電子技術(shù)課程設(shè)計數(shù)字鐘設(shè)計

1、 數(shù)字鐘設(shè)計一、引言20世紀(jì)末，電子技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展，在其推動下，現(xiàn)代電子產(chǎn)品幾乎滲透了社會的各個領(lǐng)域，有力地推動了社會生產(chǎn)力的發(fā)展和社會信息化程度的提高，同時也使現(xiàn)代電子產(chǎn)品性能進(jìn)一步提高，產(chǎn)品更新?lián)Q代的節(jié)奏也越來越快。 數(shù)字鐘作為為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚奈锲?，廣泛用于個人家庭以及辦公室等公共場所，給人們的生活、學(xué)習(xí)、工作、娛樂帶來極大的方便。由于數(shù)字集成電路技術(shù)的發(fā)展和采用了先進(jìn)的石英技術(shù)，使數(shù)字鐘具有走時準(zhǔn)確、性能穩(wěn)定、攜帶方便等優(yōu)點，它還用于計時、自動報時及自動控制等各個領(lǐng)域。盡管目前市場上已有現(xiàn)成的數(shù)字鐘集成電路芯片出售，價格便宜、使用也方便，但鑒于數(shù)字鐘電路的基本組成包含了數(shù)

2、字電路的主要組成部分，因此進(jìn)行數(shù)字鐘的設(shè)計是必要的，研究數(shù)字鐘及擴(kuò)大其應(yīng)用，有著非?，F(xiàn)實的意義。二、設(shè)計目的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。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)生獨立分析問題、解決問題能力。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。 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。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)。6、掌握數(shù)字鐘的設(shè)計、組裝與調(diào)試方法。三、設(shè)計要求1、設(shè)計一個具有“時”、“分”、“秒”顯示的電子鐘（23小

3、時59分59秒）。應(yīng)具有校時功能。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。3、畫出框圖和邏輯電路圖，寫出設(shè)計、實驗總結(jié)報告。四、方案論證 方案一：4mhz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。使用74ls48作為驅(qū)動器，dpy-amber-cc共陰極數(shù)碼管作為顯示器。用74ls00及74lso4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)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)

4、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。74ls48驅(qū)動器驅(qū)動共陰極數(shù)碼管顯示數(shù)字。當(dāng)校準(zhǔn)電路工作時，計數(shù)電路不工作。方案二：用555定時器構(gòu)成1khz的多諧振蕩器。用74ls160構(gòu)成分頻器。構(gòu)成的產(chǎn)生震蕩周期為一秒的標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖，由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。使用74ls48作為驅(qū)動器，dpy-amber-cc共陰極數(shù)碼管作為顯示器。用74ls00及74lso4芯片構(gòu)成時間校準(zhǔn)電路。555定時器構(gòu)成1khz的多諧振蕩器，經(jīng)74ls160構(gòu)成分頻器的分頻，分成1hz的周期信號。把震蕩周期為一秒的標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖

5、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。74ls48驅(qū)動器驅(qū)動共陰極數(shù)碼管顯示數(shù)字。當(dāng)校準(zhǔn)電路工作時，計數(shù)電路不工作。結(jié)論：方案一、方案二都很可以實本設(shè)計。但是方案一由于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1khz，分頻電路比較容易實現(xiàn)。整體信號發(fā)生電路簡單。所以選用方案二。五、系統(tǒng)框圖數(shù)字鐘實際上是一個對標(biāo)準(zhǔn)頻率（1hz）進(jìn)行計數(shù)的計數(shù)電路。由于計數(shù)的起始時間有時與標(biāo)準(zhǔn)時間不一致，故需要在電路上加一個校時電路，同

6、時標(biāo)準(zhǔn)的1hz時間信號必須做到準(zhǔn)確穩(wěn)定?？梢杂?55定時器構(gòu)成多諧振蕩器電路產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)信號。圖1所示為本課程設(shè)計的數(shù)字鐘組成框圖。時顯示電路驅(qū)動電路分顯示電路秒顯示電路計數(shù)電路驅(qū)動電路驅(qū)動電路計數(shù)電路計數(shù)電路校時電路信號發(fā)生電路分頻電路1khz信號1hz信號進(jìn)位進(jìn)位圖1系統(tǒng)框圖六、模塊電路1、信號發(fā)生電路圖為信號發(fā)生電路，555定時器組成多諧振蕩器，多諧振蕩器產(chǎn)生1u的信號頻率。電阻、電容參數(shù)值計算如下：u1為電路的濾波電容，提高電路的穩(wěn)定性，一般選取0.01uf.因為信號發(fā)生電路頻率為1看還在，所以其3腳輸出的信號周期為0.001s .555定時器組成的多諧振蕩器周期計算公： ，取r為4.7k

7、，得c=0.103uf。c近似取0.1uf，選取以上的電阻、電容，多諧振蕩器產(chǎn)生1khz信號。下圖為信號發(fā)生電路原理圖圖2信號發(fā)生電路原理圖2、 分頻電路2.1 74ls160芯片介紹在本設(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1、表2、表3）。表1 設(shè)計過程中所畫的圖中74ls160的引腳介紹74ls160邏輯符號各引腳頓的名稱dddd置數(shù)端qqqq輸出端ep et工作狀態(tài)控制端 ld預(yù)置數(shù)控制端rd異步置零（復(fù)位）端o進(jìn)位輸出端clk信號輸入端表2 74ls160的功能表74ls160的功能表clkep et工作狀態(tài)01 清零10 預(yù)置數(shù)111 1計數(shù)表

8、3 74ls160的真值表74ls160的真值表clkqqqq00000100012001030011401005010160110701118100091001100000通過對74ls160的功能表（表1）的觀察可知，使用74ls160實現(xiàn)十進(jìn)制計數(shù)器的功能時，ep端和et端均要接1，端和端不用的要接1。2.2 分頻器分頻電路實際上是一個1000進(jìn)制計數(shù)器。et、ep開始都很為1，都工作在計數(shù)狀態(tài)，當(dāng)多諧振蕩器產(chǎn)生的1000hz的信號脈沖時，首先輸入進(jìn)u1（74ls160）clock脈沖輸入端，u1開始計數(shù)，本設(shè)計采用的是串行進(jìn)位方式，當(dāng)u 1計數(shù)為9時,u1進(jìn)位輸出端co為高電平經(jīng)反相器

9、74ls04后，使u2的clock端為低電平。下一個計數(shù)脈沖到達(dá)后，u1變?yōu)?，u1 的co端跳回低電平，經(jīng)反相器使u2的clock輸入端產(chǎn)生一個整跳變，于是u2計入1，兩片74ls160不是同步工作的。同理，當(dāng)u2 計數(shù)9時，下一個脈沖到達(dá)u2后，u2變?yōu)?，u3計入1，當(dāng)u3計入9時，u3的co進(jìn)位輸出為1，輸出變?yōu)?hz的頻率信號。當(dāng)下一個脈沖到達(dá)u3 時，u3變?yōu)?，如此循環(huán)。下圖為分頻電路原理圖圖3分頻電路原理圖3計數(shù)電路3.1 秒、分計時電路因為秒計時，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)

10、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：本計數(shù)器采用的是并行進(jìn)位整體置數(shù)方式。當(dāng)分頻電路產(chǎn)生1hz信號時，信號被加到u1和u2 clock u端，但剛開始u1的et和ep端為高電平u1工作（計數(shù)），而u2的et和 ep端受u1進(jìn)位輸出端co控制，剛開始計數(shù)時，u1進(jìn)位輸出端為0，所以u2不工作，當(dāng)u1計數(shù)為9時，u1進(jìn)位輸出為1，此時u2計數(shù)。當(dāng)下一個脈沖到來后，u1跳變?yōu)?，此時進(jìn)位輸出為0，u2又不工作，一直等到u1計數(shù)記到9時，u2才計數(shù)，每輸入十個脈沖信號，u2記一次數(shù)。當(dāng)u2計數(shù)記到5時（為0101時）且u1為9時（為1001時）即u

11、1的14腳11腳位高電平且u2的14腳12腳為高電平時，相應(yīng)的腳接到四輸入與非門中，此時四個腳輸入全為高電平，與非門輸出為低電平，與非門的輸出接到u1、u2的置數(shù)端，置數(shù)端接入低電平有效，此時u1、u2置數(shù)工作，u1、u2置數(shù)輸入為相應(yīng)芯片上的預(yù)置數(shù)輸入端的值，由于u1、u2的預(yù)置數(shù)輸入端接地，即預(yù)置數(shù)為0000，此時計數(shù)器清零，又開始重新計數(shù)。下圖為六十進(jìn)制計數(shù)器原理圖圖4 六十進(jìn)制計數(shù)器原理圖3.2、 二十四進(jìn)制計數(shù)器二十四進(jìn)制計數(shù)器原理與六十進(jìn)制計數(shù)器原理相似，只不過與非門采用的是三輸入與非門，因為二十四進(jìn)制計數(shù)器是在u1計數(shù)為3，且u2計數(shù)為2時進(jìn)位的，此時只需要三個引腳的邏輯值即可，

12、二十四進(jìn)制計數(shù)器的計數(shù)脈沖是分進(jìn)位的進(jìn)位脈沖信號。三輸入與非門的三個引腳分別接u1的13、14腳和u2的13腳，當(dāng)u1的計數(shù)為3時，即u1的13、14腳位高電平并且u2的13都為高電平時，74ls10的三個輸入端值都為1 此時與非門輸出為0，與非門的輸出接到置數(shù)端進(jìn)行置數(shù)處理。當(dāng)u1、u2進(jìn)行置數(shù)時，u1、u2全被置成零，此時計數(shù)器清零，可以重新開始計數(shù)。下圖為二十四進(jìn)制電路原理圖圖5 二十四進(jìn)制計數(shù)原理圖4、 驅(qū)動電路驅(qū)動電路主要集成芯片是74ls48，他的輸入信號為單個74ls160計數(shù)器的輸出信號，74ls48電路中燈測試輸入端，滅燈輸入、滅零輸出和滅零輸入均為無效狀態(tài)，故其相應(yīng)的引腳接

13、高電平，表示上述功能不工作。74ls48輸出端接顯示譯碼器的相應(yīng)管腳。譯碼器輸出端分別接相應(yīng)的顯示電路輸入端。圖6為驅(qū)動電路原理圖圖6 驅(qū)動電路原理圖5、顯示電路ds1(dpy-amber-cc)是共陰集數(shù)碼管，共陰極的數(shù)碼管，kk接低電平。由于共陰極數(shù)碼管當(dāng)中的二極管耐壓值一般為2v左右，所以要在電源上接一個分壓電阻（1看）進(jìn)行分壓。7腳（顯示小數(shù)點）在本設(shè)計當(dāng)中不需要顯示，所以接地即可。圖7為數(shù)碼管外形圖，圖8為共陰極數(shù)碼管原理圖，圖9 為顯示電路原理圖。圖7 數(shù)碼管外形圖 圖8 共陰極數(shù)碼管原理圖 圖9 顯示電路原理圖6、 校準(zhǔn)電路圖為校時電路工作，當(dāng)電子鐘計數(shù)不準(zhǔn)時需要對其進(jìn)行校時處理

14、。校時時，開關(guān)s斷開，此時反相器u2a輸出為低電平，右邊的與非門u1c被鎖住，來自低一級的進(jìn)位脈沖（12腳信號值）無法通過右邊的與非門u1c ，u1c的輸出值被置為1，u1a的2腳輸入始終為1,；此時u1a打開，其值受u1b控制；此時u1b的5腳位為1，高電平，u1b打開，此時u1b的輸出值完全受4腳控制，即受單脈沖信號控制，當(dāng)輸入一個單脈沖時（高電平）u1b輸出為低電平，則相應(yīng)的u1a輸出值為高電平。當(dāng)開關(guān)閉s合式，電路正常計數(shù)。u1b，和u1c的情況相反，u1b的5腳為低電平，u1b 被鎖住，即u1b的輸出不受4腳(單脈沖信號)影響，u1b輸出始終為1，而u1c的13腳輸入值由于之前有反相

15、器的反向，所以其輸入值為1，與非門打開，u1c的輸出值與其低一級的進(jìn)位信號相同，當(dāng)有進(jìn)位信號時，u1c輸出為0，u1a輸出為1，完成計數(shù)功能，u1a輸出值送到相應(yīng)的計數(shù)電路中。當(dāng)三個相同的門電路組合起來，分別控制時、分、秒計數(shù)器時，校時電路就完成了。圖10 為單校時電路，圖11為總校時電路圖10 單校時電路圖11總校時電路七、總電路本電路是以555定時器組成多諧振蕩器作為頻率發(fā)生器，多諧振蕩器產(chǎn)生1000hz的振蕩波，經(jīng)過分頻器分頻，分解成1hz的脈沖波，隨后經(jīng)過秒計數(shù)器，秒計時器是60進(jìn)制計數(shù)器，當(dāng)計數(shù)器計數(shù)到60時產(chǎn)生進(jìn)位脈沖，到分計數(shù)器。分計數(shù)器也是60進(jìn)制計數(shù)器，當(dāng)分計數(shù)器計數(shù)到60時

16、，再次產(chǎn)生更高一級的進(jìn)位脈沖，脈沖送到時計數(shù)器，實現(xiàn)了分向時的進(jìn)位。當(dāng)需要進(jìn)行校時時，打開對應(yīng)的開關(guān)，進(jìn)行對應(yīng)位置上的校時，此時計數(shù)進(jìn)位脈沖無效。下圖為總電路原理圖圖12 總電路原理圖八、 設(shè)計電路特點本設(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把一個具體的電路先進(jìn)行整體抽象，在分模塊具體落實。對于具體模塊電路的構(gòu)成，實現(xiàn)方式不同，大家也提出了自己的看法。此次設(shè)計的優(yōu)點是本設(shè)計所需要的元器件比較常見，總體實現(xiàn)起來比較方便。但缺點是在設(shè)計當(dāng)中首先是555定時器產(chǎn)生的1u信號，應(yīng)為實際電阻、電容值的限制，產(chǎn)生的信號不是1u，故該信

17、號經(jīng)過分頻后產(chǎn)生的信號也不是標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖。還有在分頻電路剛開始分頻時，由于由于第三個74160芯片在計數(shù)記到9時，它就產(chǎn)生進(jìn)位脈沖，所以實際上剛開始主要元器件計數(shù)器記到900就進(jìn)位輸出1，會有一定的的誤差。此后每輸入1000，進(jìn)位輸出1，隨著脈沖的增加，誤差會越來越小。9、 系統(tǒng)所需元器件表4 元器件清單名稱符號個數(shù)電容capc1共陰極數(shù)碼管dpy amber-ccds1, ds2, ds3, ds4, ds5, ds66電阻res2r1 r4444開關(guān)sw-spsts11555定時器se555pu11十進(jìn)制同步計數(shù)器74ls160u21十進(jìn)制同步計數(shù)器74ls160u3, u4, u6, u7

18、, u9, u106六路反相器sn74ls04nu51六路反相器sn74ls20nu81六路反相器sn74ls10nu111六路反相器sn74ls48nu12, u13, u14, u15, u16, u176十、 參考資料1.電子技術(shù)課程設(shè)計指導(dǎo)，彭介華主編，北京：高等教育出版社2.電子電路實驗及應(yīng)用課題設(shè)計，盧結(jié)成、高世忻等編，合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社3.中國集成電路大全編寫委員會編寫，北京：國防工業(yè)出版社4.電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計，梁宗善編，武漢：華中理工大學(xué)出版社5.電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗與課程設(shè)計第二版,高吉祥主編,長沙,國防科技大學(xué)出版社, 6模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 童詩白、華成英主編，北京，高等教育出版社，第四版7protel 99 se 電路設(shè)計與仿真應(yīng)用清華大學(xué) 梁恩主、梁恩維編8新型電子電路應(yīng)用實例，何希才 編著 科學(xué)技術(shù)出版社,第一版9.數(shù)字系統(tǒng)邏輯設(shè)計 歐陽星明 主編 北京：電子工業(yè)出版社10.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) 閻石主編，北京，高等教育出版社，