《數(shù)字電子技術(shù)》課程設(shè)計說明書多功能數(shù)字鐘電路設(shè)計

1、學(xué)學(xué) 號：號： 0120809320417 課課 程程 設(shè)設(shè) 計計 題題 目目多功能數(shù)字鐘電路設(shè)計多功能數(shù)字鐘電路設(shè)計 學(xué)學(xué) 院院信息工程學(xué)院信息工程學(xué)院 專專 業(yè)業(yè)通信工程通信工程 班班 級級通信通信 0804 班班 姓姓 名名 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師 2010 年7月6日 課程設(shè)計任務(wù)書課程設(shè)計任務(wù)書 學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 通信工程通信工程 08040804 班班 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 工作單位：工作單位： 題題 目目: : 多功能數(shù)字鐘電路設(shè)計多功能數(shù)字鐘電路設(shè)計 初始條件：初始條件： 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)知識 、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)知識、電子技術(shù)實驗室、 ne555、74ls9

2、0、74ls48、7 段數(shù)碼管。 要求完成的主要任務(wù)要求完成的主要任務(wù): : 1、電路原理圖設(shè)計和相關(guān)參數(shù)的確定。 2、電路仿真 3、設(shè)計報告的撰寫 時間安排：時間安排： 序號序號階段內(nèi)容階段內(nèi)容時間時間 1方案設(shè)計1 天 2電路仿真2 天 3撰寫報告1 天 4答辯1 天 合 計5 天 指導(dǎo)教師簽名：指導(dǎo)教師簽名： 年年 月月 日日 系主任（或責(zé)任教師）簽名：系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年年 月月 日日 摘要摘要 本設(shè)計是基于 555 定時器產(chǎn)生脈沖的多功能數(shù)字鐘，能夠分別顯示時、分、秒，還 能夠?qū)r鐘做校時操作，本設(shè)計時鐘還具有整點報時功能。從 555 定時器輸出 1khz 的 脈沖經(jīng)過三個

3、串聯(lián)計數(shù)器分頻分別為 100hz、10hz 和 1hz 的時間脈沖，其中 1hz 脈沖 作為秒脈沖輸入，10hz 作為校時電路輸入。秒脈沖輸入時間計數(shù)部分，計數(shù)部分由六個 計數(shù)器組成，每兩個分別計數(shù)秒、分和時。計數(shù)器輸出輸?shù)降?7 端數(shù)碼管譯碼器，再書到 數(shù)碼管進行顯示出時間。校時電路工作時，封鎖計數(shù)器的進位信號，由 10hz 給出計數(shù)信 號，方便校時。當(dāng)分計數(shù)部分要向時計數(shù)部分進位時，給出的欲進位信號驅(qū)動揚聲器，發(fā) 出進位信號，到達報時的目的。 abstract the design is based on the pulse 555 timing produce multifunction

4、al digital clock, can show, minutes and seconds on the clock, also can make the operation, the school also has the clock strike on the design. from 1khz 555 timing of pulse output by three series counter frequency respectively, 10hz 100hz 1hz and the time pulse, including 1hz pulse as seconds, 10hz

5、as input pulses at school input circuit. seconds count part time input pulses, count by six counter composition, every two seconds, and were counting. to counter the output lost 7 digital tube decoder, book to digital tube show time. when school work, blockade circuit, signal by the binary counter c

6、ounts, convenient 10hz given signal when the school. when points to count part when, is part of binary counter to carry signals, a binary signals drive the speaker, arrive the strike. 目錄目錄 1.1.引言引言.1 2 2、多功能數(shù)字鐘、多功能數(shù)字鐘.2 2.1 任務(wù).2 2.2、要求.2 2.2.1 基本要求.2 2.2.2 擴展功能.2 2.3 數(shù)字鐘電路系統(tǒng)的組成原理框圖.2 3、方案設(shè)計與選擇、方案設(shè)計與

7、選擇.3 3.13.1 振蕩器的設(shè)計振蕩器的設(shè)計.3 3.1.1 振蕩器的選擇振蕩器的選擇.3 3.1.2 參數(shù)確定參數(shù)確定.4 3.23.2 分頻設(shè)計分頻設(shè)計.5 3.33.3 時分秒計數(shù)器的設(shè)計時分秒計數(shù)器的設(shè)計.5 3.3.1 時計數(shù)部分設(shè)計.6 3.3.2 分、秒計數(shù)部分設(shè)計.6 3.43.4 校時電路設(shè)計校時電路設(shè)計.7 3.53.5 整點報時電路設(shè)計整點報時電路設(shè)計.8 3.63.6 顯示部分顯示部分.8 3.73.7 總體設(shè)計電路圖總體設(shè)計電路圖.9 4、元器件的選擇、元器件的選擇 .11 4.14.1 振蕩器振蕩器 ne555ne555.11 4.1.1. ne555 的特點的

8、特點.11 4.1.2 ne555 引腳位配置說明引腳位配置說明.11 4.24.2 計數(shù)器計數(shù)器 74ls9074ls90.12 4.34.3 譯碼器譯碼器 74ls4874ls48.13 5、電路仿真、電路仿真.15 5.15.1 振蕩器部分的仿真振蕩器部分的仿真.15 5.1.1 ne555 輸出結(jié)果仿真輸出結(jié)果仿真.15 5.1.2 ne555 輸出和電容輸出和電容 c1 波形波形.15 5.25.2 分頻器的仿真分頻器的仿真.16 5.35.3 時間顯示仿真時間顯示仿真.17 5.45.4 整點報時、校時電路仿真整點報時、校時電路仿真.18 6 總結(jié)總結(jié).19 附錄附錄 元件清單元件

9、清單 .20 參考文獻參考文獻 .21 1.1.引言引言 時鐘是現(xiàn)在最基本最常見的生活用品，隨著現(xiàn)代人們的忙碌，似乎每一個角落都 裝上時鐘才能滿足人們對知曉時間的需求，現(xiàn)在很多宿舍樓，商場等都裝上了時鐘。 所以制作這樣一個簡易的多功能時鐘有其現(xiàn)代的意義。 2 2、多功能數(shù)字鐘多功能數(shù)字鐘 2.1 任務(wù) 設(shè)計一個多功能的數(shù)字鐘。 2.2、要求 2.2.1 基本要求 1) 準(zhǔn)確計時，以數(shù)字的形式顯示時、分、秒的時間。 2）小時為 24 或 12 進制，分和秒為 60 進制。 3）校正時間 2.2.2 擴展功能 1）定時控制 2）整點報時 2.3 數(shù)字鐘電路系統(tǒng)的組成原理框圖 時時顯顯示示器器分分顯

10、顯示示器器秒秒顯顯示示器器 報報時時電電路路時時譯譯碼碼器器分分譯譯碼碼器器秒秒譯譯碼碼器器 是是計計數(shù)數(shù)器器分分計計數(shù)數(shù)器器秒秒計計數(shù)數(shù)器器 校校時時電電路路 振振蕩蕩器器分分頻頻器器 3、方案設(shè)計與選擇方案設(shè)計與選擇 3.13.1 振蕩器的設(shè)計振蕩器的設(shè)計 3.1.1 振蕩器的選擇振蕩器的選擇 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)字鐘的準(zhǔn)確度， 通常選用石英體構(gòu)成的振蕩電路。一般說來，振蕩器的頻率越高，計時精度越高。如 圖 1 為電子手表集成電路中的晶體振蕩電路，常取晶振頻率為 32768hz，因其內(nèi)部有 15 級 2 分頻集成電路，所以輸出端正好是 1hz 的標(biāo)準(zhǔn)脈

11、沖。 如果精度要求不高也可以采用集成邏輯門與 rc 組成的時鐘源振蕩器如圖 2 或由 555 定時器與 rc 組成的多諧振蕩器如圖 3。這里選用 555 構(gòu)成的多諧振蕩器，設(shè)計振 蕩頻率為 1khz，電路圖如圖所示。 圖 1 晶體振蕩器 圖 2 邏輯門與 rc 振蕩器 圖 3 ne555 振蕩器電路 3.1.2 參數(shù)確定參數(shù)確定 555 定時器的脈沖時間是由于 rc 充放電確定的。根據(jù)三要素公式： （1） 1 )( 1)0( 1)( 1)( 1 rc t evcvcvctvc 充電過程的方程式： (2) 1 1 ) 3 1 ( 3 2 rc t evccvccvccvcc 充電時間為： (3)

12、1)21(7 . 02ln)21(1 1 crrcrrt 放電過程的方程式： （4） 1 2 )0 3 2 (0 3 1 rc t evccvcc 放電時間為： (5)127 . 02ln22 1 crcrt 總時間為： （6） f ttt 1 21 頻率為： （7） 121121 )2( 43 . 1 )2(7 . 0 11 crrcrrt f 首先確定 c1=0.1uf，r2=5.1k，需要輸出頻率 f=1khz，將充放電時間算出，確定 電阻 r1。通過確定 r1=4.1k。 3.23.2 分頻設(shè)計分頻設(shè)計 分頻器的工作主要有兩個：第一，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的秒脈沖。第二，是提供電路工作 所需要的信號

13、，比如校時電路中用到的 10hz，就是為了校時方便而設(shè)計。選擇計數(shù)器 作為分頻器，計數(shù)器有很多元件可以選擇，但是要合理充分的利用，選擇 3 片中規(guī)模 集成計數(shù)器 74ls90 可以完成上訴功能，74ls90 是二五十進制計數(shù)器。因為 555 定時器產(chǎn)生 1khz 的信號，第一片的 q3 輸出 100hz，第二片的 q3 輸出 10hz，第三 片輸出 1hz。經(jīng)過 3 次 1/10 分頻后正好是 1hz，為標(biāo)準(zhǔn)的秒輸入脈沖。 電路圖如圖 4： 圖 4 分頻電路 3.33.3 時分秒計數(shù)器的設(shè)計時分秒計數(shù)器的設(shè)計 3.3.1 時計數(shù)部分設(shè)計 時間計數(shù)設(shè)計為 24 進制計數(shù)，有多種計數(shù)器可供選擇，本

14、設(shè)計仍選 74ls90 作為計 數(shù)器。設(shè)計電路圖如圖 5。當(dāng)時計數(shù)部分的個位接受分計數(shù)部分的信號，計數(shù)滿 10 后 向時計數(shù)部分的十位給出一個進位信號。時十位計數(shù)部分接受個位的進位信號并進行 計數(shù)，當(dāng)十位和個位計滿 24 個數(shù)后計數(shù)器清零。計數(shù)規(guī)律是從 002300。 圖 5 時計數(shù)部分電路 3.3.2 分、秒計數(shù)部分設(shè)計 分和秒一樣，都采用 60 進制計數(shù)，本設(shè)計仍選 74ls90 作為計數(shù)器。設(shè)計電路圖 如圖 6。當(dāng)分（秒）計數(shù)部分的個位接受秒計數(shù)部分的信號（秒計數(shù)接受的信號為振蕩 器經(jīng)分頻后輸出的 1hz 的標(biāo)準(zhǔn)脈沖） ，計數(shù)滿 60 后向時計數(shù)部分的十位給出一個進位 信號。分（秒）十位

15、計數(shù)部分接受個位的進位信號并進行計數(shù)，計滿 6 就想前一級給 出進位信號。當(dāng)十位和個位計滿 60 個數(shù)后計數(shù)器清零。計數(shù)規(guī)律是從 0056 00。 圖 6 分、秒計數(shù)部分電路設(shè)計 3.43.4 校時電路設(shè)計校時電路設(shè)計 當(dāng)數(shù)字鐘接通電源或者計時出現(xiàn)錯誤是，需要校正時間，校時是數(shù)字鐘應(yīng)具備的基 本功能。一般的電子手表都具有時、分、秒等校時功能。為了電路簡單，我們只對時 和分進行校時。校時電路要求在小時校正時不影響分和秒的正常計數(shù)，在分校時時不 影響秒和小時的計數(shù)。時校時電路和分校時電路都是一致的，校時脈沖信號為 10hz 脈沖，這樣速度正好適中，適合校時。 圖 7 校時電路 值得注意的是，由與非

16、門構(gòu)成的組合邏輯電路，在開關(guān) s 閉合和打開的時候容易發(fā) 生抖動，從而使校時出現(xiàn)錯誤，對于這中情況要采取去抖的措施，接上電容就可以， 但是為了讓去抖更有效，我還加上了由與非門組成的 rc 觸發(fā)器。由此可以保證電路 不會有抖動現(xiàn)象。改進圖如圖 8： 圖 8 校時電路 3.53.5 整點報時電路設(shè)計整點報時電路設(shè)計 設(shè)計原理圖如下圖 9，由圖可知，當(dāng)分十位 q0q1、分個位 q0q3、秒十位 q0q2 和秒個位 q3 同時為“1”時，電路驅(qū)動 npn 三極管，報時電路工作，即當(dāng)分、秒時間 為 59 分 58-59 秒兩秒內(nèi)蜂鳴器發(fā)出響聲報時。 圖 9 整點報時電路 3.63.6 顯示部分顯示部分

17、顯示部分有數(shù)碼管和 bcd 數(shù)碼管譯碼器 74ls48 組成。根據(jù) 74ls48 的特性設(shè)計 如圖 10 所示電路。q0-q3 接受計數(shù)器輸出的數(shù)據(jù)，按照數(shù)碼管顯示規(guī)律譯碼出可直接 輸入數(shù)碼管的數(shù)據(jù)，將時間實時顯示出來。 圖 10 數(shù)碼管顯示電路 3.73.7 總體設(shè)計電路圖總體設(shè)計電路圖 圖 11 總體電路圖 4、元器件的選擇、元器件的選擇 4.14.1 振蕩器振蕩器 ne555ne555 ne555 (timer ic)大約在 1971由 signetics corporation 發(fā)布，在當(dāng)時是唯一非常 快速且商業(yè)化的 timer ic。 4.1.1. ne555 的特點的特點 1.只需

18、簡單的電阻器、電容器，即可完成特定的振蕩延時作用。其延時范圍極 廣，可由幾微秒至幾小時之久。 2.它的操作電源范圍極大，可與 ttl，cmos 等邏輯閘配合，也就是它的輸 出準(zhǔn)位及輸入觸發(fā)準(zhǔn)位，均能與這些邏輯系列的高、低態(tài)組合。 3.其輸出端的供給電流大，可直接推動多種自動控制的負(fù)載。 4.它的計時精確度高、溫度穩(wěn)定度佳，且價格便宜。 4.1.2 ne555 引腳位配置說明引腳位配置說明 如右圖 ne555 接腳圖 pin 1 (接地) -地線(或共同接地) ，通常被連接到電路共同接 地。 pin 2 (觸發(fā)點) -這個腳位是觸發(fā) ne555 使其啟動它的時間周 期。觸發(fā)信號上緣電壓須大于 2

19、/3 vcc，下緣須低于 1/3 vcc 。 pin 3 (輸出) -當(dāng)時間周期開始 555 的輸出輸出腳位，移至比 電源電壓少 1.7 伏的高電位。周期的結(jié)束輸出回到 o 伏左右的低電位。 于高電位時的最大輸出電流大約 200 ma 。 pin 4 (重置) -一個低邏輯電位送至這個腳位時會重置定時器和使輸出回到一個 低電位。它通常被接到正電源或忽略不用。 pin 5 (控制) -這個接腳準(zhǔn)許由外部電壓改變觸發(fā)和閘限電壓。當(dāng)計時器經(jīng)營在 穩(wěn)定或振蕩的運作方式下,這輸入能用來改變或調(diào)整輸出頻率。 pin 6 (重置鎖定) - pin 6 重置鎖定并使輸出呈低態(tài)。當(dāng)這個接腳的電壓從 1/3 vc

20、c 電壓以下移至 2/3 vcc 以上時啟動這個動作。 pin 7 (放電) -這個接腳和主要的輸出接腳有相同的電流輸出能力，當(dāng)輸出為 on 時為 low，對地為低阻抗，當(dāng)輸出為 off 時為 high，對地為高阻抗。 pin 8 (v +) -這是 555 個計時器 ic 的正電源電壓端。供應(yīng)電壓的范圍是+4.5 伏 特(最小值)至+16 伏特(最大值)。 參數(shù)功能特性： 供應(yīng)電壓 4.5-18v 供應(yīng)電3-6 ma 輸出電225ma (max) 上升/下時間 100 ns .ne555 的相關(guān)應(yīng)用: ne555 的作用范圍很廣，但一般多應(yīng)用于單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器（monostable mutl

21、ivibrator）及無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器(astable multivibrator)。 4.24.2 計數(shù)器計數(shù)器 74ls9074ls90 74ls90 計數(shù)器是一種中規(guī)模二一五-十進制計數(shù)器，下降沿觸發(fā)，r0(1),r0(2)是清 零端，r9（1） ，r9(2)是置 9 端，cpa 和 qa 可組成一個二進制計數(shù)器，cpb 和 qbqcqd 組成五進制計數(shù)器；若把 qa 和 cpb 相連，脈沖從 cpa 輸入，則構(gòu)成 8421bcd 碼十進制計數(shù)器。由 74ls90 的 truth table 可以看出，選擇 74ls90 可以在數(shù) 字鐘進位和清零上有極大的方便，不需要其他門電路輔助就能自

22、己完成進位和清零。 圖 12 74ls90 的連接圖 表 1 74ls90 計數(shù)/復(fù)位真值表 表 2 74ls90 bcd 數(shù)碼順序 4.34.3 譯碼器譯碼器 74ls4874ls48 74ls48 芯片是一種常用的七段數(shù)碼管譯碼器驅(qū)動器，下面是 74ls48 的引腳圖和 功能表。 圖 13 74ls48 引腳圖 表 3 74ls48 功能表 5、電路仿真、電路仿真 隨著科技的發(fā)展， “計算機仿真技術(shù)”已成為許多設(shè)計部門重要的前期設(shè)計手段。 它具有設(shè)計靈活，結(jié)果、過程的統(tǒng)一的特點?？墒乖O(shè)計時間大為縮短、耗資大為減少， 也可降低工程制造的風(fēng)險。仿真軟件有很多，multsim、protues 等

23、都可以電路仿真。本 設(shè)計仿真過程是在 protues 平臺上完成的。課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計是學(xué)生走向就業(yè)的重要 實踐環(huán)節(jié)。由于 protues 提供了實驗室無法相比的大量的元器件庫，提供了修改電 路設(shè)計的靈活性、提供了實驗室在數(shù)量、質(zhì)量上難以相比的虛擬儀器、儀表，因而也 提供了培養(yǎng)學(xué)生實踐精神、創(chuàng)造精神的平臺。 5.15.1 振蕩器部分的仿真振蕩器部分的仿真 5.1.1 ne555 輸出結(jié)果仿真輸出結(jié)果仿真 將示波器接到 ne555 的輸出端 3 腳上。仿真結(jié)果如下圖，圖 14。由圖可知，單位 時間寬度為 100us，一個周期的輸出波形正好占據(jù) 10 個方格，所以 t=10*100us=1000u

24、s。f=1/t=1000hz。符合設(shè)計要求。 圖 14 ne555 輸出波形圖 5.1.2 ne555 輸出和電容輸出和電容 c1 波形波形 如圖 15 所示，ne555 輸出電平是由 c1 充放電經(jīng)比較電路后的結(jié)果。當(dāng) c1 電壓小 于三分之一 vcc 時 vcc 給 c1 充電，波形上升，當(dāng) c1 充電到三分之二 vcc 時，c1 通 過電阻和三極管對地放電，波形下降。 圖 15 電容 c1 的波形 5.25.2 分頻器的仿真分頻器的仿真 圖 16 分頻電路仿真波形 上圖中從上到下依次是 1khz、100hz、10hz、1hz 的波形。從圖中可以看出來， 波形的高低電平不標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)生了形如充

25、放電的波形。分析電路不難發(fā)現(xiàn)，這是正常的 情況，因為芯片的引腳接了負(fù)載，當(dāng)芯片引腳從低電平置數(shù)為高電平時，引腳變高電 平，由于接上負(fù)載，該引腳要驅(qū)動負(fù)載，所以電平會慢慢變低，當(dāng)引腳與負(fù)載電平相 等時，即為零時，電平保持不變，一直到下一個置數(shù)改變才發(fā)生變化。當(dāng)芯片引腳從 高電平置數(shù)為低電平時，由于置數(shù)前負(fù)載是高電平，當(dāng)引腳變低電平后，負(fù)載的高電 平與引腳的低電平中和，使電平趨于零點位，直到下一次置數(shù)才改變。由此反復(fù)便形 成了如圖所示的波形。 5.35.3 時間顯示仿真時間顯示仿真 1、計時中數(shù)碼管的顯示。 圖 17 時間顯示 2、計時中的電路，即將清零。 圖 18 計時中的電路 3、計時歸零，數(shù)

26、字鐘從新計時。 圖 19 計時歸零時的電路 5.45.4 整點報時、校時電路仿真整點報時、校時電路仿真 此部分在 protues 仿真文件包內(nèi)進行。 校時仿真通過點擊校時按鈕達到校時目的，當(dāng)用點觸式按鍵時，沒點擊一次，時 間向上加 1，直到校正時間為此。還可以使用長按鍵方法校正時間，當(dāng)按住按鍵不放時， 被校時部分會以每秒增加 10 的速度向上增加，加快校時速度。 整點報時仿真，可利用分校時電路，將分顯示調(diào)節(jié)為 59，由于沒有秒校時電路，只 能等待秒計數(shù)到 58 時蜂鳴器開始發(fā)出聲響報時，兩秒后自動停止。即當(dāng)時鐘顯示為 xx 59 58 時開始報時，到時鐘顯示 xx 00 00 時停止。 6 總

27、結(jié)總結(jié) 通過這次數(shù)電課程設(shè)計，我對數(shù)字電路設(shè)計的知識有了更深一步的了解。通過這次 的課程設(shè)計，我熟悉了更多不同的數(shù)字芯片，比如 74ls90，74ls00，74ls48，數(shù)碼管 等，這為我以后的電路設(shè)計打了一定的基礎(chǔ)。在這次的設(shè)計中，我考慮了許多不同的 方案，做出過不同的選擇，從理論上細致的比較各個方案的好壞，同時又充分的考慮 實際情況，以實際情況為主要，在此過程中學(xué)會了把理論和實際充分結(jié)合起來的思維 方式。在設(shè)計的過程中我采用了 multisim 和 protues 仿真軟件，通過這次的課程設(shè) 計使我對這個仿真軟件的使用更加的熟練。通過對比實際的仿真結(jié)果和用仿真軟件的 仿真結(jié)果，認(rèn)識到了理論和實際的差距。認(rèn)識到用工程的觀點去解決實際問題的意義。 附錄附錄 元件清單元件清單 14蜂鳴器1 序號元件名稱數(shù)量規(guī)格備注 1ne555 定時器1dip 封裝 274ls909dip 封裝 374ls486dip 封裝 4共陰數(shù)碼管6 5電阻15.1k 6電阻12k 7電位器15k 8導(dǎo)線若干 9瓷片電容40.1uf 1074ls003 1174ls082 12npn 三極管19013 13按鍵2 參考文獻參考文獻 1 電子線路設(shè)計-實驗-測試第三版，謝自美 主編，華中電子科技出版社 20