數(shù)字電路電子時(shí)鐘設(shè)計(jì)

數(shù)字電路電子時(shí)鐘設(shè)計(jì)姓名學(xué)號(hào)專(zhuān)業(yè)指導(dǎo)教師成績(jī)?nèi)掌跀?shù)字電路電子時(shí)鐘設(shè)計(jì)摘要：數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)的裝置，與機(jī)械式時(shí)鐘相比具有更高的準(zhǔn)確性和直觀性，且無(wú)機(jī)械裝置，具有更更長(zhǎng)的使用壽命，因此得到了廣泛的使用。數(shù)字鐘從原理上講是一種典型的數(shù)字電路，其中包括了組合邏輯電路和時(shí)序電路。目前，數(shù)字鐘的功能越來(lái)越強(qiáng)，并且有多種專(zhuān)門(mén)的大規(guī)模集成電路可供選擇。本設(shè)計(jì)通過(guò)簡(jiǎn)單的芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字電子鐘。要點(diǎn)在于用555芯片連接輸出為一秒的多諧振蕩器用于時(shí)鐘的秒脈沖，用74LS160（十進(jìn)制計(jì)數(shù)器）、74LS48（七段顯示譯碼管的驅(qū)動(dòng)）等連接成的60和24進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，再通過(guò)數(shù)碼管顯示，構(gòu)成簡(jiǎn)單數(shù)字時(shí)鐘。其中還包括校時(shí)功能。此數(shù)字鐘電路由振蕩器、分頻器、校時(shí)電路、顯示譯碼電路組成。本實(shí)驗(yàn)采用Multisim軟件進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果顯示此電路能完成上述要求，可實(shí)現(xiàn)上述一系列功能。關(guān)鍵詞：數(shù)字時(shí)鐘、計(jì)數(shù)器、555定時(shí)器、校時(shí)功能、仿真測(cè)試引言20世紀(jì)末，電子技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展，在其推動(dòng)下，現(xiàn)代電子產(chǎn)品幾乎滲透了社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，有力的推動(dòng)了社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展和社會(huì)信息化程度的提高，同時(shí)也使現(xiàn)代電子產(chǎn)品性能進(jìn)一步提高，產(chǎn)品更新?lián)Q代的節(jié)奏也越來(lái)越快。數(shù)字中作為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚奈锲罚瑥V泛用于個(gè)人家庭以及辦公室等公共場(chǎng)所，給人們的生活、學(xué)習(xí)、工作、娛樂(lè)帶來(lái)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、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，它還用于計(jì)時(shí)、自動(dòng)報(bào)時(shí)及自動(dòng)控制等各個(gè)領(lǐng)域。盡管目前市場(chǎng)上已有現(xiàn)成的數(shù)字鐘集成電路芯片出售，價(jià)格便宜，使用也方便，但鑒于數(shù)字鐘電路的基本組成包含了數(shù)字電路的主要組成部分，因此進(jìn)行數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)是必要的，研究數(shù)字鐘及擴(kuò)大其應(yīng)用，有著非常現(xiàn)實(shí)的意義。本次課程設(shè)計(jì)的目的在于培養(yǎng)學(xué)生對(duì)基本電路的應(yīng)用和掌握，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)原理的指導(dǎo)下，初步具備基本電路的分析和設(shè)計(jì)能力，并掌握其應(yīng)用方法；自行擬定實(shí)驗(yàn)步驟，檢查和排除故障、分析和處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果及撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的能力。綜合實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)目的是培養(yǎng)學(xué)生初步掌握小型數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力，包括選擇設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行電路設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試等環(huán)節(jié)，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)、提高實(shí)驗(yàn)技能的實(shí)踐。數(shù)字電子鐘是一種用數(shù)字顯示秒、分、時(shí)的記時(shí)裝置。數(shù)字電子鐘由于采用了石英技術(shù)，走時(shí)精度高、穩(wěn)定性好，不需要經(jīng)常調(diào)校，使用攜帶方便，與機(jī)械式時(shí)鐘相比具有更高的準(zhǔn)確性和直觀性，且無(wú)機(jī)械裝置，具有更長(zhǎng)的使用壽命。因而能得到廣泛的應(yīng)用，小到人們的日常生活中的電子手表、電子鬧鐘、大到車(chē)站、碼頭、機(jī)場(chǎng)等公共場(chǎng)所的大型數(shù)字顯示電子鐘。本設(shè)計(jì)通過(guò)簡(jiǎn)單的芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字電子鐘。要點(diǎn)在于用555芯片連接輸出為一秒的多諧振蕩器用于時(shí)鐘的秒脈沖，用74LS160（十進(jìn)制計(jì)數(shù)器）、74LS48（七段顯示譯碼管的驅(qū)動(dòng)）等連接成的60和24進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，再通過(guò)數(shù)碼管顯示，構(gòu)成簡(jiǎn)單數(shù)字時(shí)鐘。2方案認(rèn)證芯片方案一采用CMOS。CMOS電路是電壓控制器件，是一種低功耗器件。雖功耗低，但是當(dāng)電流過(guò)大時(shí)，會(huì)燒毀芯片，并且COMS電路的速度慢，傳輸延遲時(shí)間長(zhǎng)(25-50ns)。方案二采用TTL電路。TTL電路是電流控制器件，TTL電路的速度快，傳輸延遲時(shí)間短(5-10ns)，能到達(dá)很好的精度。通過(guò)以上兩種方案的比較，故選方案二。秒脈沖方案一采用1kHz經(jīng)過(guò)分頻后產(chǎn)生的秒脈沖?？梢岳檬⒕w產(chǎn)生32768Hz的頻率，然后經(jīng)過(guò)CD4060的十四分頻，再用74LS74二分頻就可以產(chǎn)生1Hz的脈沖。方案二直接采用555震蕩器產(chǎn)生的1Hz秒脈沖。由于1kHZ頻率相對(duì)較大，所以導(dǎo)致所需的電阻阻值很小，而且整體電路過(guò)于復(fù)雜，不易于實(shí)現(xiàn)。故選方案二。脈沖產(chǎn)生器方案一采用石英晶體振蕩器。石英晶體振蕩器具有體積小、重量輕、可靠性高、頻率穩(wěn)定度高等優(yōu)點(diǎn)。其具有極高的頻率穩(wěn)定，主要用在要求頻率十分穩(wěn)定的振蕩電路中作諧振元件，但成本相對(duì)較高。方案二采用NE555多諧振蕩器。NE555多諧振蕩器只需簡(jiǎn)單的電阻器、電容器，即可完成特定的振蕩延時(shí)作用。其延時(shí)范圍極，可由幾微秒至幾小時(shí)之久。其操作電源范圍廣，可與TTL，CMOS等邏輯電路配合，它的計(jì)時(shí)精確度高、溫度穩(wěn)定度佳，且成本較低。方案三采用單片機(jī)作為計(jì)時(shí)器。51單片機(jī)功能比較廣，功耗大，用來(lái)做數(shù)字時(shí)鐘浪費(fèi)。綜上所述分析，故選方案二。顯示模塊方案一采用LED顯示。LED數(shù)碼管顯示速度快，亮度高，顯示清晰，控制也較為簡(jiǎn)單。方案二采用低功耗LED顯示。雖然液晶有較低功耗且能夠較清晰的較多位數(shù)的數(shù)字和所有的字母，但是不太經(jīng)濟(jì)和不好控制。為了較好地控制和使用，選擇方案一。3系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)整體框圖數(shù)字時(shí)鐘是由555定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、譯碼器、數(shù)碼管組成。其中的555定時(shí)器組成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器，直接決定計(jì)時(shí)系統(tǒng)的精度。由不同進(jìn)制的計(jì)數(shù)器、譯碼器和顯示器組成計(jì)時(shí)系統(tǒng)。將標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)送入采用60進(jìn)制的“秒計(jì)數(shù)器”，每累計(jì)60秒就發(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。也采用60進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，每累計(jì)60分，就發(fā)出一個(gè)“時(shí)脈沖”信號(hào)，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)數(shù)器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)一天的累計(jì)。譯碼顯示電路將“時(shí)”、“分”、“秒”計(jì)數(shù)器的輸出狀態(tài)通過(guò)六位七段顯示器顯示出來(lái)。整個(gè)計(jì)數(shù)器電路由秒計(jì)數(shù)器、分計(jì)數(shù)器和時(shí)計(jì)數(shù)器組成。秒脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)6級(jí)計(jì)數(shù)器，分別得到秒個(gè)位、秒十位、分個(gè)位、分十位，以及時(shí)個(gè)位、時(shí)十位的計(jì)時(shí)。顯示6位的“時(shí)”、“分”、“秒”需要6個(gè)計(jì)數(shù)器。其中，秒和分計(jì)數(shù)器都是60進(jìn)制，時(shí)計(jì)數(shù)器為二十四進(jìn)制，都選用74LS160來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)的方法采用反饋清零法。系統(tǒng)整體框圖如圖3-1所示。該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)以下功能：由555芯片產(chǎn)生1HZ標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)。兩個(gè)74LS160來(lái)實(shí)現(xiàn)六十進(jìn)制秒、分計(jì)數(shù)器。兩個(gè)74LS160來(lái)實(shí)現(xiàn)二十進(jìn)制時(shí)計(jì)數(shù)器。由74ls48驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管進(jìn)行時(shí)鐘的顯示。具有按鈕調(diào)節(jié)時(shí)和分的功能。圖3-1系統(tǒng)整體框圖圖3-1系統(tǒng)整體框圖單元電路設(shè)計(jì)秒脈沖電路555

定時(shí)器成本低，性能可靠，只需要外接幾個(gè)電阻、電容，就可以實(shí)現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。它也常作為定時(shí)器廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、電子測(cè)量及自動(dòng)控制等方面。555定時(shí)器的內(nèi)部電路框圖和外引腳排列圖分別如圖2.9.1和圖2.9.2所示。它內(nèi)部包括兩個(gè)電壓比較器，三個(gè)等值串聯(lián)電阻，一個(gè)RS觸發(fā)器，一個(gè)放電管T及功率輸出級(jí)。它提供兩個(gè)基準(zhǔn)電壓VI1和VI2。芯片引腳圖如圖3-2所示。555定時(shí)器的功能主要由兩個(gè)比較器決定。兩個(gè)比較器的輸出電壓控制RS觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當(dāng)5腳懸空時(shí)，則電壓比較器C1的同相輸入端的電壓為VI2，C2的反相輸入端的電壓為VI1。若觸發(fā)輸入端TR的電壓小于VI1，則比較器C2的輸出為0，可使RS觸發(fā)器置1，使輸出端OUT=1。如果閾值輸入端TH的電壓大于VI2，同時(shí)TR端的電壓大于VI1，則C1的輸出為0，C2的輸出為1，可將RS觸發(fā)器置0，使輸出為0電平。圖3-2555定時(shí)器芯片引腳圖.圖3-2555定時(shí)器芯片引腳圖555定時(shí)器各個(gè)引腳功能如下：1腳：外接電源負(fù)端VSS或接地，一般情況下接地。2腳：低觸發(fā)端。3腳：輸出端Vo。4腳：是直接清零端。當(dāng)此端接低電平，則時(shí)基電路不工作，此時(shí)不論TR、TH處于何電平，時(shí)基電路輸出為“0”，該端不用時(shí)應(yīng)接高電平。5腳：VC為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內(nèi)部?jī)蓚€(gè)比較器的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)該端不用時(shí)，應(yīng)將該端串入一只0.01μF電容接地，以防引入干擾。6腳：TH高觸發(fā)端。7腳：放電端。該端與放電管集電極相連，用做定時(shí)器時(shí)電容的放電。8腳：外接電源VCC，雙極型時(shí)基電路VCC的范圍是4.5~16V，CMOS型時(shí)基電路VCC的范圍為3~18V。一般用5V。本設(shè)計(jì)脈沖電路用555定時(shí)器串接合適大小的電容、電阻來(lái)產(chǎn)生秒脈沖，其計(jì)算公式如下所示：T≈0.7*（R2+2R3)*C2F=1/T≈1.44/(R2+2R3)*C2計(jì)算得C2=10uf，R2=48kΩ，R1=48kΩ。其在電路中具體接法如下圖3-3所示。圖3-3秒脈沖單元電路圖3-3秒脈沖單元電路譯碼電路圖3-474ls48引腳圖74ls48為有內(nèi)部上拉電阻的BCD－七段譯碼器/驅(qū)動(dòng)器，其引腳圖如圖3-4所示。輸出端（Ya－Yg）為高電平有效，可驅(qū)動(dòng)燈緩沖器或共陰極VLED。當(dāng)要求輸出0-15時(shí)，消隱輸入（BI）應(yīng)為高電平或開(kāi)路，對(duì)于輸出為0時(shí)還要求脈沖消隱輸入（RBI）為高電平或者開(kāi)路。當(dāng)BI為低電平時(shí)，不管其它輸入端狀態(tài)如何，Ya－Yg均為低電平。當(dāng)RBI和地址端（A0－A3）均為低電平，并且燈測(cè)試輸入端（LT）為高電平時(shí)，Ya－Yg為低電平，脈沖消隱輸出（RBO）也變?yōu)榈碗娖?。?dāng)BI為高電平或開(kāi)路時(shí)，LT為低電平可使Ya－Yg均為高電平。圖3-474ls48引腳圖74ls48引出端符號(hào)和功能：A0－A3譯碼地址輸入端BI/RBO消隱輸入（低電平有效）/脈沖消隱輸出（低電平有效）LT燈測(cè)試輸入端（低電平有效）RBI脈沖消隱輸入端（低電平有效）Ya－Yg段輸出74ls48譯碼輸出樣式：圖3-5譯碼器驅(qū)動(dòng)電路圖3-5譯碼器驅(qū)動(dòng)電路秒計(jì)數(shù)器電路74ls160是同步可預(yù)置十進(jìn)計(jì)數(shù)器是由四個(gè)D型觸發(fā)器和若干個(gè)門(mén)電路構(gòu)成，內(nèi)部有超前進(jìn)位，具有計(jì)數(shù)、置數(shù)、禁止、直接（異步）清零等功能。對(duì)所有觸發(fā)器同時(shí)加上時(shí)鐘，使得當(dāng)計(jì)數(shù)使能輸入和內(nèi)部門(mén)發(fā)出指令時(shí)輸出變化彼此協(xié)調(diào)一致而實(shí)現(xiàn)同步工作。這種工作方式消除了非同步（脈沖時(shí)鐘）計(jì)數(shù)器中常有的輸出計(jì)數(shù)尖峰。緩沖時(shí)鐘輸入將在時(shí)鐘輸入上升沿觸發(fā)四個(gè)觸發(fā)器。其芯片引腳圖如圖3-6、內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3-7所示。74ls160工作特點(diǎn)：圖3-674ls160芯片引腳圖圖3-674ls160芯片引腳圖用于n位級(jí)聯(lián)的進(jìn)位輸出同步可編程序有置數(shù)控制線二極管箝位輸入直接清零同步計(jì)數(shù)圖3-774ls160內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖3-774ls160內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖這種計(jì)數(shù)器是可全編程的，即輸出可預(yù)置到任何電平。當(dāng)預(yù)置是同步時(shí)，在置數(shù)輸入上將建立一低電平，禁止計(jì)數(shù)，并在下一個(gè)時(shí)鐘之后不管使能輸入是何電平，輸出都與建立數(shù)據(jù)一致。清除是異步的（直接清零），不管時(shí)鐘輸入、置數(shù)輸入、使能輸入為何電平，清除輸入端的低電平把所有四個(gè)觸發(fā)器的輸出直接置為低電平。該芯片工作方式可參照表3-1所示。表3-174ls160工作方式表表3-174ls160工作方式表H=高電平、L=低電平、X=不定（高或低電平）、↑=由“低”→“高”電平的躍變。該電路由兩片74ls160連接成的60進(jìn)制秒計(jì)數(shù)器。其具體在電路中的接法如圖3-8所示。秒單元低位是十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，它的clk端接的是秒脈沖產(chǎn)生電路。高位接成六進(jìn)制計(jì)數(shù)器，它的脈沖信號(hào)是秒單元低位的進(jìn)位信號(hào)。當(dāng)高位計(jì)數(shù)為0110，即計(jì)數(shù)到6的時(shí)候在下個(gè)時(shí)鐘信號(hào)到來(lái)時(shí)通過(guò)清零端把秒單元兩片74ls160計(jì)數(shù)清零，這樣就形成了60進(jìn)制秒計(jì)數(shù)器。分計(jì)數(shù)器電路這是由兩片74ls160連接成的60進(jìn)制分計(jì)數(shù)器。分單元低位是十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，它的信號(hào)端接的是秒單元的進(jìn)位信號(hào)。高位接成六進(jìn)制計(jì)數(shù)器，它的脈沖信號(hào)是分單元低位的進(jìn)位信號(hào)。當(dāng)高位計(jì)數(shù)為0110，即計(jì)數(shù)到6的時(shí)候在下個(gè)時(shí)鐘信號(hào)到來(lái)時(shí)通過(guò)清零端把分單元兩片74ls160計(jì)數(shù)清零，這樣就形成了60進(jìn)制分計(jì)數(shù)器。其具體在電路中的接法如圖3-9所示。時(shí)計(jì)數(shù)器電路24進(jìn)制時(shí)計(jì)數(shù)器也是采用兩片74ls160連接而成的。其低位也是十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，信號(hào)端接的是分單元的進(jìn)位信號(hào)。高位的脈沖信號(hào)是時(shí)單元低位的進(jìn)位信號(hào)。當(dāng)高位計(jì)數(shù)為0010，低位為0100時(shí)，即時(shí)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到24的時(shí)候在下個(gè)時(shí)鐘信號(hào)到來(lái)時(shí)通過(guò)清零端把時(shí)單元兩片74ls160計(jì)數(shù)清零，這樣就形成了24進(jìn)制時(shí)計(jì)數(shù)器。其具體在電路中的接法如圖3-10所示。分計(jì)數(shù)電路時(shí)計(jì)數(shù)電路校準(zhǔn)電路本次設(shè)計(jì)通過(guò)按鍵來(lái)對(duì)數(shù)字時(shí)鐘進(jìn)行校正，按鍵的一端接地，另一端分別接分單元和時(shí)單元低位的信號(hào)端，通過(guò)按鍵產(chǎn)生的脈沖來(lái)分別對(duì)時(shí)、分單元進(jìn)行校正。由于開(kāi)關(guān)存在抖動(dòng)現(xiàn)象，所以在開(kāi)關(guān)兩端連接103電容來(lái)消除抖動(dòng)，使校準(zhǔn)電路更加穩(wěn)定。接法如圖3-11所示。4安裝和調(diào)試當(dāng)完成數(shù)字時(shí)鐘焊接后，通電發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管b端不亮，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)b端與g端線路連接錯(cuò)誤，改正以后又發(fā)現(xiàn)其中分的高位數(shù)碼管亮，但不變化不會(huì)計(jì)數(shù)，所以又NE555的輸出端增加一個(gè)LED燈，以檢測(cè)是否有信號(hào)輸出。時(shí)鐘能夠正常工作后，發(fā)現(xiàn)自己設(shè)計(jì)的校時(shí)電路不起作用。最初設(shè)計(jì)是通過(guò)插針直接把秒單元的脈沖信號(hào)接到分和時(shí)單元的進(jìn)位信號(hào)上，從而進(jìn)行校時(shí)。不過(guò)按照該設(shè)計(jì)進(jìn)行連接，當(dāng)校時(shí)的時(shí)候卻造成了整個(gè)電路的計(jì)時(shí)混亂。最后在電路板上加上了一個(gè)開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)一端接地線，當(dāng)需要進(jìn)行校時(shí)時(shí)，把開(kāi)關(guān)的另一端插到分單元或時(shí)單元的低位信號(hào)端引出的插針上即可進(jìn)行校時(shí)。不過(guò)按下開(kāi)關(guān)時(shí)不可避免的會(huì)造成抖動(dòng)，引起數(shù)碼管計(jì)數(shù)的跳動(dòng)，所以又在開(kāi)關(guān)兩端接上了一個(gè)103瓷片電容來(lái)消除抖動(dòng)影響。通過(guò)幾天的研究，做出來(lái)的數(shù)字時(shí)鐘整體效果很好，計(jì)數(shù)正常，校時(shí)也很穩(wěn)定。5結(jié)論這次課程設(shè)計(jì)是對(duì)以前所學(xué)數(shù)電知識(shí)的一次應(yīng)用和練習(xí)，從中不僅強(qiáng)化了我對(duì)教材中知識(shí)的理解和掌握。而且也拓展了我在數(shù)字電子技術(shù)方面的知識(shí)，和對(duì)自己所學(xué)專(zhuān)業(yè)的認(rèn)識(shí)。課程設(shè)計(jì)更是一個(gè)把所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐的過(guò)程，它對(duì)我動(dòng)手能力的提高不言而喻。同時(shí)我從這次課設(shè)中知道：知識(shí)不僅僅是寫(xiě)在書(shū)本上的文字和死板的理論，它更是指導(dǎo)我們實(shí)踐的工具。用一些比較簡(jiǎn)單的邏輯器件，經(jīng)過(guò)一定的理論知識(shí)分析，將它們組合在一起就構(gòu)成了我們生活中普遍應(yīng)用的電子時(shí)鐘。完成課程設(shè)計(jì)的任務(wù)以后，看到自己的成果感到很有成就感，從而加強(qiáng)了自己對(duì)本課程的興趣，更加有利于對(duì)本課程方面知識(shí)的進(jìn)一步拓展性學(xué)習(xí)。理論要聯(lián)系實(shí)踐，當(dāng)然實(shí)踐也離不開(kāi)理論，由于對(duì)課本的內(nèi)容還不是很熟悉，所以在做這個(gè)課程設(shè)計(jì)前，我先把課本的重