多功能數(shù)字鐘的設計與仿真.doc

武漢理工大學數(shù)字電子技術課程設計說明書目 錄1緒論12 Proteus軟件介紹23數(shù)字鐘的原理框圖44電路的設計54.1主體電路的設計54.1.1秒脈沖電路的設計54.1.2計時及狀態(tài)轉換功能的實現(xiàn)64.1.3譯碼與顯示電路的設計84.1.4校時電路的設計104.1.5主體電路圖114.2功能擴展電路的設計124.2.1定時控制電路的設計124.2.2整點報時電路的設計154.3整體電路的設計175整體電路的仿真196電路功能測試以及常見問題解決本法206.1電路功能測試206.2常見問題解決辦法2 07元件清單218 心得體會229參考文獻2322多功能數(shù)字鐘的設計1.緒論數(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，具有更長的使用壽命，并且可以實現(xiàn)更多的功能，如：定時控制、整點報時、鬧鐘、觸摸報整點時數(shù)等，在現(xiàn)實生活中，各種數(shù)字鐘已得到了非常廣泛的使用。數(shù)字鐘的設計方法有許多種，例如,可用中小規(guī)模集成電路組成數(shù)字鐘，也還可以利用單片機來實現(xiàn)數(shù)字鐘等。這些方法都各有其特點，其中利用中小規(guī)模集成電路組建數(shù)字鐘，原理簡單，但由于集成電路集成度有限，對于需要實現(xiàn)較多功能的電路設計比較復雜，對于制作者焊接和布線有較高的要求。用單片機實現(xiàn)的電子鐘具有結構簡單，并便于功能的擴展，但需要涉及到匯編以及C語言編寫程序，對設計者有較高的要求。本次設計為用中小規(guī)模集成電路組成數(shù)字鐘。2.Proteus軟件介紹Proteus軟件是一種低投資的電子設計自動化軟件，提供可仿真數(shù)字和模擬、交流和直流等數(shù)千種元器件和多達30多個元件庫。Proteus軟件提供多種現(xiàn)實存在的虛擬儀器儀表。此外，Proteus還提供圖形顯示功能，可以將線路上變化的信號，以圖形的方式實時地顯示出來。這些虛擬儀器儀表具有理想的參數(shù)指標，例如極高的輸入阻抗、極低的輸出阻抗，盡可能減少儀器對測量結果的影響，Proteus軟件提供豐富的測試信號用于電路的測試。這些測試信號包括模擬信號和數(shù)字信號。提供Schematic Drawing、SPICE仿真與PCB設計功能，同時可以仿真單片機和周邊設備，可以仿真51系列、AVR、PIC等常用的MCU，并提供周邊設備的仿真，例如373、led、示波器等。Proteus提供了大量的元件庫，有RAM、ROM、鍵盤、馬達、LED、LCD、AD/DA、部分SPI器件、部分IIC器件，編譯方面支持Keil和MPLAB等編譯器。一臺計算機、一套電子仿真軟件，在加上一本虛擬實驗教程，就可相當于一個設備先進的實驗室。以虛代實、以軟代硬，就建立一個完善的虛擬實驗室。在計算機上學習電工基礎，模擬電路、數(shù)字電路、單片機應用系統(tǒng)等課程，并進行電路設計、仿真、調試等。1)proteus的工作過程 運行proteus的ISIS程序后，進入該仿真軟件的主界面。在工作前，要設置view菜單下的捕捉對齊和system下的顏色、圖形界面大小等項目。通過工具欄中的p(從庫中選擇元件命令)命令，在pickdevices窗口中選擇電路所需的元件，放置元件并調整其相對位置，元件參數(shù)設置，元器件間連線，編寫程序；在source菜單的Definecodegenerationtools菜單命令下，選擇程序編譯的工具、路徑、擴展名等項目；在source菜單的Add/removesourcefiles命令下，加入單片機硬件電路的對應程序；通過debug菜單的相應命令仿真程序和電路的運行情況。 2)Proteus軟件所提供的元件資源Proteus軟件所提供了30多個元件庫，數(shù)千種元件。元件涉及到數(shù)字和模擬、交流和直流等。 3)Proteus軟件所提供的儀表資源 對于一個仿真軟件或實驗室，測試的儀器儀表的數(shù)量、類型和質量，是衡量實驗室是否合格的一個關鍵因素。在Proteus軟件包中，不存在同類儀表使用數(shù)量的問題。Proteus還提供了一個圖形顯示功能，可以將線路上變化的信號，以圖形的方式實時地顯示出來，其作用與示波器相似但功能更多。 4)Proteus軟件所提供的調試手段 Proteus提供了比較豐富的測試信號用于電路的測試。這些測試信號包括模擬信號和數(shù)字信號。對于單片機硬件電路和軟件的調試，Proteus提供了兩種方法：一種是系統(tǒng)總體執(zhí)行效果，一種是對軟件的分步調試以看具體的執(zhí)行情況。 對于總體執(zhí)行效果的調試方法，只需要執(zhí)行debug菜單下的execute菜單項或F12快捷鍵啟動執(zhí)行，用debug菜單下的pauseanimation菜單項或pause鍵暫停系統(tǒng)的運行；或用debug菜單下的stopanimation菜單項或shift-break組合鍵停止系統(tǒng)的運行。其運行方式也可以選擇工具欄中的相應工具進行。 對于軟件的分步調試，應先執(zhí)行debug菜單下的start/restartdebugging菜單項命令，此時可以選擇stepover、stepinto和stepout命令執(zhí)行程序(可以用快捷鍵F10、F11和ctrl+F11)，執(zhí)行的效果是單句執(zhí)行、進入子程序執(zhí)行和跳出子程序執(zhí)行。在執(zhí)行了start/restartdebuging命令后，在debug菜單的下面要出現(xiàn)仿真中所涉及到的軟件列表和單片機的系統(tǒng)資源等，可供調試時分析和查看。 3.數(shù)字鐘的原理框圖根據(jù)設計要求，可建立數(shù)字鐘系統(tǒng)組成框圖，如圖3-1所示，數(shù)字中電路系統(tǒng)由主體電路和擴展電路兩大部分組成，其中，主體電路完成數(shù)字鐘的基本計數(shù)功能，擴展電路完成數(shù)字鐘的定時、整點報時擴展功能。秒顯示器分顯示器時顯示器主 體 電 路 擴展電路定時控制秒譯碼器分譯碼器時譯碼器整點報時秒脈沖發(fā)生器秒計數(shù)器分計數(shù)器時計數(shù)器校時電路圖3-1 數(shù)字鐘原理框圖該系統(tǒng)的工作原理是：用振蕩器產生的高脈沖信號作為數(shù)字鐘的秒脈沖發(fā)生器，秒脈沖接入秒計數(shù)器，秒計數(shù)器計滿60后向分計數(shù)器個位進位，分計數(shù)器計滿60后向小時計數(shù)器個位進位并且小時計數(shù)器按照“24翻1”的規(guī)律計數(shù)。計數(shù)器的輸出經譯碼器送顯示器。計時與實際時間出現(xiàn)誤差時電路可以進行校時、校分。擴展電路的整點報時和鬧鐘功能必須在主體電路正常運行的情況下才能實現(xiàn)。4.電路的設計4.1主體電路的設計主體電路是由功能部件和單元電路組成的，在設計這些電路和選擇元器件時，盡量選用同類型的元器件，考慮到CMOS集成電路的承受能力，最好選用TTL集成芯片，整個電路選用芯片應盡可能的少。下面介紹各功能部件與單元電路的設計。4.1.1秒脈沖電路的設計數(shù)字電路中秒脈沖發(fā)生器是由振蕩器產生的，振蕩器是數(shù)字鐘的核心，振蕩器的穩(wěn)定度及頻率的精度決定了數(shù)字鐘計時的準確程度。一般電路中振蕩器可由石英晶體振蕩器或者555振蕩器構成，下面將分別介紹這兩種振蕩器。1）石英晶體振蕩器如圖4-1所示，振蕩器可由以下石英晶體振蕩器構成，石英晶體振蕩器震蕩頻率有石英晶體的頻率決定，石英晶體振蕩器具有振蕩頻率精確度高的特點，但由于其起振是由外界干擾產生的，仿真為理想條件，故仿真中無輸出波形，得到波形后，還需再分頻已得到所需頻率波形。圖4-1 石英晶體振蕩器 圖4-2 555振蕩器2）555振蕩器如圖4-2所示，振蕩器由555與R、C組成的多些振蕩器，由555多些振蕩器振蕩頻率公式可得將C2、R9、R10、RP取適當?shù)闹导纯傻玫筋l率為1HZ的秒脈沖。且RP具有微調電路工作頻率的功能，本電路可產生比較精確的脈沖。本次設計采用555振蕩器構成秒脈沖發(fā)生器。4.1.2時分秒計數(shù)器的設計數(shù)字鐘的計數(shù)電路是用兩個六十進制計數(shù)電路和24進制計數(shù)電路實現(xiàn)的。數(shù)字鐘的計數(shù)電路的設計可以用反饋清零法。當計數(shù)器正常計數(shù)時，反饋門不起作用，只有當進位脈沖到來時，反饋信號將計數(shù)電路清零，實現(xiàn)相應模的循環(huán)計數(shù)。以60進制為例，當計數(shù)器從00，01，02，59計數(shù)時，反饋門不起作用，只有當?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)。下面將分別介紹60進制分秒計數(shù)器和24進制小時計數(shù)器。1）60進制計數(shù)器，電路圖如圖4-3所示圖4-3 60進制計數(shù)器電路由兩片74LS90和一個與門構成，分別為60進制計數(shù)器的十位和個位，十位為六進制，個位為十進制，兩者級聯(lián)構成60進制計數(shù)器。當計數(shù)器達到59時，在下一個秒脈沖作用下實現(xiàn)反饋清零，電路重新開始下一輪計數(shù)。下面對74LS90集成電路加以說明。74LS90是二五十進制計數(shù)器，它有兩個時鐘輸入端CPA和CPB。其中，CPA和組成一位二進制計數(shù)器；CPB和組成五進制計數(shù)器；若將與相連接，時鐘脈沖從輸入，則構成了8421BCD碼十進制計數(shù)器。74LS90有兩個清零端R0（1）、R0（2），兩個置9端R9（1）和R9（2），且均為高電平有效，本次設計即利用清零端實現(xiàn)六進制。74LS90的管腳圖如圖4-4所示，其BCD碼十進制計數(shù)時序如表4-5，二五混合進制計數(shù)時序如表4-6。圖4-4 74LS90管腳圖表4-5 BCD碼十進制計數(shù)時序 表4-6 二五混合進制計數(shù)時序2）24進制計數(shù)器用74Ls90設計24進制電路與60進制電路原理基本相同，只是把原來60清零改為目前24清零即可，電路如圖4-7所示圖4-7 24進制電路工作原理與60進制計數(shù)部分基本相同，只是當計數(shù)器達到23時，在下一個分進位脈沖作用下實現(xiàn)反饋清零，重新開始下一輪計數(shù)4.1.3 譯碼與顯示電路的設計譯碼與顯示電路如圖4-8所示圖4-8 譯碼與顯示電路電路的工作原理：譯碼是編碼的反過程，譯碼器是將輸入的二進制代碼翻譯成相應的輸出信號以表示編碼時所賦予原意的電路。常用的集成譯碼器有二進制譯碼器、二十制譯碼器和BCD7段譯碼器、顯示模塊用來顯示計時模塊輸出的結果。電路中的主要元件及功能介紹：1）譯碼器74LS48譯碼器是一個多輸入、多輸出的組合邏輯電路。它的工作是把給定的代碼進行“翻譯”，變成相應的狀態(tài)，使輸出通道中相應的一路有信號輸出。譯碼器在數(shù)字系統(tǒng)中有廣泛的用途，不僅用于代碼的轉換、終端的數(shù)字顯示，還用于數(shù)字分配，存儲器尋址和組合控制信號等。譯碼器可以分為通用譯碼器和顯示譯碼器兩大類。在本電路中用的譯碼器是共陰極譯碼器74LS48，用74LS48把輸入的8421BCD碼ABCD譯成七段輸出a-g，再由七段數(shù)碼管顯示相應的數(shù)。 74LS48的管腳圖如圖4-9。在管腳圖中，管腳LT、RBI、BI/RBO都是低電平是起作用，作用分別為：LT為燈測檢查，用LT可檢查七段顯示器個字段是否能正常被點燃。BI是滅燈輸入，可以使顯示燈熄滅。RBI是滅零輸入，可以按照需要將顯示的零予以熄滅。BI/RBO是共用輸出端，RBO稱為滅零輸出端，可以配合滅零輸出端RBI，在多位十進制數(shù)表示時，把多余零位熄滅掉，以提高視圖的清晰度。也可用共陰譯碼器74LS248，CD4511。圖4-9 74LS48管腳圖（2）顯示器SM421050N在此電路圖中所用的顯示器是共陰極形式，陰極必須接地。SM421050N的管腳功能圖如圖4-10所示圖4-10 SM421050N管腳圖4.1.4校時電路的設計校時電路的作用是：當數(shù)字鐘接通電源或者出現(xiàn)誤差時，校正時間。校時是數(shù)字鐘應具有的基本功能。一般電子表都具有時、分、秒等校時功能。為了使電路簡單，在此設計中只進行分和小時的校時。校時電路如圖4-11所示。校時電路工作原理：設計要求電路校時時，應不影響原電路正常工作。當單刀雙擲開關SW1撥至上端時，SR觸發(fā)器輸出為“0”，與非門U16：A和U16：B被截止，按鈕開關1和按鈕開關2產生的脈沖電平被屏蔽，此時電路能正常工作，且校時功能不起作用，此功能可用來防止因錯誤操作而導致時鐘出錯。當SW1撥至下端時，SR觸發(fā)器輸出為“1” 與非門U16：A和U16：B打開，在無按鈕開關1和按鈕開關2產生的脈沖電平時，非門U16：A和U16：B輸出“0”，此時電路正常工作，在按鈕開關1或按鈕開關2按下并松開瞬間，U16：A和U16：B輸出“1”，經過異或門之后，即可產生脈沖，即實現(xiàn)了電路的校時功能，且不影響電路正常工作。按鈕開關1和按鈕開關2分別控制時校時和分校時。圖4-11 校時電路4.1.5主體電路圖主體電路圖如圖4-12所示圖4-12 主體電路圖4.2功能擴展電路的設計4.2.1定時控制電路的設計設計要求：電路具有顯示鬧鐘定時時間功能，當電路到達設定的時刻時發(fā)出鬧鐘信號，持續(xù)時間為一分鐘，一分鐘過后，鬧鐘停止，數(shù)字鐘繼續(xù)記時。且具有電路止鬧功能，即鬧鐘時可以使鬧鐘停止，也可提前將停止鬧鐘功能，使電路不再鬧時。設計思路：定時電路的控制應由三部分組成，一部分由計數(shù)器在外界人工操作下設置鬧鐘時刻，一部分由鎖存電路構成，鎖存計數(shù)器設置的時刻，第三部分由比較報時電路構成，由設計要求可知，當比較器輸入的鬧鐘的時分與數(shù)字鐘基本電路的時分時刻相同時比較發(fā)出鬧鐘信號，驅動蜂鳴器或發(fā)光二極管發(fā)出聲或光鬧鐘信號1)鬧鐘時刻設置部分鬧鐘部分電路圖如圖4-13所示圖4-13 鬧鐘時刻設置電路工作原理說明：鬧鐘時刻只有時和分，其工作原理與基本電路的校時電路完全相同。在單刀雙擲開關撥至下面時，按鈕開關分別控制時和分的定時時刻設置。2)鎖存部分鎖存部分電路如圖4-14所示圖4-14 鎖存部分電路工作原理：鎖存器74LS373為八輸入鎖存器當使能端OE為“0”時且LE為“1”輸出Qn等于輸入Dn，當OE為“1”時鎖存器輸出高阻態(tài)可以通過開關SW4控制鎖存器的片選功能，使顯示器顯示鬧鐘定時時刻或者數(shù)字鐘正常時間。圖中當開關撥至上端時，顯示正常時間，開關撥至下端時，顯示器顯示鬧鐘定時時刻。圖4-15和4-16分別為鎖存器74LS373的功能表和管腳圖。圖4-154LS373功能表圖4-16 74LS373管腳圖。3)比較報時部分比較報時部分電路如圖4-17所示圖4-17 比較報時部分電路如圖4-17工作原理：分別把鬧鐘定時時刻和始終時刻輸入兩片比較器74LS85中當且僅當兩片輸入時和分相等時QA=B輸出“1”，此時驅動揚聲器發(fā)聲，發(fā)光二極管發(fā)光?？沙掷m(xù)一分鐘，直到時鐘秒進位，時鐘分鐘加1。鬧鐘到時間時，斷開開關，則鬧鐘停止，次開關可以控制鬧鐘的斷和開。圖4-18和4-19分別為鎖存器74LS373的管腳圖和功能表。圖4-18 74LS373管腳圖圖4-19 74LS373功能表4.2.2整點報時電路的設計設計要求：要求電路具有整點報時功能，當時鐘電路為59分時，從50秒開始，每隔一秒鐘響一次直到進位變?yōu)?0分。設計思路：可利用一與門將時鐘分59為“1”的輸出端與秒十位為5時為“1”的輸出端與時鐘脈沖信號與在一起，當條件符合時，電路即可以報時，報時信號可以是聲音報時和光報時兩種。整點報時電路如圖4-20所示圖4-20 整點報時電路工作原理：在秒脈沖作用下，電路開始正常計數(shù)。當計數(shù)達到59分50秒時，在秒脈沖作用下，與非門輸入全為“1”此時與非門輸出“0”，經反相器后輸出為“1”，高電平驅動揚聲器發(fā)出聲音，同時發(fā)光二極管開始發(fā)光，發(fā)出整點報時信號。由于接入秒脈沖信號，揚聲器發(fā)聲和發(fā)光二極管的工作頻率均為1Hz，持續(xù)10秒鐘后，停止整點報時。圖中所用74LS30、74LS08、74LS04管腳圖分別如圖4-21、4-22、4-23所示。圖4-21 74LS30管腳圖圖4-22 74LS08管腳圖圖4-23 74LS04管腳圖4.3整體電路的設計將以上主體電路和擴展電路經過適當?shù)呐帕?，組合連接為整體電路圖，整體電路圖如圖4-24所示圖4-24 整體電路圖5.整體電路的仿真用Proteus軟件繪制好電路圖，開始運行，經過多次調試和改裝，電路終于能正常運行，并實現(xiàn)設計要求所有功能。圖5-1為仿真運行過程中顯示部分圖。圖5-1 仿真運行過程中顯示圖6.電路功能測試以及常見問題解決本法6.1電路功能測試按照設計要求，逐項測試電路功能1）數(shù)字鐘計數(shù)功能測試：接通電源，在秒脈沖的作用下，電路開始計數(shù)，且時、分、秒分別為24、60、60進制。計數(shù)功能符合設計要求。2）校時功能測試：在顯示時鐘時間時，按動時鐘調時、時鐘調分按鈕開關時，時、分均可以調節(jié)，且不按動時，計數(shù)電路能正常工作，校時功能符合設計要求。3）整點報時功能測試：電路基數(shù)時，當時鐘到達59分50秒時，電路發(fā)出整點報時信號，頻率為1Hz，持續(xù)10秒鐘后，報時停止。整點報時功能符合設計要求。4)鬧鐘功能測試：切換顯示開關，使顯示器顯示鬧鐘時刻，通過定時開關調節(jié)定時的時和分，當時鐘到達定時時刻時，揚聲器響起，發(fā)光二極管發(fā)光，頻率均為1Hz。鬧鐘時間為1分鐘。斷開鬧鐘控制開關，鬧鐘停止。