多功能數(shù)字鐘設(shè)計(jì)與仿真

1、長 沙 學(xué) 院電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書題目多功能數(shù)字鐘的電路設(shè)計(jì)系(部)電子信息與電氣工程系專業(yè)(班級(jí))電子信息工程（2）班姓名粟青松學(xué)號(hào)2013044232指導(dǎo)教師張海濤.陳希.龍英.劉亮.起止日期2015.6.15-2015.6.19多功能數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)與仿真電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(28)系（部）：電子信息與電氣工程系 專業(yè)：電子信息工程 指導(dǎo)教師：張海濤課題名稱多功能數(shù)字鐘的電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求數(shù)字鐘是采用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)“時(shí)” 、 “分” 、 “秒”數(shù)字顯示的計(jì)時(shí)裝置。由于數(shù)字集成電路的發(fā)展和石英晶體振蕩器的使用，使得數(shù)字鐘的精度、穩(wěn)定度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了機(jī)械鐘表。鐘表的數(shù)字化

2、在提高報(bào)時(shí)精度的同時(shí)，也大大擴(kuò)展了它的功能，諸如定時(shí)自動(dòng)報(bào)警、按時(shí)自動(dòng)打鈴、時(shí)間程序自動(dòng)控制、定時(shí)廣播、定時(shí)啟閉路燈等。因此，研究數(shù)字鐘及擴(kuò)大其應(yīng)用，有著非?，F(xiàn)實(shí)的意義。1.掌握數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)、組裝與調(diào)試方法。 2.熟悉集成電路的使用方法，能夠運(yùn)用所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)一定規(guī)模的電路?；救蝿?wù)：基本任務(wù)： 1.時(shí)鐘顯示功能，能夠以十進(jìn)制顯示“時(shí)” 、 “分” 、 “秒” 。 2.具有快速校準(zhǔn)時(shí)、分、秒的功能。 3.計(jì)時(shí)準(zhǔn)確度，每天計(jì)時(shí)誤差不超過 1s。 擴(kuò)展任務(wù)：擴(kuò)展任務(wù)： 1.鬧鐘功能，可按設(shè)定的時(shí)間鬧時(shí)。 2.日歷顯示功能。將時(shí)間的顯示擴(kuò)展為“年” 、 “月” 、 “日” 。 3.整點(diǎn)自動(dòng)報(bào)時(shí)，在離整

3、點(diǎn) 10s 時(shí)，便自動(dòng)發(fā)出鳴叫聲，步長 1s，每隔 1s 鳴叫一次，前四響是低音，最后一響為高音，最后一響結(jié)束為整點(diǎn)。 設(shè)計(jì)工作量1、系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)；2、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真；3、在 Multisim 或同類型電路設(shè)計(jì)軟件中進(jìn)行仿真并進(jìn)行演示；4、提交一份完整的課程設(shè)計(jì)說明書，包括設(shè)計(jì)原理、仿真分析、調(diào)試過程，參考文獻(xiàn)、設(shè)計(jì)總結(jié)等。起止日期（或時(shí)間量）設(shè)計(jì)內(nèi)容（或預(yù)期目標(biāo)）備注第一天課題介紹，答疑，收集材料第二天設(shè)計(jì)方案論證第三天進(jìn)行具體設(shè)計(jì)第四天進(jìn)行具體設(shè)計(jì)進(jìn)度安排第五天編寫設(shè)計(jì)說明書指導(dǎo)老師意見年 月 日教研室意見年 月 日多功能數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)與仿真長沙學(xué)院課程設(shè)計(jì)鑒定表姓名粟青松學(xué)號(hào)2013044

4、323專業(yè)電子信息工程班級(jí)2設(shè)計(jì)題目多功能數(shù)字鐘的電路設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師張海濤指導(dǎo)教師意見：評(píng)定成績： 教師簽名： 日期： 答辯小組意見：評(píng)定成績：答辯小組長簽名：日期：教研室意見：最終評(píng)定等級(jí)：教研室主任簽名：日期：說明課程設(shè)計(jì)成績分“優(yōu)秀” 、 “良好” 、 “中等” 、 “及格” 、 “不及格”五等。多功能數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)與仿真目 錄1 1 設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)方案.11.11.1 設(shè)計(jì)方案原理構(gòu)思設(shè)計(jì)方案原理構(gòu)思.11.1.1 設(shè)計(jì)主要原理.11.1.2 設(shè)計(jì)電路原理框圖.11.21.2 各模塊電路分析各模塊電路分析.21.2.1 1Hz 標(biāo)準(zhǔn)脈沖發(fā)生器.21.2.2 譯碼顯示電路.31.2.3 計(jì)數(shù)器

5、電路.51.2.4 校時(shí)電路.61.2.5 鬧鐘電路.71.2.6 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路.81.31.3 多功能數(shù)字鐘總體設(shè)計(jì)電路圖多功能數(shù)字鐘總體設(shè)計(jì)電路圖.92 2 仿真調(diào)試仿真調(diào)試.112.12.1 總體仿真圖總體仿真圖.112.22.2 各個(gè)功能仿真調(diào)試各個(gè)功能仿真調(diào)試.112.2.1 校時(shí)電路仿真調(diào)試.112.2.2 鬧鐘電路仿真調(diào)試.122.2.3 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路仿真調(diào)試.133 3 結(jié)果分析與總結(jié)結(jié)果分析與總結(jié).153.13.1 分析總結(jié)分析總結(jié).153.23.2 遇到問題及解決方法遇到問題及解決方法.15參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).16多功能數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)與仿真11 1 設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)方案1.11.1

6、 設(shè)計(jì)方案原理構(gòu)思設(shè)計(jì)方案原理構(gòu)思1.1.1 設(shè)計(jì)主要原理該設(shè)計(jì)主要由以下幾部分組成:震蕩器、分頻器、秒計(jì)數(shù)器、分計(jì)數(shù)器、時(shí)計(jì)數(shù)器、BCD-七段顯示譯碼/驅(qū)動(dòng)器、LED 七段顯示數(shù)碼管、時(shí)間校準(zhǔn)電路、整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路還有鬧鐘電路。數(shù)字鐘數(shù)字顯示部分，采用譯碼與二極管串聯(lián)電路，將譯碼器、七段數(shù)碼管連接起來，組成十進(jìn)制數(shù)碼顯示電路，即時(shí)鐘顯示。要完成顯示需要 6 個(gè)數(shù)碼管，七段的數(shù)碼管需要譯碼器才能正常顯示，然后要實(shí)現(xiàn)時(shí)、分、秒的計(jì)時(shí)需要 60 進(jìn)制計(jì)數(shù)器和 24 進(jìn)制計(jì)數(shù)器，在在仿真軟件中發(fā)生信號(hào)可以用函數(shù)發(fā)生器仿真，頻率可以隨意調(diào)整。60 進(jìn)制可能由 10 進(jìn)制和 6 進(jìn)制的計(jì)數(shù)器串聯(lián)而成，頻率振

7、蕩器可以由晶體振蕩器分頻來提供，也可以由 555 定時(shí)來產(chǎn)生脈沖并分頻為 1Hz。計(jì)數(shù)器的輸出分別經(jīng)譯碼器送倒顯示器顯示。計(jì)時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí),可以用校時(shí)電路校時(shí)、校分。整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路利用邏輯門，使當(dāng)各譯碼器輸出滿足整點(diǎn)時(shí)，蜂鳴器導(dǎo)通。鬧鐘電路通過比較器比較當(dāng)前時(shí)間與設(shè)計(jì)的鬧鐘時(shí)間，相等時(shí)同樣蜂鳴器導(dǎo)通。1.1.2 設(shè)計(jì)電路原理框圖 電路原理框圖如圖 1-1 所示：多功能數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)與仿真2譯碼顯示電路時(shí)計(jì)數(shù)器分計(jì)數(shù)器秒計(jì)數(shù)器校時(shí)電路報(bào)時(shí)電路振蕩器分頻器圖 1-1 數(shù)字鐘電路原理框圖1.21.2 各模塊電路分析各模塊電路分析1.2.1 1Hz 標(biāo)準(zhǔn)脈沖發(fā)生器振蕩器可由晶振組成，也可以由 555 與 R

8、C 組成的多諧振蕩器。由 555 定時(shí)器得到 1kHz 的脈沖，功能主要是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)和提供功能擴(kuò)展電路所需要的信號(hào)。多諧振蕩器也稱無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，它沒有穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)無需外加觸發(fā)脈沖，就能輸出一定頻率的矩形脈沖（自激振蕩） 。用 555 集成電路實(shí)現(xiàn)多諧振蕩，需要外接電阻 R1、R2和電容 C，并外接+5V 的直流電源。脈沖頻率為：kHzHzCRRf19952ln105024512ln215121標(biāo)準(zhǔn)脈沖發(fā)生器電路圖如圖 1-2 所示：多功能數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)與仿真3圖 1-2 標(biāo)準(zhǔn)脈沖發(fā)生器電路圖表 1-11.2.2 譯碼顯示電路數(shù)字鐘的譯碼顯示電路由譯碼器 4511BP 和共陰極 LED

9、七段顯示數(shù)碼管組成,為避免譯碼器輸出的電壓過高，在譯碼器的輸出和數(shù)碼管的輸入之間串聯(lián)一個(gè) 100的電阻。譯碼驅(qū)動(dòng)電路將計(jì)數(shù)器輸出的 8421BCD 碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管需要的邏輯狀態(tài)，并且為保證數(shù)碼管正常工作提供足夠的工作電流。4511BP 是一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)共陰極 LED （數(shù)碼管）顯示器的 BCD 碼七段碼譯碼器，特點(diǎn)如下：具有 BCD 轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動(dòng)功能的 CMOS 電路能提供較大的拉電流?？芍苯域?qū)動(dòng) LED 顯示器。4511BP 的邏輯功能表如表 1-2 所示：多功能數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)與仿真4表 1-2 4511BP 的邏輯功能表要使譯碼器能正常工作，LT 和 BI 腳要接高電平

10、，EL 要接低電平，譯碼器的輸入接計(jì)數(shù)器的輸出端，而譯碼器的輸出端則接對(duì)應(yīng)數(shù)碼管的輸入端。在數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)中，一共需要 6 塊譯碼顯示器，分別是小時(shí)顯示的 2 塊，分鐘顯示的 2 塊，秒鐘顯示的 2 塊，它們?cè)谠O(shè)置上基本相同，只不過譯碼器的輸入接不同的計(jì)數(shù)器。由計(jì)數(shù)器得到的 4 位二進(jìn)制碼的必須通過譯碼后轉(zhuǎn)為人們習(xí)慣的數(shù)字顯示，如12：54：30 的二進(jìn)制碼為 0001 0010：0101 0100：0011 0000。譯碼之后再驅(qū)動(dòng) LED七段數(shù)碼管顯示時(shí)、分、秒。其中一塊譯碼顯示電路的連接圖如圖 1-3 所示：多功能數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)與仿真5圖 1-3 其中一塊譯碼顯示電路的連接圖1.2.3 計(jì)數(shù)

11、器電路在數(shù)字鐘的控制電路中，分和秒的控制都是一樣的，都是由一個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器和一個(gè)六進(jìn)制計(jì)數(shù)器串聯(lián)而成的。在此次電路的設(shè)計(jì)中采用的是統(tǒng)一的器件74LS161N 的反饋置數(shù)法來實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制功能和六進(jìn)制功能，根據(jù) 74LS161 的結(jié)構(gòu)把輸出端的 0101（十進(jìn)制為 5）用一個(gè)與非門 74LS00 引到 Load 端便可置 0，這樣就實(shí)現(xiàn)了六進(jìn)制計(jì)數(shù)。同樣，在輸出端的 1001（十進(jìn)制為 9）用一個(gè)與非門 74LS00引到 Load 端便可置 0，這樣就實(shí)現(xiàn)了十進(jìn)制計(jì)數(shù)。在分和秒的進(jìn)位時(shí)，用秒計(jì)數(shù)器的 Load 端接分計(jì)數(shù)器的 CLK 控制時(shí)鐘脈沖，脈沖在上升沿來時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。時(shí)計(jì)數(shù)器可由兩個(gè)十進(jìn)

12、制計(jì)數(shù)器串接并通過反饋接成二十四制計(jì)數(shù)器。分和秒的計(jì)數(shù)器電路圖如圖 3-4 所示：圖 1-4 分和秒的計(jì)數(shù)器電路圖時(shí)的計(jì)數(shù)器電路圖如圖 1-5 所示：多功能數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)與仿真6圖 1-5 時(shí)的計(jì)數(shù)器電路圖1.2.4 校時(shí)電路時(shí)鐘出現(xiàn)誤差時(shí)，需校準(zhǔn)。當(dāng)數(shù)字鐘接通電源或者計(jì)時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí)，需要校正時(shí)間。校時(shí)是數(shù)字鐘應(yīng)具備的基本功能。對(duì)校時(shí)電路的要求是，在小時(shí)校正時(shí)不影響分和秒的正常計(jì)數(shù)；在分校正時(shí)不影響秒和小時(shí)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，通過開關(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)是用手動(dòng)產(chǎn)生單脈沖作校時(shí)脈沖下圖所示為校時(shí)電路和校分電路。其中 S1是校分用的控制開

13、關(guān)，S2為校時(shí)用的控制開關(guān)，它們的控制功能下表所示。校時(shí)脈沖采用分頻器輸出的 1Hz 脈沖，當(dāng) S1或 S2分別為 0 時(shí)可進(jìn)行快校時(shí)。如果校時(shí)脈沖由單脈沖產(chǎn)生器提供，則可以進(jìn)行慢校時(shí)。Multisim 仿真軟件校時(shí)的具體設(shè)計(jì)方法是：用一個(gè)單刀雙擲開關(guān)切換計(jì)數(shù)功能與校時(shí)功能，另一端接計(jì)數(shù)器的脈沖輸入端，開關(guān)置于函數(shù)發(fā)生器這一端便可以校時(shí)，置于計(jì)數(shù)器的進(jìn)位端便是計(jì)時(shí)。校時(shí)電路部分電路圖如圖 1-6 所示：多功能數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)與仿真7圖 1-6 校時(shí)電路部分電路圖1.2.5 鬧鐘電路在指定的時(shí)刻發(fā)出信號(hào)，或驅(qū)動(dòng)音響電路“鬧時(shí)” ；或?qū)δ逞b置的電源進(jìn)行接通或斷開“控制” 。不管時(shí)鬧時(shí)還是控制，都要求時(shí)

14、間準(zhǔn)確，即信號(hào)的開始時(shí)刻與持續(xù)時(shí)間必須滿足規(guī)定的要求。在本數(shù)字鐘設(shè)計(jì)中，選用了四片 74LS85 三位比較器實(shí)現(xiàn)。74LS85 的邏輯功能表如表 1-3 所示：表 1-3 74LS85 的邏輯功能表74LS85 比較器的一對(duì)輸入接小時(shí)和分鐘時(shí)計(jì)數(shù)器的輸出，另外一對(duì)接四位撥碼開關(guān)，當(dāng)小時(shí)和分鐘計(jì)數(shù)器的輸出與撥碼開關(guān)的值完全相等時(shí)，四片比較器輸出都為高電平，經(jīng)四位與非門后輸出到蜂鳴器，在一分鐘內(nèi)蜂鳴器導(dǎo)通，例如，撥碼開多功能數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)與仿真8關(guān)依次為 0000,0111,0011,1001,此時(shí)表示為 7 點(diǎn) 59 分，當(dāng)計(jì)數(shù)器的輸出也為 7 點(diǎn) 59分時(shí)，OAEQB 輸出都為高電平。鬧鐘電路圖

15、如圖 1-7 所示：圖 1-7 鬧鐘電路圖1.2.6 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路整點(diǎn)報(bào)時(shí)的功能要求是，每當(dāng)數(shù)字鐘計(jì)時(shí)快到整點(diǎn)時(shí)發(fā)出聲響。當(dāng)時(shí)鐘還有十秒到整點(diǎn)時(shí)，蜂鳴器開始響，持續(xù)時(shí)間為十秒。此電路是通過五個(gè)與門和一個(gè)蜂鳴器來實(shí)現(xiàn)的，每當(dāng)分鐘的十位為 5，個(gè)位為9，并且秒鐘的十位為 5 時(shí)，蜂鳴器接高電平，開始工作，直到到達(dá)整點(diǎn)停止。整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路圖如圖 1-8 所示：多功能數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)與仿真9圖 1-8 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路圖1.31.3 多功能數(shù)字鐘總體設(shè)計(jì)電路圖多功能數(shù)字鐘總體設(shè)計(jì)電路圖 多功能數(shù)字中總體設(shè)計(jì)電路圖如圖 1-9 所示多功能數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)與仿真10圖 1-9 多功能數(shù)字鐘總體設(shè)計(jì)電路圖多功能數(shù)字鐘的設(shè)

16、計(jì)與仿真112 2 仿真調(diào)試仿真調(diào)試2.12.1 總體仿真圖總體仿真圖開始仿真后，秒鐘部分開始以 1s 為周期開始遞增，并能向分鐘和時(shí)鐘部分進(jìn)位，完成數(shù)字鐘的基本功能。圖 2-1 總體仿真圖2.22.2 各個(gè)功能仿真調(diào)試各個(gè)功能仿真調(diào)試2.2.1 校時(shí)電路仿真調(diào)試當(dāng)數(shù)字鐘時(shí)間不準(zhǔn)確時(shí)，則需要手動(dòng)調(diào)整時(shí)間。如圖 4-2 所示，單刀雙擲開關(guān) J2、J1 分別對(duì)應(yīng)著時(shí)鐘與分鐘部分。當(dāng)開關(guān)擲向上方時(shí)，數(shù)字鐘正常工作；當(dāng) J1 擲向下方時(shí)，則分鐘部分開始以 1s 為周期開始遞增，當(dāng) J2 擲向下方時(shí)，時(shí)鐘部分則開始以 1s 為周期開始遞增。秒鐘部分則由 J7 控制，當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)秒鐘以 1s 為周期遞增；

17、當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，秒鐘則停止走動(dòng)。多功能數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)與仿真12調(diào)整時(shí)撥動(dòng)開關(guān)，當(dāng)調(diào)整到正確時(shí)間后將開關(guān)撥回即可。圖 2-2 校時(shí)電路仿真圖2.2.2 鬧鐘電路仿真調(diào)試將撥碼開關(guān)調(diào)至如圖 2-3 狀態(tài)，即將鬧鐘定為 16：25，則開始仿真。圖 2-3 開關(guān)圖當(dāng)數(shù)字鐘還未運(yùn)行到 16：25 時(shí)，探針不亮，即鬧鐘不會(huì)響起，狀態(tài)如圖 2-4 所示：2-4 鬧鐘電路不響時(shí)仿真圖當(dāng)時(shí)鐘與分鐘到達(dá) 16：25 時(shí)，在此一分鐘內(nèi)，探針亮，即鬧鐘響，過了此時(shí)間多功能數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)與仿真13后，鬧鐘停。鬧鐘響時(shí)的電路仿真如圖 2-5 所示：圖 2-5 鬧鐘響時(shí)電路仿真圖2.2.3 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路仿真調(diào)試當(dāng)數(shù)字鐘離整點(diǎn)還差

18、 10 秒以上時(shí)間時(shí)，探針不亮，蜂鳴器無反應(yīng)，狀態(tài)如圖 2-6所示：圖 2-6 整點(diǎn)報(bào)時(shí)不響時(shí)電路仿真圖當(dāng)數(shù)字鐘離整點(diǎn)差 10 秒時(shí)，探針亮起，蜂鳴器響，如此持續(xù) 10 秒，過了整點(diǎn)后停止。整點(diǎn)報(bào)時(shí)的電路仿真如圖 2-7 所示：多功能數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)與仿真14圖 2-7 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路仿真圖多功能數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)與仿真153 3 結(jié)果分析與總結(jié)結(jié)果分析與總結(jié)3.13.1 分析總結(jié)分析總結(jié)1）數(shù)字鐘計(jì)數(shù)功能測試：接通電源，在秒脈沖的作用下，電路開始計(jì)數(shù)，且時(shí)、分、秒 分別為 24、60、60 進(jìn)制。計(jì)數(shù)功能符合設(shè)計(jì)要求。2）校時(shí)功能測試：在顯示時(shí)鐘時(shí)間時(shí)，按動(dòng)時(shí)鐘調(diào)時(shí)、時(shí)鐘調(diào)分按鈕開關(guān)時(shí)，時(shí)、分均 可以調(diào)節(jié)，且不按動(dòng)時(shí)，計(jì)數(shù)電路能正常工作，校時(shí)功能符合設(shè)計(jì)要求。3）鬧鐘功能測試：通過撥碼開關(guān)調(diào)節(jié)定時(shí)的時(shí)和分，當(dāng)時(shí)鐘到達(dá)定時(shí)時(shí)刻時(shí)，蜂鳴器響 起，探針發(fā)亮，鬧鐘時(shí)間為 1 分鐘。鬧鐘功能符合設(shè)計(jì)要求。4）整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能測試：在每一個(gè)小時(shí)時(shí)刻，當(dāng)時(shí)鐘到達(dá) 59 分 50 秒時(shí)，