多功能數(shù)字鐘電路地設(shè)計與仿真上海大學(xué)

1、實用標(biāo)準(zhǔn)電子技術(shù)課程設(shè)計報告多功能數(shù)字鐘電路的設(shè)計與仿真上海大學(xué)機自學(xué)院自動化系電氣工程及其自動化專業(yè)姓名 :*學(xué)號 :*指導(dǎo)老師 : 徐昱琳2015 年 6 月 26 日一'、任務(wù)及要求用中小型規(guī)模集成電路設(shè)計一個多功能數(shù)字鐘電路，在EDA軟件上完場硬件系統(tǒng)的仿真。多功能數(shù)字鐘電路的技術(shù)指標(biāo)如下：時間以24小時為一個周期；數(shù)值顯示時、分、秒；有校時功能，可以分別對時及分進行單獨校時，使其校正到標(biāo)準(zhǔn)時間；具有整點報時功能，當(dāng)時間到達整點前5秒進行蜂鳴報時；具有鬧鐘功能，當(dāng)時間到達預(yù)設(shè)的時間進行蜂鳴鬧鈴；為了保證計時的穩(wěn)定及準(zhǔn)確須由石英晶體振蕩器提供時間基準(zhǔn)信號。二、數(shù)字鐘介紹。數(shù)字鐘的

2、構(gòu)成：數(shù)字式計時器應(yīng)由秒發(fā)生裝置、計秒，計分，計時部分、時間顯示部分、時間校正和鬧鐘報時等幾部分組成。所涉及的電子器件主要有振蕩器、 加法計數(shù)器、譯 碼器、顯示器、寄存器、比較器等。其中，振蕩器組成標(biāo)準(zhǔn)秒信號發(fā)生器；由不 同進制的計數(shù)器、譯碼器和顯示器組成計時，顯示系統(tǒng)；寄存器和比較器構(gòu)成定 點報時系統(tǒng)。具結(jié)構(gòu)原理圖如下：三、詳細的電路模塊及電路設(shè)計過程如下：(1)、秒脈沖器。秒脈沖器可以產(chǎn)生頻率為1Hz的方波信號。其精確程度直接影 響到電子鐘計時的精確程度。實驗要求使用石英晶體振蕩器作為秒脈沖器， 提供 時間基準(zhǔn)信號。石英晶體構(gòu)成的秒脈沖器結(jié)構(gòu)圖如下：文案大全川4（他“神財沖發(fā)!瘩心跖:10

3、雪；卓口”32768Hz 22MQC l，4，t6« QM74LS74CD406ctt一振蕩器和14級二進制出行計數(shù)器位組成。 其中的振蕩器與石英 電路構(gòu)成石英振蕩器，可產(chǎn)生頻率為32768Hz=2A15Hz的方波信號。再通過14級二進制計數(shù)器分頻。通過14次分頻后可產(chǎn)生頻率為2Hz的方波信號。再將2Hz 的方波信號通過D觸發(fā)器進行分頻，可獲得頻率為1Hz的秒脈沖信號。74LS74芯片介紹：74LS74是雙路D型上升沿觸發(fā)器，帶獨立的數(shù)據(jù)（D）輸入、時鐘 （CP» 輸入、設(shè)置（SD和復(fù)位（RD輸入、以及互補的Q和Q輸出。設(shè)置和復(fù)位為異 步低電平有效，且不依賴于時鐘輸入。74

4、LS74數(shù)據(jù)輸入口的信息在時鐘脈沖的上升沿傳輸?shù)絈 口。為了獲得預(yù)想中的結(jié)果，D輸入必須在時鐘脈沖上升沿來臨 之前，保持穩(wěn)定一段就緒時間仿真中可用74LS74中的D觸發(fā)器 來對2Hz的方波信號進行分頻以獲得 頻率為1Hz的秒脈沖信號。)74LS74UId UIdIdLIRdID1CP ISdIQIQGND最終的石英晶體秒脈沖電路如下圖所示:R145.32768H 也XI U=J30pF 40%40606D_5VO u 照 0£ t t i 丁 w * q Xq rQ9 QQ9Qtrni4iif4LS74D101由于Mulitisim 軟件不能仿真4060的晶體振蕩電路，無法生成秒脈沖

5、。故仿真電路中暫時以電壓為5V,頻率為1Hz的方波信號代替石英晶體振蕩電路 實際中則使用上圖中的石英晶體秒脈沖電路。(2)、計時電路：分和秒的計時電路由60進制的計數(shù)器構(gòu)成，其中個位為十進制計數(shù)器；十 位為六進制計數(shù)器。二者級聯(lián)即可構(gòu)成 60進制計數(shù)器。小時的計時電路由24進制，其中個位為十進制計數(shù)器，只不過十位為 2時 個位需要滿四清零；十位為二進制計數(shù)器，實現(xiàn)方法是個位為 4,十位為2時反 饋清零。二者級聯(lián)即可構(gòu)成24進制計數(shù)器。計數(shù)芯片選用74HC160 74HC160E片的管腳與74HC161的管腳完全相同， 不過160為10進制計數(shù)器，161位四位二進制即16進制計數(shù)器。相比之下16

6、0 使用起來更簡單。計數(shù)方法采用反饋清零法。分秒計時電路如下：101 I02 03 心4.Q. Q.IDZ IOSO. O ： .U4A<3- 74HCG4D 4V74HC160D_1V匚3AFHCM 口 I4U nt 101074HC160D 4V其中IO18是狀態(tài)輸出端，接譯碼器；IO9是進位端，接下一個計時電路的 CP端；IO10是初始CP輸入端，接秒脈沖信號。U2為十進制計數(shù)器，當(dāng)個位計數(shù)到9時，RC8輸出一個高電平，個位清零 時高電平立即消失，其余時刻均為低電平。即剛剛到 9時，會輸出上升沿，剛剛 清零時，輸出下降沿。通過非門，則可以在剛剛清零時輸出上升沿，從而實現(xiàn)對 十位的進

7、位。U1為六進制計數(shù)器，通過反饋清零法實現(xiàn)計數(shù)。當(dāng)清零信號與電源VCC信號的與非即可獲得進位信號。小時計時電路如下圖:7JHC160D 4V Z4HCQ4D_4V - 74HC160D-iv74HC0UD_4VU3A其中IO18是狀態(tài)輸出端，接譯碼器；IO9是CP輸入端，接分計時器的進 位端。U1為十進制計數(shù)器，當(dāng)個位計數(shù)到9時，RC8輸出一個高電平，個位清零 時高電平立即消失，其余時刻均為低電平。即剛剛到 9時，會輸出上升沿，剛剛 清零時，輸出下降沿。通過非門，則可以在剛剛清零時輸出上升沿，從而實現(xiàn)對 十位的進位。當(dāng)小時的十位數(shù)值為 2時，則U1必須滿四清零，這個通過與非門 U3A實現(xiàn)。U2

8、為二進制計數(shù)器，實現(xiàn)方法個位 4和十位2的同時反饋清零。這個通過 與非門U3A實現(xiàn)。(3)、譯碼電路及顯示電路為了能夠使計時電路的狀態(tài)能夠變?yōu)槭M制數(shù)字顯示， 必須要將計時電路輸 出的二進制數(shù)值通過譯碼器輸出到顯示器。譯碼芯片選擇 CD4511芯片。顯示器 選用七段數(shù)字顯示器。CD451但片介紹:CD4511是一片CMOS BCD鎖存/7段譯碼/驅(qū)動器，用于驅(qū)動共陰極 LED (數(shù)碼管)顯示器的BCD碼。特點：具有BCD專換、消隱和鎖存控制、七段譯 碼及驅(qū)動功能的CMO也路能提供較大的拉電流?？芍苯域?qū)動共陰 LED數(shù)碼管。AtM-LTBfLEAJAflvss<1)451 IVooYfYg

9、YaYbYcYdYeA0A3二進制數(shù)據(jù)輸入端CD4511弓唧圖BI：輸出消隱控制端LE:數(shù)據(jù)鎖定控制端LT:燈測試端YaYg數(shù)據(jù)輸出端VDD電源正VSS電源負CD451值值表如下Afi出LtLIc*bd.fAL錄I1a?r - i1I-L1i1Ii.10)KILLV000a0e00tiqa111t110D°1ID0Q0Ia0e0I0IlD0)Q1j0i1t1 1iIIII011It1iDn>Llni)1t巾a口1bbi1qiiiII1QtI01i°tbViDr1BD01iI上1fn1)ni1)1t10D00T0.iiQa0111i11.DIii04111)aD )D1

10、iX01DDqaaDaQ簫必n1)b.4II0aa00d0n1it丁口a口QQQDQmnIar101D000Qao IV1ai11DDqa00qQ泊aiiiL11IDdu000i1111EIto和咐存七段數(shù)字顯示器介紹它是將七個發(fā)光二極管按一定的方式排列起來，七段a、b、c、d、e、f、g各對應(yīng)一個發(fā)光二極管，利用不同發(fā)光段的組合，顯示不同的阿拉伯?dāng)?shù)字。(a)數(shù)字顯示器分段布置圖(b)七段數(shù)字顯示器的內(nèi)部接法(a)共陽極電路(b)供應(yīng)及電路譯碼電路及顯示電路圖如下：其中電阻R1作用是穩(wěn)定數(shù)值顯示，IO14為計時狀態(tài)輸入端，接計時器的狀 態(tài)輸出端。(4)、時間校準(zhǔn)電路校時電路有各類開關(guān)組成，開關(guān)

11、類型見圖 校時電路圖如下：VCC_c- 5.0V tin nrii if校準(zhǔn)開關(guān)1-IO1使=之格、 JQ2,1103L 1調(diào)時調(diào)分調(diào)秒：JO4 Z：A ：心5：耀"“格：106其中IO1與IO4串聯(lián)在小時個位計時芯片 CP端和分十位計時進位端之間， IO2與IO5串聯(lián)在分個位計時芯片 CP端和秒十位計時進位端之間，IO3與IO5 串聯(lián)在秒個位計時芯片CPS和秒脈沖信號端之間。開關(guān)S4在上方是為校準(zhǔn)狀態(tài)， 在下方為計時狀態(tài)。S1為調(diào)時按鈕，S2為調(diào)分按鈕，S3為調(diào)秒按鈕。(5)、整點報時電路整點報時電路要求在59分55到59分59秒均輸出高電平供電給蜂鳴器，促 使蜂鳴器發(fā)生?？梢詫⒂?/p>

12、時芯片輸出的二進制狀態(tài)通過各種門組合， 使其在特定 的時間輸出高電平。整點報時電路圖如下：*91rH- 102 0 ipap皿p ip , K»O- ©a jo8dU4A-74HCOOD_4V74HC10O._4V其中U1最上端為多余端，與非門多余端接高電平。IO1IO9分別接：分的 十位的計時芯片Qg Qa輸出端，個位的計時芯片的Qd Qa輸出端，秒的十位的 計時芯片的Qg Qa輸出端，個位的計時芯片的 Qc、Qb> Qg Qa Qd輸出端。(6)鬧鐘電路鬧鐘電路由兩部分電路組成，一個為定時電路，用來儲存輸入的預(yù)置的鬧鐘 信號，另一個為比較電路，用來比較鬧鐘信號與計

13、時電路的輸出信號是否一致， 若一致則輸出高電平來促使蜂鳴器工作。定時電路的電路與計時電路基本一致。 去掉計時電路的秒，并且將小時、分 的個位的芯片CP端接手動調(diào)成按鈕，即可獲得鬧鐘電路鬧鐘電路的定時電路部分如下圖所示網(wǎng)制明分鬧鐘調(diào)時ma uni iqi& 出楣HUD >!,il：13-Mw ih ji rvHLtmo4n w- AL J ' L "01 KQ Kll 104 D!UW,施厚6值 OFJ04二其中IO116分別按順序連接比較電路的各 B接口。同時為了顯示方便, IO116還要接額外譯碼顯示電路。叼CE 叵 一叵B叵 °A>B 叵 &

14、#176;a - b r*'GM口8鬧鐘電路的比較電路部分，鬧鐘的比較部分需 要用到數(shù)值比較器。這里可以用 74HC85芯片。 74HC8腿四位數(shù)值比較器。將四片74HC85K片串聯(lián)起來就可以得到16位 數(shù)值比較器。串聯(lián)的方法便是將其中一片 85芯片 的各I端口依次與另一個85芯片的Q端口相連。 各A端口和各B端口用于輸入用來比較的數(shù)值。74HC85勺功能表如下FUNCTION TABLECOMPARING INPUTSCASCADING INPUTSOUTPUTSAs. B3，BaAft B1Aq»Ke人'UwBQm-e網(wǎng) ,珈XKXXXXbLLXXXXXXLHIA

15、產(chǎn)改XXXXXHLL%二口 3A?<8?XXXXXLHLAl=BgA=84/田iXXXXHLL息盧的A2=B2%出1XXXXLML3比Af%Ai=Bflq6>8白XKXHLLAa-BjAs-02A1-B1Ao<BaXXXLHL廿氏Ah的%幫1%二%HL1HLLG二與4產(chǎn)1AipfilnLHLLHLAi=Bh出產(chǎn)&AiLLHLLHAa-°aA2=B2Ai書1二尸1 LXXHLIHAj=H3a尸4a產(chǎn)Bia廠所）HH1LIIAs BnAnBiArj_BciLLLHHLNates1. H = HIGH voltage levelL - LOW vohaqe Jfv

16、fIX = don't care鬧鐘的比較部分的電路圖如下VCC 5,0V其中各A端口按序依次接計時電路的狀態(tài)輸出，各B端口按序依次接定時電 路的狀態(tài)輸出(7)、總電路圖如下國加商外其中為了連線方便以及連線整潔，電路圖使用了總線連接的方法(粗線為總線)四、電路的仿真及指標(biāo)驗證。(1)、打開仿真開關(guān)。(2)、仿真校準(zhǔn)時間功能：把校準(zhǔn)開關(guān)往右撥，進入校準(zhǔn)狀態(tài)。調(diào)節(jié)計時時間為 9點29分。然后將校準(zhǔn)開關(guān)往左撥，進入計時狀態(tài)。電子鐘正常工作。如下圖 所示，已經(jīng)走了 7秒。(3)仿真整點報時：為了顯示清楚，蜂鳴器旁邊再接一個指示燈。這樣便于觀 察。將時間調(diào)到9點59分30秒，然后計時。到9點59

17、分55秒時，指示燈亮, 說明蜂鳴器工作，10點00分00秒時，指示燈熄滅，說明蜂鳴器停止工作。蜂 鳴器工作持續(xù)5秒鐘調(diào)至59分30秒，初始燈不亮：計入計時狀態(tài),IMMl Mlrrirm西時調(diào)分調(diào)秒粒加”英 lli- - 加L野口：編:uirrn ."inrr到了 59分55秒，燈亮:II時M小ii相：I - HI中中過附口市到了 10點00分00秒，燈熄滅:調(diào)時調(diào)分調(diào)秒開大mmiTtriTTnmrr(4)、仿真鬧鐘功能：將鬧鐘定時至10點01分，開始計時:鬧鐘定時按鈕在下方01分00秒，指示燈亮，說明蜂鳴器工作:時間走到10點一二巧己：二，：R P： 力 ri-JTUIK?i .和!卜卜一 皿出川片:IJ4N.' ® 二 ® 不 ®一分鐘后，定時時間與計時時間不同，指示燈滅，表明蜂鳴器停止工作:!" ! Ut3< n出k -|,"f «" I U|n*' m H H110D SvIFTI b. - Ji .iiirriron.i；五、個人小結(jié)多功能數(shù)字電子鐘電路的設(shè)計需要用到許多芯片， 這就要求我對各類芯片功 能有較好的掌握。通過查閱數(shù)電教科書以及百度文庫中對