數(shù)字時(shí)鐘電路課程設(shè)計(jì)書(shū)_第1頁(yè)
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數(shù)字時(shí)鐘電路課程設(shè)計(jì)書(shū)_第4頁(yè)
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1、數(shù)字時(shí)鐘電路課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)仿真文件及課程設(shè)計(jì)詳細(xì)報(bào)告點(diǎn)1 功能要求(1)掌握秒定時(shí)電路的設(shè)計(jì)、仿真與調(diào)試,精度0.1s;(2)掌握十進(jìn)制時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)與LED數(shù)碼顯示電路的設(shè)計(jì)、仿真與調(diào)試;(3)掌握啟停、清零電路的設(shè)計(jì)、仿真與調(diào)試;(4)掌握整點(diǎn)蜂鳴器提示電路的設(shè)計(jì)、仿真與調(diào)試;(5)掌握方案設(shè)計(jì)與論證;(6)掌握用相關(guān)軟件進(jìn)行電路圖設(shè)計(jì)、仿真,以及對(duì)仿真結(jié)果的分析、總結(jié)。2 工作原理及原理框圖數(shù)字時(shí)鐘由振蕩器、校時(shí)電路、計(jì)數(shù)器、譯碼顯示、報(bào)時(shí)電路組成。其中,振蕩器用于產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的秒信號(hào),其精度控制在0.1S,秒信號(hào)經(jīng)過(guò)秒計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù),把累加的結(jié)果以時(shí)、分、秒的形式,經(jīng)過(guò)譯碼器和顯示器顯示出

2、來(lái)。時(shí)顯示由時(shí)計(jì)數(shù)器、譯碼器、顯示器構(gòu)成,分、秒顯示由六十進(jìn)制的分、秒計(jì)數(shù)器、譯碼器、顯示器構(gòu)成,其中擴(kuò)展電路為報(bào)時(shí)電路,利用分計(jì)時(shí)器向時(shí)計(jì)數(shù)器的進(jìn)位信號(hào)觸發(fā)蜂鳴器。當(dāng)計(jì)數(shù)電路出現(xiàn)誤差時(shí),可以用校時(shí)電路進(jìn)行校時(shí)、校分和校秒的功能。圖13 各單元電路設(shè)計(jì)3.1 振蕩器振蕩器是數(shù)字鐘的核心。振蕩器的穩(wěn)定度及頻率的精度決定了數(shù)字鐘計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確程度,根據(jù)實(shí)際的任務(wù)需要,我們的振蕩器僅需產(chǎn)生1HZ的信號(hào)供給秒計(jì)數(shù)器,而無(wú)需產(chǎn)生其他頻率的信號(hào),因此采用555定時(shí)器與RC構(gòu)成的多諧振蕩器,用于產(chǎn)生秒信號(hào),從而省去了分頻器。多諧振蕩器的周期計(jì)算公式為:T=T1+T2=0.7*(R1+2R2)*C=1s其中R1設(shè)

3、為410,R2設(shè)為510,經(jīng)計(jì)算得C=1mF由于電路較為復(fù)雜,振蕩器接入整體電路會(huì)產(chǎn)生一定的誤差,因此將1mF的電容設(shè)定為可變電容,經(jīng)過(guò)多次的仿真和調(diào)試確定出可變電容的百分比在26%左右時(shí),振蕩器可以產(chǎn)生(10.04)HZ的頻率,即換算成周期為(10.04)s,精度要求符合0.1s。其中,圖2為振蕩器的仿真波形圖,振蕩器可以產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)方波。圖3為振蕩器工作時(shí)的輸出頻率。圖2圖33.2 時(shí)間計(jì)數(shù)器電路計(jì)時(shí)電路用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字時(shí)鐘的基本計(jì)數(shù)功能。獲得秒脈沖后,可以根據(jù)60秒為1分,60分為1小時(shí),24小時(shí)為一天的規(guī)律計(jì)數(shù)。因此,時(shí)計(jì)數(shù)器采用二十四進(jìn)制,而分計(jì)數(shù)器和秒計(jì)數(shù)器則采用六十進(jìn)制。這些計(jì)數(shù)電路均可

4、以由中規(guī)模74LS160集成芯片來(lái)實(shí)現(xiàn),其中74LS160的管腳圖和功能表如下所示。圖3圖43.2.1 秒計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)秒計(jì)數(shù)器是由六十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器構(gòu)成。因此,采用兩片74LS160級(jí)聯(lián)的方式。根據(jù)實(shí)際需要,我們利用74LS160的異步清零端,和反饋歸零法來(lái)實(shí)現(xiàn)。我們的秒計(jì)數(shù)器由兩個(gè)74LS160(Us9、Us10)和74LS00四2輸入與非門(mén)組成,如圖3所示,其中個(gè)位計(jì)數(shù)器Us10接成十進(jìn)制形式。十位計(jì)數(shù)器Us9選擇QB和QC做反饋端,經(jīng)與非門(mén)輸出控制清零端CLR,接成六進(jìn)制形式。個(gè)位與十位之間采用同步級(jí)聯(lián)方式,將個(gè)位計(jì)數(shù)器的進(jìn)位輸出端RCO接至十位計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)端ETP,完成個(gè)位對(duì)十位計(jì)數(shù)器

5、的進(jìn)位控制。秒信號(hào)脈沖作為計(jì)數(shù)器脈沖輸入到CP端。圖53.2.2 分計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)分計(jì)數(shù)器也是六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器,同秒計(jì)數(shù)器一樣是由兩片中規(guī)模74LS160構(gòu)成。其組成方法及電路圖同秒計(jì)數(shù)器。圖6為分計(jì)數(shù)器電路。圖63.2.3 時(shí)計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器是由二十四進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器構(gòu)成。因此,采用兩片74LS160級(jí)聯(lián)的方式。根據(jù)實(shí)際需要,我們利用74LS160的異步清零端,和反饋歸零法來(lái)實(shí)現(xiàn)。我們的時(shí)計(jì)數(shù)器由兩個(gè)74LS160(Uh1、Uh2)和74LS00四2輸入與非門(mén)組成,如圖5所示,選擇個(gè)位計(jì)數(shù)器Uh1的QC和十位計(jì)數(shù)器Uh2的 QB,經(jīng)與非門(mén)輸出控制清零端CLR。個(gè)位與十位之間采用同步級(jí)聯(lián)方式,將

6、個(gè)位計(jì)數(shù)器的進(jìn)位輸出端RCO接至十位計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)端ETP,完成個(gè)位對(duì)十位計(jì)數(shù)器的進(jìn)位控制,實(shí)現(xiàn)二十四進(jìn)制遞增計(jì)數(shù)。圖73.3 譯碼顯示電路的設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)了對(duì)時(shí)間的累計(jì)以8421BCD碼的形式輸出,為了將計(jì)數(shù)器輸出的8421BCD碼顯示出來(lái),需要顯示譯碼電路將計(jì)數(shù)器的輸出數(shù)碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼顯示器件所需要的輸出邏輯和一定的電流。因此,我們采用共陰極的七段數(shù)碼顯示管和74LS48作為譯碼器,其中74LS48的管腳圖和功能表如圖8、圖9所示。圖8圖9譯碼顯示電路由74LS48和七段數(shù)碼管組成。電路一共需要六個(gè)譯碼器和六個(gè)七段數(shù)碼管。六個(gè)七段數(shù)碼管,隨著秒計(jì)數(shù)脈沖不斷地輸入和計(jì)時(shí)的變化,連續(xù)的進(jìn)行時(shí)、分、

7、秒計(jì)時(shí)顯示。如圖10所示為一個(gè)譯碼器和一個(gè)數(shù)碼管。圖103.4 校時(shí)電路的設(shè)計(jì)校時(shí)電路的作用是當(dāng)計(jì)數(shù)器剛接通電源或走時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí),實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)、分、秒的校準(zhǔn)。我們的校時(shí)電路采用手動(dòng)的門(mén)電路實(shí)現(xiàn)。(1) 時(shí)、分時(shí)間校準(zhǔn)電路。時(shí)校準(zhǔn)電路如圖11所示,由74LS08四2輸入與門(mén)、74LS32四2輸入或門(mén)、74LS02四2輸入或非門(mén)組成。當(dāng)校時(shí)開(kāi)關(guān)處于校時(shí)位置,即接低電平地端時(shí),秒脈沖經(jīng)U4A或非門(mén)輸出,再到U5A或門(mén)輸出接時(shí)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖,控制時(shí)計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí),使其每秒加,當(dāng)時(shí)計(jì)數(shù)器顯示出校準(zhǔn)小時(shí)數(shù)字時(shí)將開(kāi)關(guān)置于高電平電源端,或非門(mén)輸出為低電平,時(shí)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖接分計(jì)數(shù)器的進(jìn)位信號(hào),恢復(fù)計(jì)數(shù)器正常計(jì)數(shù)。

8、分校時(shí)電路與上述電路相同。圖11(2)秒時(shí)間校準(zhǔn)電路秒時(shí)間校時(shí)電路如圖12所示,當(dāng)校秒開(kāi)關(guān)J3處于校秒位置,即接0電平,U6C與門(mén)的輸出為低電平,秒計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。當(dāng)秒計(jì)數(shù)器顯示的時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)的秒時(shí)間相同時(shí),將校秒開(kāi)關(guān)置于高電平,即接秒脈沖信號(hào),恢復(fù)秒計(jì)數(shù)器正常的計(jì)數(shù)。圖123.5啟動(dòng)、清零電路的設(shè)計(jì)根據(jù)課程設(shè)計(jì)的需要,我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)如圖13所示的數(shù)字時(shí)鐘的總開(kāi)關(guān)J4,該單刀雙擲開(kāi)關(guān)用于實(shí)現(xiàn)整體電路的啟動(dòng)和清零功能。將J4的雙擲兩端分別接地與高電平VCC,另一端接六片74LS160的置數(shù)端和清零端,當(dāng)開(kāi)關(guān)撥到高電平時(shí),電路啟動(dòng),置數(shù)端和清零端接高電平,時(shí)鐘正常運(yùn)行。當(dāng)開(kāi)關(guān)撥到低電平時(shí),置數(shù)端和清

9、零端有效,電路全部清零,顯示為00時(shí)00分00秒。如圖14所示。圖13圖143.6整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路的設(shè)計(jì)整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路作為數(shù)字時(shí)鐘的擴(kuò)展功能,利用分計(jì)數(shù)器向時(shí)計(jì)數(shù)器輸出的進(jìn)位信號(hào),如圖15所示。根據(jù)蜂鳴器的工作原理我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)較為簡(jiǎn)單的報(bào)時(shí)電路,采用三極管NPN與蜂鳴器串聯(lián)的方式,當(dāng)NPN的集電結(jié)反偏,發(fā)射結(jié)正偏時(shí),管子工作于放大區(qū),此時(shí)蜂鳴器工作發(fā)出鳴叫。將NPN管子的基極通過(guò)電阻和U8A非門(mén)相連,并與十位分計(jì)數(shù)器的清零端相連。即當(dāng)分計(jì)數(shù)器達(dá)到60時(shí),進(jìn)位信號(hào)通過(guò)U2A與非門(mén)變?yōu)榈碗娖浇?jīng)過(guò)分計(jì)數(shù)器的清零端,使分計(jì)數(shù)器快速清零并接著進(jìn)行計(jì)數(shù),此時(shí)產(chǎn)生的低電平將通過(guò)U8A非門(mén)變?yōu)楦唠娖?,觸發(fā)蜂鳴器工

10、作。需要注意到蜂鳴器的工作電壓應(yīng)低于電源電壓VCC才能使其正常工作。圖154 multisim仿真電路圖165 protel99SE原理圖圖176 誤差分析數(shù)字電子時(shí)鐘在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生些許誤差,例如脈沖過(guò)大會(huì)使秒計(jì)數(shù)過(guò)快,電路原因會(huì)產(chǎn)生秒與秒之間的誤差,經(jīng)過(guò)多次仿真和調(diào)試,解決方案采用調(diào)節(jié)振蕩器的可變電容,使振蕩器的輸出頻率控制在精度范圍內(nèi),或是采用校時(shí)電路。整體電路仿真時(shí),我們參照著手機(jī)上的計(jì)時(shí)器,對(duì)數(shù)字時(shí)鐘進(jìn)行了多次數(shù)據(jù)采集。在把秒脈沖調(diào)到可變范圍的基礎(chǔ)上,我們的數(shù)字時(shí)鐘在一分鐘內(nèi)平均會(huì)出現(xiàn)12秒的誤差,具體情況與軟件和電路當(dāng)時(shí)的情況有關(guān),由于設(shè)置了校時(shí)電路,這點(diǎn)問(wèn)題可以得到很好地解決。

11、在測(cè)試報(bào)時(shí)電路時(shí),沒(méi)有發(fā)現(xiàn)誤差,每次都是在時(shí)計(jì)數(shù)器剛剛跳變的一瞬間就能產(chǎn)生報(bào)時(shí)“滴”的一聲,每隔一小時(shí)一次,一次一聲??傠娐烽_(kāi)關(guān)經(jīng)過(guò)多次測(cè)試可以完全控制整體電路,整體功能可以得到實(shí)現(xiàn)。如圖18顯示的時(shí)間為02:59:58。圖187 總結(jié)這次課設(shè)的題目主要偏重于數(shù)電知識(shí),而且很多芯片都是剛剛學(xué)習(xí)過(guò)的,因此在這次課設(shè)中我們很完美的把理論和實(shí)際相結(jié)合,在剛剛學(xué)習(xí)完知識(shí)理論后進(jìn)行的實(shí)踐是非常有意義的。課設(shè)過(guò)程當(dāng)中,充滿(mǎn)了很多的樂(lè)趣,這個(gè)課題也和我們所學(xué)習(xí)的東西非常貼切,像是160和譯碼器還有振蕩器,這些都是我們剛剛學(xué)習(xí)完的知識(shí)。下面說(shuō)一下整體電路的設(shè)計(jì)思路。拿到題目以后,首先感覺(jué)整個(gè)電路最核心的部分就

12、是計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì),介于剛剛學(xué)習(xí)完了數(shù)電中的十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器160,因此,我們選用160作為電路計(jì)數(shù)部分的主要電路。緊接著就是計(jì)數(shù)之后的顯示部分,之前學(xué)習(xí)過(guò)數(shù)碼管,我們選擇了共陰極數(shù)碼管作為顯示器,通過(guò)譯碼器74LS48與計(jì)數(shù)器相連。這個(gè)模塊經(jīng)過(guò)測(cè)試以后可以正常工作和完成所需進(jìn)位。接著,查閱了相關(guān)書(shū)籍學(xué)習(xí)了振蕩器,確定下來(lái)采用555多諧振蕩器作為我們的秒信號(hào)。由于我們僅要1HZ的脈沖,因此沒(méi)有選擇精度和頻率更高的石英晶體。經(jīng)過(guò)多次仿真和測(cè)試,綜合了電路的實(shí)際問(wèn)題,振蕩器部分已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn),并且達(dá)到課設(shè)要求。剩下的就是校時(shí)和報(bào)時(shí)電路,這兩個(gè)電路完全是根據(jù)整體電路來(lái)添加的。整體電路出來(lái)以后出現(xiàn)了很多的問(wèn)題,可能單獨(dú)模塊可以完美運(yùn)行,但是一到了整體電路時(shí)就會(huì)出現(xiàn)這樣或者那樣的問(wèn)題,其中也包含了一些軟件自身問(wèn)題,由于軟件都是英文,所以很難設(shè)置。有時(shí)候感覺(jué)電路就是能運(yùn)行,但是軟件仿真一直提示出錯(cuò),這個(gè)時(shí)候就應(yīng)該耐心檢查銜接點(diǎn)是否正確,接地線、接電源線是否連對(duì)。如果還是不行,那就需要設(shè)置軟件自身仿真的參數(shù)了。這次課設(shè)收獲頗多,主要還是因?yàn)閷?duì)剛學(xué)的知識(shí)有了一個(gè)實(shí)踐的過(guò)程,發(fā)現(xiàn)很多理論與實(shí)踐之間的偏差,在以后的學(xué)習(xí)過(guò)程中也會(huì)不斷地改進(jìn),將實(shí)踐與課本知識(shí)相結(jié)合。參考文獻(xiàn)1 韓焱,張艷花,王康誼.數(shù)字電子技術(shù)M.

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