多功能電子時(shí)鐘的設(shè)計(jì)

摘要多功能電子鐘的設(shè)計(jì)其目的是在工頻交流電的條件下實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，并附加整點(diǎn)報(bào)時(shí)，定時(shí)鬧叫等功能。該電路主要由直流電源、555震蕩電路、分頻電路、時(shí)分校正電路、秒分時(shí)計(jì)數(shù)電路、譯碼顯示電路等幾局部組成，通過555計(jì)時(shí)器產(chǎn)生1000Hz脈沖信號后經(jīng)過幾級分頻產(chǎn)生秒脈沖再經(jīng)過計(jì)數(shù)和譯碼最終在數(shù)碼管上顯示時(shí)間，校正電路可以對分和時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，附加的整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路可實(shí)現(xiàn)整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能。目錄1設(shè)計(jì)任務(wù)和要求………11.1設(shè)計(jì)任務(wù)…………21.2設(shè)計(jì)要求…………22系統(tǒng)設(shè)計(jì)………………22.1系統(tǒng)要求…………22.2方案設(shè)計(jì)…………22.3系統(tǒng)工作原理……………………33單元電路設(shè)計(jì)…………43.1振蕩電路…………43.1.1電路結(jié)構(gòu)及工作原理………43.1.2電路仿真……………………53.1.3元器件的選擇及參數(shù)確定…………………53.2分頻器電路………63.2.1電路結(jié)構(gòu)及工作原理………63.2.2電路仿真……………………73.2.3元器件的選擇及參數(shù)確定…………………73.3時(shí)間計(jì)數(shù)器電路……………………83.3.1電路結(jié)構(gòu)及工作原理………3.3.2元器件的選擇及參數(shù)確定…………………3.4譯碼顯示電路……………………3.4.1電路結(jié)構(gòu)及工作原理………3.4.2電路仿真……………………3.4.3元器件的選擇及參數(shù)確定…………………3.5校正電路…………3.5.1電路結(jié)構(gòu)及工作原理……3.5.2元器件的選擇及參數(shù)確定…………………3.6整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路…………………3.6.1電路結(jié)構(gòu)及工作原理………3.6.2元器件的選擇及參數(shù)確定…………………3.7電源電路…………3.7.1電路結(jié)構(gòu)及工作原理………3.7.2元器件的選擇及參數(shù)確定…………………4系統(tǒng)仿真…………………5電路安裝、調(diào)試與測試…………………5.1電路安裝……………5.2電路調(diào)試……………5.3系統(tǒng)功能及性能測試………………5.3.1測試方法設(shè)計(jì)……………………5.3.2測試結(jié)果及分析…………………6結(jié)論………………………7參考文獻(xiàn)…………………8總結(jié)、體會和建議……………………9附錄…………………1設(shè)計(jì)任務(wù)和要求1.1設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)多功能電子鐘使其能夠準(zhǔn)確顯示時(shí)間且具有校時(shí)校分等根本功能。1.2設(shè)計(jì)要求根本要求1、數(shù)字形式顯示時(shí)、分、秒，在分和秒之間顯示“：〞，并按1次/秒的速度閃爍；2、每日以24小時(shí)為一個(gè)記時(shí)周期；3、有校正功能，能夠在任何時(shí)刻對電子鐘進(jìn)行方便的校正；4、電源：220V/50HZ的工頻交流電供電；〔注：直流電源局部僅完成設(shè)計(jì)即可，不需制作，用實(shí)驗(yàn)室提供的穩(wěn)壓電源調(diào)試，但要求設(shè)計(jì)的直流電源能夠滿足電路要求〕5、按照以上技術(shù)要求設(shè)計(jì)電路，繪制電路圖，對設(shè)計(jì)的電路用Multisim或OrCAD/PspiceAD9.2進(jìn)行仿真，用萬用板焊接元器件，制作電路，完成調(diào)試、測試，撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告。發(fā)揮局部：1、有定時(shí)鬧叫功能，能夠按照任意預(yù)先設(shè)置的時(shí)間鬧叫，驅(qū)動小型揚(yáng)聲器工作，并要求在鬧叫狀態(tài)能夠手動消除鬧叫；2、整點(diǎn)時(shí)刻通過揚(yáng)聲器給出提示。2系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)要求數(shù)字鐘能將“時(shí)〞，“分〞，“秒〞進(jìn)行顯示，計(jì)時(shí)周期為24小時(shí)，顯示滿刻度為23時(shí)59分59秒，另外應(yīng)有校時(shí)等附加功能。2.2方案設(shè)計(jì)一個(gè)根本的數(shù)字鐘電路主要由譯碼顯示器、“時(shí)〞，“分〞，“秒〞計(jì)數(shù)器、校時(shí)電路、報(bào)時(shí)電路和振蕩器組成。圖1為電子鐘原理框圖。2.3系統(tǒng)工作原理秒脈沖信號發(fā)生器是整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)基信號，用555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器加分頻器來實(shí)現(xiàn)。將標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號送入“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，該信號將作為“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，該信號將被送到“時(shí)計(jì)數(shù)器〞。譯碼顯示電路將“時(shí)〞、“分〞、“秒〞、“星期〞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。校時(shí)電路時(shí)用來對“時(shí)〞、“分〞、“秒〞顯示數(shù)字進(jìn)行校對調(diào)整。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，然后去觸發(fā)一音頻發(fā)生器實(shí)現(xiàn)報(bào)時(shí)。振蕩器電路振蕩器電路分頻器電路校正電路譯碼驅(qū)動譯碼驅(qū)動譯碼驅(qū)動譯碼驅(qū)動譯碼驅(qū)動譯碼驅(qū)動時(shí)十位計(jì)數(shù)時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)分十位計(jì)數(shù)分個(gè)位計(jì)數(shù)秒十位計(jì)數(shù)秒個(gè)位計(jì)數(shù)電源電路整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路圖1電子鐘原理框圖圖1電子鐘原理框圖3單元電路設(shè)計(jì)3.1振蕩電路3.1.1電路結(jié)構(gòu)及工作原理振蕩器電路由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。工作原理：如圖3所示，將555定時(shí)器的VI1和VI2相連接成施密特觸發(fā)器，然后將VOD經(jīng)R2和C組成的積分電路接到施密特觸發(fā)器的輸入端即可構(gòu)成多諧振蕩器。圖3用555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器圖4電壓波形圖圖2555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器圖3用555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器圖4電壓波形圖圖2555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器分析得電容上的電壓VC將在VT+與VT-之間往復(fù)振蕩，VC和VO的波形如圖4所示，由圖4中VC的波形求得電容C的充電時(shí)間T1和放電時(shí)間T2各為T1=〔R1+R2〕Cln〔VCC-VT+〕/〔VCC-VT-〕=〔R1+R2〕Cln2〔3.1.1〕T2=R2Cln(0-VT+)/(0-VT-)=R2Cln2〔3.1.2〕故電路的振蕩周期為T=T1+T2=〔R1+2R2〕Cln2〔3.1.3〕振蕩頻率為f=1/T=1/〔R1+2R2〕Cln2〔3.1.4〕通過改變R和C的參數(shù)即可改變振蕩頻率。3.1.2電路仿真仿真電路如圖5所示圖5仿真電路仿真結(jié)果如圖6所示。仿真結(jié)果分析：時(shí)間軸比例為2ms/Div,計(jì)算得頻率為1KHz圖6圖6多諧振蕩器輸出脈沖波形3.1.3元器件的選擇及參數(shù)確定1.555定時(shí)器的選擇及參數(shù)確定：NE555是屬于555系列的計(jì)時(shí)IC的其中的一種型號，其特點(diǎn)有：只需簡單的電阻器、電容器，即可完成特定的震蕩延時(shí)作用。其延時(shí)范圍廣，可由幾微秒至幾小時(shí)之久；它的操作電源范圍極大，可與TTL,CMOS等邏輯閘配合，也就是它的輸出準(zhǔn)位及輸入觸發(fā)準(zhǔn)位，均能與這些邏輯系列的高、低態(tài)組合。其輸出端的供應(yīng)電流大，可直接推動多種自動控制的負(fù)載；它的計(jì)時(shí)精確度高、溫度穩(wěn)定度佳，且價(jià)格廉價(jià)。NE555參數(shù)功能特性：供電電壓4.5-18V供電電流3-6V輸出電流225mA上升/下降時(shí)間100ns2.電容選擇及參數(shù)確定：C1選100nF，C2選10nF3.電阻選擇及參數(shù)確定：R2選5.1K,由式〔3.1.4〕計(jì)算得到R1=4K3.2分頻器電路3.2.1電路結(jié)構(gòu)及工作原理分頻器電路結(jié)構(gòu)如圖7所示。圖7分頻器電路圖圖7分頻器電路圖工作原理：分頻器電路將1KHz的高頻方波信號經(jīng)3級計(jì)數(shù)器74LS160分頻后得到1Hz的方波信號供秒計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，分頻器實(shí)際上也就是計(jì)數(shù)器。3.2.2電路仿真電路仿真圖如圖8所示。振蕩電路經(jīng)過三片74LS160分頻后依次產(chǎn)生頻率為100Hz、10Hz、1Hz的脈沖信號，其一級分頻〔即經(jīng)過一片74LS160產(chǎn)生100Hz的脈沖信號〕仿真結(jié)果如圖9所示。仿真結(jié)果分析：時(shí)間軸比例為10ms/Div,計(jì)算得一級分頻所得頻率為100Hz.圖8分頻器電路仿真圖圖9一級分頻仿真結(jié)果3.2.3元器件的選擇及參數(shù)確定74LS160的選擇：選用HD74LS160其管腳分布如下列圖所示圖1074LS160管腳分布引出端符號：

TC進(jìn)位輸出端

CEP計(jì)數(shù)控制端

Q0－Q3輸出端

CET計(jì)數(shù)控制端CP時(shí)鐘輸入端〔上升沿有效〕

/MR異步去除輸入端〔低電平有效〕

/PE同步并行置入控制端〔低電平有效〕

極限值：

電源電壓------------------------------------------------7V

輸入電壓

54/74160-----------------------------------------5.5V

54/74LS160---------------------------------------7V

CEP與CET間電壓

54/74160-----------------------------------------5.5V

工作環(huán)境溫度

54×××------------------------------－55～125℃

74×××------------------------------------0～70℃

貯存溫度--------------------------------------－65～150℃

推薦工作條件：

CT54160/CT74160CT54LS160/CT74LS1603.3時(shí)間計(jì)數(shù)器電路3.3.1電路結(jié)構(gòu)及工作原理時(shí)間計(jì)數(shù)電路由秒個(gè)位和秒十位計(jì)數(shù)器、分個(gè)位和分十位計(jì)數(shù)器、時(shí)個(gè)位和時(shí)十位計(jì)數(shù)器及星期計(jì)數(shù)器電路構(gòu)成，其中秒個(gè)位和秒十位計(jì)數(shù)器、分個(gè)位和分十位計(jì)數(shù)器為60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，時(shí)個(gè)位和時(shí)十位計(jì)數(shù)器為24進(jìn)制計(jì)數(shù)器。1.60進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路如圖11所示圖11六十進(jìn)制計(jì)時(shí)器電路60進(jìn)制計(jì)數(shù)器仿真電路如圖12所示圖1260進(jìn)制計(jì)數(shù)器仿真電路結(jié)果分析：由仿真電路圖可知可由兩片十進(jìn)制計(jì)數(shù)器構(gòu)成一個(gè)60進(jìn)制計(jì)數(shù)器2.24進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路如圖13所示圖13二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路24進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路仿真電路如圖14所示結(jié)果分析：由圖可知，由兩片十進(jìn)制計(jì)數(shù)器可產(chǎn)生一個(gè)24進(jìn)制計(jì)數(shù)器。3.3.2元器件的選擇及參數(shù)確定74LS160的選擇：選用HD74LS1603.4譯碼顯示電路3.4.1電路結(jié)構(gòu)及工作原理譯碼顯示電路原理圖如圖13所示電路由譯碼器集成電路CD4511、共陰極LED數(shù)碼管組成。計(jì)數(shù)器74LS161輸出的為四位二進(jìn)制數(shù)，經(jīng)譯碼電路譯碼輸出端控制LED管顯示十進(jìn)制數(shù)0~9。譯碼顯示電路選用BCD-7段鎖存譯碼／驅(qū)動器CC4511。七段顯示數(shù)碼管的外部引線排列如圖14所示：圖13譯碼顯示電路原理圖圖14七段顯示數(shù)碼管的外部引線排列圖CD4511是一個(gè)用于驅(qū)動共陰LED顯示器的BCD碼—七段碼譯碼器，其引腳如圖15所示：圖15CD4511引腳圖其功能介紹如下：BI：當(dāng)BI=0時(shí)，不管其它輸入端狀態(tài)如何，七段數(shù)碼管均處于熄滅狀態(tài)，不顯示數(shù)字。LT：當(dāng)BI=1，LT=0時(shí)，不管輸入DCBA狀態(tài)如何，七段均發(fā)亮，顯示“8〞。它主要用來檢測數(shù)碼管是否損壞。LE：使能控制端，當(dāng)LE=0時(shí)，允許譯碼輸出。DCBA：為8421BCD碼輸入端。abcdefg：為譯碼輸出，輸出為高電平。CD4511的EI、LI端接高電平，LE端接低電平，輸入端D、C、B、A接74LS161的輸出端QA、QB、QC、QD。，其輸出端a~f接數(shù)碼管。3.5校正電路3.5.1電路結(jié)構(gòu)及工作原理校正電路原理圖如圖16所示電路結(jié)構(gòu)：校正電路由兩個(gè)單刀單擲開關(guān)S1、S2，一個(gè)單刀雙擲開關(guān)S3，SR鎖存器，兩個(gè)與非門，兩個(gè)異或門以及限流電阻等器件組成。結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。工作原理：該電路實(shí)現(xiàn)了對分和秒的校正，當(dāng)開關(guān)S1閉合S2翻開時(shí)，S3每開合一次分個(gè)位加1，實(shí)現(xiàn)了00分到59分的調(diào)節(jié)；同理當(dāng)開關(guān)S1翻開S2閉合時(shí)，S3每開合一次時(shí)個(gè)位加1，實(shí)現(xiàn)了00時(shí)到24時(shí)的調(diào)節(jié)。圖16校正電路原理圖3.5.2元器件的選擇及參數(shù)確定1.兩輸入與非門74LS00：選用SN74LS00，其管腳圖如圖17所示圖17SN74LS00管腳圖其功能表如圖18所示圖1874LS00功能表2.兩輸入異或門74LS86：選86用HD74LS86，其管腳分布如圖19所示圖1974LS86管腳分布圖其功能表如圖20所示圖2074LS86功能表3.兩個(gè)單刀單擲開關(guān)，一個(gè)單刀雙擲開關(guān)4.四個(gè)電阻均為10K3.6整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路3.6.1電路結(jié)構(gòu)及工作原理整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路結(jié)構(gòu)圖如圖21所示圖21整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路結(jié)構(gòu)圖3.6.3元器件的選擇及參數(shù)確定1．蜂鳴器2．三極管S80503．六輸入與門：由兩個(gè)三輸入與門相與而成，選擇芯片SN74LS21，其管腳排列如圖22所示圖2274LS21管腳分布圖3.7電源電路3.7.1電路結(jié)構(gòu)及工作原理圖235V穩(wěn)壓電源電路圖如圖23所示電路為輸出電壓+5V、輸出電流1.5A的穩(wěn)壓電源。它由電源變壓器B，橋式整流電路D1～D4，濾波電容C1、C3，防止自激電容C2、C3和一只固定式三端穩(wěn)壓器(7805)極為簡捷方便地搭成的。220V交流市電通過電源變壓器變換成交流低壓，再經(jīng)過橋式整流電路D1～D4和濾波電容C1的整流和濾波，在固定式三端穩(wěn)壓器LM7805的Vin和GND兩端形成一個(gè)并不十分穩(wěn)定的直流電壓(該電壓常常會因?yàn)槭须婋妷旱牟▌踊蜇?fù)載的變化等原因而發(fā)生變化)。此直流電壓經(jīng)過LM7805的穩(wěn)壓和C3的濾波便在穩(wěn)壓電源的輸出端產(chǎn)生了精度高、穩(wěn)定度好的直流輸出電壓。本穩(wěn)壓電源可作為電子鐘電路的電源。3.7.2元器件的選擇及參數(shù)確定1.二極管D1-D42.電容C1=2200uFC2，C4=0.1uFC3=100uF3.三端穩(wěn)壓器S7805，其管腳如圖24所示圖247805管腳分布圖系統(tǒng)仿真多功能電子鐘的整體仿真電路如圖25所示5電路安裝、調(diào)試與測試5.3系統(tǒng)功能及性能測試5.3.1測試方法設(shè)計(jì)5.3.2測試結(jié)果及分析6結(jié)論7參考文獻(xiàn)高等教育出版社閻石主編的《數(shù)字電子技術(shù)根底〔第五版〕》中南大學(xué)出版社孫勝麟郭兆南主編的《電子技術(shù)根底實(shí)驗(yàn)與仿真》8總結(jié)、體會和建議前一個(gè)星期，我主要是設(shè)計(jì)自己的電路圖并仿真。我首先將自己的電路設(shè)計(jì)分成了3個(gè)大