數(shù)電課程設(shè)計數(shù)字鐘

1、電氣工程學(xué)院數(shù)字電子電路課程設(shè)計報告書姓 名： 班 級：09級通信工程（2）班 學(xué) 號： 題 目：數(shù)字鐘完成日期： 2010年12月20日 目錄目錄.11、設(shè)計目的.22、設(shè)計任務(wù)與要求.23、設(shè)計原理及其框圖.23.1數(shù)字鐘的構(gòu)成.23.2數(shù)字鐘的工作原理.43.3時間計數(shù)單元.53.4譯碼驅(qū)動及顯示單元.63.5校時電源電路.63.6整點報時電路.74、元器件.75、功能塊電路圖.76仿真結(jié)果及分析.126.1計數(shù)和校時功能測試.126.2整點報時功能測試.13 6.3脈沖產(chǎn)生電路仿真結(jié)果及分析.146.4仿真過程中出現(xiàn)問題及解決辦法.156、總結(jié).157、參考文獻.15一、設(shè)計目的 數(shù)字

2、鐘從原理上講是一種典型的數(shù)字電路，其中包括了組合邏輯電路和時序電路。此次設(shè)計與制作數(shù)字電子鐘的目的是讓學(xué)生在了解數(shù)字鐘的原理的前提下，運用剛剛學(xué)過的數(shù)電知識設(shè)計并制作數(shù)字鐘，而且通過數(shù)字鐘的制作進一步了解各種在制作中用到的中小規(guī)模集成電路的作用及其使用方法。由于數(shù)字電子鐘包括組合邏輯電路和時序電路，通過它可以進一步學(xué)習(xí)與掌握各種組合邏輯電路與時序電路的原理與使用方法，從而實現(xiàn)理論與實踐相結(jié)合?？偟膩碚f，此次課程設(shè)計，有助于學(xué)生對電子線路知識的整合和電子線路設(shè)計能力的訓(xùn)練，并為后繼課程的學(xué)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計打下一定的基礎(chǔ)。二、設(shè)計任務(wù)與要求設(shè)計要求（1）設(shè)計指標 輸入10HZ的時鐘；（對已有kHz頻率

3、時鐘進行分頻） 能顯示時、分、秒，24小時制； 時和分有校正功能； 整點報時，喇叭響兩秒； 可設(shè)定夜間某個時段不報時；（2）設(shè)計要求 畫出電路原理圖（或仿真電路圖）； 元器件及參數(shù)選擇； 電路仿真與調(diào)試； PCB文件生成與打印輸出。（3） 制作要求 自行裝配和調(diào)試，并能發(fā)現(xiàn)問題和解決問題。三、設(shè)計原理及其框圖1數(shù)字鐘的構(gòu)成數(shù)字鐘是一個將“ 時”，“分”，“秒”顯示于人的視覺器官的計時裝置。它的計時周期為24小時，顯示滿刻度為23時59分59秒，另外應(yīng)有校時功能和一些顯示星期、報時、停電查看時間等附加功能。因此，一個基本的數(shù)字鐘電路主要由譯碼顯示器、“時”，“分”，“秒”，計數(shù)器、校時電路、報時

4、電路和振蕩器組成。數(shù)字鐘實際上是一個對標準頻率（1HZ）進行計數(shù)的計數(shù)電路。由于計數(shù)的起始時間不可能與標準時間（如北京時間）一致，故需要在電路上加一個校時電路，同時標準的1HZ時間信號必須做到準確穩(wěn)定。通常使用石英晶體振蕩器電路構(gòu)成.圖3-1所示為數(shù)字鐘的一般構(gòu)成框圖晶體振蕩器電路晶體振蕩器電路給數(shù)字鐘提供一個頻率穩(wěn)定準確的32768z的方波信號，可保證數(shù)字鐘的走時準確及穩(wěn)定。不管是指針式的電子鐘還是數(shù)字顯示的電子鐘都使用了晶體振蕩器電路。分頻器電路分頻器電路將32768z的高頻方波信號經(jīng)32768（）次分頻后得到1Hz的方波信號供秒計數(shù)器進行計數(shù)。分頻器實際上也就是計數(shù)器。時間計數(shù)器電路時間

5、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60進制計數(shù)器，而根據(jù)設(shè)計要求，時個位和時十位計數(shù)器為12進制計數(shù)器。譯碼驅(qū)動電路譯碼驅(qū)動電路將計數(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。數(shù)碼管數(shù)碼管通常有發(fā)光二極管（LED）數(shù)碼管和液晶（LCD）數(shù)碼管，本設(shè)計提供的為LED數(shù)碼管。2 數(shù)字鐘的工作原理）晶體振蕩器電路晶體振蕩器是構(gòu)成數(shù)字式時鐘的核心，它保證了時鐘的走時準確及穩(wěn)定。圖3-2所示電路通過非門構(gòu)成的輸出為方波的數(shù)字式晶體振蕩電路，這個電路中，非

6、門與晶體、電容和電阻構(gòu)成晶體振蕩器電路，實現(xiàn)整形功能，將振蕩器輸出的近似于正弦波的波形轉(zhuǎn)換為較理想的方波。輸出反饋電 阻為非門提供偏置，使電路工作于放大區(qū)域，即非門的功能近似于一個高增益的反相放大器。電容、與晶體構(gòu)成一個諧振型網(wǎng)絡(luò)，完成對振蕩頻率的控制功能，同時提供了一個度相移，從而和非門構(gòu)成一個正反饋網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了振蕩器的功能。由于晶體具有較高的頻率穩(wěn)定性及準確性，從而保證了輸出頻率的穩(wěn)定和準確。晶體XTAL的頻率選為32768HZ。該元件專為數(shù)字鐘電路而設(shè)計，其頻率較低，有利于減少分頻器級數(shù)。從有關(guān)手冊中，可查得C1、C2均為30pF。當(dāng)要求頻率準確度和穩(wěn)定度更高時，還可接入校正電容并采取溫

7、度補償措施。由于CMOS電路的輸入阻抗極高，因此反饋電阻R1可選為10M。較高的反饋電阻有利于提高振蕩頻率的穩(wěn)定性，非門電路可選74HC00。圖3-2 COMS晶體振蕩器）分頻器電路通常，數(shù)字鐘的晶體振蕩器輸出頻率較高，為了得到z的秒信號輸入，需要對振蕩器的輸出信號進行分頻。通常實現(xiàn)分頻器的電路是計數(shù)器電路，一般采用多級進制計數(shù)器來實現(xiàn)。例如，將z的振蕩信號分頻為Z的分頻倍數(shù)為（），即實現(xiàn)該分頻功能的計數(shù)器相當(dāng)于極進制計數(shù)器。常用的進制計數(shù)器有等。本實驗中采用CD4060來構(gòu)成分頻電路。CD4060在數(shù)字集成電路中可實現(xiàn)的分頻次數(shù)最高，而且CD4060還包含振蕩電路所需的非門，使用更為方便。計

8、數(shù)為級進制計數(shù)器，可以將Z的信號分頻為Z，其內(nèi)部框圖如圖3-3所示，從圖中可以看出，的時鐘輸入端兩個串接的非門，因此可以直接實現(xiàn)振蕩和分頻的功能。圖3-3 CD4046內(nèi)部框圖）時間計數(shù)單元時間計數(shù)單元有時計數(shù)、分計數(shù)和秒計數(shù)等幾個部分。時計數(shù)單元一般為進制計數(shù)器計數(shù)器，其輸出為兩位碼形式；分計數(shù)和秒計數(shù)單元為進制計數(shù)器，其輸出也為碼。一般采用10進制計數(shù)器74HC390來實現(xiàn)時間計數(shù)單元的計數(shù)功能。為減少器件使用數(shù)量，可選，其內(nèi)部邏輯框圖如圖.所示。該器件為雙異步計數(shù)器，并且每一計數(shù)器均提供一個異步清零端（高電平有效）。圖3-4 74HC390(1/2)內(nèi)部邏輯框圖秒個位計數(shù)單元為進制計數(shù)器

9、，無需進制轉(zhuǎn)換，只需將與（下降沿有效）相連即可。（下降沒效）與Z秒輸入信號相連，可作為向上的進位信號與十位計數(shù)單元的相連。秒十位計數(shù)單元為進制計數(shù)器，需要進制轉(zhuǎn)換。將進制計數(shù)器轉(zhuǎn)換為進制計數(shù)器的電路連接方法如圖3-5所示，其中可作為向上的進位信號與分個位的計數(shù)單元的相連。圖3-5 10進制6進制計數(shù)器轉(zhuǎn)換電路分個位和分十位計數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)分別與秒個位和秒十位計數(shù)單元完全相同，只不過分個位計數(shù)單元的作為向上的進位信號應(yīng)與分十位計數(shù)單元的相連，分十位計數(shù)單元的作為向上的進位信號應(yīng)與時個位計數(shù)單元的相連。時個位計數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)仍與秒或個位計數(shù)單元相同，但是要求，整個時計數(shù)單元應(yīng)為進制計數(shù)器，不是的整

10、數(shù)倍，因此需將個位和十位計數(shù)單元合并為一個整體才能進行進制轉(zhuǎn)換。利用片實現(xiàn)進制計數(shù)功能的電路如圖3-6所示。另外，圖3-6所示電路中，尚余進制計數(shù)單元，正好可作為分頻器Z輸出信號轉(zhuǎn)化為Z信號之用。圖3-6 12進制計數(shù)器電路4）譯碼驅(qū)動及顯示單元計數(shù)器實現(xiàn)了對時間的累計以8421BCD碼形式輸出，選用顯示譯碼電路將計數(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，選用CD4511作為顯示譯碼電路，選用LED數(shù)碼管作為顯示單元電路。5）校時電源電路當(dāng)重新接通電源或走時出現(xiàn)誤差時都需要對時間進行校正。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

11、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。圖3-7所示即為帶有基本RS觸發(fā)器的校時電路。圖3-7 帶有消抖動電路的校正電路6）整點報時電路一般時鐘都應(yīng)具備整點報時電路功能，即在時間出現(xiàn)整點前數(shù)秒內(nèi)，數(shù)字鐘會自動報時，以示提醒。其作用方式是發(fā)出連續(xù)的或有節(jié)奏的音頻聲波，較復(fù)雜的也可以是實時語音提示整點報時的功能要求時，每當(dāng)數(shù)字鐘計時快到整點時發(fā)出聲響。喇叭響兩秒。快到整點時，59分58秒開始響，到00分00秒停止，一共響兩秒

12、。報時電路報時控制信號。報時電路選74HC30，選蜂鳴器為電聲器件。四、元器件1實驗中所需的器材，5V電源，面包板1塊，示波器，萬用表，鑷子1把，剪刀1把，共陰八段數(shù)碼管6個，CD4511集成塊6塊，CD4060集成塊1塊，74HC390集成塊3塊，74HC51集成塊1塊，74HC00集成塊5塊，74HC30集成塊1塊，10M電阻5個，500電阻14個，30p電容2個， 32.768k時鐘晶體1個，蜂鳴器。五、功能塊電路圖1 一個CD4511和一個LED數(shù)碼管連接成一個CD4511驅(qū)動電路，數(shù)碼管可從0-9顯示，以次來檢查數(shù)碼管的好壞，見附圖5-1。2 利用一個LED數(shù)碼管，一塊CD4511，

13、一塊74HC390，一塊74HC00連接成一個十進制計數(shù)器，電路在晶振的作用下數(shù)碼管從09顯示，見附圖5-2。5-2 74390十進制計數(shù)器3. 利用一個LED數(shù)碼管，一塊CD4511，一塊74HC390，一塊74HC00和一個晶振連接成一個六進制計數(shù)器，數(shù)碼管從06顯示，見附圖5-3。5-3 74390六進制計數(shù)器4.利用一個六進制電路和一個十進制連接成一個六十進制電路，電路可從059顯示，見附圖5-4。圖5-4 六十進制電路5 利用兩個六十進制的電路合成一個雙六十進制電路，兩個六十進制之間有進位，見附圖5-5。圖5-5 雙六十進制電路6 利用CD4060、電阻及晶振連接成一個分頻晶振電路，

14、見附圖5-6。圖5-6 分頻晶振電路7 利用74HC51D和74HC00及電阻連接成一個校時電路，見附圖5-7。圖5-7 校時電路8利用74HC30和蜂鳴器連接成整點報時電路。見附圖5-8。圖5-8 整點報時電路9 利用兩個六十進制和一個十二進制連接成一個時、分、秒都會進位的電路總圖，見附圖5-9。圖5-9六、仿真結(jié)果及分析仿真軟件選取NI Multisim 10，它是美國國家儀器公司（NI，National Instruments）最新推出的Multisim最新版本。計數(shù)和校時功能測試具體設(shè)計方法是：用一個單刀雙擲開關(guān)切換計數(shù)功能與校時功能，另一端接計數(shù)器的脈沖輸入端，開關(guān)置于函數(shù)發(fā)生器這一

15、端便可以校時，置于計數(shù)器的進位端便是計時。不校正時間時開關(guān)都應(yīng)打在與非門的那一端。開關(guān)接校時電路開關(guān)接計時電路1）數(shù)字鐘計數(shù)功能測試分析：如上圖，在秒脈沖的作用下，電路開始計數(shù)，且時、分、秒分別為24、60、60進制。計數(shù)功能符合設(shè)計要求。2）校時功能測試分析：如上圖，在顯示時鐘時間時，按動時鐘調(diào)時、時鐘調(diào)分按鈕開關(guān)時，時、分均可以調(diào)節(jié)，且不按動時，計數(shù)電路能正常工作，校時功能符合設(shè)計要求。整點報時功能測試由測試分析，每當(dāng)數(shù)字鐘計時快到整點時發(fā)出聲響。喇叭響兩秒。快到整點時，59分58秒開始響，到00分00秒停止，一共響兩秒。整點報時功能符合設(shè)計要求。整點報時蜂鳴器仿真圖整體電路圖仿真測試如上

16、圖顯示為時間08：34：53，電路圖功能正常符合要求。脈沖產(chǎn)生電路仿真結(jié)果及分析由下面仿真波形可以看出555輸出信號（即555out）為周期為1s的方波脈沖，電容C1兩端的電壓波形如下Uc。555輸出的信號可以滿足數(shù)字鐘電路都需要，因而滿足條件。脈沖產(chǎn)生電路仿真波形圖數(shù)字鐘整體電路仿真及分析數(shù)字鐘整體電路的仿真結(jié)果下圖所示，5s范圍內(nèi)，七段數(shù)碼管的七段a，b，c，d，e，f，g的電平依次為0110000，1101101，1111001，0110011，1011011根據(jù)數(shù)碼管的排列規(guī)則，可知數(shù)碼管將依次顯示1，2，3，4，5。故可以初步判定此電路是符合條件的。數(shù)字鐘整體電路仿真結(jié)果圖仿真過程中

17、出現(xiàn)問題及解決辦法1）操作時鐘調(diào)校正按鈕時，顯示器顯示數(shù)據(jù)不改變，且到60秒時分位依然不改變，解決辦法：此時顯示器顯示的時間為鬧鐘時間應(yīng)切換顯示開關(guān)，再調(diào)節(jié)校正按鈕即可。2）顯示開關(guān)已切換至?xí)r鐘顯示，操作時鐘調(diào)校正按鈕時，顯示器顯示數(shù)據(jù)依然不改變，分、時電路可以正常進位。解決辦法：此時校時開關(guān)處于鎖定狀態(tài)，不能校時，切換校時開關(guān)即可解決問題。3）定時電路可以正常定時，時鐘電路也可以正常計時，但當(dāng)時鐘到達定時時刻時，沒有鬧鐘信號發(fā)出，揚聲器沒有聲音，發(fā)光二極管不發(fā)光，且此時正點報時也不起作用。解決辦法：此時鬧鐘控制開關(guān)處于斷開狀態(tài)，把此開關(guān)閉合問題即得到解決。七、設(shè)計總結(jié)與體會我們學(xué)習(xí)了數(shù)字電子

18、電路，對電子技術(shù)有了一些初步了解，但那都是一些理論的東西。通過這次數(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。從中對我們學(xué)的知識有了更進一步的理解。在此次的數(shù)字鐘設(shè)計過程中，更進一步地熟悉了芯片的結(jié)構(gòu)及掌握了各芯片的工作原理和其具體的使用方法。也鍛煉了自己獨立思考問題的能力和通過查看相關(guān)資料來解決問題的習(xí)慣。雖然這只是一次簡單的課程設(shè)計，但通過這次課程設(shè)計我們了解了課程設(shè)計的一般步驟，和設(shè)計中應(yīng)注意的問題。設(shè)計本身并不是有很重要的意義，而是同學(xué)們對待問題時的態(tài)度和處理事情的能力。至于設(shè)計的成績無須看的太過于重要，而是設(shè)計的過程，設(shè)計的思想和設(shè)計電路中的每一個環(huán)節(jié)，電路中各個部分的功能是如何實現(xiàn)的。各個芯片能夠完成什么樣的功能，使用芯片時應(yīng)該注意那些要點。同一個電路可以用那些芯片實現(xiàn)，各個芯片實現(xiàn)同一個功能的區(qū)別。另外，我們設(shè)計要從市場需求出發(fā)，既要有強大的功能，又要在價格方面比