多功能數(shù)字鐘電路的設計與仿真_上海大學

1、電子技術課程設計報告多功能數(shù)字鐘電路的設計與仿真上海大學機自學院自動化系電氣工程及其自動化專業(yè)姓名:*學號:*指導老師:徐昱琳2015年6月26日一、任務及要求 用中小型規(guī)模集成電路設計一個多功能數(shù)字鐘電路，在EDA軟件上完場硬件系統(tǒng)的仿真。多功能數(shù)字鐘電路的技術指標如下：時間以24小時為一個周期; 數(shù)值顯示時、分、秒; 有校時功能,可以分別對時及分進行單獨校時,使其校正到標準時間; 具有整點報時功能,當時間到達整點前5秒進行蜂鳴報時; 具有鬧鐘功能，當時間到達預設的時間進行蜂鳴鬧鈴； 為了保證計時的穩(wěn)定及準確須由石英晶體振蕩器提供時間基準信號。二、數(shù)字鐘介紹。數(shù)字鐘的構成：數(shù)字式計時器應由秒

2、發(fā)生裝置、計秒，計分，計時部分、時間顯示部分、時間校正和鬧鐘報時等幾部分組成。所涉及的電子器件主要有振蕩器、加法計數(shù)器、譯碼器、顯示器、寄存器、比較器等。其中，振蕩器組成標準秒信號發(fā)生器；由不同進制的計數(shù)器、譯碼器和顯示器組成計時，顯示系統(tǒng)；寄存器和比較器構成定點報時系統(tǒng)。其結構原理圖如下：三、詳細的電路模塊及電路設計過程如下：（1）、秒脈沖器。秒脈沖器可以產(chǎn)生頻率為1Hz的方波信號。其精確程度直接影響到電子鐘計時的精確程度。實驗要求使用石英晶體振蕩器作為秒脈沖器，提供時間基準信號。石英晶體構成的秒脈沖器結構圖如下：CD4060由一振蕩器和14級二進制串行計數(shù)器位組成。其中的振蕩器與石英電路構

3、成石英振蕩器，可產(chǎn)生頻率為32768Hz=215Hz的方波信號。再通過14級二進制計數(shù)器分頻。通過14次分頻后可產(chǎn)生頻率為2Hz的方波信號。再將2Hz的方波信號通過D觸發(fā)器進行分頻，可獲得頻率為1Hz的秒脈沖信號。74LS74芯片介紹：74LS74是雙路D 型上升沿觸發(fā)器 ，帶獨立的數(shù)據(jù)（D）輸入、時鐘 （CP）輸入、設置（SD）和復位（RD）輸入、以及互補的Q和Q輸出。設置和復位為異步低電平有效，且不依賴于時鐘輸入。74LS74數(shù)據(jù)輸入口的信息在時鐘脈沖的上升沿傳輸?shù)絈口。為了獲得預想中的結果，D輸入必須在時鐘脈沖上升沿來臨之前，保持穩(wěn)定一段就緒時間。 仿真中可用74LS74中的D觸發(fā)器來對

4、2Hz的方波信號進行分頻以獲得頻率為1Hz的秒脈沖信號。最終的石英晶體秒脈沖電路如下圖所示：由于Mulitisim軟件不能仿真4060的晶體振蕩電路，無法生成秒脈沖。故仿真電路中暫時以電壓為5V，頻率為1Hz的方波信號代替石英晶體振蕩電路。實際中則使用上圖中的石英晶體秒脈沖電路。（2）、計時電路：分和秒的計時電路由60進制的計數(shù)器構成，其中個位為十進制計數(shù)器；十位為六進制計數(shù)器。二者級聯(lián)即可構成60進制計數(shù)器。小時的計時電路由24進制，其中個位為十進制計數(shù)器，只不過十位為2時個位需要滿四清零；十位為二進制計數(shù)器，實現(xiàn)方法是個位為4，十位為2時反饋清零。二者級聯(lián)即可構成24進制計數(shù)器。計數(shù)芯片選

5、用74HC160。74HC160芯片的管腳與74HC161的管腳完全相同，不過160為10進制計數(shù)器，161位四位二進制即16進制計數(shù)器。相比之下160使用起來更簡單。計數(shù)方法采用反饋清零法。分秒計時電路如下：其中IO18是狀態(tài)輸出端，接譯碼器；IO9是進位端，接下一個計時電路的CP端；IO10是初始CP輸入端，接秒脈沖信號。U2為十進制計數(shù)器，當個位計數(shù)到9時，RCO會輸出一個高電平，個位清零時高電平立即消失，其余時刻均為低電平。即剛剛到9時，會輸出上升沿，剛剛清零時，輸出下降沿。通過非門，則可以在剛剛清零時輸出上升沿，從而實現(xiàn)對十位的進位。U1為六進制計數(shù)器，通過反饋清零法實現(xiàn)計數(shù)。當清零

6、信號與電源VCC信號的與非即可獲得進位信號。小時計時電路如下圖：其中IO18是狀態(tài)輸出端，接譯碼器；IO9是CP輸入端，接分計時器的進位端。U1為十進制計數(shù)器，當個位計數(shù)到9時，RCO會輸出一個高電平，個位清零時高電平立即消失，其余時刻均為低電平。即剛剛到9時，會輸出上升沿，剛剛清零時，輸出下降沿。通過非門，則可以在剛剛清零時輸出上升沿，從而實現(xiàn)對十位的進位。當小時的十位數(shù)值為2時，則U1必須滿四清零，這個通過與非門U3A實現(xiàn)。U2為二進制計數(shù)器，實現(xiàn)方法個位4和十位2的同時反饋清零。這個通過與非門U3A實現(xiàn)。（3）、譯碼電路及顯示電路為了能夠使計時電路的狀態(tài)能夠變?yōu)槭M制數(shù)字顯示，必須要將計

7、時電路輸出的二進制數(shù)值通過譯碼器輸出到顯示器。譯碼芯片選擇CD4511芯片。顯示器選用七段數(shù)字顯示器。CD4511芯片介紹：CD4511 是一片 CMOS BCD鎖存/7 段譯碼/驅(qū)動器，用于驅(qū)動共陰極 LED （數(shù)碼管）顯示器的 BCD 碼。特點：具有BCD轉換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動功能的CMOS電路能提供較大的拉電流?？芍苯域?qū)動共陰LED數(shù)碼管。A0A3：二進制數(shù)據(jù)輸入端CD4511引腳圖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VSS：電源負CD4511真值表如下七段數(shù)字顯示器介紹它是將七個發(fā)光二極管按一定的方式排列起來，七段a、b

8、、c、d、e、f、g各對應一個發(fā)光二極管，利用不同發(fā)光段的組合，顯示不同的阿拉伯數(shù)字。 (a)數(shù)字顯示器分段布置圖 (b)段組合圖七段數(shù)字顯示器的內(nèi)部接法 (a) 共陽極電路 (b)供應及電路譯碼電路及顯示電路圖如下：其中電阻R1作用是穩(wěn)定數(shù)值顯示,IO14為計時狀態(tài)輸入端，接計時器的狀態(tài)輸出端。（4）、時間校準電路校時電路有各類開關組成，開關類型見圖校時電路圖如下：其中IO1與IO4串聯(lián)在小時個位計時芯片CP端和分十位計時進位端之間，IO2與IO5串聯(lián)在分個位計時芯片CP端和秒十位計時進位端之間，IO3與IO5串聯(lián)在秒個位計時芯片CP端和秒脈沖信號端之間。開關S4在上方是為校準狀態(tài)，在下方為

9、計時狀態(tài)。S1為調(diào)時按鈕，S2為調(diào)分按鈕，S3為調(diào)秒按鈕。（5）、整點報時電路整點報時電路要求在59分55到59分59秒均輸出高電平供電給蜂鳴器，促使蜂鳴器發(fā)生?？梢詫⒂嫊r芯片輸出的二進制狀態(tài)通過各種門組合，使其在特定的時間輸出高電平。整點報時電路圖如下：其中U1最上端為多余端，與非門多余端接高電平。IO1IO9分別接：分的十位的計時芯片Qc、Qa輸出端，個位的計時芯片的Qd、Qa輸出端，秒的十位的計時芯片的Qc、Qa輸出端，個位的計時芯片的Qc、Qb、Qc、Qa、Qd輸出端。（6）鬧鐘電路鬧鐘電路由兩部分電路組成，一個為定時電路，用來儲存輸入的預置的鬧鐘信號，另一個為比較電路，用來比較鬧鐘信

10、號與計時電路的輸出信號是否一致，若一致則輸出高電平來促使蜂鳴器工作。定時電路的電路與計時電路基本一致。去掉計時電路的秒，并且將小時、分的個位的芯片CP端接手動調(diào)成按鈕，即可獲得鬧鐘電路鬧鐘電路的定時電路部分如下圖所示其中IO116分別按順序連接比較電路的各B接口。同時為了顯示方便，IO116還要接額外譯碼顯示電路。鬧鐘電路的比較電路部分，鬧鐘的比較部分需要用到數(shù)值比較器。這里可以用74HC85芯片。74HC85是四位數(shù)值比較器。將四片74HC85芯片串聯(lián)起來就可以得到16位數(shù)值比較器。串聯(lián)的方法便是將其中一片85芯片的各I端口依次與另一個85芯片的Q端口相連。各A端口和各B端口用于輸入用來比較

11、的數(shù)值。74HC85的功能表如下鬧鐘的比較部分的電路圖如下其中各A端口按序依次接計時電路的狀態(tài)輸出，各B端口按序依次接定時電路的狀態(tài)輸出（7）、總電路圖如下其中為了連線方便以及連線整潔，電路圖使用了總線連接的方法（粗線為總線）。四、電路的仿真及指標驗證。（1）、打開仿真開關。（2）、仿真校準時間功能：把校準開關往右撥，進入校準狀態(tài)。調(diào)節(jié)計時時間為9點29分。然后將校準開關往左撥，進入計時狀態(tài)。電子鐘正常工作。如下圖所示，已經(jīng)走了7秒。（3）仿真整點報時：為了顯示清楚，蜂鳴器旁邊再接一個指示燈。這樣便于觀察。將時間調(diào)到9點59分30秒，然后計時。到9點59分55秒時，指示燈亮，說明蜂鳴器工作，1

12、0點00分00秒時，指示燈熄滅，說明蜂鳴器停止工作。蜂鳴器工作持續(xù)5秒鐘調(diào)至59分30秒，初始燈不亮：計入計時狀態(tài)，到了59分55秒，燈亮：到了10點00分00秒，燈熄滅：（4）、仿真鬧鐘功能：將鬧鐘定時至10點01分，開始計時：鬧鐘定時按鈕在下方 時間走到10點01分00秒，指示燈亮，說明蜂鳴器工作：一分鐘后，定時時間與計時時間不同，指示燈滅，表明蜂鳴器停止工作：五、個人小結多功能數(shù)字電子鐘電路的設計需要用到許多芯片，這就要求我對各類芯片功能有較好的掌握。通過查閱數(shù)電教科書以及百度文庫中對74HC系列芯片的相關介紹，我對各類芯片的功能有了一定的掌握。數(shù)字鐘電路線非常多，連起來非常麻煩。在軟件中，我看到總線。通過了解，我發(fā)現(xiàn)線路非常多時，可以將各種線