數(shù)字鐘設計畢業(yè)設計

1、信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計說明書（論文）設計（論文）題目: 數(shù)字鐘的設計 專 業(yè): 微電子技術 班 級: 微電 08-1 班 學 號: 姓 名: 指導教師: 二 0 一 0 年 七 月 一 日四川信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計任務書四川信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計任務書學 生姓 名學號班級微電08-1專業(yè)微電子技術設計題目數(shù)字鐘的設計指導教師姓名職 稱工作單位及所從事專業(yè)聯(lián)系方式備 注講師/工程師設計內容：運用電子技術知識、技能設計一個數(shù)字電子鐘。功能要求如下：1由 555 電路產生 1hz 標準秒信號；2秒、分為 0059 六十進制計數(shù)器；3時為 0012 十二進制計數(shù)器；4可整點報時。要求完成：選擇各

2、單元電路結構并闡述工作原理，正確選擇電路元件與設備，給出元件明系表，并使用 proteus 進行仿真。進度安排： 第 24 周：查找資料，選擇參考方案；第 56 周：確定方案； 第 710 周：查找資料； 第 1113：周進行單元電路的設計，整機電路整機與分析； 第 14 周：整理報告，確定初稿； 第 15 周：檢查定稿； 第 1617 周：答辯。主要參考文獻、資料(寫清楚參考文獻名稱、作者、出版單位)：1 唐程山數(shù)字電子技術第四版，人民郵電出版社，2005 年2 康華光電子技術基礎第五版，高等教育出版社，2002 年3 中國集成電路大全編委會ttl 集成電路北京國防工業(yè)出版社，1985 年4

3、 王憲偉電子技術實驗與畢業(yè)設計清華大學出版社，2006 年5 康華光電子技術基礎（第五版）數(shù)字部分高教出版社，2006 年6 朱定華電子技術基礎畢業(yè)設計華中科技大學出版社，2009 年 10 月7 朱定華現(xiàn)代數(shù)字電路與邏輯設計清華大學出版社北京交通大學出版社，2005 年審批意見教研室負責人：年 月 日備注：任務書由指導教師填寫，一式二份。其中學生一份，指導教師一份。目 錄摘 要.1第 1 章 緒 論.21.1 設計背景.21.2 設計目的.21.3 設計要求.2第 2 章 設計原理及其框圖.42.1 數(shù)字電子鐘的邏輯框圖.42.2 數(shù)字鐘的工作原理.4第 3 章 系統(tǒng)單元電路設計.53.1

4、555 定時器時鐘脈沖產生電路.53.2 時間計數(shù)器電路.63.3 譯碼驅動電路.83.4 數(shù)碼管顯示電路.93.5 基本 rs 觸發(fā)器校正電路 .103.6 整點報時電路.113.7 系統(tǒng)電路原理圖.123.8 系統(tǒng)電路工作原理.13第 4 章 數(shù)字電子鐘的仿真與調試.144.1 proteus介紹.144.2 proteus對本實驗的仿真.144.3 數(shù)字鐘調試.154.4 仿真電路圖.15總 結.16致 謝.17參考文獻.18附錄 1 元件明細表.19摘 要本次設計使用的是 555 振蕩電路提供時鐘時間基準信號。與晶振電路相比使用芯片少，結構簡單明了。數(shù)字鐘實際上是一個對標準頻率（1hz

5、）進行計數(shù)的計數(shù)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)設計要求，時個位和時十位計數(shù)器為 12 進制計數(shù)器。時間以 12 個小時為周期，顯示時、分、秒，有校時功能，可以分別對時及分進行單獨校時，使其校正到標準時間；計時過程具有報時功能，當時間到達整點前 10秒進行蜂鳴報時； 為了保證校正信號的穩(wěn)定及準確采用 rs 觸發(fā)消振校正電路提供校正基準信號。關鍵詞 數(shù)字鐘；譯碼器；數(shù)碼管；計數(shù)器；第 1 章 緒 論1.1 設計背景集成電路有體積小、功耗小、功能多等優(yōu)點，因此在許多

6、電子設備中被廣泛使用。數(shù)字電子鐘采用數(shù)字電路實現(xiàn)對時、分、秒數(shù)字顯示的計時裝置，它具有顯示時、分、秒的功能，本設計采用時序電路制成的數(shù)碼管顯示的數(shù)字電子鐘，與機械式時鐘相比具有更高的準確性和直觀性，且比機械裝置具有更長的使用壽命，因此得到了廣泛的使用。電子鐘是人們日常生活中常用的計時工具，而數(shù)字式電子鐘它具有走時準確、穩(wěn)定性能好和使用方便等的特點。具有快速校準時、分、秒的功能。廣泛用于個人家庭、車站、碼頭辦公室等公共場所，成為人們日常生活中不可少的必需品，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)字化給人們生產生活帶來了極大的方便，而且大大地

7、擴展了鐘表原先的報時功能。數(shù)字集成電路技術的發(fā)展和采用了先進的石英技術，使數(shù)字鐘具有走時準確、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域。本次設計以數(shù)字電子為主，分別對 1hz 時鐘信號源、秒計時顯示、分計時顯示、小時計時顯示、整點報時及校時電路進行設計，然后將它們組合，來完成時、分、秒的顯示并且有整點報時和走時校準的功能。并通過本次設計加深對數(shù)字電子技術的理解以及更熟練使用計數(shù)器、觸發(fā)器和各種邏輯門電路的能力。電路主要使用集成計數(shù)器，例如 74ls390、cd4511 譯碼集成電路，led 數(shù)碼管及各種門電路和基本的觸發(fā)器等，電路使用 5 號電池供電，很適合在日常生

8、活中使用。因此，研究數(shù)字鐘及擴大其應用，有著非?，F(xiàn)實的意義。1.2 設計目的熟悉集成電路的引腳安排;掌握各芯片的邏輯功能及使用方法;了解面包板結構及其接線方法;了解數(shù)字鐘的組成及工作原理;熟悉數(shù)字鐘的設計與制作。1.3 設計要求時間以 12 小時為一個周期；顯示時、分、秒；有校時功能，可以分別對時及分進行單獨校時，使其校正到標準時間；計時過程具有報時功能，當時間到達整點前10 秒進行蜂鳴報時；為了保證計時的穩(wěn)定及準確須本次設計使用的是 555 振蕩電路來實現(xiàn)的時鐘脈沖。第 2 章 設計原理及其框圖2.1 數(shù)字電子鐘的邏輯框圖數(shù)字電子鐘的邏輯框圖如圖 2-1：2.2 數(shù)字鐘的工作原理數(shù)字鐘實際上

9、是由振蕩電路來產生一個標準頻率（1hz）時鐘脈沖，再對其進行計數(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（如北京時間）一致，故需要在電路上加一個校時電路，同時到達整點前 10 秒報時。圖 2-1 數(shù)字電子鐘的邏輯框圖譯 碼 器顯 示 器顯 示 器顯 示 器譯 碼 器12 進制時計數(shù) 器60 進制分計數(shù) 器譯 碼 器60 進制秒計數(shù) 器報 時電 路振 蕩 器校 正電 路第 3 章 系統(tǒng)單元電路設計3.1 555 定時器時鐘脈沖產生電路數(shù)字鐘 1hz 時間信號必須做到準確穩(wěn)定，一般時鐘是以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。不管是指針式的電子鐘還是數(shù)字顯示

10、的電子鐘都使用了晶體振蕩器電路。但是晶體振蕩器電路復雜，而且晶振容易毀壞，還要運用分頻器才能實現(xiàn)秒脈沖。而 555 定時器電路簡單，只需要 555 定時器和電阻電容就能產生秒脈沖，元器件使用少、電路圖結構清晰簡單。因此本次設計本次設計使用的是 555 振蕩電路來實現(xiàn)的時鐘脈沖。555 振蕩器內部結構如圖 3-1所示。圖 3-1 555 振蕩器內部結構用 555 定時器組成多諧振蕩器電路如圖 3-2 所示。r3、r4 和 c2 為外接定時元器件，高、低電平觸發(fā)輸入端相連并接到定時電容 c2 上，r3 和 r4 的節(jié)點與放電端相連，電壓控制端不用，通常接 0.01uf 電容。接通電源后，vcc 通

11、過 r3、r4 對電容 c2 充電，uc 上升。開始時 uc 1/3 vcc，即高電平觸發(fā)端 th2/3 vcc，低電平觸發(fā)端 tr=2/3 vcc 時，高電平觸發(fā)端 th 2/3 vcc,低電平觸發(fā)端 tr1/3vcc,定時器復位，q=0，放電管飽和導通，c2 通過 r3 經 vt 放電，u c下降。當 uc=1/3 vcc 時又回到高電平觸發(fā)端 th 2/3 vcc，低電平出發(fā)端 tr1/3 vcc，定時器又置位，q=1，放電管截止，c2 停止放電而重新開始充電。如此反復，形成矩形脈沖。多諧振蕩器的振蕩周期 t 為：t=tw1+tw2=0.7（r3+r4）c2+0.7r3c2=0.7(r4

12、+2r3)c2圖 3-2 多諧振蕩器電路3.2 時間計數(shù)器電路時間計數(shù)單元有時計數(shù)、分計數(shù)和秒計數(shù)等幾個部分。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，其輸出為兩位 8421bcd 碼形式；而根據(jù)設計要求，時個位和時十位計數(shù)器為 12 進制計數(shù)器，其輸出也為 8421bcd 碼。一般采用 10 進制計數(shù)器 74hc390 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，其引腳圖和內部邏輯框圖如圖 3-3 所示。該器件為雙 2510 異步計數(shù)器，并且每一計數(shù)器

13、均提供一個異步清零端（高電平有效）。 cka qa ckb qb qc qd cr25圖 3-3 74hc390 引腳圖和內部邏輯框圖秒個位計數(shù)單元為 10 進制計數(shù)器，無需進制轉換，只需將 q0 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 cpa 相連，電路在秒脈沖的作用下數(shù)碼管從 09 顯示，如圖 3-4。 圖 3-4 74390 十進制計數(shù)器電路秒十位計數(shù)單元為 6 進制計數(shù)器，需要進制轉換。將 10 進制計數(shù)器轉換為 6 進制計數(shù)器的電路連接方法如圖 3-5 所示，其中 q2 可作為向上的進位信號與分個位的

14、計數(shù)單元的 cpa 相連，電路在秒脈沖的作用下數(shù)碼管從 06 顯示。 圖 3-5 10 進制6 進制計數(shù)器轉換電路分個位和分十位計數(shù)單元電路結構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)單元的 q3 作為向上的進位信號應與分十位計數(shù)單元的 cpa 相連，分十位計數(shù)單元的 q2 作為向上的進位信號應與時個位計數(shù)單元的 cpa 相連。時個位計數(shù)單元電路結構仍與秒或個位計數(shù)單元相同，但是要求，整個時計數(shù)單元應為 12 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 12 進制轉換。利用 2 片 74hc390 和與門實現(xiàn) 12 進制計數(shù)功能的電路如圖

15、3-6 所示。圖 3-6 12 進制計數(shù)器電路3.3 譯碼驅動電路譯碼驅動電路將計數(shù)器輸出的 8421bcd 碼轉換為數(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。計數(shù)器實現(xiàn)了對時間的累計以 8421bcd 碼形式輸出，選用顯示譯碼電路將計數(shù)器的輸出數(shù)碼轉換為數(shù)碼顯示器件所需要的輸出邏輯和一定的電流，選用 cd4511作為顯示譯碼電路。譯碼驅動引腳圖及顯示單元如圖 3-7。圖 3-7 譯碼驅動引腳圖及顯示單元3.4 數(shù)碼管顯示電路數(shù)碼管由譯碼驅動電路提供電流，并顯示出譯碼驅動電路輸出的數(shù)碼。數(shù)碼管通常有發(fā)光二極管（led）數(shù)碼管和液晶（lcd）數(shù)碼管，本設計使用的為 led

16、 數(shù)碼管，如圖 3-8。 圖 3-8 多位數(shù)碼管led 數(shù)碼有共陽和共陰兩種，把些 led 發(fā)光二極管的正極接到一塊（一般拼成一個 8 字加一個小數(shù)點）而作為一個引腳，就叫共陽的，相反的，就叫共陰的，那么應用時這個腳就分別的接 vcc 和 gnd。再把多個這樣的 8 字裝在一起就成了多位的數(shù)碼管了。 找公共共陰和公共共陽首先，我們找個電源（3 到 5 伏）和 1 個 1k（幾百的也歐的也行）的電阻，vcc 串接個電阻后和 gnd 接在任意 2 個腳上，組合有很多，但總有一個 led 會發(fā)光的找到一個就夠了。然后用 gnd 不動，vcc（串電阻）逐個碰剩下的腳，如果有多個 led（一般是 8 個

17、）亮，那它就是共陰的了。相反用 vcc 不動，gnd 逐個碰剩下的腳，如果有多個 led（一般是 8 個）亮，那它就是共陽的了。 （相應的圖形如圖 3-9，3-10 所示）圖 3-9 共陰極二極管 圖 3-10 共陽極二極管3.5 基本 rs 觸發(fā)器校正電路基本 rs 觸發(fā)器屬于電頻直接控制方式，即輸入信號直接可控制觸發(fā)器的輸出端的狀態(tài)。這種無抖動開關又稱為邏輯開關。當重新接通電源或走時出現(xiàn)誤差時都需要對時間進行校正。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)或將頻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，再轉入正常計時狀態(tài)即可。根據(jù)要求，數(shù)字鐘應

18、具有分校正和時校正功能，因此，應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。根據(jù)要求，數(shù)字鐘應具備有分校正和時校正功能，因此，應截斷分個位和時個位的直接計數(shù)通路，并采用正常計數(shù)和和校正信號可以隨時切換的電路接入其中，而且在校時和校分時不能相互影響。圖 3-11 所示為本次設計的校正電路。校正信號實際上就是通過開關的開和閉合接通電源或地形成下降沿脈沖。在機械開關按動過程中，一般都存在彈簧片接觸抖動而使電壓或電流波形產生“毛刺”，這些“毛刺”持續(xù)時間大約幾十毫秒，人眼不易察覺。但是這種現(xiàn)象在數(shù)字系統(tǒng)中會造成電路誤動作，是絕對不允許的。為了克服這種現(xiàn)象，

19、可在電源和輸出端之間接入一個基本 rs 觸發(fā)器，構成防抖動開關電路，如圖 3-11 所示。假設開關的初始位置在 5 端，則 3 端輸出為 0；在開關由 5 端扳到 1 端過程中，基本 rs 觸發(fā)器保持，3 端仍為 0；當開關扳到 1 端時，1 端的電位由于抖動而產生“毛刺”。但此時由于5 端已經為高電平，1 端一旦出現(xiàn)低電平，3 端就會翻轉為 1.即使 1 點出現(xiàn)高電平也不會改變觸發(fā)器的狀態(tài)，所以 3 端的波形不會出現(xiàn)“毛刺”。因此也實現(xiàn)了無抖動校正電路。 圖 3-11 校正電路圖3.6 整點報時電路一般時鐘都應具備整點報時電路功能，即在時間出現(xiàn)整點前數(shù)秒內，數(shù)字鐘會自動報時，以示提醒。其作用

20、方式是發(fā)出連續(xù)的或有節(jié)奏的音頻聲波，較復雜的也可以是實時語音提示。根據(jù)要求，電路應在整點前 10 秒鐘內開始整點報時，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。報時電路選 74hc30，選蜂鳴器為電聲器件。74hc30 引腳圖如圖 3-12。蜂鳴器接通電源就會發(fā)出連續(xù)的響聲，再把74hc30 的 3 端與秒脈沖信號相連，就形成了間隙的蜂鳴聲。整點報時電路如圖 3-13。 圖 3-12 74hc30 引腳圖如圖 圖 3-13 整點報時電路圖3.7 系統(tǒng)電路原理圖利用兩個六十進制和一個十二進制連接成一個時、分、秒都會進位的電路總圖，如圖 3-14。圖 3-14

21、 系統(tǒng)電路原理圖3.8 系統(tǒng)電路工作原理1.脈沖進位開關同時打到自動位置：由 555 多諧振蕩器電路得到 1hz 的秒脈沖，輸入到秒個位 74ls390 芯片的 cp0端，通過相應地譯碼器 cd4511 顯示計數(shù)。當秒計數(shù)器達到“60”時，通過與門74ls08 自動清零重新計數(shù)并向分計數(shù)器個位 74ls290 的 cp0端進位。分計數(shù)器達到“60”時，通過與門 74ls08 自動清零并向時計數(shù)器個位 74ls290 的 cp0端進位，時計數(shù)器通過相應地譯碼器顯示數(shù)字。當時計數(shù)器計到“12”時，清零端自動清零。完成 12 小時的計時。在計時的過程中，當分計到“59”分時，而等到秒計數(shù)到“50”秒

22、時，然后通過 74hc30 相“與”后 1s 標準秒信號去控制喇叭鳴叫，到 10 秒時，鳴叫結束，完成整點報時。2.開關分進位開關打到手動位置時：按一次按鈕開關，電路產生一個單次脈沖，對分進行校正。同理，當開關時進位開關打到手動位置時，是進行的時校正。第 4 章 數(shù)字電子鐘的仿真與調試4.1 proteus 介紹proteus 軟件引入到數(shù)字電子技術設計型教學中，為我們學生提供了一個大膽思維、充分發(fā)揮創(chuàng)造性的實驗環(huán)境。proteus 軟件的設計試驗區(qū)好像一塊“面包板”，在上面可以建立各種電路進行仿真實驗。與其他電路仿真軟件相比，具有界面直觀、操作方便等優(yōu)點。它改變了一般電路仿真軟件輸入電路必須

23、采用文本方式的不便，創(chuàng)建電路的元器件和測試儀器等均可直接從屏幕上器件庫和儀器庫中直接選取。該軟件的特點：1.仿真的手段和實際相符，儀器和元器件的選用和實際情形非常相似。可以通過對電路的仿真，既掌握電路的性能，又熟悉儀器的正確的使用方法。2.有齊全豐富和可擴充的元器件庫。提供了數(shù)千種元器件供選用，不僅提供了元器件的理想值，而且有的元器件還提供了實際廠家的元器件模型。3.具有完整的混合模擬與數(shù)字信號模擬的功能?？扇我獾卦谙到y(tǒng)中集成數(shù)字及模擬元器件，會自動地進行信號轉換。測試具有即時的顯示功能。4.2 proteus 對本實驗的仿真proteus 對于本設計的仿真步驟如下：1.打開 proteus

24、軟件。2.單擊 component（元件）按鈕,然后單擊 p，彈出元件選擇對話框(pick devices)3.為了快速查找元件，直接在搜索框中輸入要查找的元件名稱，可以不用輸入全稱，只需輸入開頭幾個字母就可以篩選出所需的元件。4.在 pick devices 對話框內輸入 74ls 再在里面查找選擇 74ls390，再點擊ok， 74ls290 元件就放在 pick devices 內，要用元件時直接點擊 pick devices 內的74ls290，再在 proteus 界面上點擊就會出現(xiàn)該元器件。5.同上面的操作再選出設計所需的所有元器件。6.根據(jù)原理圖放置元器件，調整元器件位置再連線并

25、完成仿真原理圖。4.3 數(shù)字鐘調試調試步驟如下：1.點擊開始打開電源。2.將脈沖進位開關打到自動進位端。3.檢查振蕩電路是否產生秒脈沖。4.檢查數(shù)碼管是否正常顯示時、分、秒；并與其他正常時間相比較是否正常；再檢查時、分、秒進制是否正常。5.將脈沖進位開關打到手動端，檢查校正電路是否正常校時。6.將時間調到 59 分 50 秒，檢查報時電路是否產生蜂鳴，并在 10 后停止蜂鳴。4.4 仿真電路圖仿真電路圖如圖 4-1 所示。如圖 4-1 仿真電路圖總 結本次設計使用的是 555 振蕩電路提供時鐘時間基準信號。與晶振電路相比使用芯片少，結構簡單明了。數(shù)字鐘實際上是一個對標準頻率（1hz）進行計數(shù)的

26、計數(shù)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)設計要求，時個位和時十位計數(shù)器為 12 進制計數(shù)器。時間以 12 個小時為周期，顯示時、分、秒，有校時功能，可以分別對時及分進行單獨校時，使其校正到標準時間；計時過程具有報時功能，當時間到達整點前 10秒進行蜂鳴報時； 為了保證校正信號的穩(wěn)定及準確采用 rs 觸發(fā)消振校正電路提供校正基準信號。通過這次畢業(yè)設計使我懂得了理論與實際相結合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來，從理論中得出結論，

27、才能真正為社會服務，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。畢業(yè)設計是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識,發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學生實際工作能力的具體訓練和考察過程.回顧此次畢業(yè)設計，感慨頗多，的確，從選題到定稿，從理論到實踐，在短短的兩個星期的日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學到很多很多的的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識。在摸索該如何設計程序使之實現(xiàn)所需功能的過程中,特別有意義,培養(yǎng)了我的設計思維,增加了實際操作能力.在讓我體會到了設計的艱辛的同時,更讓我體會到成功的喜悅和快樂。 生活就是這樣，汗水預示著結果也見證著收獲。勞動是人類生存生活永恒不變的話題。通過此次設計，我才真正領略到“艱苦奮斗”這一詞的真正含義，我才意識到老一輩電子設計為我們的社會付出。我想說，設計確實有些辛苦，但苦中也有樂，在如今單一的理論學習中，很少有機會能有實踐的機會，但我們可以，確實很累，但當看到自己所做的成果時，心中也不免產生興奮，這也是一份成就一份收獲！致 謝光陰似箭，轉眼大學三年學習生涯即將結束。兩個月的設計指導學習，我得到了指導老師羅凌老師的真誠教誨和同學們的熱情幫助。值此離別之際，向曾經給予我?guī)椭睦蠋?、學員和朋友表示最衷心的感謝!首先我要感