課程設(shè)計--數(shù)字電子鐘電路設(shè)計

1、<p><b>　　**大學(xué)</b></p><p><b>　　課程設(shè)計(報告)</b></p><p>　　題 目 數(shù)字電子鐘電路設(shè)計 </p><p>　　學(xué)院名稱 電 氣 工 程 學(xué) 院 </p><p>

2、;　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　職 稱 </p><p>　　班 級 </p><p>　　學(xué) 號

3、 </p><p>　　學(xué)生姓名 </p><p>　　2011年 1 月 13 日</p><p><b>　　數(shù)字電子鐘設(shè)計</b></p><p><b>　　摘要：</b></p>

4、<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，都是以鐘表數(shù)字化為基礎(chǔ)

5、的。因此，研究數(shù)字鐘及擴大其應(yīng)用，有著非?，F(xiàn)實的意義。</p><p>　　本文設(shè)計中采用了組合邏輯電路和時序電路的設(shè)計，芯片采用了2-5-10異步計數(shù)器74LS390，74LS00與非門、555時鐘芯片等，實現(xiàn)時間的計時,能顯示時、分、秒的數(shù)字鐘實現(xiàn)校時、校分、校秒。</p><p><b>　　。</b></p><p><b>

6、　　擴展功能：　</b></p><p>　　關(guān)鍵詞: 計數(shù)器；譯碼器；振蕩器；校時電路 </p><p><b>　　ABSTRACT:</b></p><p>　　Digital clock is widely used in personal family, stations, terminals, offices

7、 and other public places, become a necessity in daily life. As digital integrated circuit development and wide application of quartz crystal oscillators, making the digital clock accuracy, the use of more than old-fashio

8、ned clocks, digital clocks to the production and life of people has brought great convenience, but also greatly extends the original timekeeping watches function. Such as timed automatic alarm, automatic</p><p

9、>　　This design uses a combinational logic circuit and sequential circuit design, chip with a 2-5-10 asynchronous counter 74LS390, 74LS00 NAND gate 555 clock chip, etc., to achieve the time of the time.</p><

10、p>　　Basic function: to display hours, minutes, seconds, the digital clock.</p><p>　　Extended Function: proofreading hours, minutes, proofreading, proofreading seconds.</p><p>　　KEYWORDS: Coun

11、ter; Decoder; Oscillator; Proofreading Time Circuit</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 系統(tǒng)設(shè)計3</b></p><p>　　1.1 設(shè)計任務(wù)與要求3</p><p>　　1.2 設(shè)計分析4<

12、/p><p>　　1.3各模塊方案選擇和論證4</p><p>　　1.3.1 振蕩電路模塊的選擇4</p><p>　　1.3.2 分頻電路模塊6</p><p>　　1.3.3計數(shù)電路模塊7</p><p>　　1.3.4校時電路模塊8</p><p>　　2 系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)8<

13、;/p><p>　　2.1 振蕩電路8</p><p>　　2.2 分頻電路9</p><p>　　2.3 計數(shù)電路9</p><p>　　2.4 校時電路10</p><p>　　3 設(shè)計的仿真和運行結(jié)果及調(diào)試過程11</p><p>　　3.1 振蕩電路11</p>&

14、lt;p>　　3.2 分頻電路11</p><p>　　3.3 計數(shù)電路12</p><p>　　3.4 校時電路13</p><p><b>　　4 結(jié)束語14</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)15</b></p><p>　　附錄A 總電路圖

15、16</p><p>　　附錄B Ultiboard 效果圖17</p><p><b>　　1 系統(tǒng)設(shè)計</b></p><p>　　1.1 設(shè)計任務(wù)與要求</p><p>　　本設(shè)計采用小規(guī)模集成電路設(shè)計一個有時、分、秒顯示且具有校時功能的電子鐘：</p><p>　　數(shù)字時鐘主要由：分頻器

16、、掃描顯示譯碼器、六十進(jìn)制計數(shù)器（或十進(jìn)制計數(shù)器與六十進(jìn)制計數(shù)器組合成六十進(jìn)制）、十二進(jìn)制計數(shù)器（或二十四進(jìn)制計數(shù)器）電路組成。在整個時鐘設(shè)計中最關(guān)鍵的是如何獲得一個精準(zhǔn)的1Hz計時脈沖。</p><p>　　數(shù)字時鐘顯示由時（12或24進(jìn)制任選）、分（60進(jìn)制）、秒（60進(jìn)制）組成，利用掃描譯碼電路在六個數(shù)碼管分別顯示。</p><p>　　設(shè)計電路，安裝調(diào)試或仿真，分析實驗結(jié)果，并寫出

17、設(shè)計說明書,語言流暢簡潔，文字不得少于3500字。要求圖紙布局合理，符合工程要求，使用軟件繪出原理圖（SCH）和印制電路板(PCB),器件的選擇要有計算依據(jù)。</p><p><b>　　1.2 設(shè)計分析</b></p><p>　　電路系統(tǒng)由秒信號發(fā)生器、“時、分、秒”計數(shù)器、譯碼器及顯示器、校時電路組成。秒信號產(chǎn)生器是整個系統(tǒng)的時基信號，它直接決定計時系統(tǒng)的精度，

18、一般用石英晶體振蕩器加分頻器來實現(xiàn)，本文采用555定時器產(chǎn)生相應(yīng)脈沖，將標(biāo)準(zhǔn)秒信號送入“秒計數(shù)器”，“秒計數(shù)器”采用60進(jìn)制計數(shù)器，每累計60秒發(fā)出一個“分脈沖”信號，該信號將作為“分計數(shù)器”的時鐘脈沖?！胺钟嫈?shù)器”也采用60進(jìn)制計數(shù)器，每累計60分鐘，發(fā)出一個“時脈沖”信號，該信號將被送到“時計數(shù)器”?！皶r計數(shù)器”采用24進(jìn)制計時器，可實現(xiàn)對一天24小時的累計。譯碼顯示電路將“時”、“分”、“秒”計數(shù)器的輸出送到七段顯示譯碼驅(qū)動器譯碼

19、驅(qū)動，通過六個七段LED顯示器顯示出來。校時電路是直接加一個脈沖信號到時計數(shù)器或者分計數(shù)器來對“時”、“分”顯示數(shù)字進(jìn)行校對調(diào)整。數(shù)字電子鐘的整體邏輯框圖如圖所示。</p><p>　　圖1.2 整體框圖</p><p>　　1.3各模塊方案選擇和論證</p><p>　　1.3.1 振蕩電路模塊的選擇</p><p>　　振蕩器是數(shù)字鐘的

20、核心，它的作用是產(chǎn)生一個頻率標(biāo)準(zhǔn)，即時間標(biāo)準(zhǔn)信號。然后再由分頻器分成秒脈沖，即“秒”時間脈沖。因此，振蕩器頻率的精度與穩(wěn)定度基本決定了數(shù)字鐘的質(zhì)量。要產(chǎn)生穩(wěn)定的時標(biāo)信號。</p><p>　?。?）方案一 555構(gòu)成的多諧振蕩器 </p><p>　　電容C1放電時間為：t1=R2*C1*ln2,充電時間為：t2=(R1+R2)*CI*ln2,則其振蕩頻率為f=1/(t1+t2)。選擇適

21、當(dāng)?shù)腞1、R2、C1值可使f＝1HZ。</p><p>　　圖1.3.1.1 555構(gòu)成的多諧振蕩器</p><p>　?。?）方案二 晶體振蕩分頻電路石英晶體振蕩電路</p><p>　　采用頻率fs＝32768Hz的石英晶體。D1、D2是反相器，D1用于振蕩，D2用于緩沖整形。Rf為反饋電阻（10-100MΩ），反饋電阻的作用是為CMOS反相器提供偏置，使其工

22、作在放大狀態(tài)。C1是頻率微調(diào)電容，改變C1可對振蕩器頻率作微量調(diào)整，C1一般取5-35pF。C2是溫度特性校正用的電容，一般取20-405pF，電容C1、C2與晶體共同構(gòu)成Ⅱ型網(wǎng)絡(luò)，完成對振蕩器頻率的控制，并提供必要的180 0相移。最后輸出fs=32768Hz。</p><p>　　圖1.3.1.2 石英晶體振蕩電路</p><p>　　將32 768Hz脈沖信號輸入到CD4060（內(nèi)

23、部結(jié)構(gòu)如圖4－4）組成的脈沖振蕩的14位二進(jìn)制計數(shù)器，所以從最后一級Q14輸出的脈沖信號頻率為：32768/214 = 32768/16384 = 2Hz 如圖6。再經(jīng)過二次分頻，得到1Hz的標(biāo)準(zhǔn)信號脈沖，即秒脈沖如圖7。</p><p>　　圖1.3.1.3 秒信號原理圖</p><p><b>　?。?）方案選擇</b></p><p>

24、　　振蕩器是數(shù)字鐘的核心，它的作用是產(chǎn)生一個頻率標(biāo)準(zhǔn)，即時間標(biāo)準(zhǔn)信號。然后再由分頻器分成秒脈沖，即“秒”時間脈沖。因此，振蕩器頻率的精度與穩(wěn)定度基本決定了數(shù)字鐘的質(zhì)量。要產(chǎn)生穩(wěn)定的時標(biāo)信號，一般是采用石英晶體振蕩器。從數(shù)字鐘的精度考慮，晶振頻率越高，鐘表的計時精度越高。但這會使震蕩器的耗電量增大，分頻器的級數(shù)也要增多，如果精度要求不高，可采用由集成電路定時器555與RC組成的多諧振蕩器，本實驗即采用此方法。</p><

25、;p>　　1.3.2 分頻電路模塊</p><p>　　分頻器的作用是將由555定時器體產(chǎn)生的高頻信號分頻成基時鐘脈沖信號和擴展部分所需的頻率。在此電路中，分頻器的功能主要有兩個：一是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號；二是功能擴展電路所需的信號。在此電路中作為分頻器的元件是:74LS90。</p><p>　　電路經(jīng)過十分頻后將555定時器差生的1KHZ的振蕩脈沖變?yōu)?Hz的脈沖信號，該信號作為計數(shù)

26、器的計數(shù)脈沖使用。</p><p>　　74LS90引腳及原理如下：</p><p>　　圖1.3.2 74LS90引腳及原理圖</p><p>　　1.3.3計數(shù)電路模塊</p><p>　　計數(shù)器是一種計算輸入脈沖的時序邏輯網(wǎng)絡(luò)，被計數(shù)的輸入信號就是時序網(wǎng)絡(luò)的時鐘脈沖，它不僅可以計數(shù)而且還可以用來完成其他特定的邏輯功能，如測量、定時控制

27、、數(shù)字運算等等。</p><p>　　數(shù)字鐘的計數(shù)電路是用兩個六十進(jìn)制計數(shù)電路和二十四進(jìn)制計數(shù)電路實現(xiàn)的。數(shù)字鐘的計數(shù)電路的設(shè)計可以用反饋清零法。當(dāng)計數(shù)器正常計數(shù)時，反饋門不起作用，只有當(dāng)進(jìn)位脈沖到來時，反饋信號將計數(shù)電路清零，實現(xiàn)相應(yīng)模的循環(huán)計數(shù)。以六十進(jìn)制為例，當(dāng)計數(shù)器從00，01，02，……，59計數(shù)時，反饋門不起作用，只有當(dāng)?shù)?0個秒脈沖到來時，反饋信號隨即將計數(shù)電路清零，實現(xiàn)模為60的循環(huán)計數(shù)。<

28、/p><p>　　秒信號經(jīng)秒計數(shù)器、分計數(shù)器、時計數(shù)器之后，分別得到“秒”個位、十位、“分”個位、十位以及“時”個位、十位的計時輸出信號，然后送至譯碼顯示電路，以便實現(xiàn)用數(shù)字顯示時、分、秒的要求?！懊搿焙汀胺帧庇嫈?shù)器應(yīng)為六十進(jìn)制，而“時”計數(shù)器應(yīng)為二十四進(jìn)制。采用10進(jìn)制計數(shù)器74LS90來實現(xiàn)時間計數(shù)單元的計數(shù)功能，其為雙2-5-10異步計數(shù)器，并且每一計數(shù)器均有異步清零端（高電平有效）。</p>&

29、lt;p>　　時計數(shù)器采用74LS90構(gòu)成24進(jìn)制計數(shù)器，其信號來自分計數(shù)器的進(jìn)位輸出，因為到２3的下一個狀態(tài)要自動清零，將時的個位和十位的清零端相連，再與24的BCD碼相連轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的二進(jìn)制，從而實現(xiàn)00－23的循環(huán)。兩片74LS90的輸出端QA－QD分別驅(qū)動７段LED顯示器顯示計數(shù)狀態(tài)。</p><p>　　分計數(shù)器和秒計數(shù)器也都采用74LS90構(gòu)成60進(jìn)制計數(shù)器，可以將十位的QB和QC輸出狀態(tài)送清零端

30、，同事送到一與門，與門的信號作為十位進(jìn)位信號送往下一個計數(shù)，這樣當(dāng)計數(shù)器計數(shù)到59的時候，下一個狀態(tài)的到來將使其清零，從而實現(xiàn)計數(shù)器的復(fù)位。</p><p>　　1.3.4校時電路模塊</p><p>　　時鐘出現(xiàn)誤差時，需校準(zhǔn)。校對時間總是在標(biāo)準(zhǔn)時間到來之前進(jìn)行，分四個步驟：首先把小時計數(shù)器置到所需的數(shù)字；然后再將分計數(shù)器置到所需數(shù)字；在此同時或之后，將秒計數(shù)器在零時停計數(shù)，處于等待啟動

31、；當(dāng)選定的標(biāo)準(zhǔn)時刻到達(dá)的瞬間，按起動按鈕，電路則從所預(yù)置時間開始計數(shù)。由此可知，校時電路應(yīng)具有預(yù)置小時，預(yù)置分、等待啟動、計時四個階段，因此，我們設(shè)計的校時電路，方便、可靠地實現(xiàn)這四個階段所要求的功能。</p><p>　　圖1.3.4 校時電路原理圖</p><p><b>　　2 系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)</b></p><p><b>　

32、　2.1 振蕩電路</b></p><p>　　在實驗電路設(shè)計中，由555構(gòu)成的多諧振蕩器來產(chǎn)生１ＫＨＺ的脈沖信號，再經(jīng)３級１０分頻電路輸出１ＨＺ的基準(zhǔn)信號。</p><p><b>　　圖2。1 振蕩電路</b></p><p><b>　　2.2 分頻電路</b></p><p>　

33、　在此電路中作為分頻器的元件是:74LS390。由于振蕩器產(chǎn)生的頻率很高，要得到秒脈沖，需要分頻電路。本實驗由集成電路定時器555與RC組成的多諧振蕩器，產(chǎn)生1KHz的脈沖信號。故采用3片中規(guī)模集成電路計數(shù)器74LS390來實現(xiàn)，得到需要的秒脈沖信號。</p><p>　　圖2.2 分頻電路</p><p><b>　　2.3 計數(shù)電路</b></p>

34、<p>　　時計數(shù)器采用74LS90構(gòu)成24進(jìn)制計數(shù)器，其信號來自分計數(shù)器的進(jìn)位輸出，因為到23的下一個狀態(tài)要自動清零，將時的個位和十位的清零端相連，再與24的BCD碼相連轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的二進(jìn)制，從而實現(xiàn)00－23的循環(huán)。兩片74LS90的輸出端QA－QD分別驅(qū)動７段LED顯示器顯示計數(shù)狀態(tài)。</p><p>　　分計數(shù)器和秒計數(shù)器也都采用74LS90構(gòu)成60進(jìn)制計數(shù)器，可以將十位的QB和QC輸出狀態(tài)送清

35、零端，同時送到一與門，與門的信號作為十位進(jìn)位信號送往下一個計數(shù)，這樣當(dāng)計數(shù)器計數(shù)到59的時候，下一個狀態(tài)的到來將使其清零，從而實現(xiàn)計數(shù)器的復(fù)位。</p><p>　　圖2.3 計時電路</p><p><b>　　2.4 校時電路</b></p><p>　　當(dāng)數(shù)字鐘接通電源或者出現(xiàn)誤差時，校正時間。校時是數(shù)字鐘應(yīng)具有的基本功能。一般電子表都

36、具有時、分、秒等校時功能。為了使電路簡單，在此設(shè)計中只進(jìn)行分和小時的校時。校時是通過開關(guān)控制使計數(shù)器對1Hz校時脈沖計數(shù)。</p><p>　　當(dāng)數(shù)字鐘走時出現(xiàn)誤差時，需要校正時間。校時電路實現(xiàn)對“時”“分”“秒”的校準(zhǔn)。在電路中設(shè)有正常計時和校對位置。本實驗實現(xiàn)“時”“分”的校對。對校時的要求是，在小時校正時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)。需要注意的時，校時電路是由與非門構(gòu)成的組合邏

37、輯電路，開關(guān)S1或S2為“0”或“1”時，可能會產(chǎn)生抖動，為防止這一情況的發(fā)生我們接入一個由RS觸發(fā)器組成的防抖動電路來控制。</p><p>　　圖2.4 校時電路</p><p>　　3 設(shè)計的仿真和運行結(jié)果及調(diào)試過程</p><p><b>　　3.1 振蕩電路</b></p><p>　　按電路圖連接好后，用示

38、波器檢測輸出的波形，通過調(diào)動滑動變阻器，是輸出產(chǎn)生要求的波形</p><p><b>　　3.2 分頻電路</b></p><p>　　用示波器分別測試每次分頻后的的波形，觀察是否為預(yù)想的波形，再通過四綜示波器觀察波形</p><p>　　3.2 每次分頻后的的波形</p><p>　　通過3次的分頻處理，得到一個1H

39、Z的脈沖。</p><p><b>　　3.3 計數(shù)電路</b></p><p>　　由于仿真的局限性，如果采用1HZ的秒脈沖，出來的效果將需要大量的時間，所以最后改用信號發(fā)生器給定400HZ的信號作為秒脈沖。秒、分計數(shù)器的個位能準(zhǔn)確以十進(jìn)制形式計數(shù)；十位也能準(zhǔn)確以六進(jìn)制的形式計數(shù)。當(dāng)個位計數(shù)到9后自動向十位計數(shù)。</p><p>　　圖3.3

40、.1 60秒的進(jìn)位演示1</p><p>　　圖3.3.2 60秒的進(jìn)位演示2</p><p><b>　　3.4 校時電路</b></p><p>　　當(dāng)開關(guān)斷開時，分計數(shù)電路，小時計數(shù)電路正常計數(shù)，當(dāng)開關(guān)閉合時，校時電路進(jìn)行校時。只是有時松開按鍵時，校時數(shù)會有點誤變化，經(jīng)過仔細(xì)分析，是由于在松按鍵時產(chǎn)生了抖動。</p>

41、<p>　　3.4。1 分校時演示1</p><p>　　3.4.2 分校時演示2</p><p>　　閉合分鐘調(diào)時開關(guān)，由于是自動校時，自動校時的頻率和秒同步，所以過1秒，分自動加1分鐘，以此類推。</p><p><b>　　4 結(jié)束語</b></p><p>　　雖然我們學(xué)習(xí)了模電和數(shù)電，對電子技術(shù)

42、有了一些初步了解，但那都是一些理論的東西。通過這次數(shù)字電子鐘的課程設(shè)計，我們才把學(xué)到的東西與實踐相結(jié)合。</p><p>　　通過這次實驗，我們也進(jìn)一步熟悉數(shù)字電路的設(shè)計與特點，同時也基本上掌握了用555振蕩器和74LS系列的集成對秒、分、時及其進(jìn)位的實現(xiàn)。而且讓我們了解了電路設(shè)計的基本思路，增強了實踐動手能力，理論結(jié)合實際的能力加強。除此以外，我們還深深地認(rèn)識到嚴(yán)謹(jǐn)、認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度在科學(xué)實驗中發(fā)揮的重要作用。&

43、lt;/p><p>　　數(shù)字鐘是本次課設(shè)中原理比較簡單的一個，但是它的組成部分多，電路連接有些復(fù)雜，出現(xiàn)問題后分析起來比較困難，所以我們養(yǎng)成了完成一個部分就調(diào)試檢驗一個部分，確保正確才進(jìn)行下一步工作，出現(xiàn)了問題只要在未檢驗的部分查尋就可以很快找出，效果很不錯。在電腦制作文檔的過程中，我也對辦公軟件有了更進(jìn)一步的了解，使我對辦公軟件有了更深層次的掌握。</p><p>　　此次的數(shù)字電子鐘重在仿

44、真和接線，雖然能把電路圖連接出來，并能正常顯示，但是真正連成實物的話，我們又得考慮線路是否太復(fù)雜能否縮減些多余的線路也有助于焊接電路，并且做一個簡單的時鐘用上這么多芯片也是很不經(jīng)濟的方面，還有待我們學(xué)得更加深入，掌握進(jìn)一步的知識才能做的更好。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 黃永定.電子實驗綜合實訓(xùn)教程[M].北京：機械工業(yè)出

45、版社，2004</p><p>　　[2] 王慧玲.電子技術(shù)實驗——低頻、高頻、數(shù)字、集成.北京：機械工業(yè)出版社，2004</p><p>　　[3] 毛期儉.數(shù)字電路與邏輯設(shè)計實驗及應(yīng)用.人民郵電出版社.2006</p><p>　　[4] 童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第三版）.高教出版社.2006</p><p>　　[5] 金維香，謝玉梅

46、.電子測試技術(shù).湖南大學(xué)出版社.2008</p><p>　　[6] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ) 數(shù)字部分（第五版）.高等教育出版社，2006</p><p><b>　　附錄</b></p><p><b>　　附錄A 總電路圖</b></p><p>　　附錄B Ultiboard 效果圖</p