數(shù)字時鐘電路課程設(shè)計書

1、仿真文件及課程設(shè)計詳細(xì)報告點1 功能要求（1）掌握秒定時電路的設(shè)計、仿真與調(diào)試，精度±0.1s；（2）掌握十進(jìn)制時、分、秒計時與LED數(shù)碼顯示電路的設(shè)計、仿真與調(diào)試；（3）掌握啟停、清零電路的設(shè)計、仿真與調(diào)試；（4）掌握整點蜂鳴器提示電路的設(shè)計、仿真與調(diào)試；（5）掌握方案設(shè)計與論證；（6）掌握用相關(guān)軟件進(jìn)行電路圖設(shè)計、仿真，以及對仿真結(jié)果的分析、總結(jié)。2 工作原理及原理框圖數(shù)字時鐘由振蕩器、校時電路、計數(shù)器、譯碼顯示、報時電路組成。其中，振蕩器用于產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的秒信號，其精度控制在±0.1S，秒信號經(jīng)過秒計數(shù)器開始計數(shù)，把累加的結(jié)果以時、分、秒的形式，經(jīng)過譯碼器和顯示器顯示出來

2、。時顯示由時計數(shù)器、譯碼器、顯示器構(gòu)成，分、秒顯示由六十進(jìn)制的分、秒計數(shù)器、譯碼器、顯示器構(gòu)成，其中擴(kuò)展電路為報時電路，利用分計時器向時計數(shù)器的進(jìn)位信號觸發(fā)蜂鳴器。當(dāng)計數(shù)電路出現(xiàn)誤差時，可以用校時電路進(jìn)行校時、校分和校秒的功能。圖13 各單元電路設(shè)計3.1 振蕩器振蕩器是數(shù)字鐘的核心。振蕩器的穩(wěn)定度及頻率的精度決定了數(shù)字鐘計時的準(zhǔn)確程度，根據(jù)實際的任務(wù)需要，我們的振蕩器僅需產(chǎn)生1HZ的信號供給秒計數(shù)器，而無需產(chǎn)生其他頻率的信號，因此采用555定時器與RC構(gòu)成的多諧振蕩器，用于產(chǎn)生秒信號，從而省去了分頻器。多諧振蕩器的周期計算公式為：T=T1+T2=0.7*(R1+2R2)*C=1s其中R1設(shè)為

3、410，R2設(shè)為510，經(jīng)計算得C=1mF由于電路較為復(fù)雜，振蕩器接入整體電路會產(chǎn)生一定的誤差，因此將1mF的電容設(shè)定為可變電容，經(jīng)過多次的仿真和調(diào)試確定出可變電容的百分比在26%左右時，振蕩器可以產(chǎn)生（1±0.04）HZ的頻率，即換算成周期為（1±0.04）s，精度要求符合±0.1s。其中，圖2為振蕩器的仿真波形圖，振蕩器可以產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)方波。圖3為振蕩器工作時的輸出頻率。圖2圖33.2 時間計數(shù)器電路計時電路用于實現(xiàn)數(shù)字時鐘的基本計數(shù)功能。獲得秒脈沖后，可以根據(jù)60秒為1分，60分為1小時，24小時為一天的規(guī)律計數(shù)。因此，時計數(shù)器采用二十四進(jìn)制，而分計數(shù)器和秒計數(shù)

4、器則采用六十進(jìn)制。這些計數(shù)電路均可以由中規(guī)模74LS160集成芯片來實現(xiàn)，其中74LS160的管腳圖和功能表如下所示。圖3圖43.2.1 秒計數(shù)器的設(shè)計秒計數(shù)器是由六十進(jìn)制加法計數(shù)器構(gòu)成。因此，采用兩片74LS160級聯(lián)的方式。根據(jù)實際需要，我們利用74LS160的異步清零端，和反饋歸零法來實現(xiàn)。我們的秒計數(shù)器由兩個74LS160（Us9、Us10）和74LS00四2輸入與非門組成，如圖3所示，其中個位計數(shù)器Us10接成十進(jìn)制形式。十位計數(shù)器Us9選擇QB和QC做反饋端，經(jīng)與非門輸出控制清零端CLR,接成六進(jìn)制形式。個位與十位之間采用同步級聯(lián)方式，將個位計數(shù)器的進(jìn)位輸出端RCO接至十位計數(shù)器的

5、計數(shù)端ETP，完成個位對十位計數(shù)器的進(jìn)位控制。秒信號脈沖作為計數(shù)器脈沖輸入到CP端。圖53.2.2 分計數(shù)器的設(shè)計分計數(shù)器也是六十進(jìn)制計數(shù)器，同秒計數(shù)器一樣是由兩片中規(guī)模74LS160構(gòu)成。其組成方法及電路圖同秒計數(shù)器。圖6為分計數(shù)器電路。圖63.2.3 時計數(shù)器的設(shè)計時計數(shù)器是由二十四進(jìn)制加法計數(shù)器構(gòu)成。因此，采用兩片74LS160級聯(lián)的方式。根據(jù)實際需要，我們利用74LS160的異步清零端，和反饋歸零法來實現(xiàn)。我們的時計數(shù)器由兩個74LS160（Uh1、Uh2）和74LS00四2輸入與非門組成，如圖5所示，選擇個位計數(shù)器Uh1的QC和十位計數(shù)器Uh2的 QB，經(jīng)與非門輸出控制清零端CLR。

6、個位與十位之間采用同步級聯(lián)方式，將個位計數(shù)器的進(jìn)位輸出端RCO接至十位計數(shù)器的計數(shù)端ETP，完成個位對十位計數(shù)器的進(jìn)位控制，實現(xiàn)二十四進(jìn)制遞增計數(shù)。圖73.3 譯碼顯示電路的設(shè)計計數(shù)器實現(xiàn)了對時間的累計以8421BCD碼的形式輸出，為了將計數(shù)器輸出的8421BCD碼顯示出來，需要顯示譯碼電路將計數(shù)器的輸出數(shù)碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼顯示器件所需要的輸出邏輯和一定的電流。因此，我們采用共陰極的七段數(shù)碼顯示管和74LS48作為譯碼器，其中74LS48的管腳圖和功能表如圖8、圖9所示。圖8圖9譯碼顯示電路由74LS48和七段數(shù)碼管組成。電路一共需要六個譯碼器和六個七段數(shù)碼管。六個七段數(shù)碼管，隨著秒計數(shù)脈沖不斷地輸

7、入和計時的變化，連續(xù)的進(jìn)行時、分、秒計時顯示。如圖10所示為一個譯碼器和一個數(shù)碼管。圖103.4 校時電路的設(shè)計校時電路的作用是當(dāng)計數(shù)器剛接通電源或走時出現(xiàn)誤差時，實現(xiàn)對時、分、秒的校準(zhǔn)。我們的校時電路采用手動的門電路實現(xiàn)。（1） 時、分時間校準(zhǔn)電路。時校準(zhǔn)電路如圖11所示，由74LS08四2輸入與門、74LS32四2輸入或門、74LS02四2輸入或非門組成。當(dāng)校時開關(guān)處于校時位置，即接低電平地端時，秒脈沖經(jīng)U4A或非門輸出，再到U5A或門輸出接時計數(shù)器的計數(shù)脈沖，控制時計數(shù)器計時，使其每秒加，當(dāng)時計數(shù)器顯示出校準(zhǔn)小時數(shù)字時將開關(guān)置于高電平電源端，或非門輸出為低電平，時計數(shù)器的計數(shù)脈沖接分計數(shù)

8、器的進(jìn)位信號，恢復(fù)計數(shù)器正常計數(shù)。分校時電路與上述電路相同。圖11（2）秒時間校準(zhǔn)電路秒時間校時電路如圖12所示，當(dāng)校秒開關(guān)J3處于校秒位置，即接0電平，U6C與門的輸出為低電平，秒計數(shù)器停止計數(shù)。當(dāng)秒計數(shù)器顯示的時間與標(biāo)準(zhǔn)的秒時間相同時，將校秒開關(guān)置于高電平，即接秒脈沖信號，恢復(fù)秒計數(shù)器正常的計數(shù)。圖123.5啟動、清零電路的設(shè)計根據(jù)課程設(shè)計的需要，我們設(shè)計了一個如圖13所示的數(shù)字時鐘的總開關(guān)J4，該單刀雙擲開關(guān)用于實現(xiàn)整體電路的啟動和清零功能。將J4的雙擲兩端分別接地與高電平VCC，另一端接六片74LS160的置數(shù)端和清零端，當(dāng)開關(guān)撥到高電平時，電路啟動，置數(shù)端和清零端接高電平，時鐘正常運(yùn)

9、行。當(dāng)開關(guān)撥到低電平時，置數(shù)端和清零端有效，電路全部清零，顯示為00時00分00秒。如圖14所示。圖13圖143.6整點報時電路的設(shè)計整點報時電路作為數(shù)字時鐘的擴(kuò)展功能，利用分計數(shù)器向時計數(shù)器輸出的進(jìn)位信號，如圖15所示。根據(jù)蜂鳴器的工作原理我們設(shè)計了一個較為簡單的報時電路，采用三極管NPN與蜂鳴器串聯(lián)的方式，當(dāng)NPN的集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏時，管子工作于放大區(qū)，此時蜂鳴器工作發(fā)出鳴叫。將NPN管子的基極通過電阻和U8A非門相連，并與十位分計數(shù)器的清零端相連。即當(dāng)分計數(shù)器達(dá)到60時，進(jìn)位信號通過U2A與非門變?yōu)榈碗娖浇?jīng)過分計數(shù)器的清零端，使分計數(shù)器快速清零并接著進(jìn)行計數(shù)，此時產(chǎn)生的低電平將通過

10、U8A非門變?yōu)楦唠娖?，觸發(fā)蜂鳴器工作。需要注意到蜂鳴器的工作電壓應(yīng)低于電源電壓VCC才能使其正常工作。圖154 multisim仿真電路圖165 protel99SE原理圖圖176 誤差分析數(shù)字電子時鐘在工作過程中會產(chǎn)生些許誤差，例如脈沖過大會使秒計數(shù)過快，電路原因會產(chǎn)生秒與秒之間的誤差，經(jīng)過多次仿真和調(diào)試，解決方案采用調(diào)節(jié)振蕩器的可變電容，使振蕩器的輸出頻率控制在精度范圍內(nèi)，或是采用校時電路。整體電路仿真時，我們參照著手機(jī)上的計時器，對數(shù)字時鐘進(jìn)行了多次數(shù)據(jù)采集。在把秒脈沖調(diào)到可變范圍的基礎(chǔ)上，我們的數(shù)字時鐘在一分鐘內(nèi)平均會出現(xiàn)12秒的誤差，具體情況與軟件和電路當(dāng)時的情況有關(guān)，由于設(shè)置了校時

11、電路，這點問題可以得到很好地解決。在測試報時電路時，沒有發(fā)現(xiàn)誤差，每次都是在時計數(shù)器剛剛跳變的一瞬間就能產(chǎn)生報時“滴”的一聲，每隔一小時一次，一次一聲?？傠娐烽_關(guān)經(jīng)過多次測試可以完全控制整體電路，整體功能可以得到實現(xiàn)。如圖18顯示的時間為02:59:58。圖187 總結(jié)這次課設(shè)的題目主要偏重于數(shù)電知識，而且很多芯片都是剛剛學(xué)習(xí)過的，因此在這次課設(shè)中我們很完美的把理論和實際相結(jié)合，在剛剛學(xué)習(xí)完知識理論后進(jìn)行的實踐是非常有意義的。課設(shè)過程當(dāng)中，充滿了很多的樂趣，這個課題也和我們所學(xué)習(xí)的東西非常貼切，像是160和譯碼器還有振蕩器，這些都是我們剛剛學(xué)習(xí)完的知識。下面說一下整體電路的設(shè)計思路。拿到題目以

12、后，首先感覺整個電路最核心的部分就是計數(shù)器的設(shè)計，介于剛剛學(xué)習(xí)完了數(shù)電中的十進(jìn)制加法計數(shù)器160，因此，我們選用160作為電路計數(shù)部分的主要電路。緊接著就是計數(shù)之后的顯示部分，之前學(xué)習(xí)過數(shù)碼管，我們選擇了共陰極數(shù)碼管作為顯示器，通過譯碼器74LS48與計數(shù)器相連。這個模塊經(jīng)過測試以后可以正常工作和完成所需進(jìn)位。接著，查閱了相關(guān)書籍學(xué)習(xí)了振蕩器，確定下來采用555多諧振蕩器作為我們的秒信號。由于我們僅要1HZ的脈沖，因此沒有選擇精度和頻率更高的石英晶體。經(jīng)過多次仿真和測試，綜合了電路的實際問題，振蕩器部分已經(jīng)可以實現(xiàn)，并且達(dá)到課設(shè)要求。剩下的就是校時和報時電路，這兩個電路完全是根據(jù)整體電路來添加的。整體電路出來以后出現(xiàn)了很多的問題，可能單獨模塊可以完美運(yùn)行，但是一到了整體電路時就會出現(xiàn)這樣或者那樣的問題，其中也包含了一些軟件自身問題，由于軟件都是英文，所以很難設(shè)置。有時候感覺電路就是能運(yùn)行，但是軟件仿真一直提示出錯，這個時候就應(yīng)該耐心檢查銜接點是否正確，接地線、接電源線是否連對。如果還是不行，那就需要設(shè)置軟件自身仿真的參數(shù)了。這次課設(shè)收獲頗多，主要還是因為對剛學(xué)的知識有了一個實踐的過程，發(fā)現(xiàn)很多理論與實踐之間的偏差，在以后的學(xué)習(xí)過程中也會不斷地改進(jìn)，將實踐與課本知識相結(jié)合。參考文獻(xiàn)1 韓焱，張艷花