數(shù)字電子鐘設(shè)計(jì)-副本

1、課程設(shè)計(jì)(論文)題 目 名 稱 電子時(shí)鐘設(shè)計(jì) 課 程 名 稱 專業(yè)課程設(shè)計(jì)I 學(xué) 生 姓 名 譚韜 學(xué) 號(hào) 1141301042 系 、專 業(yè) 信息工程系、電子信息工程 指 導(dǎo) 教 師 胡湘娟 2013年 11月 20 日數(shù)字電子鐘設(shè)計(jì) 摘要數(shù)字電子鐘一般由秒信號(hào)發(fā)生器、“時(shí)、分、秒”計(jì)數(shù)器、譯碼器及顯示器、校時(shí)電路等組成。秒信號(hào)是整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)基信號(hào)，它直接決定計(jì)時(shí)系統(tǒng)的精度，一般用石英晶體振蕩器加分頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以用555振蕩器，本設(shè)計(jì)用的就是555芯片。將秒信號(hào)送入秒計(jì)數(shù)器，它是六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。每累計(jì)六十秒發(fā)出一個(gè)“分脈沖”信號(hào)，這個(gè)信號(hào)作為“分計(jì)數(shù)器”的時(shí)鐘脈沖?！胺钟?jì)數(shù)器”也是六十進(jìn)

2、制計(jì)數(shù)器，它每累計(jì)六十分鐘，發(fā)出一個(gè)“時(shí)脈沖”信號(hào)，此信號(hào)將被送到“時(shí)計(jì)數(shù)器”?！皶r(shí)計(jì)數(shù)器”采用二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器，可以實(shí)現(xiàn)一天二十四小時(shí)的累計(jì)。譯碼顯示電路將“時(shí)”、“分”、“秒”計(jì)數(shù)器的輸出狀態(tài)經(jīng)七段顯示譯碼器譯碼，通過(guò)六位LED顯示器顯示出來(lái)。校時(shí)電路是用來(lái)對(duì)“時(shí)”、“分”、“秒”顯示數(shù)字進(jìn)行校對(duì)調(diào)整的。本文通過(guò)對(duì)74ls47,74ls138,74ls160和555振蕩芯片的基本原理和基本功能的介紹，結(jié)合數(shù)字電子鐘的設(shè)計(jì)過(guò)程讓我們對(duì)電子鐘的設(shè)計(jì)有了清楚的認(rèn)識(shí)。 關(guān)鍵詞：數(shù)字鐘，555振蕩器，74lsl60，74ls47,74ls138，三態(tài)門。 目錄摘要-1目錄-21 基本工作原理及框圖-

3、41.1 設(shè)計(jì)目的-41.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求-41.3設(shè)計(jì)方案-41.4 電子時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)原理-41.5 電子時(shí)鐘原理框圖-61.6 具體電路實(shí)現(xiàn)-72 秒信號(hào)產(chǎn)生電路-92.1 555芯片簡(jiǎn)介-92.2 秒信號(hào)產(chǎn)生電路原理圖-93 進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路-103.1 74ls160芯片簡(jiǎn)介-103.2 60進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路原理-113.3 24進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路原理-144 數(shù)碼管顯示電路-154.1 74ls47芯片簡(jiǎn)介-154.2 顯示電路實(shí)現(xiàn)-165 校時(shí)電路原理-165.1 74ls138芯片簡(jiǎn)介-165.2 校時(shí)電路實(shí)現(xiàn)-175.3 校時(shí)脈沖輸入實(shí)現(xiàn)-196 電子時(shí)鐘具體仿真實(shí)現(xiàn)-196.1 計(jì)時(shí)仿

4、真-196.2 校時(shí)仿真-21總結(jié)-23參考文獻(xiàn)-241基本工作原理及框圖1.1 設(shè)計(jì)目的（1）課程設(shè)計(jì)目的是訓(xùn)練學(xué)生綜合應(yīng)用已學(xué)課程，如模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、通信電子線路等的基本知識(shí)，針對(duì)具體的應(yīng)用，完成電子設(shè)計(jì)。（2）掌握電子應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。（3）學(xué)習(xí)電子設(shè)計(jì)軟件PROTEUS等的應(yīng)用。（4）掌握數(shù)字電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法、裝調(diào)技術(shù)及計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)，使得學(xué)生將所掌握的電子技術(shù)理論知識(shí)與實(shí)際相結(jié)合，提高學(xué)生的動(dòng)手設(shè)計(jì)能力和科研創(chuàng)新能力，更好的培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。1.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求（1） 設(shè)計(jì)一個(gè)有“時(shí)”，“分”，“秒”（23小時(shí)59分59秒）顯示，且有校時(shí)功能的電子時(shí)鐘。（2） 在仿

5、真軟件中仿真。（3） 畫(huà)出框圖和邏輯電路圖，寫(xiě)出設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)總結(jié)報(bào)告。1.3設(shè)計(jì)方案數(shù)字電子鐘由555振蕩器、計(jì)數(shù)器、譯碼器顯示器和校時(shí)電路組成。振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)定的秒脈沖信號(hào),作為數(shù)字鐘的時(shí)間基準(zhǔn),然后經(jīng)過(guò)輸出標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖到各個(gè)計(jì)數(shù)器。秒計(jì)數(shù)器滿60后向分計(jì)數(shù)器進(jìn)位,分計(jì)數(shù)器滿60后向小時(shí)計(jì)數(shù)器進(jìn)位,小時(shí)計(jì)數(shù)器按照“24翻1”規(guī)律計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器的輸出分別經(jīng)譯碼器送顯示器顯示。計(jì)時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí),可以用校時(shí)電路校時(shí)、校分、校秒。校時(shí)電路由一個(gè)計(jì)數(shù)器來(lái)接受外部信號(hào)用于選擇功能，再通過(guò)翻譯電路翻譯成具體的校時(shí)控制。當(dāng)選定好對(duì)那個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，再通過(guò)另外一個(gè)按鈕來(lái)輸入校時(shí)信號(hào)。1.4 電子時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)原理電子時(shí)鐘設(shè)

6、計(jì)最重要是又有精確的秒信號(hào)的產(chǎn)生。本設(shè)計(jì)的電子時(shí)鐘的秒信號(hào)脈沖的是有555振蕩芯片產(chǎn)生，產(chǎn)生的脈沖信號(hào)連續(xù)兩個(gè)相同邊沿信號(hào)之間的間隔恰好是1S。秒鐘到分鐘，分鐘到小時(shí)的進(jìn)制都是60進(jìn)制，那么就可以用同一種結(jié)構(gòu)來(lái)解決，第一級(jí)計(jì)數(shù)器為十進(jìn)制，第二級(jí)計(jì)數(shù)器為6進(jìn)制，都是有74ls160芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。小時(shí)是24進(jìn)制，由第一級(jí)一個(gè)4進(jìn)制計(jì)數(shù)器，第二級(jí)一個(gè)2進(jìn)制計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)。第一級(jí)計(jì)數(shù)器還必須在當(dāng)?shù)诙?jí)計(jì)數(shù)器沒(méi)有到達(dá)2是能實(shí)現(xiàn)10進(jìn)制，所以這里用了一個(gè)2輸入的與門，一個(gè)輸入時(shí)第二級(jí)74ls160的第二根線，及十進(jìn)制的2輸出的這根線，當(dāng)這根線為高電平時(shí)，第一級(jí)的計(jì)數(shù)器就是能實(shí)現(xiàn)4進(jìn)制。顯示電路有6個(gè)74ls47

7、來(lái)解析每個(gè)74ls160計(jì)數(shù)器的輸出信號(hào)，在輸出給6個(gè)7段數(shù)碼管顯示。校時(shí)電路通過(guò)一個(gè)74ls160芯片接收手動(dòng)從外部按鈕的輸入脈沖信號(hào)來(lái)選擇對(duì)那個(gè)時(shí)鐘數(shù)字進(jìn)行校準(zhǔn)，接受的信號(hào)有74ls138解析后分別對(duì)應(yīng)74ls138的6個(gè)輸出端，每個(gè)輸出端對(duì)應(yīng)一個(gè)校時(shí)功能。默認(rèn)是自動(dòng)計(jì)時(shí)，當(dāng)有外部輸入時(shí)就停止計(jì)時(shí)，時(shí)鐘顯示靜止，外部輸入信號(hào)個(gè)數(shù)從16時(shí)，分別選擇對(duì)秒鐘的個(gè)位，秒鐘的十位，分鐘的個(gè)位，分鐘的十位，小時(shí)的個(gè)位，小時(shí)的十位進(jìn)行校準(zhǔn)。當(dāng)輸入第7個(gè)信號(hào)時(shí)重新開(kāi)始計(jì)時(shí)。在每一級(jí)計(jì)數(shù)器之間都有一個(gè)三態(tài)門，用來(lái)控制計(jì)數(shù)器之間的進(jìn)位，這些三態(tài)門都由74ls138的Y0輸出端來(lái)控制，Y0輸出端是控制計(jì)時(shí)的輸出

8、端，當(dāng)為低電平時(shí)計(jì)時(shí)，當(dāng)為高電平時(shí)就校時(shí)，高電平輸出到各個(gè)三態(tài)門控制其通斷，來(lái)控制計(jì)數(shù)器之間在校時(shí)時(shí)的相互干擾。1.5 電子時(shí)鐘原理框圖 圖1-1 電子時(shí)鐘原理框圖1.6具體電路實(shí)現(xiàn)具體電路圖的前半部分如圖1-2所示。 圖1-2 電子時(shí)鐘實(shí)際電路圖前部圖具體電路后半部分如圖1-3所示。 圖1-3 電子時(shí)鐘實(shí)際電路圖后部圖2 秒信號(hào)產(chǎn)生電路2.1 555芯片簡(jiǎn)介555芯片內(nèi)部包括兩個(gè)電壓比較器，三個(gè)等值串聯(lián)電阻，一個(gè) RS 觸發(fā)器，一個(gè)放電管 T 及功率輸出級(jí)。它提供兩個(gè)基準(zhǔn)電壓VCC /3 和 2VCC /3555芯片功能表如下表2-1所示。 表2-1 555芯片功能表2.2 秒信號(hào)產(chǎn)生電路原

9、理圖555芯片原理圖如圖2-1所示。 圖2-1 555芯片實(shí)際連線圖經(jīng)仿真的到如圖2-2所示的脈沖信號(hào)。 圖2-2 555芯片輸出脈沖波形圖由圖2-2中數(shù)據(jù)可知兩個(gè)相同邊沿之間的時(shí)間間隔是1秒。3.0 進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路3.1 74ls160芯片簡(jiǎn)介 74ls160這種同步可預(yù)置十進(jìn)計(jì)數(shù)器是由四個(gè)D型觸發(fā)器和若干個(gè)門電路構(gòu)成，內(nèi)部有超前進(jìn)位，具有計(jì)數(shù)、置數(shù)、禁止、直接（異步）清零等功能。對(duì)所有觸發(fā)器同時(shí)加上時(shí)鐘，使得當(dāng)計(jì)數(shù)使能輸入和內(nèi)部門發(fā)出指令時(shí)輸出變化彼此協(xié)調(diào)一致而實(shí)現(xiàn)同步工作。這種工作方式消除了非同步（脈沖時(shí)鐘）計(jì)數(shù)器中常有的輸出計(jì)數(shù)尖峰。緩沖時(shí)鐘輸入將在時(shí)鐘輸入上升沿觸發(fā)四個(gè)觸發(fā)器。它的功

10、能表如表3-1所示 表3-1 74ls160功能表3.2 60進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路原理 電子表中秒鐘到分鐘，分鐘到時(shí)鐘都是60進(jìn)制的。電子表顯示是有兩位數(shù)，一位顯示十位數(shù)，是6進(jìn)制的，一位顯示個(gè)位數(shù)，是10進(jìn)制的。所以從秒到分，從分到時(shí)都需要兩塊74ls160芯片。第一塊10進(jìn)制，輸出到第二塊6進(jìn)制的脈沖輸入端。每塊芯片都從輸出端連到7447芯片上，在從7447芯片連入7段數(shù)碼管顯示。秒計(jì)數(shù)器個(gè)位連接圖如圖3-1所示。 圖3-1 秒計(jì)數(shù)器個(gè)位實(shí)際連接圖由圖3-1可知，74ls160預(yù)置數(shù)位0，且自動(dòng)清零。秒計(jì)數(shù)器十位連接圖如圖3-2所示。 圖3-2 秒計(jì)數(shù)器十位實(shí)際連接圖由上圖3-3可知，在74ls

11、160芯片輸出端將第1根線和第3根線接入一個(gè)3輸入與門，此與門的第3根線接時(shí)鐘信號(hào)。當(dāng)芯片的輸出為5是，時(shí)鐘信號(hào)再來(lái)一個(gè)脈沖到第3根線，那么與門的輸出就改變了，就向下一級(jí)芯片輸出了一個(gè)脈沖。這就完成了一個(gè)6進(jìn)制計(jì)數(shù)。分鐘個(gè)位連接如圖3-3所示。 圖3-3 分鐘個(gè)位實(shí)際連接圖從上圖3-3可以看出分鐘個(gè)位計(jì)數(shù)器的原理和秒鐘個(gè)位計(jì)數(shù)器的原理是一樣的。分鐘十位連接如圖3-4所示。 圖3-4 分鐘十位實(shí)際連接圖從上圖3-4可以看出分鐘十位計(jì)數(shù)器的原理和秒鐘個(gè)位計(jì)數(shù)器的原理是一樣的。3.3 24進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路原理電子時(shí)鐘的小時(shí)是24進(jìn)制的，十位為二進(jìn)制，個(gè)位為4進(jìn)制的，而個(gè)位計(jì)數(shù)器還需要能顯示0到9的數(shù)字

12、。這都需要芯片的外圍電路來(lái)控制了。小時(shí)計(jì)數(shù)器的個(gè)位連接如圖3-5所示。 圖3-5 小時(shí)個(gè)位實(shí)際連接圖小時(shí)計(jì)數(shù)器的十位連接如圖3-6所示。 圖3-6 小時(shí)十位實(shí)際連接圖要實(shí)現(xiàn)24進(jìn)制，要將小時(shí)十位計(jì)數(shù)器的第2根線和小時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)器的第3根線接入一個(gè)2輸入的與門，再連接小時(shí)個(gè)位和小時(shí)十位芯片的置零端。這樣當(dāng)計(jì)數(shù)器數(shù)到24是就兩塊芯片同時(shí)置零。當(dāng)沒(méi)有記數(shù)到24是小時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)器還可以輸出0到9的顯示。4 數(shù)碼管顯示電路 4.1 74ls47芯片簡(jiǎn)介74LS47是輸出低電平有效的七段字形譯碼器，它在這里與數(shù)碼管配合使用。它的功能表如表4-1所示。 表4-1 74ls47功能表4.2 顯示電路實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管顯示

13、就用的是74ls47芯片把74ls160計(jì)數(shù)器上的輸出的4個(gè)2進(jìn)制數(shù)字翻譯成能夠在bcd7段數(shù)碼管上顯示的數(shù)字。74ls47和bcd7段數(shù)碼管以及74ls160之間的連線如圖4-1所示。 圖4-1 數(shù)碼管顯示電路實(shí)際連接圖5 校時(shí)電路原理5.1 74ls138芯片簡(jiǎn)介此芯片工作原理是當(dāng)一個(gè)選通端（E1）為高電平，另兩個(gè)選通端（(/E2)和/(E3)）為低電平時(shí)，可將地址端（A0、A1、A2）的二進(jìn)制編碼在Y0至Y7對(duì)應(yīng)的輸出端以低電平譯出。它的功能表如表5-1所示。 表5-1 74ls138功能表5.2 校時(shí)電路實(shí)現(xiàn) 校時(shí)電路是有兩個(gè)按鈕，一個(gè)74ls160芯片,一個(gè)74ls138芯片，以及一

14、些門器件實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)一個(gè)74ls160芯片來(lái)選擇校時(shí)的功能，選擇是只需通過(guò)一個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)輸入脈沖即可。連線如圖5-1所示。 圖5-2 校時(shí)電路功能選擇連接圖選擇的功能通過(guò)2進(jìn)制數(shù)字形式通過(guò)74ls160的輸出端輸送給下一級(jí)的74ls138芯片。連線如圖5-2所示。 圖5-2 功能選擇翻譯電路連接圖。74ls138芯片在把接受的2進(jìn)制數(shù)字翻譯成相應(yīng)的輸出，反應(yīng)給對(duì)應(yīng)的控制線，完成相應(yīng)的控制。在本實(shí)驗(yàn)中74ls138把信號(hào)翻譯成低電平輸出，選擇與接受的2進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)的10進(jìn)制數(shù)大小相等的那個(gè)輸出端輸出低電平。當(dāng)沒(méi)有功能選擇時(shí)，芯片默認(rèn)Y0輸出端位低電平，即運(yùn)行計(jì)時(shí)功能。當(dāng)選擇Y1Y6中的其中一個(gè)是，即

15、是選擇對(duì)秒的個(gè)位，秒的十位，分鐘的個(gè)位，分鐘的十位，小時(shí)的個(gè)位，小時(shí)的十位進(jìn)行校時(shí)。校時(shí)是有Y0將所有的ENP端置位低電平，有Y1Y6中的一個(gè)選擇對(duì)那個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行校時(shí)，就將他置1。連線如圖5-3所示。 圖5-3 校時(shí)功能控制電路連線圖這樣就能對(duì)有Y1Y6其中一條選擇的數(shù)字進(jìn)行校準(zhǔn)了。5.3 校時(shí)脈沖輸入實(shí)現(xiàn)手動(dòng)脈沖輸入實(shí)現(xiàn)如圖5-4所示。 圖5-4 校時(shí)脈沖控制電路圖 如圖5-4所示開(kāi)始時(shí)默認(rèn)為是低電平，通過(guò)一個(gè)電阻與地連接來(lái)實(shí)現(xiàn)。高電平通過(guò)按下按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)。6.電子時(shí)鐘具體仿真實(shí)現(xiàn)6.1 計(jì)時(shí)仿真秒鐘仿真時(shí)第一塊74ls160通過(guò)接收555芯片的輸出秒脈沖信號(hào)進(jìn)行秒的個(gè)位的計(jì)時(shí)，秒的個(gè)位是十進(jìn)制

16、的，所以第一塊74ls160芯片不需要設(shè)置清零，芯片會(huì)自動(dòng)清零。每當(dāng)達(dá)到是后就會(huì)輸出一個(gè)脈沖發(fā)送給第二塊74ls160芯片，第二塊芯片是秒的個(gè)位，是六進(jìn)制數(shù)，所以要設(shè)置反饋清零。當(dāng)?shù)诙K74ls160芯片的輸出端端口Q0和Q2為高電平時(shí)，當(dāng)3輸入U(xiǎn)15A在接受到第一塊74ls160芯片的一個(gè)高電平信號(hào)時(shí)，就反饋一個(gè)低電平信號(hào)給第二塊74ls160芯片的清零端，進(jìn)行清零操作。完成一個(gè)60秒計(jì)時(shí)。秒計(jì)時(shí)仿真如圖6-1所示。 圖6-1 秒鐘校時(shí)仿真圖分鐘仿真原理和秒鐘原理是一樣的。分鐘仿真如圖6-2所示。 圖6-2 分鐘仿真電路圖小時(shí)仿真和以上兩種仿真有不同之處，因?yàn)檫@里的小時(shí)顯示是24進(jìn)制的，所以

17、第一塊74ls160芯片既要能顯示09又要能在當(dāng)小時(shí)的十位為2時(shí)在到計(jì)數(shù)到4是清零。所以有2輸入與門U16A的一個(gè)輸入端接小時(shí)十位計(jì)數(shù)芯片輸出的第2端口Q1,另一個(gè)輸入端接小時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)器的Q3，即當(dāng)小時(shí)達(dá)到20小時(shí)及以上時(shí)，且小時(shí)個(gè)位達(dá)到4時(shí)，U16A輸出低電平反饋給兩塊計(jì)數(shù)器清零。這就完成了一個(gè)24小時(shí)計(jì)時(shí)。 小時(shí)仿真如圖6-3所示。圖6-3 小時(shí)仿真電路圖6.2 校時(shí)仿真以對(duì)秒鐘的個(gè)位進(jìn)行校準(zhǔn)為例。仿真圖如圖6-4所示。 圖6-4 校時(shí)仿真電路圖如圖6-4所示U23D三態(tài)門關(guān)閉，時(shí)鐘脈沖轉(zhuǎn)由手動(dòng)輸入。U20的Y1輸出端口輸出低電平，U22D的三態(tài)門打開(kāi)。秒鐘的第一級(jí)計(jì)數(shù)器進(jìn)入計(jì)時(shí)狀態(tài)。U20的Y0輸出端口輸出高電平，使U22A,和U21D呈高阻狀態(tài)，進(jìn)而使另外5塊計(jì)數(shù)器的ENP為低電平，進(jìn)入非計(jì)時(shí)狀態(tài)。 總結(jié)這是一次常規(guī)的課程設(shè)計(jì)，從中不僅強(qiáng)化了我對(duì)過(guò)去所學(xué)知識(shí)的理解和掌握。而且也拓展了我在數(shù)字電子技術(shù)方面和電子仿真的知識(shí)，和對(duì)自己所學(xué)專業(yè)的認(rèn)識(shí)。課程設(shè)計(jì)更是一個(gè)把所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐的過(guò)程，它對(duì)我動(dòng)手能力的提高不言而喻。同時(shí)我從這次課設(shè)中知道：知識(shí)不僅僅是寫(xiě)在書(shū)本上的文