數(shù)字電子電路課程設(shè)計(jì)數(shù)字鐘電路的設(shè)計(jì)

1、指導(dǎo)老師：學(xué)生姓名：學(xué) 號(hào)：專 業(yè)：電子信息工程班 級(jí)：系 別：電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院設(shè)計(jì)時(shí)間：2011.1.15 目 錄 一. 概述1二. 設(shè)計(jì)要求和任務(wù)1三. 設(shè)計(jì)原理及方框圖1四. 各部分電路的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)2五. 總體電路圖設(shè)計(jì)6六. 安裝與調(diào)試6七. 主要實(shí)驗(yàn)器材8八. 收獲與體會(huì)9九. 參考文獻(xiàn)9數(shù)字鐘電路的設(shè)計(jì)一、 概述數(shù)字鐘已成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢缮俚谋匦杵?，給人們的生活，學(xué)習(xí)，工作帶來(lái)極大的方便。本文介紹的數(shù)字鐘是一種利用數(shù)字電路來(lái)顯示時(shí)、分、秒的裝置，與傳統(tǒng)的機(jī)械鐘相比，它具有走時(shí)準(zhǔn)確，性能穩(wěn)定，顯示直觀，無(wú)機(jī)械傳動(dòng)裝置等特點(diǎn)。此外，本數(shù)字鐘還具有整電報(bào)時(shí)、定時(shí)響鬧功能。二、 設(shè)

2、計(jì)要求和任務(wù)1、 設(shè)計(jì)的數(shù)字鐘以數(shù)字形式顯示時(shí)、分、秒的時(shí)間，小時(shí)計(jì)時(shí)為“12翻1” 。2、 當(dāng)電路出現(xiàn)走時(shí)誤差時(shí)，電路具有校時(shí)功能。要求手動(dòng)快校時(shí)、快校分或慢校時(shí)、慢校分。 3、 要求電路具有整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能，報(bào)時(shí)聲響為四低一高，最后一響正好為整點(diǎn)。4、 要求電路具有定時(shí)響鬧功能。三、 設(shè)計(jì)原理及方框圖數(shù)字鐘實(shí)際上是一個(gè)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)電路，由于計(jì)數(shù)的起始時(shí)間不可能與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間（如北京時(shí)間）一致，故需要在電路上加一個(gè)校時(shí)電路，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)的1khz時(shí)間信號(hào)必須做到準(zhǔn)確穩(wěn)定。構(gòu)成方框圖如下：時(shí)顯示器秒顯示器分顯示器時(shí)譯碼器定時(shí)控制電路秒譯碼器整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路分譯碼器時(shí)計(jì)數(shù)器秒計(jì)數(shù)器分計(jì)數(shù)器校時(shí)電路分

3、頻器震蕩器圖1由圖可見(jiàn)：本數(shù)字鐘電路主要由震蕩器、分頻器、校時(shí)電路、時(shí)分秒計(jì)數(shù)器、譯碼顯示器及整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路、定時(shí)控制電路構(gòu)成。它們的工作原理是：由震蕩器產(chǎn)生的高頻脈沖信號(hào)作為數(shù)字鐘的時(shí)間基準(zhǔn)，再經(jīng)過(guò)分頻器輸出標(biāo)準(zhǔn)“秒脈沖”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)作為分計(jì)數(shù)器的脈沖信號(hào)，分計(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)，該信號(hào)將被送到時(shí)計(jì)數(shù)器，時(shí)計(jì)數(shù)器采用12進(jìn)制計(jì)數(shù)器。譯碼顯示電路將時(shí)、分、秒計(jì)數(shù)器的輸出狀態(tài)送到七段譯碼顯示器，通過(guò)六位led七段顯示器顯示出來(lái)。校時(shí)電路用來(lái)對(duì)時(shí)、分顯示數(shù)字進(jìn)行調(diào)整；整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路則根據(jù)

4、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)音頻發(fā)生器實(shí)現(xiàn)報(bào)時(shí)；定時(shí)控制電路由指定時(shí)刻發(fā)出的信號(hào)，驅(qū)動(dòng)音響電路。四、 各部分電路的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)1震蕩器電路震蕩器電路是數(shù)字鐘的核心，主要用來(lái)產(chǎn)生時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，數(shù)字鐘的精度，主要取決于時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的頻率及穩(wěn)定度。一般來(lái)說(shuō)，震蕩器的頻率越高，計(jì)時(shí)精度越高。通常采用石英晶體震蕩器經(jīng)過(guò)分頻得到這一信號(hào)，也可采用由門電路或555定時(shí)器構(gòu)成的多諧震蕩器作為時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源。本設(shè)計(jì)方案采用的是集成電路定時(shí)器555與rc組成的多諧震蕩器，如下圖所示： 圖2接通電源后，電容c1被充電，vc1上升，當(dāng)vc1上升到2/3vcc時(shí)，觸發(fā)器被復(fù)位，同時(shí)放電bjtt導(dǎo)通，此時(shí)v

5、o為低電平，電容c1通過(guò)r和t放電，使vc1下降。當(dāng)vc1下降到1/3vcc時(shí)，觸發(fā)器又被復(fù)位，vo翻轉(zhuǎn)為高電平，電容c1放電所需要的時(shí)間為：t1=rc1ln2=0.7rc1 當(dāng)c1放電結(jié)束是，t截止，vcc將通過(guò)r1，r2向電容器c1沖電，vcc由1/3vcc上升到2/3vcc所需要的時(shí)間為：t2=(r1+r2)c1ln2=0.7(r1+r2)c1當(dāng)vc上升到2/3vcc是，觸發(fā)器又發(fā)生翻轉(zhuǎn)。如此周而復(fù)始，在輸出端就得到一個(gè)周期性的方波，其頻率為： f=1/(t1=t2)=1.43/(r1+r2)c1這里設(shè)震蕩頻率f=1khz。2分頻器的設(shè)計(jì)由于震蕩器輸出的頻率很高，所以需一定級(jí)數(shù)的分頻電路

6、。本設(shè)計(jì)方案中的分頻器主要功能有兩個(gè)：一是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)“秒”信號(hào)，二是提供整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路所需要的1khz的高音信號(hào)和500hz的低音信號(hào)。這里選用三片中規(guī)模集成電路計(jì)數(shù)器74ls90即可滿足上述功能，因三片級(jí)聯(lián)則可獲得所需頻率信號(hào)，即第一片的q0輸出頻率為500hz，第二片的q3輸出頻率為10hz，第三片的q3輸出頻率為1hz。具體電路圖見(jiàn)總圖部分。3計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)有了時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)“秒”信號(hào)后，就可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)定時(shí)、分、秒計(jì)數(shù)器：分和秒計(jì)數(shù)器都采用60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)規(guī)律均為00，01，02-58，59，00，01-，因此個(gè)位均選用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74ls90，十位均選用十二分頻計(jì)數(shù)器74ls92，再將它

7、們級(jí)聯(lián)則可組成60進(jìn)制計(jì)數(shù)器。十進(jìn)制計(jì)數(shù)器是一個(gè)“12翻1”的特殊計(jì)數(shù)器，即當(dāng)數(shù)字鐘運(yùn)行到12時(shí)59分59秒時(shí)，秒的個(gè)位計(jì)數(shù)器再輸入一個(gè)秒脈沖，數(shù)字鐘自動(dòng)顯示為01時(shí)00分00秒，實(shí)現(xiàn)日常生活規(guī)律，所以時(shí)個(gè)位選用一片四位二進(jìn)制同步可逆計(jì)數(shù)器74ls191，十位選用雙上升沿d觸發(fā)器74ls74，再加上適當(dāng)?shù)呐c非門和異或門級(jí)聯(lián)則可滿足要求。具體電路圖見(jiàn)總圖部分。4譯碼顯示電路譯碼和數(shù)碼顯示電路是將數(shù)字鐘和計(jì)時(shí)狀態(tài)直觀清晰地放映出來(lái)，被人們的視覺(jué)器官所接受，它的任務(wù)就是將計(jì)數(shù)器輸出的8421bcd碼譯成數(shù)碼器顯示所需要的高低電平。這里所選用的譯碼器就是常用的bcd譯碼/驅(qū)動(dòng)器74ls48，其中a1、

8、a2、a3、a4與計(jì)數(shù)器的四個(gè)輸出端按設(shè)計(jì)要求相連或接地，a、b、c、d、e、f、g則與七段數(shù)碼顯示器對(duì)應(yīng)端相連。具體電路圖見(jiàn)總圖部分。 5校時(shí)電路校時(shí)電路是在剛接通電源或鐘表走時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí)進(jìn)行時(shí)間校準(zhǔn)，本電路只對(duì)分和秒進(jìn)行校準(zhǔn)。校時(shí)電路要求各種校準(zhǔn)必須互不影響，即在小時(shí)校正時(shí)不影響分和秒的正常計(jì)數(shù)；在分校正是不影響小時(shí)和秒的正常計(jì)數(shù)。校時(shí)方式有“快校時(shí)”和“慢校時(shí)”兩種，“快校時(shí)”是通過(guò)開(kāi)關(guān)控制，使計(jì)數(shù)器對(duì)1hz的校時(shí)脈沖計(jì)數(shù)，“慢校時(shí)”是手動(dòng)產(chǎn)生單脈沖作為校時(shí)脈沖。具體電路如下圖所示：其中s1為校“分”用的控制開(kāi)關(guān)，s2為校“時(shí)”用的控制開(kāi)關(guān)，校時(shí)脈沖采用分頻器輸出的1hz脈沖，當(dāng)s1或s

9、2分別為“0”時(shí)可進(jìn)行“快校時(shí)”。如果校時(shí)脈沖由單次脈沖產(chǎn)生器提供，則可進(jìn)行“慢校時(shí)”圖36整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路的功能是要求每當(dāng)數(shù)字鐘計(jì)時(shí)到整點(diǎn)（或快到整點(diǎn)）時(shí)發(fā)出音響，通常按照四聲低音一聲高音的順序發(fā)出間斷聲響，以最后一聲高音結(jié)束的時(shí)刻為整點(diǎn)時(shí)刻。設(shè)四聲低音（約500hz）分別發(fā)生在59分51秒、53秒、55秒、57秒，最后一聲高音（約1khz）發(fā)生在59秒，它們的持續(xù)時(shí)間為1s。由此可見(jiàn)，報(bào)時(shí)時(shí)分和秒個(gè)位計(jì)數(shù)器的狀態(tài)是不變的為59分，秒十位計(jì)數(shù)器的狀態(tài)為:（qdqcqbqa）ds2=0101亦不變，只有秒個(gè)位計(jì)數(shù)器qds1的狀態(tài)可用來(lái)控制1khz和500hz的音頻。下表列出了秒計(jì)數(shù)器

10、的狀態(tài)： 表1：秒個(gè)位計(jì)數(shù)器的時(shí)態(tài)cp(秒)q3s1q2s1q1s1q0s1功能500000 510 001鳴低音520010停530011鳴低音 540 000停 550101鳴低音 560110停 570111鳴低音 581000停 591001鳴高音 000000停由表可得：當(dāng) q3s1=“0”時(shí)為500hz輸入音響；當(dāng)q3s1=“1”時(shí)1khz輸入音響。由此可設(shè)計(jì)如下電路圖：圖4只有當(dāng)分十位的q2m2q0m2=11,分個(gè)位的q3m1q0m1=11,秒十位的q2s2q0s2=11，秒個(gè)位的q0s1=1時(shí)音響電路才能工作7定時(shí)控制電路 有時(shí)需要數(shù)字鐘在規(guī)定的時(shí)刻發(fā)出信號(hào)并驅(qū)動(dòng)音響電路進(jìn)行“

11、鬧時(shí)”，這就要求時(shí)間準(zhǔn)確，即信號(hào)的開(kāi)始時(shí)刻與持續(xù)時(shí)間必須滿足規(guī)定的要求。如要求上午7時(shí)59分發(fā)出鬧時(shí)信號(hào)，持續(xù)時(shí)間為1分鐘。 因?yàn)?時(shí)59分對(duì)應(yīng)數(shù)字鐘的時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)器的狀態(tài)為(q3q2q1q0)h1=0111，分十位計(jì)數(shù)器的狀態(tài)為(q3q2q1q0)m2=0101，分個(gè)位計(jì)數(shù)器的狀態(tài)為(q3q2q1q0)m1=1001。若將上述計(jì)數(shù)器輸出為“1”的所有輸出端經(jīng)過(guò)與門電路去控制音響電路，可以使音響電路正好在7點(diǎn)59分響，持續(xù)1分鐘后（即8點(diǎn)時(shí)）停響。所以鬧時(shí)控制信號(hào)z的表達(dá)式為： 式中，m為上午的信號(hào)輸出，要求m=1。如果用與非門實(shí)現(xiàn)上式所表示的邏輯功能，則可以將z進(jìn)行布爾代數(shù)變換，即實(shí)現(xiàn)上式的邏

12、輯電路如圖所示，其中74ls20為4輸入二與非門，74ls03為集電極開(kāi)路（oc門）的四-2輸入與非門。 圖5由圖可見(jiàn)上午7點(diǎn)59分時(shí),音響電路的晶體管導(dǎo)通,則揚(yáng)聲器發(fā)出1khz的聲音。持續(xù)1分鐘到8點(diǎn)整晶體管因輸入端為“0”而截止,電路停鬧。 五、總體電路圖設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)原理方框圖將各部分電路連接起來(lái)則構(gòu)成了總體電路圖，如下頁(yè)圖所示：六、安裝與調(diào)試 由數(shù)字鐘系統(tǒng)的原理方框圖按照信號(hào)的流向分級(jí)安裝，逐級(jí)級(jí)聯(lián)，級(jí)聯(lián)時(shí)如果出現(xiàn)時(shí)序配合不同步，或尖峰脈沖干擾，引起邏輯混亂，可以增加多級(jí)邏輯門來(lái)延時(shí)。如果顯示字符變化很快，模糊不清，可能是由于電源電流的跳變引起的，可在集成電路器件的電源端vcc加退耦濾波

13、電容，通常用幾十微法的大電容與0.01mf的小電容相并聯(lián)。經(jīng)過(guò)聯(lián)調(diào)并糾正設(shè)計(jì)方案中的錯(cuò)誤和不足之處后，再測(cè)試電路的邏輯功能是否滿足設(shè)計(jì)要求。 七、主要實(shí)驗(yàn)器材四-2輸入與非門 74ls00 4片； 四-2輸入與非門（oc） 74ls03 2片；雙四輸入與非門 74ls20 2片； bcd-七段顯示譯碼器 74ls48 6片；雙上升沿d觸發(fā)器 74ls74 1片； 十進(jìn)制計(jì)數(shù)器 74ls90 5片；十二分頻計(jì)數(shù)器 74ls92 2片；四位二進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器 74ls191 1片；數(shù)碼顯示器 bs202 6個(gè)； 集成電路定時(shí)器 555 1片。 計(jì)數(shù)顯示及校時(shí)電路 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路鬧時(shí)電路八、收獲與體會(huì)“

14、電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)”是電子技術(shù)課程的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，是對(duì)我學(xué)習(xí)電子技術(shù)的綜合性訓(xùn)練。我是專生本過(guò)來(lái)的學(xué)生,在我以前的學(xué)校我們根本就沒(méi)有這樣的課,所以我非常珍惜這次做課程設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì).我做的是數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)，然而，要完成一個(gè)課題的設(shè)計(jì)要涉及到許多方面的知識(shí)。通過(guò)上網(wǎng)查詢和查閱相關(guān)書(shū)籍資料，讓我知道了大量關(guān)于數(shù)字鐘設(shè)計(jì)的知識(shí)，同時(shí)又重新將從前學(xué)過(guò)的知識(shí)復(fù)習(xí)了一遍，做到對(duì)各個(gè)集成塊的引腳功能和工作原理都很清晰。從而讓我更深一步掌握了時(shí)序邏輯電路的功能，學(xué)會(huì)了做課程設(shè)計(jì)的一般步驟。首先我制定出自己的設(shè)計(jì)方案，其次詳細(xì)設(shè)計(jì)每一部分的電路，最后再根據(jù)原理方框圖連接電路。這不僅培養(yǎng)了我獨(dú)立分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，同時(shí)也為以后的電路設(shè)計(jì)打好了基礎(chǔ)。在這次的設(shè)計(jì)中，讓我認(rèn)識(shí)到自己在學(xué)習(xí)理論知識(shí)中的不足。特別是555定時(shí)器那塊知識(shí)，我學(xué)的不太好，張宇華張老師教我們的數(shù)字電路，他講的很好，我真后悔沒(méi)下大功夫?qū)W。所以在以后的學(xué)習(xí)中我會(huì)吸取這次的教訓(xùn)，認(rèn)真對(duì)待每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)