數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)——數(shù)字鐘

1、四川工業(yè)科技學(xué)院電子信息工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)專業(yè)名稱: 電子信息工程 課程名稱： 數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)課題名稱： 自動(dòng)節(jié)能燈設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)人員： 蔡志荷指導(dǎo)教師： 廖俊東2018年1月10日 模擬電子技術(shù) 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、課題名稱：數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)二、技術(shù)指標(biāo)：（1）掌握數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)、組裝和調(diào)試方法。（2）熟練使用proteus仿真軟件。（3）熟悉各元件的作用以及注意事項(xiàng)。三、要求：（1）設(shè)畫出總體設(shè)計(jì)框圖，以說明數(shù)字鐘由哪些相對(duì)獨(dú)立的功能模塊組成，標(biāo)出各個(gè)模塊之間互相聯(lián)系。（2）設(shè)計(jì)各個(gè)功能模塊的電路圖，加上原理說明。（3）選擇合適的元器件，設(shè)計(jì)、選擇合適的輸入信號(hào)和輸出方式，確保電路正確性。指導(dǎo)教師：廖俊

2、東學(xué) 生：蔡志荷電子信息工程學(xué)院2018 年 1 月 10 日課程設(shè)計(jì)報(bào)告書評(píng)閱頁課題名稱：數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)班 級(jí)：15級(jí)電子信息工程4班姓 名：蔡志荷 2018 年 1 月 10 日指導(dǎo)教師評(píng)語：考核成績(jī)： 指導(dǎo)教師簽名：20 年 月 目 錄摘 要1第1章 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求21.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)數(shù)字鐘簡(jiǎn)介21.2 具體要求21.3 設(shè)計(jì)要求3第2章 元件清單及主要器件介紹42.1 元件清單42.2 主要器件介紹42.2.1 74LS90計(jì)數(shù)42.2.2 74LS4752.2.3 七段數(shù)碼顯示器7第3章 設(shè)計(jì)原理與電路83.1 計(jì)時(shí)電路83.1.1 計(jì)秒、計(jì)分電路83.1.2 計(jì)時(shí)電路103.2 校時(shí)電

3、路113.2.1 報(bào)時(shí)鎖存信號(hào)133.2.2 報(bào)時(shí)13第4章 仿真結(jié)果及誤差分析154.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果154.2 實(shí)時(shí)分析15第5章 設(shè)計(jì)總結(jié)16參考文獻(xiàn)17四川工業(yè)科技學(xué)院數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)摘 要本次課程設(shè)計(jì)的主題是數(shù)字電子鐘。干電路系統(tǒng)由秒信號(hào)發(fā)生器、“時(shí)、分、秒”計(jì)數(shù)器、顯示器、整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路組成。秒信號(hào)產(chǎn)生器是整個(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，這里用多諧振蕩器加分頻器來實(shí)現(xiàn)。將標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)送入“秒計(jì)數(shù)器”，“秒計(jì)數(shù)器”采用60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，每累計(jì)60秒發(fā)出一個(gè)“分脈沖”信號(hào)，該信號(hào)將作為“分計(jì)數(shù)器”的時(shí)鐘脈沖?！胺钟?jì)數(shù)器”也采用60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，每累計(jì)60分鐘，發(fā)出一個(gè)“時(shí)脈沖”信號(hào)，

4、該信號(hào)將被送到“時(shí)計(jì)數(shù)器”。“時(shí)計(jì)數(shù)器”采用24進(jìn)制計(jì)時(shí)器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)一天24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)送到七段顯示譯碼器譯碼，通過七位LED七段顯示器顯示出來。整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路時(shí)根據(jù)計(jì)時(shí)系統(tǒng)的輸出狀態(tài)產(chǎn)生一脈沖信號(hào)，然后去觸發(fā)蜂鳴器實(shí)現(xiàn)報(bào)時(shí)。數(shù)字電子時(shí)鐘優(yōu)先編碼電路、譯碼電路將輸入的信號(hào)在顯示器上輸出；用控制電路和調(diào)節(jié)開關(guān)對(duì)LED顯示的時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)，以上兩部分組成主體電路。通過譯碼電路將秒脈沖產(chǎn)生的信號(hào)在報(bào)警電路上實(shí)現(xiàn)整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能等，構(gòu)成擴(kuò)展電路。本次設(shè)計(jì)由震蕩器、秒計(jì)數(shù)器、分計(jì)數(shù)器、時(shí)計(jì)數(shù)器、BCD-七段顯示譯碼/驅(qū)動(dòng)器、LED七段顯示數(shù)碼管設(shè)計(jì)了數(shù)字時(shí)鐘電

5、路，可以實(shí)現(xiàn)：計(jì)時(shí)、顯示，時(shí)、分校時(shí)，整點(diǎn)報(bào)時(shí)等功能。關(guān)鍵詞：數(shù)字時(shí)鐘，振蕩器，計(jì)數(shù)器，報(bào)時(shí)電路第1章 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)數(shù)字鐘簡(jiǎn)介數(shù)字鐘電路是一款經(jīng)典的數(shù)字邏輯電路，它可以是一個(gè)簡(jiǎn)單的秒鐘，也可以只計(jì)分和時(shí)，還可以計(jì)秒、分、時(shí)，分別為12進(jìn)制或24進(jìn)制，外加校時(shí)和整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路。 數(shù)字鐘已成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚纳钊沼闷?。廣泛用于個(gè)人家庭以及車站、碼頭、劇場(chǎng)、辦公室等公共場(chǎng)所，給人們的生活、學(xué)習(xí)、工作、娛樂帶來極大的方便。由于數(shù)字集成電路技術(shù)的發(fā)展和采用了先進(jìn)的石英技術(shù)，使數(shù)字鐘具有走時(shí)準(zhǔn)確、性能穩(wěn)定、集成電路有體積小、功耗小、功能多、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)。 因此本次設(shè)計(jì)就用數(shù)字集

6、成電路和一些簡(jiǎn)單的邏輯門電路來設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字式電子鐘，使其完成時(shí)間及星期的顯示功能。多功能數(shù)字鐘采用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)對(duì)“時(shí)”、“分”、“秒”數(shù)字顯示的計(jì)時(shí)裝置。具有時(shí)間顯示、走時(shí)準(zhǔn)確、顯示直觀、精度、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，電路裝置十分小巧,安裝使用也方便而受廣大消費(fèi)的喜愛。1.2 具體要求1、掌握組合邏輯電路、時(shí)序邏輯電路及數(shù)字邏輯電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、測(cè)試方法；2、進(jìn)一步鞏固所學(xué)的理論知識(shí)，提高運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析和解決實(shí)際問題的能力；3、提高電路布局，布線及檢查和排除故障的能力。1.3 設(shè)計(jì)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)功能的電子鐘。2、用中小規(guī)模集成電路組成電

7、子鐘，并在實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行組裝、調(diào)試3、畫出框圖和邏輯電路圖、寫出設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)總結(jié)報(bào)告。4、整點(diǎn)報(bào)時(shí)。在59分51秒時(shí)輸出信號(hào)，音頻持續(xù)10秒，在結(jié)束時(shí)刻為整點(diǎn)。第2章 元件清單及主要器件介紹2.1 元件清單1、74LS90（6個(gè)）2、74LS47（6個(gè)）3、74LS00（6個(gè)）4、74LS20（6個(gè)）5、74LS04（6個(gè)）6、共陽七段數(shù)碼顯示器（6個(gè)）7、蜂鳴器（1個(gè)）8、快關(guān)若干，電阻若干2.2 主要器件介紹2.2.1 74LS90計(jì)數(shù)本題目核心器件是計(jì)數(shù)器，常用的有同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74HC160以及異步二、五、十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS90.這里選用的是74LS90芯片。74LS90的引腳圖如圖2

8、-1表示。圖2-174LS90內(nèi)部是由兩部分電路組成的。一部分是由時(shí)鐘CKA與一位觸發(fā)器Q0組成的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，可記一位二進(jìn)制數(shù)；另外一部分是由時(shí)鐘CKB與三個(gè)觸發(fā)器Q1、Q2、Q3組成的五進(jìn)制異步計(jì)數(shù)器，可記五個(gè)數(shù)000111.如果把Q0和CKB連接起來，CKB從Q0取信號(hào)，外部時(shí)鐘信號(hào)接到CKA上，那么由時(shí)鐘CKA和Q0、Q1、Q2、Q3組成十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。R0(1)和R0(2)是異步清零端，兩個(gè)同時(shí)為高電平有效；R9(1)和R9(2)是置9端，兩個(gè)同時(shí)為高電平時(shí)，Q3Q2Q1Q0=1001,；正常計(jì)數(shù)時(shí)，必須保證R0(1)和R0(2)中至少一個(gè)接低電平，R9(1)和R9(2)中至少一個(gè)接低

9、電平。74LS90的功能表如表2-1所示。表2-12.2.2 74LS4774LS47的引腳圖如圖2-3表示。圖2-3譯碼為編碼的逆過程。它將編碼時(shí)賦予代碼的含義“翻譯”過來。實(shí)現(xiàn)譯碼的邏輯電路成為譯碼器。譯碼器輸出與輸入代碼有唯一的對(duì)應(yīng)關(guān)系。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。表2-2列出了74LS47的真值表，表示出了它與數(shù)碼管之間的關(guān)系。表2-2H=高電平，L=低電平，=不定74LS47譯碼器原理如圖2-4.圖2-474LS47是BCD-7段數(shù)碼管譯碼器/驅(qū)動(dòng)器， 74LS47的功能用于將BCD碼轉(zhuǎn)化成數(shù)碼塊中的數(shù)字,通過它解碼， 可以直接把數(shù)字轉(zhuǎn)換為

10、數(shù)碼管的顯示數(shù)字， 從而簡(jiǎn)化了程序，節(jié)約了 單片機(jī)的IO開銷。因此是一個(gè)非常好的芯片！但是由于目前從節(jié)約成本的角度考慮， 此類芯片已較少用， 大部份情況下都是用動(dòng)態(tài)掃描數(shù)碼管的形式來實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管顯示。2.2.3 七段數(shù)碼顯示器共陽極七段數(shù)碼管引腳圖如圖2-5表示。圖2-5LED數(shù)碼管中的發(fā)光二極管共有兩種連接方法：1、共陰極接法：把發(fā)光二極管的陰極連在一起構(gòu)成公共陰極。使用時(shí)公共陰極接地，這樣陽極端輸入高電平的段發(fā)光二極管就導(dǎo)通點(diǎn)亮，而輸入低電平的則不點(diǎn)亮。實(shí)驗(yàn)中使用的LED顯示器為共陰極接法。2、共陽極接法：把發(fā)光二極管的陽極連在一起構(gòu)成公共陽極。使用時(shí)公共陽極接5V。這樣陰極端輸入低電平的段

11、發(fā)光二極管就導(dǎo)通點(diǎn)亮，而輸入高電平的則不點(diǎn)亮，而輸入高電平的則不點(diǎn)亮。注：課設(shè)中使用的是共陽極數(shù)碼管。第3章 設(shè)計(jì)原理與電路3.1 計(jì)時(shí)電路計(jì)時(shí)電路共分三部分：計(jì)秒、計(jì)分、計(jì)時(shí)。其中計(jì)秒和記分都是60進(jìn)制，而計(jì)時(shí)為24進(jìn)制。難點(diǎn)在于三者之間進(jìn)位信號(hào)的實(shí)現(xiàn)。3.1.1 計(jì)秒、計(jì)分電路1、個(gè)位向十位的進(jìn)位實(shí)現(xiàn)。用兩片74LS90異步計(jì)數(shù)器接成一個(gè)一步的60進(jìn)制計(jì)數(shù)器。所謂異步60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，即兩片74LS90的時(shí)鐘不一致。各位時(shí)鐘為1Hz方波來計(jì)秒，十位計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)需要從個(gè)位計(jì)數(shù)器來提供。進(jìn)位信號(hào)的要求是在十個(gè)秒脈沖中只產(chǎn)生一個(gè)下降沿，且與第十秒的下降沿對(duì)齊。只能從個(gè)位計(jì)數(shù)器的輸出端來提供，不

12、可能從其輸入端來找。而計(jì)數(shù)器的輸出端只有Q0、Q1、Q2、Q3四個(gè)信號(hào)，要么是其中一個(gè)，要么是它們之間的邏輯運(yùn)算結(jié)果。把個(gè)位的四個(gè)輸出波形畫出來，如圖3-1所示。圖3-1由于74LS90是在時(shí)鐘的下降沿到來時(shí)計(jì)數(shù)，所以Q3正好符合要求，在10秒之內(nèi)只給出一個(gè)下降沿，且與第19秒的下降沿對(duì)齊。Q2雖然也只產(chǎn)生一個(gè)下降沿，但產(chǎn)生的時(shí)刻不對(duì)。這樣，個(gè)位和十位之間的進(jìn)位信號(hào)就找到了，把個(gè)位的Q3（11端）連接到十位的CKA（14端）上。2、六十進(jìn)制的實(shí)現(xiàn)當(dāng)幾秒到59時(shí)，希望回00.此時(shí)個(gè)位正好計(jì)滿十個(gè)數(shù)，不用清零即可自動(dòng)從9回0；十位應(yīng)接成六進(jìn)制，即從05循環(huán)計(jì)數(shù)。用異步清零法，當(dāng)6出現(xiàn)的瞬間，即Q3

13、Q2Q1Q0=0110時(shí)，同時(shí)給R0(1)和R0(2)高電平，使這個(gè)狀態(tài)變成0000，由于6出現(xiàn)時(shí)間很短，被0取代。接線如圖3-2所示。圖3-2當(dāng)十位計(jì)數(shù)到6時(shí)，輸出0110，其中正好有兩個(gè)高電平，把這兩個(gè)高電平Q2和Q1分別接到74LS90的R0(1)和R0(2)端，即可實(shí)現(xiàn)清零。一旦清零，Q2和Q1都為0，不能再繼續(xù)清零，恢復(fù)正常計(jì)數(shù)，直到下次再同時(shí)為1。計(jì)秒電路的仿真圖如圖3-2所示，計(jì)分電路和計(jì)秒電路是完全一致的，只是周期為1S的時(shí)鐘信號(hào)改成了周期為60秒即1分鐘的時(shí)鐘信號(hào)。3、秒向分的進(jìn)位信號(hào)的實(shí)現(xiàn)積分電路的關(guān)鍵問題是找到秒向分的進(jìn)位信號(hào)。當(dāng)秒電路計(jì)到59秒時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)高電平，在計(jì)到

14、60秒時(shí)變成低電平，來一個(gè)下降沿送給計(jì)分電路做時(shí)鐘。計(jì)秒電路在計(jì)到59時(shí)的十位和個(gè)位的狀態(tài)分別為0101和1001，把這四個(gè)1與起來即可，即十位的Q2和Q0，個(gè)位的Q3和Q0，與的結(jié)果作為進(jìn)位信號(hào)。使用74LS20四入與非門串反相器構(gòu)成與門，如圖3-3所示。圖3-3計(jì)分電路與計(jì)秒電路一樣，只是四輸入與門產(chǎn)生的信號(hào)應(yīng)標(biāo)識(shí)為59分。3.1.2 計(jì)時(shí)電路用兩片74LS90實(shí)現(xiàn)二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器，首先把兩片74LS90都接成十進(jìn)制，并且兩片之間連接成具有十的進(jìn)位關(guān)系，即接成一百進(jìn)制計(jì)數(shù)器，然后在計(jì)到24時(shí)，十位和個(gè)位同時(shí)清理。計(jì)到24時(shí)，十位的Q1=1，個(gè)位的Q2=1，應(yīng)分別把這兩個(gè)信號(hào)連接到雙方芯片的

15、R0（1）和R0(2)端。如個(gè)位的Q2接到兩個(gè)74LS90的R0(1)清零端，十位的Q1接到兩個(gè)74LS90的R0(2)清零端。計(jì)時(shí)電路的個(gè)位時(shí)鐘信號(hào)來自秒、分電路產(chǎn)生59分59秒兩個(gè)信號(hào)相與的結(jié)果，如圖3-4所示。圖3-4計(jì)分和計(jì)時(shí)電路可以先單獨(dú)用秒脈沖調(diào)試，以節(jié)省時(shí)間。聯(lián)調(diào)時(shí)，可把秒脈沖的頻率加大。圖3-5是一個(gè)鏈接好的簡(jiǎn)單的沒有校時(shí)和報(bào)時(shí)的數(shù)字時(shí)鐘電路。圖3-5圖中為了把數(shù)顯集中到一塊，可以直接把時(shí)、分、秒的數(shù)碼管拖動(dòng)到一起。但為了仿真時(shí)使器件管件的邏輯狀態(tài)顯示不影響數(shù)顯的效果，可以從主菜單中把邏輯顯示去掉即可。3.2 校時(shí)電路接下來把校時(shí)電路加上，校時(shí)電路主要完成校分和校時(shí)。選擇較分時(shí)

16、，撥動(dòng)一次開關(guān)，分自動(dòng)加一；選擇校時(shí)時(shí)，撥動(dòng)一次開關(guān)，小時(shí)自動(dòng)加一。校時(shí)校分應(yīng)準(zhǔn)確無誤，能實(shí)現(xiàn)理想的時(shí)間校對(duì)。校時(shí)校分時(shí)應(yīng)切斷秒、分、時(shí)計(jì)數(shù)電路之間的進(jìn)位連線。如圖3-6，紅色線框內(nèi)是校時(shí)電路，由去抖動(dòng)電路和選擇電路組成。圖3-6其中，計(jì)到59分的信號(hào)已有，如圖3-6中所示。只需把它和計(jì)秒電路的十位中的Q2Q0相與作為開始報(bào)時(shí)的一個(gè)條件即可。見圖3-7，U16:A和U10:D組成的與門輸出即為報(bào)時(shí)開始信號(hào)。圖3-73.2.1 報(bào)時(shí)鎖存信號(hào)用秒個(gè)位的計(jì)數(shù)器輸出進(jìn)行四高一低的報(bào)時(shí)鎖存信號(hào)?，F(xiàn)在來分析一下5059秒之間秒個(gè)位的狀態(tài)。秒個(gè)位：Q3 Q2 Q1Q0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0

17、 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1結(jié)合題目要求，通過這些狀態(tài)的觀察發(fā)現(xiàn)，秒個(gè)位的Q3和Q0邏輯與后，正好在秒個(gè)位計(jì)到1、3、5、7時(shí)產(chǎn)生高電平，0、2、4、6時(shí)產(chǎn)生低電平，可作低四聲報(bào)時(shí)的鎖存信號(hào)；秒個(gè)位的Q3和Q0邏輯與后，正好在秒個(gè)位為9時(shí)產(chǎn)生高電平，可做高音的報(bào)時(shí)鎖存信號(hào)；這樣就產(chǎn)生了兩個(gè)報(bào)時(shí)鎖存信號(hào)。3.2.2 報(bào)時(shí)把上述分析所得到的的報(bào)時(shí)開始信號(hào)分別和兩個(gè)報(bào)時(shí)鎖存信號(hào)相與，產(chǎn)生兩路報(bào)時(shí)鎖存信號(hào)，如圖3-7，上面一路為高音報(bào)時(shí)鎖存，下面一路為低音報(bào)時(shí)鎖存。圖中左面三個(gè)與非門實(shí)現(xiàn)的是與或邏輯，前面已介紹

18、。上下兩路報(bào)時(shí)鎖存信號(hào)分別與1kHz和500Hz的音頻信號(hào)（20Hz30kHz）相與或來驅(qū)動(dòng)數(shù)字喇叭，實(shí)現(xiàn)整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能。這里喇叭使用元件SOUNDER,它接收數(shù)字信號(hào)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，把59分50秒這個(gè)報(bào)時(shí)開始信號(hào)直接用高電平取代，這樣比較省時(shí)。另外實(shí)際連接電路時(shí)，可用555定時(shí)器產(chǎn)生一個(gè)1kHz的方波，再經(jīng)D觸發(fā)器二分屏得到500Hz的方波信號(hào)。計(jì)時(shí)電路的1Hz方波也可由555定時(shí)器產(chǎn)生，但由于標(biāo)準(zhǔn)電阻和電容值的選擇會(huì)帶來一些積累誤差，也可選用其他更精確的振蕩電路來實(shí)現(xiàn)。第4章 仿真結(jié)果及誤差分析4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果成功設(shè)計(jì)一個(gè)有“時(shí)”、“分”、“秒”（23小時(shí)59分59秒）顯示，有校時(shí)功能的電子鐘。能夠?qū)崿F(xiàn)整點(diǎn)報(bào)時(shí)。在59分51秒時(shí)輸出信號(hào)，音頻持續(xù)10秒，在結(jié)束時(shí)刻為整點(diǎn)。且能夠正常仿真。如圖4-1是完整的數(shù)字鐘電路圖。圖4-14.2 實(shí)時(shí)分析本次課程設(shè)計(jì)電路完全按照仿真圖所連的，在測(cè)試時(shí)，當(dāng)開始進(jìn)行時(shí)校時(shí)時(shí)，沒有出現(xiàn)問題，但當(dāng)進(jìn)行到分校時(shí)時(shí)，發(fā)現(xiàn)計(jì)數(shù)電路的秒電路開始亂跳出錯(cuò)。因此，電路一定是有地方出錯(cuò)了，在反復(fù)對(duì)照后，