng)域的最新技術(shù)，一定會生產(chǎn)出代表中國科學(xué)水平的產(chǎn)品。我們希望鐘表業(yè)的精英們在提高制造技術(shù)水平中不斷創(chuàng)新，培育出擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的品牌。這正是中國鐘表業(yè)發(fā)展的希望。<

4、/p><p>　　數(shù)字鐘被廣泛用于個人家庭,車站, 碼頭、辦公室等公共場所,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，而且大大地擴(kuò)展了鐘表原先的報時功能。諸如定時自動報警、按時自動打鈴、時間程序自動控制、定時廣播、自動起閉路燈、定時開關(guān)烘箱、通斷動力設(shè)備、甚至各種定時電氣的自動啟用等，所有這些，都是以

5、鐘表數(shù)字化為基礎(chǔ)的。因此，研究數(shù)字鐘及擴(kuò)大其應(yīng)用，有著非?，F(xiàn)實的意義。</p><p><b>　　2 設(shè)計目的</b></p><p>　　1、鞏固加深對數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)知識的理解，提高綜合運(yùn)用所學(xué)知識的能力，熟悉集成電路的使用方法。</p><p>　　2、通過查找資料、選方案、設(shè)計電路、仿真或調(diào)試、寫報告等環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問

6、題、解決問題能力。</p><p>　　3、了解電子線路設(shè)計的工程、工藝技術(shù)規(guī)范，學(xué)會書寫設(shè)計說明書。 </p><p>　　4、了解與掌握常用電子儀器的使用方法，及簡單的制版、焊接、組裝、調(diào)試工藝過程。</p><p>　　5、培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)肅、認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度和工作作風(fēng)。</p><p>　　6、掌握數(shù)字鐘的設(shè)計、組裝與調(diào)試方法。</p&

7、gt;<p>　　3 設(shè)計內(nèi)容及要求</p><p>　　1、設(shè)計一個具有“時”、“分”、“秒”顯示的電子鐘（23小時59分59秒）。應(yīng)具有校時功能。</p><p>　　2、用中小規(guī)模集成電路組成電子鐘，并在實驗箱上進(jìn)行組裝、調(diào)試。</p><p>　　3、畫出框圖和邏輯電路圖，寫出設(shè)計、實驗總結(jié)報告。</p><p>&l

8、t;b>　　4 系統(tǒng)框圖</b></p><p>　　振蕩器產(chǎn)生的信號經(jīng)過分頻器作為產(chǎn)生秒脈沖，秒脈沖送入計數(shù)器，計數(shù)結(jié)果經(jīng)過“時”、“分”、“秒”，譯碼器，顯示器顯示時間。其中振蕩器和分頻器組成標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號發(fā)生器，由不同進(jìn)制的計數(shù)器，譯碼器和顯示電路組成計時系統(tǒng)。秒信號送入計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)，把累計的結(jié)果以“時”，“分”、“秒”的數(shù)字顯示出來。“時”顯示由二十四進(jìn)制計數(shù)器，譯碼器，顯示器構(gòu)成；

9、“分”、“秒”顯示分別由六十進(jìn)制的計數(shù)器，譯碼器，顯示器構(gòu)成；校時電路實現(xiàn)對時，分的校準(zhǔn)。</p><p>　　數(shù)字時鐘基本原理的邏輯框圖如下所示：</p><p>　　圖1 數(shù)字時鐘基本原理的邏輯框圖</p><p>　　5 單元電路設(shè)計、參數(shù)計算和器件選擇</p><p>　　由圖1的數(shù)字時鐘基本原理的邏輯框圖知其由振蕩器、分頻器、計

10、數(shù)器、譯碼器、顯示器、校正電路組成。</p><p><b>　　5.1 振蕩器</b></p><p>　　4MHz的石英晶體構(gòu)成振蕩器。74LS160構(gòu)成分頻器，對石英晶體振蕩器分頻。74LS160分別組成六十進(jìn)制的秒計數(shù)器、六十進(jìn)制分計數(shù)器、二十四進(jìn)制時計數(shù)器。用74LS00及74LS04芯片構(gòu)成時間校準(zhǔn)電路。使用由4MHz的石英晶體振蕩器和由74LS160構(gòu)

11、成的分頻器構(gòu)成的產(chǎn)生震蕩周期為一秒的標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖，把振蕩周期為一秒的標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖輸入秒計數(shù)中，把秒計數(shù)器地進(jìn)位輸出作為分計數(shù)器的CP脈沖，分計數(shù)器的進(jìn)位輸出作為時計數(shù)器的CP脈沖。</p><p>　　由于4MHz石英晶體振蕩器產(chǎn)生的頻率為4MHz，造成分頻電路復(fù)雜，整個電路分頻較困難，信號發(fā)生電路比較復(fù)雜。而555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器的震蕩頻率輸出信號頻率為100Hz，分頻電路比較容易實現(xiàn)。整體信號發(fā)生電路簡單。

12、</p><p>　　555定時器（又稱時基電路）是一個模擬與數(shù)字混合型的集成電路。555定時器是一種應(yīng)用極為廣泛的中規(guī)模集成電路。該電路使用靈活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以構(gòu)成單穩(wěn)、多諧和施密特觸發(fā)器。因而廣泛用于信號的產(chǎn)生、變換、控制與檢測。 目前生產(chǎn)的定時器有雙極型和CMOS兩種類型，其型號分別有NE555(或5G555)和C7555等多種。它們的結(jié)構(gòu)及工作原理基本相同。通常，雙極型定時器具

13、有較大的驅(qū)動能力，而CMOS定時器具有低功耗、輸入阻抗高等優(yōu)點(diǎn)。555定時器工作的電源電壓很寬，并可承受較大的負(fù)載電流。雙極型定時器電源電壓范圍為5～16V，最大負(fù)載電流可達(dá)200mA；CMOS定時器電源電壓范圍為3～18V，最大負(fù)載電流在4mA以下。</p><p>　　采用集成電路555定時器與RC組成多諧振蕩器，如圖2所示。</p><p>　　圖2 集成電路555定時器與RC組成

14、多諧振蕩器</p><p>　　圖3 555多諧振蕩器仿真結(jié)果</p><p>　　555定時器組成多諧振蕩器，多諧振蕩器產(chǎn)生OUT的信號頻率。電阻、電容參數(shù)值計算如下：</p><p>　　C2為電路的濾波電容，提高電路的穩(wěn)定性，一般選取0.01F.</p><p>　　因為信號發(fā)生電路頻率為1Hz，所以其3腳輸出的信號周期為0.01s

15、.555定時器組成的多諧振蕩器頻率計算公式：</p><p>　　選取以上的電阻、電容，多諧振蕩器產(chǎn)生100Hz信號。</p><p>　　表1 555定時器的功能表</p><p><b>　　5.2 分頻器</b></p><p>　　分頻器的功能主要有兩個：一個是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號；二是提供功能擴(kuò)展電路所需要的

16、信號，如仿電臺報時用的1000Hz的高音頻信號和500Hz的低音頻信號等。</p><p>　　在本設(shè)計過程中將多次用到74LS160，這里對它的引腳圖以及功能做一下介紹（如表2、表3、表4）。</p><p>　　表2 設(shè)計過程中所畫的圖中74LS160的引腳介紹</p><p>　　表3 74LS160的功能表</p><p>　　表

17、4 74LS160的真值表</p><p>　　通過對74LS160的功能表（表2）的觀察可知，使用74LS160實現(xiàn)十進(jìn)制計數(shù)器的功能時，ENP端和ENT端均要接1，CLK端和ROAD端不用的要接1。</p><p>　　振蕩器產(chǎn)生的時間標(biāo)準(zhǔn)信號通常頻率很高，要使它變成能用來計時的“秒”信號，需要用分頻器來完成。分頻器的級數(shù)和每級的分頻次數(shù)要根據(jù)振蕩頻率及時基頻率來決定。若選用的時基頻

18、率為100Hz，因此分頻器采用了2級74LS160作分頻器。</p><p>　　圖4 分頻器及邏輯分析儀分析</p><p>　　使用Multisim11軟件進(jìn)行分析，采用1KHz的信號進(jìn)行模擬分析，可看到頻率被逐級分頻。當(dāng)信號通過第一級分頻器時，信號變?yōu)?00Hz，到第二級時，信號變?yōu)?0Hz。（第一行為第一級仿真信號，第二行為第二級仿真信號）</p><p>

19、;　　本次課程設(shè)計使用555定時器所構(gòu)成的諧振電路，可直接產(chǎn)生1Hz電路，故不使用分頻器。即通過調(diào)整R3阻值變化或者調(diào)整C2電容值來完成。</p><p>　　5.3 譯碼器與顯示器</p><p>　　74LS247是驅(qū)動共陽極數(shù)碼管的顯示譯碼器。圖5為74LS247的邏輯符號及引腳排列圖。</p><p>　　LED數(shù)碼顯示器是一種七段顯示器，它由七個發(fā)光二級

20、管裝封而成，如圖 所示，七段的不同組合能顯示出十個阿拉伯?dāng)?shù)字。</p><p>　　圖5 LED和譯碼器</p><p>　　本次課程設(shè)計采用將LED和譯碼器集成好的DCD_HEX，如圖6所示。</p><p>　　圖6 DCD_HEX</p><p><b>　　5.4 計數(shù)器</b></p>&

21、lt;p>　　5.4.1 60進(jìn)制數(shù)</p><p>　　因為秒計時，和分計時都是六十進(jìn)制計數(shù)，所以在此將它們歸在一起。秒計時電路使用原理為六十進(jìn)制計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器記到59時，再來一個計數(shù)脈沖，計數(shù)器進(jìn)位輸出變?yōu)?，送到更高一級的計數(shù)電路中去，同時自身置0。下面是六十進(jìn)制計數(shù)器具體工作原理：</p><p>　　選用2片74LS160來實現(xiàn)60進(jìn)制同步遞增計數(shù)器，其中個位數(shù)計數(shù)器接成

22、十進(jìn)制計數(shù)器。十位計數(shù)器選用QC與QB做反饋端，經(jīng)與非門74LS00輸出控制端控制清零端，接成六進(jìn)制形式。其中分個位、秒個位及時個位是十進(jìn)制，分十位和秒十位是六進(jìn)制現(xiàn)。十位只能顯示0,1,2,3,4,5數(shù)字。XFG1為信號發(fā)生器，來提供脈沖信號進(jìn)行仿真。</p><p>　　60時進(jìn)制電路結(jié)構(gòu)如圖7所示：</p><p>　　圖7 60進(jìn)制顯示電路原理圖</p><p

23、>　　圖8 邏輯分析儀分析60進(jìn)制電路波形圖</p><p>　　6，7，8，9，2，3，4，5端分別接到各位計數(shù)器QA,QB,QC,QD和十進(jìn)制計數(shù)器QA,QB,QC,QD端完成仿真。從圖8邏輯分析儀分析60進(jìn)制電路波形圖可以看出各位計數(shù)器和十位計數(shù)器QDQCQBQA的變化符合表4 74LS160的真值表變化，各位計數(shù)器QDQCQBQA從0000到1001到1000。十位計數(shù)器QDQCQBQA從000

24、0到0110到0000。</p><p>　　5.4.2 24進(jìn)制計數(shù)</p><p>　　選用2片74LS160能實現(xiàn)二十四進(jìn)制同步遞增計數(shù)器，圖中個位與十位計數(shù)器均接成十進(jìn)制技術(shù)形式，采用同步級聯(lián)復(fù)位方式。選擇十位計數(shù)器的輸出端QB和個位數(shù)出端QC通過與非門74LS00控制兩片計數(shù)器的清零段，當(dāng)計數(shù)器輸出狀態(tài)為00100100時，立即反饋清零。其中時十位只能顯示0、1、2三個數(shù)字。&

25、lt;/p><p>　　24時進(jìn)制電路結(jié)構(gòu)圖如圖9所示：</p><p>　　圖9 24進(jìn)制顯示電路原理圖</p><p>　　圖10 邏輯分析儀分析24進(jìn)制電路波形圖</p><p>　　6，7，8，9，2，3，4，5端分別接到各位計數(shù)器QA,QB,QC,QD和十進(jìn)制計數(shù)器QA,QB,QC,QD端完成仿真。從圖10邏輯分析儀分析24進(jìn)制電路

26、波形圖可以看出各位計數(shù)器和十位計數(shù)器QDQCQBQA的變化符合表4 74LS160的真值表變化，各位計數(shù)器QDQCQBQA從0000到1001到1000。十位計數(shù)器QDQCQBQA從0000到0010到0000。</p><p><b>　　5.5 校時電路</b></p><p>　　秒、分、時計數(shù)器之間采用同步級連方式。敲擊【S1】和【S2】鍵，可控制開關(guān)【S

27、1】和【S2】將秒脈沖直接引入分、時計數(shù)器，實現(xiàn)分計數(shù)器和時計數(shù)器的校時，如圖11所示。</p><p>　　校時的功能是通過芯片的ENT為0或為1，來控制電路的變化。當(dāng)電路正常計時時，ENT端接到Co端，其中時和分的Co端是由十位QA,QC和各位RCO輸出端經(jīng)與門來實現(xiàn)。當(dāng)QA,QC,RCO均為1時，ENT為1，電路實行計數(shù)功能。否者電路進(jìn)行保持。ENT接到1時，電路工作進(jìn)行校時。</p><

28、;p>　　圖11 分時、時時校正電路</p><p>　　6 完整電路圖及工作原理</p><p>　　圖12 數(shù)字鐘電路圖</p><p>　　由圖12可以清楚得看出整個數(shù)字時鐘的總體工作原理和整個工作過程：</p><p>　　由兩個60進(jìn)制計數(shù)器同步遞增計數(shù)器分別構(gòu)成秒鐘計時器和分時計數(shù)器，由24進(jìn)制同步遞增實現(xiàn)小時計數(shù)。由

29、555和RC構(gòu)成的振蕩器產(chǎn)生的1Hz的秒脈沖信號，計數(shù)器進(jìn)入60進(jìn)制的“秒”計時，“秒”的分位進(jìn)入60進(jìn)制的“分”計時，最后，由分的“時”進(jìn)位進(jìn)入24進(jìn)制的“時”計時。</p><p>　　在電路中，還有由門電路和開關(guān)構(gòu)成的校時電路對電路的“時”，“分”進(jìn)行校時，得到正確的時間。</p><p>　　圖2-圖10各個部分功能的電路和圖12的總體數(shù)字時鐘的電路均在電子電路計算機(jī)仿真軟件Mul

30、tisim11中進(jìn)行調(diào)試和仿真得到的。</p><p><b>　　7 電路組裝調(diào)試</b></p><p>　　本次課程設(shè)計仿真使用了函數(shù)信號發(fā)生器、四通道示波器、邏輯分析儀等。在電路調(diào)試過程中分塊進(jìn)行調(diào)試，每塊成功后再進(jìn)行整體連線，來進(jìn)行整體調(diào)試。</p><p>　　由圖12中所示的數(shù)字鐘電路圖按照信號的流向分級安裝，逐級級聯(lián)。這里的每

31、一級是指組成數(shù)字中的各個功能電路。</p><p>　　在電路連接過程中也遇到種種問題，例如元器件參數(shù)設(shè)置，可以通過書籍及網(wǎng)絡(luò)來查看。</p><p>　　級聯(lián)時如果出現(xiàn)時序配合不同步，或劍鋒脈沖干擾，引起的邏輯混亂，可以增加多級邏輯門來延時。如果顯示字符變化很快，模糊不清，可能是由于電源電流的跳變引起的，可在集成電路器件的電源端Vcc加退藕濾波電容。通常用幾十微法的大電容與0.01μF的

32、小電容相并聯(lián)。</p><p>　　通過運(yùn)用數(shù)字集成電路設(shè)計的24小時制的數(shù)字電子時鐘，經(jīng)過試驗，成功實現(xiàn)了一下基本功能：</p><p>　　1.能準(zhǔn)確計時，以數(shù)字形式顯示時、分、秒的時間。</p><p>　　2.能定時控制，且能校正時間（通過開關(guān)調(diào)時、分）。</p><p><b>　　8 電路設(shè)計總結(jié)</b>&

33、lt;/p><p>　　本設(shè)計主要采用的是計數(shù)器、門電路等器件，雖然器件使用數(shù)量比較多，但相對來說，不是很復(fù)雜。此課題的核心價值是他讓我們把理論知識轉(zhuǎn)化為實際知識，對電路進(jìn)行分塊，在分模塊具體落實。對于具體模塊電路的構(gòu)成有很多不同的設(shè)計方法。</p><p>　　此次設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)是本設(shè)計所需要的元器件比較常見，總體實現(xiàn)起來比較方便。但缺點(diǎn)是在設(shè)計當(dāng)中首先是555定時器產(chǎn)生的OUT信號，應(yīng)為實際電

34、阻、電容值的限制，產(chǎn)生的信號不是1Hz，故不是標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖。</p><p>　　9 系統(tǒng)所需的元器件</p><p>　　表5 系統(tǒng)所需元器件</p><p><b>　　10 參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　【1】閻石.進(jìn)制，555定時器應(yīng)用舉例.北京：高等教育出版社</p><p>

35、;　　【2】何其貴.分頻器.北京：北京理工大學(xué)出版社</p><p>　　【3】王冠華.Mulitisim11電路設(shè)計及其應(yīng)用.北京：國防工業(yè)出版社</p><p>　　【4】呂思忠，施齊云.數(shù)字電路實驗與課程設(shè)計.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社</p><p>　　【5】歐陽星明.數(shù)字系統(tǒng)邏輯設(shè)計.北京：電子工業(yè)出版社</p><p>　　【

36、6】盧結(jié)成，高世忻.電子電路實驗及應(yīng)用課題設(shè)計.合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社</p><p><b>　　11 收獲與體會</b></p><p>　　經(jīng)過兩周的構(gòu)思、設(shè)計，我的數(shù)電課程設(shè)計——數(shù)字時鐘最終得以圓滿結(jié)束。通過本次設(shè)計，使我對已學(xué)過的電路、數(shù)電、模電等電子技術(shù)的知識有了更深一步的了解，鍛煉和培養(yǎng)了自己利用已學(xué)知識來分析和解決實際問題的能力。對自己以后的

37、學(xué)習(xí)和工作有很大的幫助。剛開始做這個設(shè)計的時候感覺自己什么都不知道怎么下手，腦子里比較浮躁和零亂。但通過一段時間的努力，通過重溫數(shù)電，模電等電子技術(shù)的書籍，還有通過查看相關(guān)的設(shè)計技術(shù)以及一些參考文獻(xiàn)，再加之在老師的指導(dǎo)和周圍同學(xué)的幫助下，使我對自己的本設(shè)計有了熟練的掌握。做好一個課程設(shè)計不僅要具備扎實的書本知識并會善于應(yīng)用，還要學(xué)會利用網(wǎng)絡(luò)資源查閱資料，實在搞不懂的地方要向老師或同學(xué)請教，這樣才可能做出一個比較規(guī)范的課程設(shè)計。</

38、p><p>　　另外，通過這次課程設(shè)計，我體會到了實際的工作與書本上的知識是有一定距離的，我們還需要進(jìn)一步的學(xué)習(xí)。從客觀上對自己在書本中所學(xué)的知識有了感性的認(rèn)識，使自己更加充分地理解了理論與實際的關(guān)系，在這次課程設(shè)計中，我學(xué)會了如何看電路圖，讀電路圖，如何利用網(wǎng)絡(luò)資源，并對數(shù)字電路的應(yīng)用和開發(fā)的設(shè)計思想有了更進(jìn)一步的了解和掌握，使自己的知識體系更加健全，加深了對數(shù)字電子技術(shù)的了解。從這次設(shè)計中，我體會到，如果將我們在