數(shù)字電子鐘邏輯電路設(shè)計

1、 數(shù)字電路課程設(shè)計報告設(shè)計課題：數(shù)字電子鐘邏輯電路設(shè)計 班 級：電子科學(xué)與技術(shù) 姓 名：AAA 同 組：BBB 學(xué) 號：111400XXX 指導(dǎo)老師：CCC設(shè)計時間：2016年12月26日28日 學(xué) 院：物理與信息工程學(xué)院摘要：數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術(shù)實現(xiàn)時、分、秒計時的裝置，與機械式時鐘相比具有更高的準(zhǔn)確性和直觀性，且無機械裝置，具有更更長的使用壽命，因此得到了廣泛的使用。諸如按時自動打鈴，時間程序自動控制，定時啟閉路燈，定時開關(guān)烘箱，通斷動力設(shè)備，甚至各種定時電氣的的自動啟用等。這些都是以數(shù)字時鐘作為時鐘源的。 數(shù)字鐘從原理上講是一種典型的數(shù)字電路，其中包括了組合邏輯電路和時序

2、電路。目前，數(shù)字鐘的功能越來越強，并且有多種專門的大規(guī)模集成電路可供選擇。 經(jīng)過了數(shù)字電路設(shè)計這門課程的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，特別經(jīng)過了關(guān)于組合邏輯電路與時序邏輯電路部分的學(xué)習(xí)，我們已經(jīng)具備了設(shè)計小規(guī)模集成電路的能力，借由本次設(shè)計的機會，充分將所學(xué)的知識運用到實際中去。數(shù)字電子鐘是一種用數(shù)字顯示秒、分、時、日的計時裝置，與傳統(tǒng)的機械鐘相比，它具有走時準(zhǔn)確、顯示直觀、無機械傳動裝置等優(yōu)點，因而得到了廣泛的應(yīng)用：小到人們?nèi)粘Ｉ钪械碾娮邮直恚蟮杰囌?、碼頭、機場等公共場所的大型數(shù)顯電子鐘。數(shù)字電子鐘的電路組成方框圖如圖3.3.1所示。 圖3.3.1 數(shù)字電子鐘框圖由圖3.3.1可見，數(shù)字電子鐘由以下幾部分組成

3、：石英晶體振蕩器和分頻器組成的秒脈沖發(fā)生器；校時電路；六十進制秒、分計數(shù)器及24 進制(或12 進制)計時計數(shù)器；以及秒、分、時的譯碼顯示部分等。目錄一、前言：11.設(shè)計目的：12.指標(biāo)要求：13.設(shè)計說明與思路提示：14.設(shè)計內(nèi)容：3二、總體方案設(shè)計：41.方案比較：42. 方案論證:53.方案選擇:5三、 單元模塊設(shè)計：61. 各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計：62. 電路參數(shù)的計算及元器件的選擇：103.特殊器件的介紹：104.各單元模塊的聯(lián)接：13四、系統(tǒng)調(diào)試：14五、設(shè)計總結(jié)：151. 設(shè)計的小結(jié)：152.設(shè)計收獲體會：163. 對設(shè)計的進一步完善提出意見或建議：17參考文獻：17附：1

4、73一、前言：1.設(shè)計目的：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。2.指標(biāo)要求：1由晶振電路產(chǎn)生1Hz 標(biāo)準(zhǔn)秒信號。2秒、分為0059六十進制計數(shù)器。3時為0023二十四進制計數(shù)器。4周顯示從1日為七進制計數(shù)器。5可手動校正：能分別進行秒、分、時、日的校正。只要將開關(guān)置于手動位置，可分別對秒，分、時、日進行手動脈沖輸入調(diào)整或連續(xù)脈沖輸入的校正。6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)。3.設(shè)計說明與思路提示：根據(jù)設(shè)計任務(wù)和要求，對照數(shù)字電子鐘的框圖，可以分以下幾部分進行模塊化設(shè)計。1秒脈沖發(fā)生器秒脈沖發(fā)生器是數(shù)

5、字鐘的核心部分，它的精度和穩(wěn)定度決定了數(shù)字鐘的質(zhì)量，通常用晶體振蕩器發(fā)出的脈沖經(jīng)過整形、分頻獲得1Hz 的秒脈沖。如晶振為32768Hz，通過15 次二分頻后可獲得1Hz的脈沖輸出，電路圖如圖3.3.2 所示。2計數(shù)譯碼顯示秒、分、時、日分別為60、60、24 和7 進制狀態(tài)表計數(shù)器。秒、分均為六十進制，即顯示0059，它們的個位為十進制，十位為六進制。時為二十四進計數(shù)器，顯示為0023，個位仍為十進制，而十位為三進制，但當(dāng)十進位計到2，而個位計到4 時清零，就為二十四進制了。 圖3.3.2 秒脈沖發(fā)生器 周為七進制數(shù)，按人們一般的概念一周的顯示為星期“日、1、2、3、4、5、6”，所以我們設(shè)

6、計這七進制計數(shù)器，應(yīng)根據(jù)譯碼顯示器的狀態(tài)表來進行，如表3.3.1 所示。 表3.3.1 狀態(tài)表Q4Q3Q2Q1顯示1000日000110010200113010040101501106按表3.3.1狀態(tài)表不難設(shè)計出“日”計數(shù)器的電路(日用數(shù)字8 代)。所有計數(shù)器的譯碼顯示均采用BCD七段譯碼器，顯示器采用共陰或共陽的顯示器。3校正電路在剛剛開機接通電源時，由于日、秒、分、時為任意值，所以，需進行調(diào)整。置開關(guān)在手動位置，分別對時、分、秒、日進行單獨計數(shù)，計數(shù)脈沖由單次脈沖或連續(xù)脈沖輸入。4整點報時電路當(dāng)時計數(shù)器在每次計到整點前六秒時，需要報時，這可用譯碼電路來解決。即當(dāng)分為59時，則秒在計數(shù)計到

7、54時，輸出一延時高電平，直至秒計數(shù)器計到58時，結(jié)束這高電平脈沖去打開低音與門，使報時聲按500Hz 頻率鳴叫5聲，而秒計到59時，則去驅(qū)動高音lKHz 頻率輸出而鳴叫1聲。4.設(shè)計內(nèi)容：（1）進行方案論證；（2）設(shè)計電路；（3）焊接，組裝、調(diào)試硬件，測試結(jié)果；（5）撰寫實驗報告，要求有電路圖、原理說明、電路所需元件清單、電路參數(shù)計算、元件選擇、測試結(jié)果分析等。二、總體方案設(shè)計： 1.方案比較：1、方案一 如圖，可知此方案的電路的校時開關(guān)中，電路存在開關(guān)抖動問題，使電路出現(xiàn)問題。 方案二如圖 ，此方案加采用基本RS 觸發(fā)器構(gòu)成開關(guān)消除抖動電路。 2. 方案論證:雖然方案二具有更好的性能，能消

8、除抖動，由于時間和元器件的限制，方案一簡單可行。3.方案選擇:選擇方案一。3、 單元模塊設(shè)計：1. 各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計：1.1 秒脈沖發(fā)生器要想構(gòu)成數(shù)字鐘，首先應(yīng)選擇一個脈沖源能自動地產(chǎn)生穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)時間脈沖信號。而脈沖源產(chǎn)生的脈沖信號的頻率較高，因此，需要進行分頻，使高頻脈沖信號變成適合于計時的低頻脈沖信號，即“秒脈沖信號”（頻率為1HZ）。經(jīng)過分頻器輸出的秒脈沖信號到計數(shù)器中進行計數(shù)。將標(biāo)準(zhǔn)秒信號送入“秒計數(shù)器”，“秒計數(shù)器”采用60進制計數(shù)器，每累計60秒發(fā)一個“分脈沖”信號，該信號將作為“分計數(shù)器”的時鐘脈沖?！胺钟嫈?shù)器”也采用60進制計數(shù)器，每累計60分鐘，發(fā)出一個“時脈沖”

9、信號，該信號將被送到“時計數(shù)器”?！皶r計數(shù)器”采用24進制計時器，可實現(xiàn)對一天24小時的累計。此時需要分別設(shè)計60進制，24進制計數(shù)器，各計數(shù)器輸出信號經(jīng)譯碼器到數(shù)字顯示器，使“時”、“分”、“秒”得以數(shù)字顯示出來。 值得注意的是：任何計時裝置都有誤差，因此應(yīng)考慮校準(zhǔn)時間電路。校時電路一般采用手動調(diào)整。 手動調(diào)整可利用手動的節(jié)拍調(diào)準(zhǔn)顯示時間。 CD4060由一振蕩器和14級二進制串行計數(shù)器位組成，振蕩器的結(jié)構(gòu)可以是RC或晶振電路，CR為高電平時，計數(shù)器清零且振蕩器使用無效。所有的計數(shù)器位均為主從觸發(fā)器。在CP1(和CP0)的下降沿計數(shù)器以二進制進行計數(shù)。在時鐘脈沖線上使用斯密特觸發(fā)器對時鐘上升

10、和下降時間無限制。 原理圖：脈沖發(fā)生器是數(shù)字鐘的核心部分，它的精度和穩(wěn)定度決定了數(shù)字鐘的質(zhì)量，通常用晶體振蕩器發(fā)出的脈沖經(jīng)過整形、分頻獲得1Hz的秒脈沖。如晶振為32768 Hz，通過15次二分頻后可獲得1Hz的脈沖輸出。1.2秒、分為0059六十進制計數(shù)器如圖所示，0059中9可將A0與A2接出后與非，然后接到Rd上，就能實現(xiàn)9之后清零。又由于清零時產(chǎn)生幾納秒的脈沖，所以可以利用這個脈沖接到下一端的CLK，使之進位。0059中5可將A1與A2接出后與非，然后接到Rd上，就能實現(xiàn)5之后清零。同理運用清零脈沖實現(xiàn)進位。由于分與秒原理一樣在此不再贅述。1.3 星期、日為七進制計數(shù)器和24進制計數(shù)周

11、為七進制數(shù)，按人們一般的概念一周的顯示為星期“日、1、2、3、4、5、6”，所以我們設(shè)計這七進制計數(shù)器，應(yīng)根據(jù)譯碼顯示器的狀態(tài)表來進行，如圖所示。Q4Q3Q2Q1顯示1000日000110010200113010040101501106按表3.3.1狀態(tài)表不難設(shè)計出“日”計數(shù)器的電路(日用數(shù)字8 代)。所有計數(shù)器的譯碼顯示均采用BCD七段譯碼器，顯示器采用共陰或共陽的顯示器。原理圖：日為24進制計數(shù)器，因為大于了本身的十六進制，所以使用兩片74ls161，搭建的方法有置數(shù)和清零兩種，方式都一樣；當(dāng)?shù)谝黄嫈?shù)到十的時候再等來一個時鐘信號進位端會變?yōu)楦唠娖剑硕丝诮拥降诙臅r鐘信號端和本身的置數(shù)

12、端或清零端，本身的置數(shù)端全部接地，然后第二片計一個數(shù)，第一片回到0繼續(xù)計數(shù)，直到第二片計數(shù)到2同時第一片計數(shù)到4的時候，通過在第一片外加的邏輯電路，每計數(shù)到4會譯出一個信號與上第二片的外加邏輯電路每到2譯出的信號，此信號就是計數(shù)到24的進位信號，將此信號再接回兩片的清零或置數(shù)端即可。1.4 校正電路同上圖，將分與秒的CLK接出，再給一個開關(guān)到連續(xù)脈沖或單次脈沖就能實現(xiàn)矯正電路的效果。1.5 整點報時電路如圖所示，因為需要在59分5459秒報時，先取分鐘的59與秒的50。即將分50的C和A位，分9的D和A位，再取秒50的C和A位進行與操作。這里考慮到需要的與非與非太多，所以實際電路中我們運用了線

13、與操作，即利用二極管與上拉電阻實現(xiàn)6與門的電路。5458秒需要500Hz低音并且需要鳴叫5次，將所需的邏輯寫成真值表，并且進行卡洛圖化簡得到CD+DCBA，由于CB與秒9的DCBA相同，所以可以不接出來，其中圖上利用與非-與非的與非等于相或，從而實現(xiàn)無或門的操作。500Hz與1Hz相與而實現(xiàn)每半秒輸出500Hz的波形。最后與5458秒相與，從而實現(xiàn)5458秒中每半秒輸出500Hz的波形。59秒即將D與A位相與再與1KHz相與即可實現(xiàn)。最后將3個電路相與就能實現(xiàn)所需電路了。詳細(xì)與細(xì)節(jié)請自行分析，提示：可將500Hz與1KHz在圖紙中畫出，即畫出時序圖，再將它們進行與非操作。由于芯片輸出的電流太小

14、，所以需要三極管放大，現(xiàn)利用S8550PNP三級管，當(dāng)輸出為0時，蜂鳴器通過5V電壓與較大的電流，從而實現(xiàn)報時。如果輸出1為真可以加一個非門讓電路輸出0為真，從而驅(qū)動蜂鳴器。2. 電路參數(shù)的計算及元器件的選擇：1CD4511、74HC00H、74HC04H、74HC161 及數(shù)碼管2晶振：32768Hz3電容：100uF16V、22pF、322pF 之間4電阻：200、10k、22M5電位器：2.2k或4.7k6三極管：85507喇叭：14W，83.特殊器件的介紹：CD4511:A0A3：二進制數(shù)據(jù)輸入端BI：輸出消隱控制端LE：數(shù)據(jù)鎖定控制端LT：燈測試端YaYg：數(shù)據(jù)輸出端VDD：電源正V

15、SS：接地數(shù)碼管:74HC161:時鐘CLK和四個數(shù)據(jù)輸入端ABCD清零CLR使能ENP，ENT置數(shù)LOAD數(shù)據(jù)輸出端QAQD以及進位輸出RCO (RCO=QA·QB·QC·QD·ENT)74HC00H:74HC00是一款高速CMOS器件，74HC00引腳兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列。74HC00遵循JEDEC標(biāo)準(zhǔn)no.7A。74HC00實現(xiàn)了2輸入與非門功能。74HC04H:74HC04是一款高速CMOS器件，74HC04引腳兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列。74HC04遵循JEDEC標(biāo)準(zhǔn)no.7A。74HC04提供了6路反相緩沖器

16、。CD4060引腳圖:CD4060內(nèi)部結(jié)構(gòu):4.各單元模塊的聯(lián)接：分模塊星期模塊時模塊報時模塊秒模塊時鐘模塊各單元電路確定以后，還要認(rèn)真仔細(xì)地考慮他們之間的級聯(lián)問題，如：電氣特性的相互匹配、信號耦合方式、時序配合，以及相互干擾等問題。1. 電氣性能相互匹配問題關(guān)于單元電路之間電氣性能相互匹配的問題主要有：阻抗匹配、線性范圍匹配、負(fù)載能力匹配、高低電平匹配等。前兩個問題是模擬單元電路之間的匹配問題，最后一個問題是數(shù)字單元電路之間的匹配問題。而第三個問題(負(fù)載能力匹配)是兩種電路都必須考慮的問題。從提高放大倍數(shù)和負(fù)載能力考慮，希望后一級的輸入電阻要大,前一級的輸出電阻要小,但從改善頻率響應(yīng)角度考慮

17、，則要求后一級的輸入電阻要小。2.時序配合單元電路之間信號作用的時序在數(shù)字系統(tǒng)中是非常重要的。哪個信號作用在前，哪個信號作用在后，以及作用時間長短等，都是根據(jù)系統(tǒng)正常工作的要求而決定的。換句話說，一個數(shù)字系統(tǒng)有一個固定的時序。時序配合錯亂，將導(dǎo)致系統(tǒng)工作失常。時序配合是一個十分復(fù)雜的問題，為確定每個系統(tǒng)所需的時序，必須對該系統(tǒng)中各個單元電路的信號關(guān)系進行仔細(xì)的分析，畫出各信號的波形關(guān)系圖時序圖，確定出保證系統(tǒng)正常工作下的信號時序，然后提出實現(xiàn)該時序的措施。這里因為是數(shù)字電路，又是比較簡單的系統(tǒng)，所以需要考慮的問題不多。四、系統(tǒng)調(diào)試：1、 調(diào)試示波器，時鐘模塊是否能產(chǎn)生1Hz的矩形波。結(jié)果：如同

18、所示，晶振產(chǎn)生完美的1Hz的矩形波，即周期為1s的脈沖，剛好使得秒模塊1s能夠進一位。2、 調(diào)試電子鐘，察看是否能夠正常運行。結(jié)果：正常運行。3、 觀察校準(zhǔn)電路是否正常使用。結(jié)果：正常使用。4、 觀察報時模塊是否運行成功。結(jié)果：運行成功。5458秒500Hz低音響5次，59秒1KHz高音響1次。五、設(shè)計總結(jié)：1. 設(shè)計的小結(jié)：該實驗成功地設(shè)計出了數(shù)字電子鐘，在和BBB的合作下，共同完成了整個課題。我首先制作了分秒模塊，測試運行后，BBB同學(xué)就著手做時與星期模塊，以及時鐘模塊。這些都完成后，我們就忙著準(zhǔn)備考試?？纪甑囊惶焱砩?，我正考慮著怎么實現(xiàn)報時模塊，晚上上床之后，遙遠(yuǎn)給我發(fā)來了一份他的草稿，

19、在他的提示下，我開始有了思路。閉上眼睡覺的時候，我已經(jīng)把電路圖畫在了腦子里了。第二天一大早，我就著手畫了電路圖，然而還是有點兒不對，在我的再三分析下，設(shè)計出了，5458秒一直響，59秒變頻的時鐘。在課設(shè)開始前一天晚上，我們基本已經(jīng)完成，又想說準(zhǔn)備考試重要，便放棄了響5次這個要求。但在我上床的一剎那，我突然有一個點子，就激動地下床，拼接電路，在我一點一點地改動下，終于趕在課設(shè)第一天完成了整個要求。2.設(shè)計收獲體會：課設(shè)最好不要等到老師要求你開始做，你才開始做，不要拖。最好當(dāng)天開始著手做，這樣你就可以抓到空閑時間，學(xué)習(xí)累了，或想到什么好點子就可以開始做了。又有充裕的時間復(fù)習(xí)，做出又有一種喜悅感，而沒有緊張感。在最后一時刻設(shè)計出報時模塊是最高興地，并且沒有參考任何材料，是從0到1的過程，有獨門的創(chuàng)新性，可以說，沒有雷同。同時通過這次對計數(shù)器的設(shè)計與制作，讓我們了解了設(shè)計電路的程序。在此次的計數(shù)器設(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。通過這次對計數(shù)器的設(shè)計制作，讓我了解了電路設(shè)計的基本步驟，也讓我了解了關(guān)于計數(shù)器的原理與設(shè)計理念，要設(shè)計一