電子線路課程設(shè)計(jì)—電子數(shù)字時鐘

1、電子線路課程設(shè)計(jì) 數(shù) 字 時 鐘 設(shè)計(jì)題目： 數(shù) 字 時 鐘 班 級： 12級電信3班 姓 名： 呂小紅（080212097） 何 樂（080212098） 張汪池（080212106） 指導(dǎo)教師： 王鵬 設(shè)計(jì)時間： 2014年11月11日 摘要隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展, 人們對時間計(jì)量的精度要求越來越高。數(shù)字電子鐘具有走時準(zhǔn)確，一鐘多用等特點(diǎn)，在生活中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。并且現(xiàn)在市場上已有現(xiàn)成的電子鐘集成電路芯片出售，價格便宜、使用也方便，也給人們的生活帶來了方便。時間對人們來說總是那么寶貴。電子鐘已成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚谋匦杵罚瑥V泛用于個人家庭以及車站、碼頭、劇院、辦公室等公共場所，給

2、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NE555震蕩技術(shù)，使電子鐘具有走時準(zhǔn)確、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，它還用于計(jì)時、自動報時及自動控制等各個領(lǐng)域。關(guān)鍵詞：震蕩器 NE555；計(jì)數(shù)器 74LS160；譯碼器 CD4511；7段共陰數(shù)碼管 5161AS；目錄1. 概述12. 課程設(shè)計(jì)任務(wù)及要求12.1 設(shè)計(jì)任務(wù)12.2 設(shè)計(jì)要求13. 理論設(shè)計(jì)23.1方案論證23.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖說明33.3 單元電路設(shè)計(jì)33.3.1振蕩器33.3.1分頻器43.3.3計(jì)數(shù)器43.3.4顯示53.3.3時間校正電路63.4系統(tǒng)工作原理圖74. 安裝調(diào)試85結(jié)論96參考文獻(xiàn)9附錄一

3、：protues仿真圖10附錄二：元件清單11一、 概述隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展, 人們對時間計(jì)量的精度要求越來越高。數(shù)字式電子鐘用集成電路計(jì)時時, 譯碼代替機(jī)械式傳動, 用7段共陰數(shù)碼管代替指針顯示進(jìn)而顯示時間, 減小了計(jì)時誤差.這種表具有時、分、秒、顯示時間的功能, 還可以進(jìn)行時、分的校對。片選的靈活性好。二、 課程設(shè)計(jì)任務(wù)及要求2.1任務(wù)設(shè)計(jì)一個數(shù)字電子鐘。2.2要求數(shù)字鐘設(shè)計(jì) 要求：1、按24小時直接顯示“時”、“分”、“秒”；2、當(dāng)電路發(fā)生走時誤差時具有校時功能3、用中、小規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)擴(kuò)展：1、可以進(jìn)行整點(diǎn)報時2、其他三、理論設(shè)計(jì)3.1方案論證 方案一：首先構(gòu)成一個NE555定時器

4、和分頻器產(chǎn)生震蕩周期為一秒的標(biāo)準(zhǔn)“秒”脈沖信號，由74LS160采用清零法分別組成六十進(jìn)制的“秒”計(jì)數(shù)器、六十進(jìn)制“分”計(jì)數(shù)器、24進(jìn)制“時”計(jì)數(shù)器。清零法適用于有異步置零輸入端的集成計(jì)數(shù)器。原理是不管輸出處于哪種狀態(tài)，只要在清零輸入端加一個有效電平電壓，輸出會立即從那個狀態(tài)回到“000000”狀態(tài)。清零信號消失后，計(jì)數(shù)器又可以從“000000”狀態(tài)開始重新計(jì)數(shù)。使用NE555定時器的輸出作為“秒”計(jì)數(shù)器的CP脈沖，把秒計(jì)數(shù)器的進(jìn)位輸出作為“分”計(jì)數(shù)器地CP脈沖，分計(jì)數(shù)器的進(jìn)位輸出作為“時”計(jì)數(shù)器的CP脈沖。使用CD4511為驅(qū)動器，共陰極七段數(shù)碼管作為顯示器。方案二：首先構(gòu)成一個NE555定

5、時器和分頻器產(chǎn)生震蕩周期為一秒的標(biāo)準(zhǔn)“秒”脈沖信號，由74LS160采用置數(shù)法分別組成六十進(jìn)制的“秒”計(jì)數(shù)器、六十進(jìn)制“分”計(jì)數(shù)器，24進(jìn)制“時”計(jì)數(shù)器。置數(shù)法適用于具有預(yù)置數(shù)功能的集成計(jì)數(shù)器。對于就有預(yù)置數(shù)功能的計(jì)數(shù)器而言，在其計(jì)數(shù)過程中可以將它輸出的任意一個狀態(tài)通過譯碼，產(chǎn)生一個預(yù)置數(shù)控制信號反饋至預(yù)置數(shù)控制端，在下一個CP脈沖作用后，計(jì)數(shù)器會把預(yù)置數(shù)輸入端A、B、C、D的狀態(tài)置入輸出端。預(yù)置數(shù)控制信號消失后，計(jì)數(shù)器就從被置入的狀態(tài)開始重新計(jì)數(shù)。使用NE555定時器的輸出作為“秒”計(jì)數(shù)器的CP脈沖，把“秒”計(jì)數(shù)器的進(jìn)位輸出作為“分”計(jì)數(shù)器的CP脈沖，“分”計(jì)數(shù)器的進(jìn)位輸出作為“時”計(jì)數(shù)器的

6、CP脈沖。使用74LS160為驅(qū)動器，共陰極七段數(shù)碼管作為顯示器。方案一和方案二的設(shè)計(jì)都很正確，但是方案二在60進(jìn)制計(jì)數(shù)器上采用的是置數(shù)法，比方案一效果要好。因?yàn)榍辶惴ㄔ谟?jì)數(shù)進(jìn)位上不穩(wěn)定，需要加一個觸發(fā)器，效果才比較好，但是本著設(shè)計(jì)簡潔，效果穩(wěn)定的前提下采用方案二。3.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖數(shù)字鐘實(shí)際上是一個對標(biāo)準(zhǔn)頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)電路，標(biāo)準(zhǔn)的1HZ時間信號必須做到準(zhǔn)確穩(wěn)定。本數(shù)字鐘電路主要由震蕩器、分頻器、時分秒計(jì)數(shù)器、譯碼顯示器構(gòu)成。它們的工作原理是：由震蕩器產(chǎn)生的高頻脈沖信號作為數(shù)字鐘的時間基準(zhǔn)，送入秒計(jì)數(shù)器，秒計(jì)數(shù)器采用60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，每累計(jì)60秒發(fā)出一個“分脈沖”信號，該信號作為分計(jì)數(shù)器的脈

7、沖信號，分計(jì)數(shù)器也采用60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，每累計(jì)60分鐘發(fā)出一個“時脈沖”信號，該信號將被送到時計(jì)數(shù)器，時計(jì)數(shù)器采用12進(jìn)制計(jì)數(shù)器。譯碼顯示電路將時、分、秒計(jì)數(shù)器的輸出狀態(tài)送到七段譯碼顯示器，通過六位LED七段顯示器顯示出來。構(gòu)成方框圖（圖1）如下：小時數(shù)碼管顯示小時數(shù)碼管顯示小時數(shù)碼管顯示24進(jìn)制時計(jì)數(shù)器60進(jìn)制分計(jì)數(shù)器60進(jìn)制秒計(jì)數(shù)器分頻器控制開關(guān)NE555振蕩器圖1 結(jié)構(gòu)框圖3.3 單元電路設(shè)計(jì)3.3.1震蕩器震蕩器電路是數(shù)字鐘的核心，主要用來產(chǎn)生時間標(biāo)準(zhǔn)信號。數(shù)字鐘的精度主要取決于時間標(biāo)準(zhǔn)信號的頻率及穩(wěn)定度。一般來說，震蕩器的頻率越高，計(jì)時精度越高。這里采用由NE555定時器構(gòu)成的100H

8、z多諧震蕩器作為時間標(biāo)準(zhǔn)信號源。如圖2所示：圖2 555振蕩電路3.3.2 分頻器由于振蕩器產(chǎn)生的頻率很高，要得到秒脈沖，需要分頻電路。本實(shí)驗(yàn)由集成電路定時器NE555與RC組成的多諧振蕩器，產(chǎn)生100Hz的脈沖信號。故采用2片集成電路計(jì)數(shù)器74LS160來實(shí)現(xiàn)，得到需要的秒脈沖信號。如圖3所示：  圖3 分頻器電路3.3.3時、分、秒計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)分和秒計(jì)數(shù)器都是60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其記數(shù)規(guī)律為0001585900可選用74LS160作為計(jì)數(shù)器級聯(lián)組成，并加入與非門構(gòu)成60進(jìn)制。其電路圖如圖4所示：圖4 60進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路由圖可知CR接高電平，秒信號脈沖從CP端輸入進(jìn)行十進(jìn)制記數(shù)，滿十通

9、過CO輸出進(jìn)位信號，此信號用于控制秒十位計(jì)數(shù)器的記數(shù)。秒十位計(jì)數(shù)器為六進(jìn)制計(jì)數(shù)器。Q1、Q2的輸出端通過與非門輸出構(gòu)成清零復(fù)位信號給CR清零端，從而構(gòu)成六進(jìn)制計(jì)數(shù)器。同時這個信號還要作為秒計(jì)數(shù)器的進(jìn)位脈沖送到分計(jì)數(shù)器。秒十位計(jì)數(shù)器的CP脈沖的輸入要通過一個與非門受到秒個位計(jì)數(shù)器的進(jìn)位信號CO的控制。只有當(dāng)CO=1之后再次變?yōu)?時，秒計(jì)數(shù)脈沖才可能通過與非門進(jìn)入秒十位計(jì)數(shù)器的CP中。分計(jì)數(shù)器的組成電路與秒計(jì)數(shù)器的組成電路完全相同。不過進(jìn)入CP的脈沖信號為由秒十位進(jìn)位信號與非后輸入的信號。時計(jì)數(shù)器也是由兩個74LS160串聯(lián)組合而成。其電路圖如圖5所示：圖524 進(jìn)制計(jì)數(shù)電路本電路采用時24進(jìn)制顯

10、示方式。時個位計(jì)數(shù)器開始作為十位計(jì)數(shù)器產(chǎn)生09的計(jì)時個位，當(dāng)下一時間10點(diǎn)到時向上輸出進(jìn)位信號CO=1后再次變?yōu)?時，十位計(jì)數(shù)器加1，等計(jì)時到23點(diǎn)后再來時計(jì)數(shù)脈沖（即分記述滿60）時計(jì)數(shù)器要清零復(fù)位。所以十位計(jì)數(shù)器的Q1和時個位計(jì)數(shù)器的Q2通過與非門產(chǎn)生清零復(fù)位信號，使時計(jì)數(shù)器具備0023循環(huán)計(jì)數(shù)的功能。然后將六個計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果通過計(jì)數(shù)器的Q0、Q1、Q2、Q3輸出端送到七段顯示譯碼芯片CD4511驅(qū)動電路中。3.3.4 譯碼顯示電路譯碼是將時、分、秒計(jì)數(shù)器輸出的四位二進(jìn)制BCD碼翻譯為相應(yīng)的十進(jìn)制數(shù), 并通過7段數(shù)碼管顯示。我們選用的7段譯碼驅(qū)動器(CD4511) 和7段數(shù)碼管是共陰接法

11、。它們分別對時、分、秒計(jì)數(shù)器的輸出進(jìn)行譯碼，通過7個限流電阻（本圖中未畫出來，實(shí)際為390貼片電阻）與7段數(shù)碼管連接。調(diào)節(jié)限流電阻的值可以改變7段數(shù)碼管。如圖6所示：圖6 數(shù)碼管顯示電路3.3.5 時間校正電路其電路圖如圖7所示： 圖7時、分、秒校時電路當(dāng)開關(guān)S1接地時，相當(dāng)于輸入0，與非門被關(guān)閉，秒脈沖信號無法輸入，數(shù)字電子鐘正常工作。當(dāng)開關(guān)S1接+5V時相當(dāng)于輸入1，與非門被打開,秒脈沖信號直接輸入到時/分計(jì)數(shù)器中。時/分計(jì)數(shù)器按秒進(jìn)行計(jì)數(shù)；當(dāng)時/分計(jì)數(shù)器調(diào)整到正確的時間時，馬上將開關(guān)S1切換到接地，數(shù)字電子鐘進(jìn)入正常工作狀態(tài)。從而時計(jì)數(shù)器的調(diào)整。3.4 系統(tǒng)工作原理圖由數(shù)字鐘系統(tǒng)組成框圖

12、按照信號的流向分級安裝，逐級級聯(lián)。這里的每一級是指組成數(shù)字鐘的各功能電路。畫出滿足設(shè)計(jì)要求的總體邏輯電路圖，如圖8所示 ： 圖8 設(shè)計(jì)總電路圖從輸出引腳輸出f=1Hz的秒方波信號，它既是秒計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖，同時又作為時、分校正電路的校正信號秒脈沖信號經(jīng)與門送入秒計(jì)數(shù)器的個位進(jìn)行計(jì)數(shù)，秒計(jì)數(shù)器個位從0開始計(jì)數(shù)，到9后CO輸出進(jìn)位信號，秒十位計(jì)數(shù)器加1，如此循環(huán)下去，當(dāng)秒十位計(jì)數(shù)到6時（即Q1=Q2=1），向分計(jì)數(shù)器送出進(jìn)位信號，從而完成秒六十進(jìn)制計(jì)數(shù)；分六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器工作原理與秒計(jì)數(shù)器完全相同；時計(jì)數(shù)器的個位在分計(jì)數(shù)器輸入的進(jìn)位信號作用下進(jìn)行09的計(jì)數(shù)，到9后再接受到分進(jìn)位信號，時個位的CO輸出

13、1，通過與門輸出計(jì)數(shù)脈沖使時十位的計(jì)數(shù)器加1，當(dāng)時十位和時個位顯示11點(diǎn)時，再有分進(jìn)位信號脈沖輸入，則時十位的Q1=1、時個位的Q2=1，經(jīng)與非門輸出為0，使時十位和個位清零復(fù)位，顯示為00點(diǎn)。各計(jì)數(shù)器的輸出端輸出的BCD碼，分別送入相應(yīng)的CD4511譯碼驅(qū)動集成電路，輸出到7段共陰極數(shù)碼管進(jìn)行時間的顯示。四、安裝調(diào)試焊接電路之后，進(jìn)行測試。逐步焊接，逐步測試。檢查均無連線錯誤并且顯示正常后，將電路連為一個整體，接上+5V電源。觀察時鐘是否顯示正常；若不正常則檢查電路各個部分，直到得到滿意的結(jié)果。我們共經(jīng)過兩周的調(diào)試，圓滿完成了這次課程設(shè)計(jì)。調(diào)試的結(jié)果是：當(dāng)開關(guān)斷開時，分計(jì)數(shù)電路，小時計(jì)數(shù)電路

14、正常計(jì)數(shù)，當(dāng)開關(guān)閉合時，校時電路進(jìn)行校時。只是有時松開按鍵時，較時數(shù)會有點(diǎn)誤變化，經(jīng)過仔細(xì)分析，確定是由于在松按鍵時產(chǎn)生了抖動，如果接上R-S觸發(fā)器就能夠消抖。五、結(jié)論 我們學(xué)習(xí)了數(shù)字電子電路，對電子技術(shù)有了一些初步了解，但那都是一些理論的東西。通過這次數(shù)字電子鐘的課程設(shè)計(jì)，我們才把學(xué)到的知識與實(shí)踐相結(jié)合。從而對我們學(xué)的知識有了更進(jìn)一步的理解，使我們進(jìn)一步加深了對所學(xué)知識的記憶。在此次的數(shù)字鐘設(shè)計(jì)過程中，我更進(jìn)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。也鍛煉了自己獨(dú)立思考問題的能力和通過查看相關(guān)資料來解決問題的習(xí)慣。同時對普通計(jì)數(shù)器如何構(gòu)成n進(jìn)制計(jì)數(shù)器有了更深

15、的了解和掌握，對自我的實(shí)際操作能力也有了很高的提升。當(dāng)然，在整個課程設(shè)計(jì)中，我們也遇到了許多的難題。過程是艱辛的，但結(jié)果是令人興奮的，看著自己設(shè)計(jì)的東西一分一秒的走著，心理覺得非常有成就感，這兩個星期的努力并沒有付諸東流。雖然實(shí)驗(yàn)已經(jīng)告一段落，但是我們學(xué)習(xí)的道路還很長。此次實(shí)驗(yàn)讓我明白不論是在做實(shí)驗(yàn)還是在今后的學(xué)習(xí)中，都應(yīng)該有一種堅(jiān)定不移不達(dá)目的不罷休的信念，只有這樣才能達(dá)到自己的最終目標(biāo)。同時通過課程設(shè)計(jì)，我們更加明白了一個真理，“實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”。課程設(shè)計(jì)達(dá)到了專業(yè)學(xué)習(xí)的預(yù)期目的。在這次設(shè)計(jì)過程中，我們也對word、protel、等軟件有了更進(jìn)一步的了解，這使我在以后的工作中更加得心應(yīng)手。課程設(shè)計(jì)之后，我們普遍感到不僅實(shí)際動手能力有所提高，更重要的是通過對設(shè)計(jì)過程的了解，進(jìn)一步激發(fā)了我們對專業(yè)知識的興趣，并能結(jié)合實(shí)際存在的問題在專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行更深入的學(xué)習(xí)。六、參考文獻(xiàn)1閻石.數(shù)字電子技術(shù) M.第五版.北京:高教出版社,2006年. 2黃志偉.全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽訓(xùn)練教程M. 北京:電子工業(yè)出版社,2008年. 3胡玉建.Protel 99SE 原理圖與PCB及仿真M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006年. 4李景華.可編程邏輯器件及E