數(shù)字鐘電子課程設計數(shù)字時鐘

1、數(shù)字時鐘課程設計報告 姓名： 學號： 班級： 專業(yè)： 評閱老師： 評分： 評語： 目 錄 引言（3）一. 設計意義和要求（4） 1.1設計意義（4） 1.2設計目的（4） 1.3設計要求（4）二. 方案設計（5） 2.1設計思路（5） 2.2 方案設計 （5）三. 單元電路設計（8） 3.1秒脈沖電路（8） 3.2 計時電路 （8） 3.3 譯碼和顯示電路（13） 3.4調時調分控制電路（13） 3.5整點報時電路 （14） 3.6 清零控制電路（15）四. 調試與檢測（16）五. 總結與體會（17）六. 元件清單（18）七. 參考文獻（19）引言所謂數(shù)字鐘，是指利用電子電路構成的計時器。相對

2、機械鐘而言，數(shù)字鐘能實現(xiàn)準確計時，并顯示時，分，秒，而且可以方便，準確的對時間進行調節(jié)。在此基礎上，還可以實現(xiàn)整點報時的功能。因此，數(shù)字鐘的應用十分廣泛。我們要通過這次的課程設計掌握數(shù)字鐘的原理，學會設計簡單的數(shù)字時鐘。設計過程采用系統(tǒng)設計的方法，先分析任務，得到系統(tǒng)和要求，然后進行總體設計，劃分子系統(tǒng)，然后進行詳細設計，確定各個功能子系統(tǒng)中的內部電路，最后按照原理圖構成實物，進行調試和改進。一 設計意義及要求 1.1設計意義 (1). 了解數(shù)字鐘的原理和功能 (2)學會使用555定時器構成脈沖發(fā)生器 (3)了解和掌握計數(shù)器，譯碼器和顯示器的工作原理和使用方法 (4). 數(shù)字電路實現(xiàn)數(shù)字鐘的功

3、能1.2設計目的 (1). 使學生進一步掌握數(shù)字電子技術的理論知識，培養(yǎng)學生工程設計能力和綜合 分析問題、解決問題的能力； (2). 使學生基本掌握常用電子電路的一般設計方法，提高電子電路的設計和實驗能力； (3). 熟悉并學會選用電子元器件，為以后從事生產(chǎn)和科研工作打下一定的基礎。1.3設計要求 (1). 設計一個準確計時，以數(shù)字顯示時，分，秒并能校正的時鐘。 (2). 小時的計時要求為“12翻1”，分和秒要求為60進制進位。 (3). 擴展功能：具有整點報時功能。 （4）定時控制。 (5). 仿廣播電臺報整點時數(shù)。二、方案設計2.1 設計思路 利用555定時器構成多諧振蕩器，調整其電阻和電

4、容大小，使其輸出信號頻率為1kHz，通過三個十進制74160N分頻即構成了秒脈沖發(fā)生器。用兩片74LS160N級聯(lián)構成60進制計數(shù)器，用來計“秒”，其CP輸入為秒脈沖；另兩片74LS160N級聯(lián)構成60進制計數(shù)器，用來計“分”，其CP輸入為“秒”變?yōu)?時產(chǎn)生的一個下降沿信號；還有兩片74LS160N級聯(lián)構成24進制計數(shù)器，用來計“時”，其CP輸入為“分”變0時產(chǎn)生的一個下降沿信號。這樣六片74LS160N實現(xiàn)了數(shù)字鐘的計時功能。它們的輸出用六片譯碼顯示的數(shù)碼管顯示。對“時”，“分”的調節(jié)采用將原來使他們計時加“1” 的信號切換為可控脈沖信號的方法。報時電路由555定時器構成的多諧振蕩器，三極管

5、和蜂鳴器組成，這樣蜂鳴器輸出的音頻信號有高低變化。報時電路的驅動信號要在報時時間段內使振蕩器工作。我還設計了數(shù)字鐘的“秒”清零功能，只要使“秒”所對應的74LS160N各自的清零端信號為高電平即可。2.2 方案設計根據(jù)數(shù)字鐘的設計思路，可以將它分為六個單元電路：秒脈沖電路，計時電路，譯碼電路，顯示電路，調時調分控制電路，整點報時電路，清零控制電路。它們之間的連接關系見原理方框圖，如圖1所示：整點報時電路清零控制電路調時調分控制電路秒脈沖電路顯示電路計時電路圖 1. 數(shù)字電路原理框圖 由原理方框圖可以看出，在整個數(shù)字鐘電路中，計時電路是主體。它不僅是顯示電路的基礎，還要與調時調分控制電路，整點報

6、時電路，清零控制電路配合來實現(xiàn)相應的功能。而數(shù)字鐘的準確性則依賴于由多諧振蕩器構成的秒脈沖源的準確性，在連接實物時要將其輸出信號的頻率控制為1KHz。由設計思路和原理方框圖得圖 圖2. 數(shù)字時鐘整體圖三、單元電路設計3.1秒脈沖電路 如圖3，由555定時器和外接元件R1、R2、C構成多諧振蕩器，腳2與腳6直接相連。電路沒有穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個暫穩(wěn)態(tài)，電路亦不需要外接觸發(fā)信號，利用電源通過R1、R2向C充電，以及C通過R2向放電端Dc放電，使電路產(chǎn)生振蕩。電容C在2/3Vcc和1/3Vcc之間充電和放電，從而在輸出端得到一系列的矩形波，對應的波形如圖4所示。圖3. 555構成多諧振蕩器 圖4. 多諧

7、振蕩器的波形圖輸出信號的時間參數(shù)是： T= tw1+tw2 ，tw1=0.7（R1+R2）C，tw2=0.7R2C 。其中，tw1為VC由1/3Vcc上升到2/3Vcc所需的時間，tw2為電容C放電所需的間。555電路要求R1與R2均應不小于1K，但兩者之和應不大于3.3M。外部元件的穩(wěn)定性決定了多諧振蕩器的穩(wěn)定性，555定時器配以少量的元件即獲得較高精度的振蕩頻率和具有較強的功率輸出能力。因此，這種形式的多諧振蕩器很廣。現(xiàn)在要用多諧振蕩器產(chǎn)生頻率為1Hz的脈沖信號，由上面的三個表達式可得T=0.7（R1+2R2）C.若選擇R1=108K R2=100K，C=10nF可求得T約為1mS，則輸出

8、信號頻率約為1KHz。選擇此參數(shù)的多諧振蕩器可作為脈沖通過三個74LS90進行十進制分頻即可得到秒脈沖，如圖5所示。3.2 計時電路 計時電路主要由異步計數(shù)器74LS160N組成。74LS160N為中規(guī)模TTL集成計數(shù)器十分頻功能，。其引腳排列圖和功能表如圖6和表1所示。圖6中MS1，MS2為置9端，它們都接高電平時置數(shù)有效；M01，M02為清零端，它們都接高電平時清零有效；CLK0端接Q0端，CK1端接脈沖信號，Q3，Q2，Q1，Q0作為輸出時為10進制計數(shù)器。制作數(shù)字鐘時單片74LS160N都要采用這種接法。圖5. 秒脈沖發(fā)生器 圖6. 74LS160N的引腳排列圖 CLKRD'L

9、D'EP ET工作狀態(tài)×0×× ×置零10× ×預置數(shù)×110 1保持×11× 0保持（但C=0）111 1計數(shù)表1. 74LS160N的功能表計時電路可分為“時”,“分”，“秒”三部分計時。以“秒”計時為例，它要求兩片74LS160N構成60進制計數(shù)器，計數(shù)從0開始，到59后秒脈沖來時計數(shù)又變?yōu)?，如此循環(huán)。而且在“秒”由59變?yōu)?時要產(chǎn)生“進位信號”，使“分”的計時加1.首先將計“秒”的十位和個位的芯片分別編號為2，1.片1的CLK端接秒脈沖，它的RCO端在它計數(shù)從9變?yōu)?時由“1”變?yōu)椤?”

10、，把它接到片2的CLK端作為進位信號。采用兩片74LS00N將片2的Q2，Q1端接到片2的清零端，當計數(shù)為“60”時，片2計數(shù)為“6”，它的Q2，Q1端都為“1”，則兩片芯片的清零端都有效，計數(shù)清零。因為74LS160N是異步清零，故數(shù)碼管上不會顯示“60”，而是顯示由“59”變?yōu)?.“秒”計時電路圖如圖7所示。圖7. 秒計時電路利用相同的原理再做一個60進制計數(shù)器計“分”，考慮到“秒”計時清零時片2的RCO端由“1”變?yōu)椤?”，這一下降沿信號可作為進位信號接到“分”計時的個位計數(shù)芯片的CLK端，當“秒”計時清零時“分”計時加1.類似的做一個24進制計數(shù)器計“時”，將它的十位計數(shù)芯片的Q1端和

11、個位計數(shù)芯片的Q2端接到兩個芯片的清零端，并將“分”計時的十位計數(shù)芯片的U13A端作為進位信號接到“時”計數(shù)的個位計數(shù)芯片的CK1端，這樣“分”計時清零時“時”計數(shù)加1.根據(jù)上述原理可得到計時電路，如圖8所示。 圖8. 計時電路圖 3.3 譯碼和顯示電路我所采用的譯碼和顯示器件為DCD_EX_BLUE。此器件為譯碼和顯示一體器件。此處只需按照相應的引腳連接即可。3.4調時調分控制電路調時調分的原理是將“時”“分”計時電路原來所接的進位信號切換為單脈沖，各通過一個單刀雙擲開關實現(xiàn)信號切換。單脈沖由一個帶彈簧的開關模擬，把它接在與電源相連的線路中，當開關按下去時線路連通為高電平，彈起時線路斷開為低

12、電平，開關一次按下和彈起就是一個下降沿脈沖，可以使計時器計數(shù)加1，這樣可以通過這個開關調時和調分。電路圖如 所示 ： 圖9. 校時校分電路3.5整點報時電路 整點報時電路如圖10所示。它由一個多諧振蕩器，一個NPN型三極管和一個揚聲器組成，當振蕩器工作時，三極管驅動揚聲器發(fā)出震蕩音頻。但是這個振蕩器的4腳和VCC之間接了一個上拉電阻，那么4腳處就不一定是高電平，當它為低電平時振蕩器不工作，只有當它為高電平時振蕩器才工作，那么只要找到合適的信號接到4腳，當需要報時此信號為高電平，其他時間為低電平，就可以實現(xiàn)報時功能。我想把報時功能設置成整點前十秒蜂鳴器開始鳴叫，十秒后停止鳴叫即為整點。注意到某點

13、59分50秒后的十秒鐘內，“5”“9”“5”對應的8421BCD碼為0101 1001 0101，將3塊芯片上對應的輸出為“1”的輸出端相與輸出為高電平，把它接到振蕩器4腳上，在整點前十秒蜂鳴器會報時。在其它時間這六個輸出端不可能同時為“1”，即他們相與的輸出為低電平，振蕩器不會工作，不會報時。如此可以實現(xiàn)整點報時功能。 圖 10.報時電路圖3.6 清零控制電路清零功能要求在“清零”后，“秒”數(shù)碼管顯示為0，但計時電路仍然工作。此功能是通過兩個帶彈簧的開關來實現(xiàn)的。通過兩個開關分別接至74160N芯片的CLR端，當按下開關時CLR端將變?yōu)榈碗娖?，從而實現(xiàn)清零。但是此處需要考慮一個問題，即“秒”

14、計時器十位端如果將開關直接接在CLR端是不可以的，因為CLR端平時為高電平，而當直接接上在按下開關時會導致短路。故此處應加入一個電阻以實現(xiàn)電壓的拉升。從而實現(xiàn)“清零”的作用。六、元件清單序號名稱數(shù)量174LS160N8片2DCD_HEX_BLUE6片34012B6片474LS00N8片574LS00N8片674F04D2片7555定時器1片8單刀雙擲開關2個9帶彈簧的開關4個10蜂鳴器1個1110K電阻2個12100K電阻2個135K電阻2個1418nf電容1個15100uF電容1個四、 調試與檢測 調試過程中遇到的問題主要是開關校時問題。當把“時”，“分”原來所接的進位信號切換為按鍵脈沖時，

15、本想是作為一個控制開關來實現(xiàn)主這樣的功能，但是實際上在切換開關的過程中也會使時鐘進位。這是因為在扳動開關的過程中產(chǎn)生了信號的高低電平轉換，進而形成了進位信號，導致當調整好電路后扳回開關時繼續(xù)進一。因此我對調時電路作了改進，改為調節(jié)“時”，“分”時，將它們原來所接的進位信號切換為秒脈沖信號，這個信號是比較穩(wěn)定的，避免了機械開關的抖動問題。當時間調好時，只要將CP信號切換回原來的進位信號即可恢復正常計時。五、體會和總結 課程設計是我們運用所學知識，動手實踐的一個很好的機會。它既可以幫助我們加深對所學知識的理解，又能提高我們運用知識，聯(lián)系實際，動手實踐的能力。而且在設計過程中可能用到我們沒學過的知識，需要我們去查閱資料獲取相關信息，這又提高了我們查找信息和學習新知識的能力。在實物的調試與檢測過程中，又會遇到許多意想不到的問題，需要我們去分析原因和解決問題。有些現(xiàn)象能夠證明我們所學知識的正確性，有些現(xiàn)象有說明理論和現(xiàn)實是有差異的，比如數(shù)字鐘的調時問題。理論上彈簧開關模擬單脈沖是可行的，但實際的“機械抖動”會影響調時的準確性和穩(wěn)