多功能數(shù)字鐘(課程設(shè)計版)

1、題 目: 多功能數(shù)字鐘電路設(shè)計器材：74LS390，74LS48，數(shù)碼顯示器BS202， 74LS00 3片，74LS04，74LS08，電容，開關(guān)，蜂鳴器，電阻,導(dǎo)線要求完成的主要任務(wù):用中、小規(guī)模集成電路設(shè)計一臺能顯示日、時、分秒的數(shù)字電子鐘，要求如下：1.由晶振電路產(chǎn)生1HZ標準秒信號。2.秒、分為00-59六十進制計數(shù)器。3.時為00-23二十四進制計數(shù)器。4.可手動校正：能分別進行秒、分、時的校正。只要將開關(guān)置于手動位置?？煞謩e對秒、分、時進行連續(xù)脈沖輸入調(diào)整。5.整點報時。整點報時電路要求在每個整點前鳴叫五次低音（500HZ），整點時再鳴叫一次高音（1000HZ）。時間安排：指導(dǎo)教

2、師簽名： 年 月 日系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日索引摘要1Abstract21系統(tǒng)原理框圖32方案設(shè)計與論證42.1時間脈沖產(chǎn)生電路42.2分頻器電路62.3時間計數(shù)器電路72.4譯碼驅(qū)動及顯示單元電路82.5校時電路82.6報時電路103單元電路的設(shè)計123.1時間脈沖產(chǎn)生電路的設(shè)計123.2計數(shù)電路的設(shè)計123.2.1 60進制計數(shù)器的設(shè)計123.2.2 24進制計數(shù)器的設(shè)計133.3 譯碼及驅(qū)動顯示電路143.4 校時電路的設(shè)計143.5 報時電路163.6電路總圖174仿真結(jié)果及分析184.1時鐘結(jié)果仿真184.2 秒鐘個位時序圖184.3報時電路時序圖194.4測試結(jié)果分析

3、195心得與體會206參考文獻21附錄1原件清單22附錄2部分芯片引腳圖與功能表23摘要多功能數(shù)字鐘具有時間顯示、鬧鐘設(shè)置、環(huán)境溫度測量、電網(wǎng)電壓、電網(wǎng)頻率顯示，鬧鈴控制和電網(wǎng)電壓的過壓、欠壓報警等功能,深受人們歡迎。數(shù)字鐘是采用數(shù)字電路實現(xiàn)對.時,分,秒.數(shù)字顯示的計時裝置,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钪胁豢缮俚谋匦杵?由于數(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,遠遠超過老式鐘表, 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

4、、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)的。因此，研究數(shù)字鐘及擴大其應(yīng)用，有著非常現(xiàn)實的意義。AbstractA digital clock is a kind of digital circuit technology, minutes and seconds when the timing device, and the mechanical clock is higher than the accuracy and intuitive, and no machinery, has more longer service life, so

5、 it has been widely used.From the principle of digital clock is a kind of typical digital circuits, including the assembly logic circuit and the sequential circuits. At present, a digital clock function is more and more strong, and a variety of special options. Applicable for automatic digital clock

6、 rung, automatic broadcasting, also suitable for electricity, water and automatic control and electrical equipment. It is by several children clock circuit, timing circuit, amplifier circuit, the power circuit implementation. In order to simplify the circuit structure, a digital clock circuit and ti

7、ming circuits using direct connection between decoding technology. With simple structure, reliable operation, long service life, change the setting time for easy and manufacturing cost etc.To learn from the point of view, there are mainly introduced in small scale integrated circuit design method of

8、 digital clock。311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。由于計數(shù)的起始時間不可能與標準時間一致，故需要在電路上加一個校時電路。同時必需以標準的1HZ時間信號作為時鐘驅(qū)動。通常使用石英晶體振蕩器電路構(gòu)成數(shù)字鐘。圖1所示為數(shù)字鐘的一般構(gòu)成框圖。圖 1系統(tǒng)原理框圖晶體振蕩器電路：晶體振蕩器電路給數(shù)字鐘提供一個頻率穩(wěn)定準確的32768z的方波信號，可保證數(shù)字鐘的走時準確及穩(wěn)定。不管是指針式的電子鐘還是數(shù)字顯示的電子鐘都使用了晶體振蕩器電路。分頻器電路：分頻器電路將32768HZ的高頻方波信號經(jīng)32768（）次分頻后得到1Hz的方波信號供秒計數(shù)器進行計數(shù)

9、。分頻器實際上也就是計數(shù)器。時間計數(shù)器電路：時間計數(shù)電路由秒個位和秒十位計數(shù)器、分個位和分十位計數(shù)器及時個位和時十位計數(shù)器電路構(gòu)成，其中秒個位和秒十位計數(shù)器、分個位和分十位計數(shù)器為60進制計數(shù)器，而根據(jù)設(shè)計要求，時個位和時十位計數(shù)器為24進制計數(shù)器。譯碼驅(qū)動電路：譯碼驅(qū)動電路將計數(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)碼管正常工作提供足夠的工作電流。整點報時電路：一般時鐘都應(yīng)具備整點報時電路功能,即在時間出現(xiàn)整點前數(shù)秒內(nèi),數(shù)字鐘會自動報時,以示提醒.其作用方式是發(fā)出連續(xù)的或有節(jié)奏的音頻聲波,較復(fù)雜的也可以是實時語音提示。2方案設(shè)計與論證2.1時間脈沖產(chǎn)生電路方案一：由

10、集成電路定時器555與RC組成的多諧振蕩器作為時間標準信號源。圖 2 555與RC組成的多諧振蕩器圖方案二:振蕩器是數(shù)字鐘的核心。振蕩器的穩(wěn)定度及頻率的精確度決定了數(shù)字鐘計時的準確程度，通常選用石英晶體構(gòu)成振蕩器電路。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 3 石英晶體振蕩器圖方案三：由集成邏輯門與RC組成的時鐘源振蕩器。圖 4 門電路組成的多諧振蕩器圖用555組成的脈沖產(chǎn)生電路: R1=15*103，R2=68*103，C=10F，則555所產(chǎn)生的脈沖的為:f=1.43/(R1+2*R2)*103*10*106=0.947Hz,而

11、設(shè)計要求為1Hz,因此其誤差為5.3%,在精度要求不是很高的時候可以使用。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(guān)，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，選擇方案二，石英晶體振蕩電路能夠作為最穩(wěn)定的信號源。2.2分頻器電路通常，數(shù)字鐘的晶體振蕩器輸出頻率較高，為了

12、得到1Hz的秒信號輸入，需要對振蕩器的輸出信號進行分頻。通常實現(xiàn)分頻器的電路是計數(shù)器電路，一般采用多級二進制計數(shù)器來實現(xiàn)。例如，將32768Hz的振蕩信號分頻為1HZ的分頻倍數(shù)為32768（），即實現(xiàn)該分頻功能的計數(shù)器相當于15級二進制計數(shù)器。從盡量減少元器件數(shù)量的角度來考慮，這里可選多極二進制計數(shù)電路CD4060和CD4040來構(gòu)成分頻電路。CD4060和CD4040在數(shù)字集成電路中可實現(xiàn)的分頻次數(shù)最高，而且CD4060還包含振蕩電路所需的非門，使用更為方便。CD4060計數(shù)為14級二進制計數(shù)器，可以將32768z的信號分頻為2Hz，其內(nèi)部框圖如圖2.1所示，從圖中可以看出，CD4060的時

13、鐘輸入端兩個串接的非門，因此可以直接實現(xiàn)振蕩和分頻的功能。圖 5.1 CD4060內(nèi)部框圖 圖5.2 CD4040內(nèi)部框圖CD4040計數(shù)器的計數(shù)模數(shù)為4096（），其邏輯框圖如圖5.2。如將32768Hz信號分頻為1Hz，則需外加一個8分頻計數(shù)器，故一般較少使用CD4040來實現(xiàn)分頻。綜上所述，可選擇CD4060同時構(gòu)成振蕩電路和分頻電路。照圖5.1，在和之間接入振蕩器外接元件可實現(xiàn)振蕩，并利用時計數(shù)電路中多一個2分頻器（后述）可實現(xiàn)15級2分頻，即可得1Hz信號。2.3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74HC390，其內(nèi)部邏輯框圖如

14、圖6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 6 74HC390(1/2)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QA與CPB（下降沿有效）相連即可。CPA（下降沒效）與1Hz秒輸入信號相連，Q3可作為向上的進位信號與十位計數(shù)單元的CP相連。秒十位計數(shù)單元為6進制計數(shù)器，需要進制轉(zhuǎn)換。將10進制計數(shù)器轉(zhuǎn)換為6進制計數(shù)器的電路連接方法如圖7所示，其中Q2可作為向上的進位信號與分個位的計數(shù)單元CP相連。圖 7 10進制-6進制計數(shù)器轉(zhuǎn)換電路分個位和分十位計數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)分別與秒個位和秒十位計數(shù)單元完全相同，只不過分個位計數(shù)

15、單元的作為向上的進位信號應(yīng)與分十位計數(shù)單元的相連，分十位計數(shù)單元的作為向上的進位信號應(yīng)與時個位計數(shù)單元的相連。時個位計數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)仍與秒或個位計數(shù)單元相同，但是要求，整個時計數(shù)單元應(yīng)為24進制計數(shù)器，不是10的整數(shù)倍，因此需將個位和十位計數(shù)單元合并為一個整體才能進行24進制轉(zhuǎn)換。利用1片75HC390實現(xiàn)24進制計數(shù)功能的電路如圖8所示。另外，圖8所示電路中，尚余2進制計數(shù)單元，正好可作為分頻器2Hz輸出信號轉(zhuǎn)化為1Hz信號之用。圖 8 24進制計數(shù)器電路2.4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(yīng)的數(shù)字。用于驅(qū)動LED七段數(shù)碼管的譯

16、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七段共陽極顯示數(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(yīng)七段譯碼器的輸入端，便可進行不同數(shù)字的顯示。2.5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(yīng)具有分校正和時校正功能，因此，應(yīng)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其中。圖10所示為所設(shè)計的校時電路

17、。圖 9方案二校正電路圖方案二：校準電路由基本RS觸發(fā)器和“與”門組成，基本RS觸發(fā)器的功能是產(chǎn)生單脈沖，主要作用是起防抖動作用。未撥動開關(guān)K時，“與非”門G2的一個輸入端接地，基本RS觸發(fā)器處于“1”狀態(tài)，這是數(shù)字鐘正常工作，“分”進位脈沖能進入“分”計數(shù)器。撥動開關(guān)K時，“與非”門G1的一個輸入端接地，于是基本RS觸發(fā)器轉(zhuǎn)為“0”狀態(tài)。秒狀態(tài)可以直接進入“分”計數(shù)器，而“分”進位脈沖被阻止進入，因而能較快地校準分計數(shù)器的計數(shù)值。校準后，將校正開關(guān)恢復(fù)原位，數(shù)字鐘繼續(xù)進行正常計時工作。圖 10 方案三校正電路通過比較可知，兩方案均有防抖動的措施，穩(wěn)定性較好，方案一和方案二相比，方案二防抖動措

18、施更好，更完備，但電路也更為復(fù)雜，成本也更高，通過比較選擇方案一，既能實現(xiàn)防抖動功能，做出事物也更經(jīng)濟一些。2.6報時電路采用仿廣播臺整點報時的功能：每當數(shù)字鐘計時快要到正點時候發(fā)出響聲，通常按照四低音，一高音的順序發(fā)出間斷聲，以最后一聲高音結(jié)束的時刻為正點時刻。4低音（約500Hz）分別發(fā)生在59分51秒、發(fā)生在59分53秒、發(fā)生在59分55秒、發(fā)生在59分57秒、，最后一聲高音（約1KHz）發(fā)生在59分59秒，他們的持續(xù)時間均為一秒。圖 11 方案一報時電路3單元電路的設(shè)計3.1時間脈沖產(chǎn)生電路的設(shè)計圖 12 產(chǎn)生1Hz時間脈沖的電路圖CD4060同時構(gòu)成振蕩電路和分頻電路。如圖14，在M

19、R和RS之間接入振蕩器外接元件可實現(xiàn)振蕩，并利用時計數(shù)電路中多一個2分頻器可實現(xiàn)15級2分頻，即可得1Hz信號。3.2計數(shù)電路的設(shè)計秒、分計數(shù)器為60進制計數(shù)器。小時計數(shù)器為24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74LS390。3.2.1 60進制計數(shù)器的設(shè)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(gòu)成。如圖4.所示由74LS390構(gòu)成的60進制計數(shù)器。首先將兩片74LS390設(shè)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(shè)計一個60進制的計數(shù)器，可利用“反饋清零”的方法實現(xiàn)。當計數(shù)器輸出

20、“2Q32Q22Q12Q0、1Q3Q2Q1Q0=0110、0000”時，通過門電路形成一置數(shù)脈沖，使計數(shù)器歸零。圖 13 60進制計數(shù)器電路圖3.2.2 24進制計數(shù)器的設(shè)計同理當個位計數(shù)狀態(tài)為“Q3Q2Q1Q0=0100”，十位計數(shù)器狀態(tài)為“Q3Q2Q1Q0=0010”時，要求計數(shù)器歸零。圖 14 15 24進制計數(shù)器圖3.3 譯碼及驅(qū)動顯示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(yīng)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門輸出且低電平有效，專用于驅(qū)動LED七段共陽極顯示數(shù)碼管。由

21、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 16 所示。若將“秒”、“分”、“時”計數(shù)器的每位輸出分別接到相應(yīng)七段譯碼器的輸入端，便可進行不同數(shù)字的顯示。圖 16譯碼及驅(qū)動顯示電路圖3.4 校時電路的設(shè)計數(shù)字種啟動后,每當數(shù)字鐘顯示與實際時間不符進,需要根據(jù)標準時間進行校時。?！懊搿睍r，采用等待校時。?！胺帧薄ⅰ皶r”的原理比較簡單，采用加速校時。對校時電路的要求是 :1在小時校正時不影響分和秒的正常計數(shù) 。2在分校正時不影響秒和小時的正常計數(shù) 。如圖17所示，當開關(guān)打向下時，因為校正信號和0相與的輸出為0，而開關(guān)的另一端接高電平，正常輸入信號可以順利通過與或門，故校時電路處于

22、正常計時狀態(tài)；當開關(guān)打向上時，情況正好與上述相反，這時校時電路處于校時狀態(tài)。與非門可選74LS00，非門則可用與非門2個輸入端并接來代替節(jié)省芯片。因此實際使用時，須對開關(guān)的狀態(tài)進行消除抖動處理，圖17為加2個0.01uF的電容。圖 17 校時電路圖3.5 報時電路根據(jù)要求，電路應(yīng)在整點前10秒鐘內(nèi)開始整點報時，即當時間在59分50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50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QC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

23、壓電電聲器件，當其兩端加上一個直流電壓時酒會發(fā)出鳴叫聲，兩個輸入端是極性的，其較長引腳應(yīng)與高電位相連，圖19的三極管時為了驅(qū)動蜂鳴器。圖 18報時電路圖3.6電路總圖圖 19 電路總圖4仿真結(jié)果及分析4.1時鐘結(jié)果仿真圖 20時鐘結(jié)果仿真圖4.2 秒鐘個位時序圖圖 21秒鐘個位時序圖其他計數(shù)器的時序圖原理一樣，這里就不在贅述4.3報時電路時序圖圖 22報時電路時序圖蜂鳴器選擇的是500HZ的，所以500HZ的脈沖過來時候會發(fā)出四個脈沖，也就是前面提到的四個低音4.4測試結(jié)果分析經(jīng)測試之后，電路可以實現(xiàn)設(shè)計要求，可以實現(xiàn)數(shù)字鐘的基本功能，比如計數(shù)，如圖22，同時多功能模塊校時功能和報時功能都可以

24、使用，如圖24。基于仿真結(jié)果可以認定，此次多功能數(shù)字鐘的設(shè)計是成功的。5心得與體會在此次的數(shù)字鐘設(shè)計過程中，更進一步地熟悉了芯片的結(jié)構(gòu)及掌握了各芯片的工作原理和其具體的使用方法。這學期數(shù)電實驗課的考試就是做的數(shù)字鐘，所以在計數(shù)模塊上面有以前的經(jīng)驗，設(shè)計技術(shù)模塊很快就得出了正確的結(jié)果，雖然跟實驗室用得芯片不一樣，但原理一樣，同時我還理解到，同樣功能可以由不同的芯片實現(xiàn)，需遵行簡單，經(jīng)濟的原則，從而最大程度符合目標設(shè)計。每次課程設(shè)計是一次難得的鍛煉機會，讓我們能夠充分利用所學過的理論知識還有自己的想象的能力，另外還讓我們學習查找資料的方法，以及自己處理分析電路，設(shè)計電路的能力。我相信是對我的一個很

25、好的提高，補足平日理論學習后實踐方面的空白。通過這次課程設(shè)計，我還更加深了理論知識的學習。這次的設(shè)計電路我用到了計數(shù)器、譯碼器等，通過自己分析和設(shè)計更好地運用了它們，而且還學會了它們更多的功能。模電課程設(shè)計學到得方法在這里可以繼續(xù)使用，比如MULTISIM等學習軟件，給設(shè)計提供了很大的便利。課程設(shè)計機會不多，這學期很好，有足夠的時間，上學期因為模電課程設(shè)計臨近期末才給出來，做得很匆忙，覺得不是敷衍老師，而是敷衍自己。雖然自己很努力的做了，但覺得做得不夠好，難免有點遺憾。這學期本來課不多，課程設(shè)計又給得比較早，自己認真做了，覺得還是小有收獲。這次課設(shè)還讓我明白，困難是成功的臺階，只有一級級走上去才能有所收獲。工科院校的學生應(yīng)當這樣多參與實踐，運用所學，為將來工作打下基礎(chǔ)。6參考文獻1 數(shù)字電子技