數(shù)字電子鐘設(shè)計

1、課程設(shè)計(論文)題 目 名 稱 電子時鐘設(shè)計 課 程 名 稱 專業(yè)課程設(shè)計I 學(xué) 生 姓 名 學(xué) 號 系 、專 業(yè) 信息工程系、電子信息工程 指 導(dǎo) 教 師 數(shù)字電子鐘設(shè)計 摘要數(shù)字電子鐘一般由秒信號發(fā)生器、“時、分、秒”計數(shù)器、譯碼器及顯示器、校時電路等組成。秒信號是整個系統(tǒng)的時基信號，它直接決定計時系統(tǒng)的精度，一般用石英晶體振蕩器加分頻器來實現(xiàn)，也可以用555振蕩器，本設(shè)計用的就是555芯片。將秒信號送入秒計數(shù)器，它是六十進制計數(shù)器。每累計六十秒發(fā)出一個“分脈沖”信號，這個信號作為“分計數(shù)器”的時鐘脈沖?！胺钟嫈?shù)器”也是六十進制計數(shù)器，它每累計六十分鐘，發(fā)出一個“時脈沖”信號，此信號將被送

2、到“時計數(shù)器”。“時計數(shù)器”采用二十四進制計數(shù)器，可以實現(xiàn)一天二十四小時的累計。譯碼顯示電路將“時”、“分”、“秒”計數(shù)器的輸出狀態(tài)經(jīng)七段顯示譯碼器譯碼，通過六位LED顯示器顯示出來。校時電路是用來對“時”、“分”、“秒”顯示數(shù)字進行校對調(diào)整的。本文通過對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)計過程讓我們對電子鐘的設(shè)計有了清楚的認識。 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-41.1 設(shè)計目的-41.2 設(shè)計內(nèi)容及要求-41.3設(shè)計方案-

3、41.4 電子時鐘實現(xiàn)原理-41.5 電子時鐘原理框圖-61.6 具體電路實現(xiàn)-72 秒信號產(chǎn)生電路-92.1 555芯片簡介-92.2 秒信號產(chǎn)生電路原理圖-93 進制計數(shù)器電路-103.1 74ls160芯片簡介-103.2 60進制計數(shù)器電路原理-113.3 24進制計數(shù)器電路原理-144 數(shù)碼管顯示電路-154.1 74ls47芯片簡介-154.2 顯示電路實現(xiàn)-165 校時電路原理-165.1 74ls138芯片簡介-165.2 校時電路實現(xiàn)-175.3 校時脈沖輸入實現(xiàn)-196 電子時鐘具體仿真實現(xiàn)-196.1 計時仿真-196.2 校時仿真-21總結(jié)-23參考文獻-241基本工作

4、原理及框圖1.1 設(shè)計目的（1）課程設(shè)計目的是訓(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，針對具體的應(yīng)用，完成電子設(shè)計。（2）掌握電子應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計方法。（3）學(xué)習(xí)電子設(shè)計軟件PROTEUS等的應(yīng)用。（4）掌握數(shù)字電路系統(tǒng)的設(shè)計方法、裝調(diào)技術(shù)及計數(shù)器的設(shè)計，使得學(xué)生將所掌握的電子技術(shù)理論知識與實際相結(jié)合，提高學(xué)生的動手設(shè)計能力和科研創(chuàng)新能力，更好的培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。1.2 設(shè)計內(nèi)容及要求（1） 設(shè)計一個有“時”，“分”，“秒”（23小時59分59秒）顯示，且有校時功能的電子時鐘。（2） 在仿真軟件中仿真。（3） 畫出框圖和邏輯電路圖，寫出設(shè)計，實驗總結(jié)報

5、告。1.3設(shè)計方案數(shù)字電子鐘由555振蕩器、計數(shù)器、譯碼器顯示器和校時電路組成。振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)定的秒脈沖信號,作為數(shù)字鐘的時間基準(zhǔn),然后經(jīng)過輸出標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖到各個計數(shù)器。秒計數(shù)器滿60后向分計數(shù)器進位,分計數(shù)器滿60后向小時計數(shù)器進位,小時計數(shù)器按照“24翻1”規(guī)律計數(shù)。計數(shù)器的輸出分別經(jīng)譯碼器送顯示器顯示。計時出現(xiàn)誤差時,可以用校時電路校時、校分、校秒。校時電路由一個計數(shù)器來接受外部信號用于選擇功能，再通過翻譯電路翻譯成具體的校時控制。當(dāng)選定好對那個數(shù)據(jù)進行校準(zhǔn)時，再通過另外一個按鈕來輸入校時信號。1.4 電子時鐘實現(xiàn)原理電子時鐘設(shè)計最重要是又有精確的秒信號的產(chǎn)生。本設(shè)計的電子時鐘的秒信號脈沖的

6、是有555振蕩芯片產(chǎn)生，產(chǎn)生的脈沖信號連續(xù)兩個相同邊沿信號之間的間隔恰好是1S。秒鐘到分鐘，分鐘到小時的進制都是60進制，那么就可以用同一種結(jié)構(gòu)來解決，第一級計數(shù)器為十進制，第二級計數(shù)器為6進制，都是有74ls160芯片來實現(xiàn)。小時是24進制，由第一級一個4進制計數(shù)器，第二級一個2進制計數(shù)器實現(xiàn)。第一級計數(shù)器還必須在當(dāng)?shù)诙売嫈?shù)器沒有到達2是能實現(xiàn)10進制，所以這里用了一個2輸入的與門，一個輸入時第二級74ls160的第二根線，及十進制的2輸出的這根線，當(dāng)這根線為高電平時，第一級的計數(shù)器就是能實現(xiàn)4進制。顯示電路有6個74ls47來解析每個74ls160計數(shù)器的輸出信號，在輸出給6個7段數(shù)碼管

7、顯示。校時電路通過一個74ls160芯片接收手動從外部按鈕的輸入脈沖信號來選擇對那個時鐘數(shù)字進行校準(zhǔn)，接受的信號有74ls138解析后分別對應(yīng)74ls138的6個輸出端，每個輸出端對應(yīng)一個校時功能。默認是自動計時，當(dāng)有外部輸入時就停止計時，時鐘顯示靜止，外部輸入信號個數(shù)從16時，分別選擇對秒鐘的個位，秒鐘的十位，分鐘的個位，分鐘的十位，小時的個位，小時的十位進行校準(zhǔn)。當(dāng)輸入第7個信號時重新開始計時。在每一級計數(shù)器之間都有一個三態(tài)門，用來控制計數(shù)器之間的進位，這些三態(tài)門都由74ls138的Y0輸出端來控制，Y0輸出端是控制計時的輸出端，當(dāng)為低電平時計時，當(dāng)為高電平時就校時，高電平輸出到各個三態(tài)門

8、控制其通斷，來控制計數(shù)器之間在校時時的相互干擾。1.5 電子時鐘原理框圖 圖1-1 電子時鐘原理框圖1.6具體電路實現(xiàn)具體電路圖的前半部分如圖1-2所示。 圖1-2 電子時鐘實際電路圖前部圖具體電路后半部分如圖1-3所示。 圖1-3 電子時鐘實際電路圖后部圖2 秒信號產(chǎn)生電路2.1 555芯片簡介555芯片內(nèi)部包括兩個電壓比較器，三個等值串聯(lián)電阻，一個 RS 觸發(fā)器，一個放電管 T 及功率輸出級。它提供兩個基準(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 秒信號產(chǎn)生電路原理圖555芯片原理圖如圖2-1所示。 圖2-1 555芯片實際連

9、線圖經(jīng)仿真的到如圖2-2所示的脈沖信號。 圖2-2 555芯片輸出脈沖波形圖由圖2-2中數(shù)據(jù)可知兩個相同邊沿之間的時間間隔是1秒。3.0 進制計數(shù)器電路3.1 74ls160芯片簡介 74ls160這種同步可預(yù)置十進計數(shù)器是由四個D型觸發(fā)器和若干個門電路構(gòu)成，內(nèi)部有超前進位，具有計數(shù)、置數(shù)、禁止、直接（異步）清零等功能。對所有觸發(fā)器同時加上時鐘，使得當(dāng)計數(shù)使能輸入和內(nèi)部門發(fā)出指令時輸出變化彼此協(xié)調(diào)一致而實現(xiàn)同步工作。這種工作方式消除了非同步（脈沖時鐘）計數(shù)器中常有的輸出計數(shù)尖峰。緩沖時鐘輸入將在時鐘輸入上升沿觸發(fā)四個觸發(fā)器。它的功能表如表3-1所示 表3-1 74ls160功能表3.2 60進

10、制計數(shù)器電路原理 電子表中秒鐘到分鐘，分鐘到時鐘都是60進制的。電子表顯示是有兩位數(shù)，一位顯示十位數(shù)，是6進制的，一位顯示個位數(shù)，是10進制的。所以從秒到分，從分到時都需要兩塊74ls160芯片。第一塊10進制，輸出到第二塊6進制的脈沖輸入端。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。秒計數(shù)器個位連接圖如圖3-1所示。 圖3-1 秒計數(shù)器個位實際連接圖由圖3-1可知，74ls160預(yù)置數(shù)位0，且自動清零。秒計數(shù)器十位連接圖如圖3-2所示。 圖3-2 秒計數(shù)器十位實際連接圖由上圖3-3可知，在74ls160芯片輸出端將第1根線和第3根線接入一個3輸入與門，此與門的

11、第3根線接時鐘信號。當(dāng)芯片的輸出為5是，時鐘信號再來一個脈沖到第3根線，那么與門的輸出就改變了，就向下一級芯片輸出了一個脈沖。這就完成了一個6進制計數(shù)。分鐘個位連接如圖3-3所示。 圖3-3 分鐘個位實際連接圖從上圖3-3可以看出分鐘個位計數(shù)器的原理和秒鐘個位計數(shù)器的原理是一樣的。分鐘十位連接如圖3-4所示。 圖3-4 分鐘十位實際連接圖從上圖3-4可以看出分鐘十位計數(shù)器的原理和秒鐘個位計數(shù)器的原理是一樣的。3.3 24進制計數(shù)器電路原理電子時鐘的小時是24進制的，十位為二進制，個位為4進制的，而個位計數(shù)器還需要能顯示0到9的數(shù)字。這都需要芯片的外圍電路來控制了。小時計數(shù)器的個位連接如圖3-5

12、所示。 圖3-5 小時個位實際連接圖小時計數(shù)器的十位連接如圖3-6所示。 圖3-6 小時十位實際連接圖要實現(xiàn)24進制，要將小時十位計數(shù)器的第2根線和小時個位計數(shù)器的第3根線接入一個2輸入的與門，再連接小時個位和小時十位芯片的置零端。這樣當(dāng)計數(shù)器數(shù)到24是就兩塊芯片同時置零。當(dāng)沒有記數(shù)到24是小時個位計數(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 顯示電路實現(xiàn)數(shù)碼管顯示就用的是74ls47芯片把74ls160計數(shù)器上的輸出的4個2進

13、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)碼管顯示電路實際連接圖5 校時電路原理5.1 74ls138芯片簡介此芯片工作原理是當(dāng)一個選通端（E1）為高電平，另兩個選通端（(/E2)和/(E3)）為低電平時，可將地址端（A0、A1、A2）的二進制編碼在Y0至Y7對應(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 校時電路實現(xiàn) 校時電路是有兩個按鈕，一個74ls160芯片,一個74ls138芯片，以及一些門器件實現(xiàn)的。通過一個74ls160芯片來選擇校時的功能，選擇

14、是只需通過一個按鈕開關(guān)輸入脈沖即可。連線如圖5-1所示。 圖5-2 校時電路功能選擇連接圖選擇的功能通過2進制數(shù)字形式通過74ls160的輸出端輸送給下一級的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進制數(shù)字翻譯成相應(yīng)的輸出，反應(yīng)給對應(yīng)的控制線，完成相應(yīng)的控制。在本實驗中74ls138把信號翻譯成低電平輸出，選擇與接受的2進制數(shù)對應(yīng)的10進制數(shù)大小相等的那個輸出端輸出低電平。當(dāng)沒有功能選擇時，芯片默認Y0輸出端位低電平，即運行計時功能。當(dāng)選擇Y1Y6中的其中一個是，即是選擇對秒的個位，秒的十位，分鐘的個位，分鐘的十位，小時的個位，

15、小時的十位進行校時。校時是有Y0將所有的ENP端置位低電平，有Y1Y6中的一個選擇對那個數(shù)據(jù)進行校時，就將他置1。連線如圖5-3所示。 圖5-3 校時功能控制電路連線圖這樣就能對有Y1Y6其中一條選擇的數(shù)字進行校準(zhǔn)了。5.3 校時脈沖輸入實現(xiàn)手動脈沖輸入實現(xiàn)如圖5-4所示。 圖5-4 校時脈沖控制電路圖 如圖5-4所示開始時默認為是低電平，通過一個電阻與地連接來實現(xiàn)。高電平通過按下按鈕來實現(xiàn)。6.電子時鐘具體仿真實現(xiàn)6.1 計時仿真秒鐘仿真時第一塊74ls160通過接收555芯片的輸出秒脈沖信號進行秒的個位的計時，秒的個位是十進制的，所以第一塊74ls160芯片不需要設(shè)置清零，芯片會自動清零。

16、每當(dāng)達到是后就會輸出一個脈沖發(fā)送給第二塊74ls160芯片，第二塊芯片是秒的個位，是六進制數(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，當(dāng)3輸入U15A在接受到第一塊74ls160芯片的一個高電平信號時，就反饋一個低電平信號給第二塊74ls160芯片的清零端，進行清零操作。完成一個60秒計時。秒計時仿真如圖6-1所示。 圖6-1 秒鐘校時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仿真和以上兩種仿真有不同之處，因為這里的小時顯示是24進制的，所以第一塊74ls160芯片既要能顯示09又要能在當(dāng)小時的十位為2時

17、在到計數(shù)到4是清零。所以有2輸入與門U16A的一個輸入端接小時十位計數(shù)芯片輸出的第2端口Q1,另一個輸入端接小時個位計數(shù)器的Q3，即當(dāng)小時達到20小時及以上時，且小時個位達到4時，U16A輸出低電平反饋給兩塊計數(shù)器清零。這就完成了一個24小時計時。 小時仿真如圖6-3所示。圖6-3 小時仿真電路圖6.2 校時仿真以對秒鐘的個位進行校準(zhǔn)為例。仿真圖如圖6-4所示。 圖6-4 校時仿真電路圖如圖6-4所示U23D三態(tài)門關(guān)閉，時鐘脈沖轉(zhuǎn)由手動輸入。U20的Y1輸出端口輸出低電平，U22D的三態(tài)門打開。秒鐘的第一級計數(shù)器進入計時狀態(tài)。U20的Y0輸出端口輸出高電平，使U22A,和U21D呈高阻狀態(tài)，進而使另外5塊計數(shù)器的ENP為低電平，進入非計時狀態(tài)。 總結(jié)這是一次常規(guī)的課程設(shè)計，從中不僅強化了我對過去所學(xué)知識的理解和掌握。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，和對自己所學(xué)專業(yè)的認識。課程設(shè)計更是一個把所學(xué)知識應(yīng)用于實踐的過程，它對我動手能力的提高不言而喻。同時我從這次課設(shè)中知道：知識不僅僅是寫在書本上