汪緩 課程設(shè)計(jì)1

1、課 程 設(shè) 計(jì) 課程名稱數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)題目名稱數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)專業(yè)班級學(xué)生姓名 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 二一二年六月六日摘要數(shù)字鐘是一個(gè)將“時(shí)”，“分”，“秒”顯示于人的視覺器官的計(jì)時(shí)裝置。它的計(jì)時(shí)周期為24小時(shí)，顯示滿刻度為23時(shí)59分59秒。一個(gè)基本的數(shù)字鐘電路主要由秒信號發(fā)生器、“時(shí)、分、秒、”計(jì)數(shù)器、譯碼器及顯示器組成。由于采用純數(shù)字硬件設(shè)計(jì)制作，與傳統(tǒng)的機(jī)械表相比，它具有走時(shí)準(zhǔn)，顯示直觀，無機(jī)械傳動(dòng)裝置等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)中的數(shù)字時(shí)鐘采用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)對“時(shí)” 、“分”、“秒”的顯示和調(diào)整。通過采用各種集成數(shù)字芯片搭建電路來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。具體用到了555震蕩器，74LS90及與非，異或等門集成

2、芯片等。該電路具有計(jì)時(shí)和校時(shí)的功能。在對整個(gè)模塊進(jìn)行分析和畫出總體電路圖后，對各模塊進(jìn)行仿真并記錄仿真所觀察到的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)證明該設(shè)計(jì)電路基本上能夠符合設(shè)計(jì)要求！關(guān)鍵詞 振蕩器、 計(jì)數(shù)器、譯碼顯示器、Multisim2001目 錄1.1設(shè)計(jì)題目：“數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)”31.3給定條件及元器件31.4設(shè)計(jì)內(nèi)容32組成及基本原理32.3譯碼和數(shù)碼顯示電路42.4校時(shí)電路52.5報(bào)時(shí)電路53各部分電路設(shè)計(jì)53.1振蕩電路53.2計(jì)數(shù)器63.3譯碼顯示電路93.5整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路124課程設(shè)計(jì)總結(jié)145感謝詞14參考文獻(xiàn)15 1. 設(shè)計(jì)任務(wù)書 1.1設(shè)計(jì)題目：“數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)”1.2技術(shù)要求：設(shè)計(jì)一臺能直接顯示“時(shí)

3、”、“分”、“秒”的數(shù)字鐘，要求24小時(shí)為一計(jì)時(shí)周期。當(dāng)電路發(fā)生走時(shí)誤差時(shí)，要求電路具有校時(shí)功能。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，最后一響正好為正點(diǎn)。1.3給定條件及元器件要求電路主要采用中規(guī)模CMOS集成電路CC4000系列組成。電源電壓為+5+10V。要求設(shè)計(jì)在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)箱上完成。1.4設(shè)計(jì)內(nèi)容電路各部分的組成及工作原理。元器件的選取及其電路圖和功能。電路各部分的調(diào)試方法在整機(jī)電路的設(shè)計(jì)、調(diào)試運(yùn)行中，遇到什么問題，其原因及解決方法。2組成及基本原理數(shù)字鐘是一個(gè)將“時(shí)”、“分”、“秒”顯示于人的視覺器官的計(jì)時(shí)裝置。它的計(jì)時(shí)周期為24小時(shí)，顯示滿刻度為23時(shí)59分59秒，另外應(yīng)

4、有校時(shí)功能和報(bào)時(shí)功能。因此，一個(gè)基本的數(shù)字鐘電路主要由五部分組成。其整機(jī)框圖如下所示。譯碼顯示電路分 計(jì)數(shù)器秒 計(jì)數(shù)器時(shí) 計(jì)數(shù)器校時(shí) 電 路報(bào)時(shí) 電 路振蕩器2.1晶體振蕩器 晶體振蕩器的作用是產(chǎn)生時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號。數(shù)字鐘的精度，主要取決于時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號的頻率極其穩(wěn)定度。因此，一般用石英晶體振蕩器經(jīng)過分頻得到這一信號。也可采用由門電路或555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器作為時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號源。 2.2計(jì)數(shù)器 有了時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)“秒”信號后，就可以根據(jù)60秒為一分、60分為一小時(shí)24小時(shí)為一天的計(jì)數(shù)周期，分組組成兩個(gè)六十進(jìn)制（秒、分）、一個(gè)二十四進(jìn)制（時(shí)）的計(jì)數(shù)器。將這些計(jì)數(shù)器適當(dāng)鏈接，就可以構(gòu)成秒、分、時(shí)的計(jì)數(shù)，實(shí)

5、現(xiàn)計(jì)時(shí)功能。 2.3譯碼和數(shù)碼顯示電路 譯碼和數(shù)碼顯示電路是將數(shù)字鐘的計(jì)時(shí)狀態(tài)直接清晰地反映出來，被人們的視覺 器官所接受。 顯示器件選用LED七段數(shù)碼管。在譯碼顯示電路輸出信號的驅(qū)動(dòng)下，顯示出清 晰、直觀的數(shù)字符號。2.4校時(shí)電路實(shí)際的數(shù)字鐘電路由于秒信號的精確性和穩(wěn)定性不可能做到完全準(zhǔn)確無誤，加之電路中其它原因，數(shù)字鐘總會產(chǎn)生走時(shí)誤差的現(xiàn)象。因此，電路中就應(yīng)該有校準(zhǔn)時(shí)間功能的電路。2.5報(bào)時(shí)電路當(dāng)數(shù)字鐘顯示整點(diǎn)時(shí)，應(yīng)能報(bào)時(shí)。要求當(dāng)數(shù)字鐘的“分”和“秒”計(jì)數(shù)器計(jì)到59分50秒時(shí)，驅(qū)動(dòng)音響電路，要求每隔一秒音響電路鳴叫一次，每次叫聲的時(shí)間持續(xù)1秒，10秒鐘內(nèi)自動(dòng)發(fā)出五聲鳴叫，且前四聲低，最后一

6、聲高，正好報(bào)整點(diǎn)。3各部分電路設(shè)計(jì)3.1振蕩電路振蕩器是數(shù)字鐘的心臟，它是產(chǎn)生時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)“秒”信號的電路。為了制作簡便，在精度要哀求不高的條件下，本系統(tǒng)中的振蕩電路構(gòu)成的多諧振蕩器，見圖。多諧振蕩器的振蕩頻率可由式3.1.1估算。 圖 圖 （式) 若選R1=R2=10K,要在輸出端得到頻率為1Hz的時(shí)鐘信號，則C應(yīng)選47uF。調(diào)節(jié)電位器，即可調(diào)整秒信號。 CC7555單定時(shí)器的外部引腳見圖所示。3.2計(jì)數(shù)器 數(shù)字鐘的“秒”、“分”信號產(chǎn)生電路都是由六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器構(gòu)成，“時(shí)”信號產(chǎn)生電路為二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器。它們都可以用“二十進(jìn)制”計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)。 六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器和二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器均可由雙BCD加法計(jì)

7、數(shù)器CC4518組成。CC4518的功能和外部引線排列已在第二章做了介紹，這里不再重復(fù)。 因?yàn)橐黄珻C4518內(nèi)含有兩個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，因此用一片CC4518就可構(gòu)成六十進(jìn)制或二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器了。 選取CC4518和與非門CC4511、采用反饋復(fù)位法構(gòu)成的六十進(jìn)制和二十四進(jìn)制加法計(jì)時(shí)器電路分別見圖（a）和(b)所示。 （a） （b） 圖 我們把計(jì)數(shù)器各功能端前標(biāo)有“1”的叫“計(jì)數(shù)器1”，標(biāo)有“2”的叫“計(jì)數(shù)器2”。在這兩個(gè)電路中，“計(jì)數(shù)器1”的控制脈沖均由CP端輸入，因此1ENing接高電平；“計(jì)數(shù)器2”的控制脈沖均由EN端輸入，因此2CP應(yīng)接低電平。 將1QD接至2EN保證了低位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器想

8、高位計(jì)數(shù)器提供觸發(fā)信號。見圖是同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的時(shí)序圖。CPQAQBQCQD2EN(1QD) 圖 由圖可以看出：當(dāng)“計(jì)數(shù)器1”的狀態(tài)由1001向0000轉(zhuǎn)換時(shí)，1QD(2EN)ZN正好是一個(gè)下降沿，因此高位的計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。 在圖（a）中，將2QD和2QB相與后接至CR端，構(gòu)成了六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，在圖（b）中，將2QBHE 1QC相與后接至CR端構(gòu)成二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器。為了保證電路能可靠地工作，在“秒”、“分”“時(shí)”計(jì)數(shù)器反饋復(fù)位支路中，加了一個(gè)RS觸發(fā)器，如圖3.1.6所示（以六進(jìn)制電路為例）。圖 圖 將與非門組成的RS觸發(fā)器的輸出接至計(jì)數(shù)器的復(fù)位端，展寬了復(fù)位和進(jìn)位信號的脈沖寬度，使其在本位可

9、靠地復(fù)位的同時(shí)向高位提供了進(jìn)位出發(fā)脈沖。 與非門選用四2輸入與非門CC4011,使外部引腳排列見圖.3.3譯碼顯示電路 當(dāng)數(shù)字鐘的計(jì)數(shù)器在CP脈沖的作用下，按60秒為1分、60分為1小時(shí)、24小時(shí)為一天的計(jì)數(shù)規(guī)律計(jì)數(shù)時(shí)，就應(yīng)將其狀態(tài)顯示成清晰的數(shù)字符號。這就需要將計(jì)數(shù)器的狀態(tài)進(jìn)行譯碼并將其顯示出來。 我們選用的計(jì)數(shù)器全都是二十進(jìn)制集成片，“秒”、“分”、“時(shí)”的個(gè)位和十位的狀態(tài)分別由集成片中的四個(gè)觸發(fā)器的輸出狀態(tài)來反映的。每組（四個(gè)）輸出的計(jì)數(shù)器狀態(tài)都按BCD代碼以高電平來表現(xiàn)。因此，需要譯碼電路將計(jì)數(shù)器輸出的BCD代碼變成能驅(qū)動(dòng)七段數(shù)碼顯示器的工作信號。 譯碼顯示電路選用BCD-7段鎖存譯碼

10、/驅(qū)動(dòng)器CC4511.CC4511已在第二章介紹過了，這里不再贅述。七段顯示數(shù)碼管的外部引腳排列見圖(a）、（b）。 (a)外引腳排列 1 2 4 5 6 7 9 10 ed c dp b a f g 3 8 （b）二極管示意圖 圖 七段數(shù)碼管表列出了我們經(jīng)常選用的幾種LED數(shù)碼管的型號及主要參數(shù)。 表 型號發(fā)光材料正向壓降VF(每段)反向漏電流IR（每段）光強(qiáng)IV（每段）極限”電流IFM（每段）峰值波長P(每段)發(fā)光顏色外形尺寸（字高）FR-105(C)GaP2.5V10uA0.28mcd30mA5650A綠12.7mmFR-205(C)GaP2.5V10uA0.24mcd30mA7000A

11、紅12.7mmFR-305(C)GaASP2.5V10uA0.25mcd30mA5850A黃12.7mmFR-405(C)GaP2.5V10uA0.24mcd30mA6100A橙12.7mm 圖 現(xiàn)以60進(jìn)制“秒計(jì)時(shí)電路為例，將計(jì)時(shí)器、譯碼顯示器和顯示數(shù)碼管連在一起，其電路示意圖見圖.3.4校時(shí)電路 當(dāng)時(shí)鐘指示不準(zhǔn)或者停擺時(shí)，就需要校準(zhǔn)時(shí)間（或稱對表）。校準(zhǔn)的方法很多，常用的有“快速校時(shí)法”?，F(xiàn)在以“分計(jì)時(shí)器”的校時(shí)電路為例，簡要說明它的校時(shí)原理，見圖. 與非門1,2構(gòu)成雙穩(wěn)定觸發(fā)器，可以講1Hz的“秒”信號和“秒計(jì)數(shù)器的進(jìn)位信號”送至“分計(jì)數(shù)器的CP端”。兩個(gè)信號中究竟選哪個(gè)送入由開關(guān)K控制

12、，它的工作過程是這樣的： 圖 當(dāng)開關(guān)K置“B”端時(shí)，與非門1輸出低電平，門2輸出高電平?！懊胗?jì)數(shù)器進(jìn)位信號”通過門4和5送至“分計(jì)數(shù)器的CP端”，使“分計(jì)數(shù)器”正常工作；需要校正“分計(jì)時(shí)器”時(shí)，將開關(guān)K置“A”端，與非門1輸出高電平，門2輸出低電平，門4封鎖“秒計(jì)數(shù)器進(jìn)位信號”，二門3將1Hz的CP信號通過門3和門5送至“分計(jì)時(shí)器”的CP控制端，使“分計(jì)數(shù)器”在“秒”信號的控制下“快速”計(jì)數(shù)，直至正確的時(shí)間，再將開關(guān)置于“B”端，以達(dá)到校準(zhǔn)時(shí)間的目的。3.5整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路 數(shù)字鐘整點(diǎn)報(bào)時(shí)是最基本的功能之一?，F(xiàn)在設(shè)計(jì)的電路要求在離整點(diǎn)差10秒時(shí)，每隔1秒鐘鳴叫一次，每秒持續(xù)時(shí)間為1秒，共響5次，前

13、四次為低音500Hz，最后一聲為高音1000Hz。整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路的電路原理如圖所示。 圖 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路主要由控制門電路和音響電路兩部分組成。 控制門電路組成 由與非門18組成。圖中與非門1，3,5的輸入信號Q4，Q3，Q2，Q1分別表示“分十位”、“分個(gè)位”、“秒十位”和“秒個(gè)位”的狀態(tài)，下標(biāo)中D,C,B,A分別表示組成計(jì)數(shù)器的四個(gè)觸發(fā)器的狀態(tài)。 由圖可以看出： 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，數(shù)字鐘電路要求在59分51秒、53秒、55秒、57秒和59秒時(shí)各鳴叫一次。 當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)到59分50秒時(shí)，分、秒計(jì)數(shù)器的狀態(tài)為： QD4QC4QB4QA4=0101 (分十位) QD3QC3QB3QA3=1001 (分個(gè)位)

14、 QD2QC2QB2QA2=0101 (秒十位) QD1QC1QB1QA1=0000 (秒個(gè)位) 要求音響電路工作，計(jì)數(shù)器狀態(tài)的變化僅發(fā)生在59分59秒之間。因此，只有秒個(gè)位的狀態(tài)發(fā)生變化，而其他計(jì)數(shù)器的狀態(tài)無須變化，所以可持續(xù)QC4=QA4=QD3=QA3=QC2=QA2=1不變。將它們相與Y2=QC4QA4QD3QA3QC2QA2=1。將此信號作為非門5.6的控制信號。 由圖可以看出： 可見要使Y5=1，在Y2=1的情況下（即59分50秒不變的前提下）由以下兩種情況： （1）當(dāng)1000Hz信號輸入時(shí)，應(yīng)使QD1QA1的狀態(tài)為1，即QD1QC1QB1QA1=1001，即59秒。 （2）當(dāng)50

15、0Hz信號輸出事，應(yīng)使QD1QA1的狀態(tài)為1，即QD1=0、QA1=1，我們把Q1狀態(tài)的真值表列于中。 由表可以看出：QD1=0、QA1=1的所有狀態(tài)組合只有四種，即0001、0011、0101、0111，它們分別表示51秒、53秒、55秒和57秒。音響電路 音響電路采用射極輸出器，推動(dòng)8的喇叭，三極管基極串接1K限流電阻，是為了防止電流過大損壞喇叭，集電極串接51限流電阻，三極管選用高頻小功率管即可。 當(dāng)Y5端為高電平時(shí)，三極管T導(dǎo)通，有電流流經(jīng)喇叭，使之發(fā)出鳴叫聲。通過以上分析可知，當(dāng)計(jì)時(shí)至59分51、53、55、57秒時(shí)，頻率為500Hz的信號通過喇叭，當(dāng)計(jì)時(shí)至59分59秒時(shí)，頻率為1000Hz的信號通過喇叭，因而發(fā)出四低一高的聲音，音響結(jié)束正好為59分60秒。 圖是數(shù)字鐘整機(jī)邏輯圖。 圖 4課程設(shè)計(jì)總結(jié)人在課程設(shè)計(jì)中因知識點(diǎn)欠缺，知識點(diǎn)掌握不夠深度而讓我遇到了很多的困難，讓我所編寫的程序老是出錯(cuò)，但同時(shí)也讓我收獲到了很多，比如對這門課程理解的更加深厚