數(shù)字電子鐘 程 設(shè) 計 報 告.doc

課 程 設(shè) 計 報 告學(xué)生姓名:欒慧杰學(xué) 號：09010418學(xué) 院:電氣工程學(xué)院班 級:電自0918題 目:電子工藝實習(xí)數(shù)字時鐘的設(shè)計劉曉峰 李輝指導(dǎo)教師： 職稱: 2012年 0 3 月 13 日目 錄第一章 數(shù)字電子鐘設(shè)計要求和基本原理框圖31.1設(shè)計要求31.2數(shù)字電子鐘基本原理框圖3第二章 器件說明52.1元件清單52.2主要器件的引腳排列圖和功能表5第三章 設(shè)計過程133.1單元電路的設(shè)計133.1.1 秒脈沖產(chǎn)生電路133.1.2 時間計數(shù)器電路133.1.3 校時、校分電路163.1.4 報時電路183.2總電路圖19第四章 仿真調(diào)試過程214.1時間計數(shù)器連接與調(diào)試214.2譯碼顯示電路安裝與調(diào)試214.3校時電路的安裝與調(diào)試214.4整點報時電路的測試224.5軟件使用問題22第五章 設(shè)計體會24主要參考文獻26第一章 數(shù)字電子鐘設(shè)計要求和基本原理框圖1.1設(shè)計要求（1）穩(wěn)定的顯示時、分、秒。（要求24小時為一個計時周期）（2）當(dāng)電路發(fā)生走時誤差時，要求電路有校時功能。（3）電路有整點報時功能。報時聲響為四低一高，最后一響高音正好為整點。1.2數(shù)字電子鐘基本原理框圖數(shù)字時鐘由振蕩器、分頻器、計數(shù)器、譯碼顯示、報時等電路組成。其中，振蕩器和分頻器組成標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖發(fā)生器，直接決定計時系統(tǒng)的精度。由不同進制的計數(shù)器、譯碼器和顯示器組成計時系統(tǒng)。將標(biāo)準(zhǔn)脈沖送入采用六十進制的“秒計數(shù)器”，每累計60s就發(fā)出一個“分脈沖”信號，該信號將作為“分計數(shù)器”的時鐘脈沖?！胺钟嫈?shù)器”也采用六十進制的計數(shù)器，每累計60min，就發(fā)出一個“時脈沖”信號，該信號將被送“時計數(shù)器”?！皶r計數(shù)器”采用二十四或者十二進制計時器，可實現(xiàn)對一天24h或者12h的累計。譯碼顯示電路將“時”、“分”、“秒”計數(shù)器的輸出狀態(tài)通過六位七段譯碼顯示器顯示出來，可進行整點報時，計時出現(xiàn)誤差時，可以用校時、校分、校秒。數(shù)字時鐘的原理框圖如圖1-1所示。 圖1-1數(shù)字時鐘的原理框圖第二章 器件說明2.1元件清單數(shù)量元件型號1TIMER, LM555CN174LS, 74LS04N1SWITCH, SPDT1BUZZER, BUZZER 1kHz1BUZZER, BUZZER 500 Hz2CMOS_5V, 4013BT_5V274LS, 74LS08N3DIPSW1474LS, 74LS21N674LS, 74LS48N974LS, 74LS160N1174LS, 74LS00N2.2主要器件的引腳排列圖和功能表（1）555定時器引腳圖圖2-1（a）555定時器原理圖圖2-1（a）所示為國產(chǎn)雙極型定時器CB555內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)原理圖。它是由比較器C1和C2，基本RS觸發(fā)器和集電極開路的放電三極管TD三部分組成。其中VH是比較器C1的輸入端，v12是比較器C2的輸入端。C1和C2的參考電壓VR1和VR2由VCC經(jīng)三個五千歐電阻分壓給出。在控制電壓輸入端VCO懸空時，VR1=2/3VCC,VR2=1/3VCC。如果VCO外接固定電壓，則VR1=VCO,VR2=1/2VCO.RD是置零輸入端。只要在RD端加上低電平，輸出端v0便立即被置成低電平，不受其他輸入端狀態(tài)的影響。正常工作時必須使RD處于高電平。555定時器是一種中規(guī)模集成電路，只要在外部配上適當(dāng)阻容元件，就可以方便地構(gòu)成脈沖產(chǎn)生和整形電路。555集成定時器由五個部分組成：一、基本RS觸發(fā)器：由兩個“與非”門組成二、比較器：C1、C2是兩個電壓比較器三、分壓器：阻值均為5千歐的電阻串聯(lián)起來構(gòu)成分壓器，為比較器C1和C2提供參考電壓。四、晶體管開卷和輸出緩沖器：晶體管VT構(gòu)成開關(guān)，其狀態(tài)受端控制。輸出緩沖器就是接在輸出端的反相器G3，其作用是提高定時器的帶負載能力和隔離負載對定時器的影響。圖2-1（b） 555定時器如圖2-1（b）所示為555定時器引腳圖。555定時器由電阻分壓器、電壓比較器、基本R-S觸發(fā)器、放電三極管和輸出緩沖器5部分組成。其外部有八個引腳，第8腳VCC為電源端，第1腳GND為接地端，第3腳OUT為輸出端，第4腳RES為直接復(fù)位端，第5腳CON為控制電壓輸入端，第6腳THR為復(fù)位控制端，第2腳TRI為置位控制端，第7腳DIS為放電端。邏輯功能如2-1（）所示。輸 入輸 出閾值輸入(vI1)觸發(fā)輸入(vI2)復(fù)位()輸出()放電管T00導(dǎo)通11截止10導(dǎo)通1不變不變圖2-1（c）555邏輯功能表邏輯功能描述如下：555定時器的主要功能取決于比較器，比較器的輸出控制RS觸發(fā)器和放電管T的狀態(tài)。圖中RD為復(fù)位輸入端，當(dāng)RD為低電平時，不管其他輸入端的狀態(tài)如何，輸出v0為低電平。因此在正常工作時，應(yīng)將其接高電平。由圖可知，當(dāng)5腳懸空時，比較器C1和C2比較電壓分別為2/3VCC和1/3VCC。當(dāng)vI12/3VCC，vI21/3VCC時，比較器C1輸出低電平，比較器C2輸出高電平，基本RS觸發(fā)器被置0,放電三極管T導(dǎo)通，輸出端vO為低電平。 當(dāng)vI12/3VCC，vI21/3VCC時，比較器C1輸出高電平，比較器C2輸出低電平，基本RS觸發(fā)器被置1,放電三極管T截止，輸出端vO為高電平。當(dāng)vI11/3VCC時，基本RS觸發(fā)器R =1、S =1,觸發(fā)器狀態(tài)不變，電路亦保持原狀態(tài)不變。綜合上述分析，可得555定時器功能表如表10.11.1所示。如果在電壓控制端（5腳）施加一個外加電壓（其值在0-VCC之間），比較器的參考電壓將發(fā)生變化，電路相應(yīng)的閾值、觸發(fā)電平也將隨之變化，進而影響電路的工作狀態(tài)。（2）74LS160引腳圖圖2-2（a） 74LS160引腳圖 圖2-2（b） 74LS160邏輯圖 其邏輯功能如下表：CPEP ET工作狀態(tài)0 置零10 預(yù)置數(shù)110 1保持11 0保持（但C=0）111 1計數(shù)邏輯功能描述如下： 由邏輯圖與功能表知，在CT74LS160中LD為預(yù)置數(shù)控制端，D0-D3為數(shù)據(jù)輸入端，C為進位輸出端，RD為異步置零端，Q0-Q3位數(shù)據(jù)輸出端，EP和ET為工作狀態(tài)控制端。 當(dāng)RC=0時所有觸發(fā)器將同時被置零，而且置零操作不受其他輸入端狀態(tài)的影響。當(dāng)RC=1、LD=0時，電路工作在預(yù)置數(shù)狀態(tài)。這時門G16-G19的輸出始終是1，所以FF0-FF1輸入端J、K的狀態(tài)由D0-D3的狀態(tài)決定。當(dāng)RC=LD=1而EP=0、ET=1時，由于這時門G16-G19的輸出均為0，亦即FF0-FF3均處在J=K=0的狀態(tài)，所以CP信號到達時它們保持原來的狀態(tài)不變。同時C的狀態(tài)也得到保持。如果ET=0、則EP不論為何狀態(tài)，計數(shù)器的狀態(tài)也保持不變，但這時進位輸出C等于0。當(dāng)RC=LD=EP=ET=1時，電路工作在計數(shù)狀態(tài)。從電路的0000狀態(tài)開始連續(xù)輸入16個計數(shù)脈沖時，電路將從1111的狀態(tài)返回0000的狀態(tài)，C端從高電平跳變至低電平。利用C端輸出的高電平或下降沿作為進位輸出信號。（3）74LS48 引腳圖邏輯圖和功能表圖2-3 （a）74LS48引腳圖圖2-3（b） 74LS48邏輯圖圖2-3（c） 74LS48功能表（4） CD4013引腳圖和功能表圖2-4引腳圖及功能表 CD4013是集成觸發(fā)器芯片，內(nèi)部有兩個獨立的D觸發(fā)器。每個觸發(fā)器都有一個置位端（SET),復(fù)位端（RESET),時鐘端（CLOCK),數(shù)據(jù)輸入端（DATA),兩個輸出端Q和Q/端。功能描述： CD4013是雙觸發(fā)器，具有“置數(shù)”和“清零”功能，且高電平有效。 當(dāng)R為1、S為0時，無論D和CL（時鐘）為什么狀態(tài)，輸出Q一定為0，因此R可稱為復(fù)位端。當(dāng)S為1、R為0時，輸出Q一定為1，s稱為置位端。當(dāng)R、S均為0時，Q在CP端有脈沖上升沿到來時動作，具體是Q=D，即若D為1則Q也為1，若D為0則Q也為0。第3章 設(shè)計過程3.1單元電路的設(shè)計3.1.1 秒脈沖產(chǎn)生電路秒脈沖是構(gòu)成數(shù)字時鐘的核心，它保證了時鐘的走時準(zhǔn)確及穩(wěn)定。數(shù)字計數(shù)器電路的振蕩器有兩種，一種為石英晶體振蕩器，一種為振蕩器。一般來說振蕩器的頻率越高，計時精度越高。在這里選用振蕩器。通過設(shè)置電阻、電容，可產(chǎn)生時鐘脈沖，選擇電阻 為電位器，通過調(diào)整電位器的值，可精確調(diào)整輸出脈沖的頻率，使多諧振蕩器產(chǎn)生規(guī)定頻率的方波信號。秒脈沖產(chǎn)生電路在此例中主要功能有兩個：一是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號，二是可提供整點報時所需的頻率信號。秒脈沖電路有振蕩器和分頻器產(chǎn)生電路圖如3-1所示。如圖3-1 秒脈沖產(chǎn)生電路 3.1.2 時間計數(shù)器電路時間計數(shù)電路由秒個位和秒十位計數(shù)器、分個位和分十位計數(shù)器及時個位和時十位計數(shù)器電路構(gòu)成，其中秒個位和秒十位計數(shù)器、分個位和分十位計數(shù)器為進制計數(shù)器，而時個位和時十位計數(shù)器為/12進制計數(shù)器。根據(jù)圖1-1數(shù)字時鐘系統(tǒng)組成框圖可知，顯示時、分、秒需要六片中規(guī)模計數(shù)器，且輸出均為兩位碼形式，故計數(shù)器都選用集成塊來實現(xiàn)，實現(xiàn)的方法采用反饋清零法。 六十進制計數(shù)器秒計數(shù)器電路與分計數(shù)器電路都是進制，它由兩個采用串行進位方式接成進制計數(shù)器。是在信號的下降沿翻轉(zhuǎn)計數(shù)，當(dāng)秒個位的輸出狀態(tài)由變成，其端由變?yōu)?，秒十位的脈沖到來，計數(shù)一個脈沖，其他情況下，秒十位保持原有狀態(tài)不變。因此，秒個位計數(shù)器的進位端直接與秒十位的相連，使之計數(shù)。分計數(shù)器和秒計數(shù)器同理。六十進制計數(shù)器如3-2所示。圖3-2 六十進制計數(shù)器 二十四/十二進制計數(shù)器時計數(shù)器電路是二十四/十二進制，它由兩個采用串行進位方式接成二十四/十二進制計數(shù)器。分計數(shù)器需要的是一個二十四/十二進制轉(zhuǎn)換的遞增計數(shù)電路，個位與十位計數(shù)器均連接成計數(shù)形式，采用同步級聯(lián)復(fù)位方式。將個位計數(shù)器的進位輸出端RCO接至十位計數(shù)器的時鐘信號輸入端CLK，完成個位對十位計數(shù)器的進位控制。若選擇二十四進制，十位計數(shù)器的輸出端Qb和個位計數(shù)器的輸出端Qc通過與非門控制兩片計數(shù)器十位清零端CLR，當(dāng)計數(shù)器的輸出狀態(tài)為00100100時，立即反饋清零，從而實現(xiàn)二十四進制遞增計數(shù)。若選擇十二進制，十位計數(shù)器的輸出端Qa和個位計數(shù)器的輸出端Qb通過與非門控制兩片計數(shù)器十位清零端CLR，當(dāng)計數(shù)器的輸出狀態(tài)為00010010時，立即反饋清零，從而實現(xiàn)十二進制遞增計數(shù)。兩個與非門通過一個雙向開關(guān)接至兩片計數(shù)器的清零端CLR，單擊開關(guān)就可選擇與非門的輸出，實現(xiàn)二十四進制或十二進制遞增計數(shù)的轉(zhuǎn)換。二十四/十二進制計數(shù)器如圖3-3所示。圖3-3 二十四/十二進制計數(shù)器 譯碼顯示電路譯碼電路的功能是將秒、分、時計數(shù)器的輸出代碼進行翻譯，變成相應(yīng)的數(shù)字。是段譯碼器/驅(qū)動器，輸出高電平有效，專用于驅(qū)動七段共陰極顯示數(shù)碼管。若將秒、分、時計數(shù)器的每位輸出分別送到相應(yīng)七段譯碼管的輸入端，便可以進行不同數(shù)字的顯示。在譯碼管輸出與數(shù)碼管之間串聯(lián)電阻作為限流電阻。本系統(tǒng)采用七段發(fā)光二極管來顯示輸出的數(shù)字，顯示器有兩種：共陽極或者共陰極顯示器。對應(yīng)的顯示器是共陰極（接地）顯示器。如圖3-4所示。圖3-4 譯碼顯示電路3.1.3 校時、校分電路數(shù)字時鐘啟動后，每當(dāng)數(shù)字時鐘顯示與實際時間不符時，需要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)時間進行校時。通常，校正時間的方法是：首先截斷正常的計數(shù)通路，然后再進行人工出觸發(fā)計數(shù)或?qū)㈩l率較高的方波信號加到需要校正的計數(shù)單元的輸入端，校正好后，再轉(zhuǎn)入正常計時狀態(tài)即可。根據(jù)要求，數(shù)字鐘應(yīng)具有分校正和時校正功能，因此，應(yīng)截斷分個位和時個位的直接計數(shù)通路，并采用正常計時信號與校正信號可以隨時切換的電路接入其中，而且在校正分鐘時應(yīng)截斷分向時的進位信號，以免在校分的時候影響小時的狀態(tài)，從而引起對小時不必要的重新校正。簡單有效的電路圖如3-5所示。圖3-5秒、分、時“校時”電路?！懊搿睍r，采用等待校時。當(dāng)進行校時時，將琴鍵開關(guān)K1按下，此時門電路G1被封鎖，秒信號進入不到“秒計數(shù)器”中，此時暫停秒計時。當(dāng)數(shù)字時鐘秒顯示值與標(biāo)準(zhǔn)時間秒計數(shù)值相等時，立即松開K1，數(shù)字時鐘秒顯示與標(biāo)準(zhǔn)時間秒計時同步運行時，完成秒校時。?！胺帧?、“時”的原理比較簡單，采用加速校時。例如分校時使用G2、G3、G4三與非門，當(dāng)進行分校時時，按下琴鍵開關(guān)，由于門G3輸出高電平秒脈沖信號直接通過G2、G4門電路被送到分計數(shù)器中，使分計數(shù)器以秒的節(jié)奏快速計數(shù)。當(dāng)分計數(shù)器的顯示與標(biāo)準(zhǔn)時間數(shù)值相符時，松開K2即可。當(dāng)松開K2時，門電路G2封鎖秒信號，輸出高電平門，電路G4接受來自秒計數(shù)器的輸出進位信號，使分計數(shù)器正常工作。同理，“時”校時電路與“分”校時電路工作原理完全相同。3.1.4 報時電路 當(dāng)計數(shù)器在每次計時到整點前秒時，開始報時。即當(dāng)“分”計數(shù)器為59，“秒”計數(shù)器為55時，要求報時電路發(fā)出控制信號，該信號持續(xù)時間為秒鐘，在這秒內(nèi)使低音信號（500Hz左右）打開閘門，使報時聲鳴聲。當(dāng)計數(shù)器運行到59分59秒時，要求報時電路發(fā)出另一控制信號F2，該信號持續(xù)時間為秒鐘，在這一秒鐘內(nèi)使高音信號（1000Hz左右）打開閘門，使報時聲鳴聲。根據(jù)以上要求，設(shè)計的整點報時電路如3-所示。圖3-整點報時電路CD4013是雙觸發(fā)器，具有“置數(shù)”和“清零”功能，且高電平有效。利用CD4013觸發(fā)的記憶功能，可完成實現(xiàn)所要求的F1、F2信號。當(dāng)“分”計數(shù)器和“秒”計數(shù)器輸出狀態(tài)為59分55秒時，與門G3輸出一高電平，使CD4013的第一觸發(fā)器的輸出被置成高電平，此時整點報時的低音（）與秒信號同時被引入到蜂鳴器中，使蜂鳴器每次鳴叫.5秒。一旦“分”、“秒”計數(shù)器輸出狀態(tài)為59分59秒時，與門G6輸出高電平，使觸發(fā)器的輸出狀態(tài)1Q變成低電平，同時將CD的第二個觸發(fā)器的輸出2Q置數(shù)為高電平。此時封鎖時低音信號，開啟高音報時信號（1024Hz），當(dāng)滿六十分鐘進位信號一到，觸發(fā)器的輸出2Q被清零。故蜂鳴器高音鳴叫一次，歷時0.5秒。3.2總電路圖將達到預(yù)期要求后的各個單元電路模塊連接起來，構(gòu)成整個電路系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)功能進行測試?？傠娐穲D如3-8下圖所示。28 圖38 系統(tǒng)總電路圖 第4章 仿真調(diào)試過程 4.1時間計數(shù)器連接與調(diào)試 時間計數(shù)器有時、分、秒組成，而時電路有24/12進制計數(shù)器組成，分，秒電路有60進制計數(shù)器組成。24/12進制計數(shù)器和60進制計數(shù)器本身設(shè)計的沒有錯，可是在組成時間計數(shù)器時，秒從59秒變?yōu)?時，分計數(shù)器沒有進位，仍顯示的是0，經(jīng)反復(fù)檢測和測試發(fā)現(xiàn)級聯(lián)的時候，CLK信號不對。將秒十位的反饋清零信號經(jīng)與門之后，直接接入分的CLK端即可，同理，將分十位的反饋清零信號按照同樣的方法進行級聯(lián)就可以了。4.2譯碼顯示電路安裝與調(diào)試譯碼顯示電路由74LS48和七段LED數(shù)碼管組成。74LS48是BCD七段譯碼器/驅(qū)動器，其輸出是高電平，專用于驅(qū)動LED七段共陰極顯示數(shù)碼管，可是在設(shè)計之后，數(shù)碼管能顯示，但是在跳到八時，顯示管黑了一下，直接跳到數(shù)字9，經(jīng)過檢查和測量，數(shù)字8對應(yīng)的引腳都有電平輸出。最終查出，共陰極的限流電阻過大，導(dǎo)致數(shù)碼管不能正常顯示。4.3校時電路的安裝與調(diào)試將秒信號引入到校時電路中，分別按下K1，K2、K3，分、秒計數(shù)器及時計數(shù)器都能正常工作。把校時電路和總電路連接，連接之后發(fā)現(xiàn)，秒計數(shù)器達到60時秒時，可是分計數(shù)器沒有進位，是計數(shù)器也遇到了同樣的狀態(tài)，經(jīng)反復(fù)分析原理圖發(fā)現(xiàn)，在級聯(lián)時，多了一個非門，以至于進位信號不能傳送到分、時計數(shù)器。把非門去掉，校時電路就能正常工作了。4.4整點報時電路的測試整點報時電路是狀況最多的。根據(jù)要求，用數(shù)字電子系統(tǒng)常用的的分析方法：經(jīng)典法。即根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求，用真值表，狀態(tài)表求出的簡化的邏輯表達式，畫出邏輯圖、邏輯電路，最后用電路實現(xiàn)。最終設(shè)計出了報時電路，可是在測試的時候，蜂鳴器不響。經(jīng)過反復(fù)檢測，也沒有找到原因。最后，又設(shè)計了，另外一種報時電路。調(diào)整整點報時的聲響（四低一高）。由于報時時要求四低一高，我們最初使用一個蜂鳴器，但是由于報時時間間隔太短，變頻也不易實現(xiàn)，最重要的是蜂鳴器發(fā)聲區(qū)別不明顯，最后我們使用兩個蜂鳴器，經(jīng)過調(diào)試，最終實現(xiàn)了整點報時功能。4.5軟件使用問題由于我們并沒有接觸過Mulitisim 10軟件，故而對軟件的使用方面存在著一定的困難。另外，由于軟件為英文版，所以給仿真過程中的調(diào)試也帶來了極大的困難。為了克服這些比便，我們到圖書館查閱了大量的資料，并及時的向老師咨詢，從而順利的完成了仿真過程。遇到的具體問題是，在仿真的時候，仿真速度慢。與標(biāo)準(zhǔn)的秒相差很遠，一秒鐘能等好幾分鐘。翻閱各種資料也沒有找到原因，最后在網(wǎng)上搜索，找到了解決方案。運行時間與標(biāo)準(zhǔn)時間一致。第5章 設(shè)計體會通過這次為期三周的數(shù)字電子鐘的課程設(shè)計，我們才把學(xué)到的東西與實踐相結(jié)合，在這期間我感觸很多，收獲也頗豐。剛拿到設(shè)計題目的時候，我可謂是一臉茫然，但是我也很高興。首先，對怎么設(shè)計很模糊。其次，對軟件更是有很少了解。我想我要把自己學(xué)的東西用到實踐中去，我要把它設(shè)計出來。老師告訴我們圖書館有相應(yīng)的指導(dǎo)書，我迷惑釋然。滿懷期待，我來到圖書館。在圖書館里，選了七八本指導(dǎo)書。看著書架上的那些書，我感慨了，那么多的有關(guān)把知識用到實踐的指導(dǎo)書，我怎么很少接觸呢？在浩如煙海的圖書館，我是那么的渺?。〈髮W(xué)就應(yīng)該多學(xué)知識，并且得學(xué)會把知識用到實踐中去。我想以后應(yīng)該多去圖書館看看這類的指導(dǎo)書。我們可以做小規(guī)模的電路，比如，數(shù)字時鐘、籃球計分器、搶答器等等，也可以做規(guī)模大的電路，比如：機器人，我們可以做模擬系統(tǒng)，也可以做數(shù)字系統(tǒng)。在翻閱指導(dǎo)書中，我學(xué)會很多，收獲了很多。我了解到數(shù)字電子系統(tǒng)的設(shè)計方法和數(shù)字系統(tǒng)的安裝和調(diào)試。EDA隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展越來越重要，目前國內(nèi)常用的EDA軟件有Protel，EWB系列軟件。EWB系列軟件中最新的軟件Multisim10很重要！通過學(xué)習(xí)，我認識到Multisim10作為一款功能強大、應(yīng)用廣泛的仿真軟件，能為進行電路設(shè)計或電子電路教學(xué)帶來極大的便利，