數(shù)字電子鐘邏輯電路設(shè)計(jì)

1、 數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)課題:數(shù)字電子鐘邏輯電路設(shè)計(jì)班級(jí):電子科學(xué)與技術(shù)姓名:AAA同組:BBB學(xué)號(hào):111400XXX指導(dǎo)老師:CCC設(shè)計(jì)時(shí)間:2016年12月26日28日學(xué)院:物理與信息工程學(xué)院摘要:數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)的裝置,與機(jī)械式時(shí)鐘相比具有更高的準(zhǔn)確性和直觀(guān)性,且無(wú)機(jī)械裝置,具有更更長(zhǎng)的使用壽命,因此得到了廣泛的使用。諸如按時(shí)自動(dòng)打鈴,時(shí)間程序自動(dòng)控制,定時(shí)啟閉路燈,定時(shí)開(kāi)關(guān)烘箱,通斷動(dòng)力設(shè)備,甚至各種定時(shí)電氣的的自動(dòng)啟用等。這些都是以數(shù)字時(shí)鐘作為時(shí)鐘源的。數(shù)字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(shí)序電路。目前,數(shù)字鐘的功能越來(lái)越強(qiáng),

2、并且有多種專(zhuān)門(mén)的大規(guī)模集成電路可供選擇。經(jīng)過(guò)了數(shù)字電路設(shè)計(jì)這門(mén)課程的系統(tǒng)學(xué)習(xí),特別經(jīng)過(guò)了關(guān)于組合邏輯電路與時(shí)序邏輯電路部分的學(xué)習(xí),我們已經(jīng)具備了設(shè)計(jì)小規(guī)模集成電路的能力,借由本次設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì),充分將所學(xué)的知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際中去。數(shù)字電子鐘是一種用數(shù)字顯示秒、分、時(shí)、日的計(jì)時(shí)裝置,與傳統(tǒng)的機(jī)械鐘相比,它具有走時(shí)準(zhǔn)確、顯示直觀(guān)、無(wú)機(jī)械傳動(dòng)裝置等優(yōu)點(diǎn),因而得到了廣泛的應(yīng)用:小到人們?nèi)粘Ｉ钪械碾娮邮直?大到車(chē)站、碼頭、機(jī)場(chǎng)等公共場(chǎng)所的大型數(shù)顯電子鐘。 計(jì)數(shù)器;以及秒、分、時(shí)的譯碼顯示部分等。目錄一、前言: (11.設(shè)計(jì)目的: (12.指標(biāo)要求: (13.設(shè)計(jì)說(shuō)明與思路提示: (14.設(shè)計(jì)內(nèi)容: (3二、總

3、體方案設(shè)計(jì): (41.方案比較: (42. 方案論證: (53.方案選擇: (5三、單元模塊設(shè)計(jì): (61. 各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計(jì): (62. 電路參數(shù)的計(jì)算及元器件的選擇: (103.特殊器件的介紹: (104.各單元模塊的聯(lián)接: (13四、系統(tǒng)調(diào)試: (14五、設(shè)計(jì)總結(jié): (161. 設(shè)計(jì)的小結(jié): (162.設(shè)計(jì)收獲體會(huì): (173. 對(duì)設(shè)計(jì)的進(jìn)一步完善提出意見(jiàn)或建議: (18參考文獻(xiàn): (18附:. 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。一、前言:1.設(shè)計(jì)目的:用中小規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)一臺(tái)能顯示日、時(shí)、分秒的數(shù)字電子鐘。2.指標(biāo)要求:1.由晶振電路產(chǎn)生1Hz 標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)。2.秒、分為0059六十進(jìn)制計(jì)

4、數(shù)器。3.時(shí)為0023二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器。4.周顯示從1日為七進(jìn)制計(jì)數(shù)器。5.可手動(dòng)校正:能分別進(jìn)行秒、分、時(shí)、日的校正。只要將開(kāi)關(guān)置于手動(dòng)位置,可分別對(duì)秒,分、時(shí)、日進(jìn)行手動(dòng)脈沖輸入調(diào)整或連續(xù)脈沖輸入的校正。6.整點(diǎn)報(bào)時(shí)。整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路要求在每個(gè)整點(diǎn)前鳴叫五次低音(500Hz,整點(diǎn)時(shí)再鳴叫一次高音(1000Hz。3.設(shè)計(jì)說(shuō)明與思路提示:根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求,對(duì)照數(shù)字電子鐘的框圖,可以分以下幾部分進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。1.秒脈沖發(fā)生器2.計(jì)數(shù)譯碼顯示秒、分、時(shí)、日分別為60、60、24 和7 進(jìn)制狀態(tài)表計(jì)數(shù)器。秒、分均為六十進(jìn)制,即顯示0059,它們的個(gè)位為十進(jìn)制,十位為六進(jìn)制。時(shí)為二十四進(jìn)計(jì)數(shù)器,顯示為

5、0023,個(gè)位仍為十進(jìn)制,而十位為三進(jìn)制,但當(dāng)十進(jìn)位計(jì)到2,而個(gè)位計(jì)到4 時(shí)清零,就為二十四進(jìn)制了。 Q4 Q3Q2Q1顯示1 0 0 0 日0 0 0 1 10 0 1 0 20 0 1 1 30 1 0 0 40 1 0 1 50 1 1 0 6所有計(jì)數(shù)器的譯碼顯示均采用BCD七段譯碼器,顯示器采用共陰或共陽(yáng)的顯示器。3.校正電路在剛剛開(kāi)機(jī)接通電源時(shí),由于日、秒、分、時(shí)為任意值,所以,需進(jìn)行調(diào)整。置開(kāi)關(guān)在手動(dòng)位置,分別對(duì)時(shí)、分、秒、日進(jìn)行單獨(dú)計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)脈沖由單次脈沖或連續(xù)脈沖輸入。4.整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路當(dāng)時(shí)計(jì)數(shù)器在每次計(jì)到整點(diǎn)前六秒時(shí),需要報(bào)時(shí),這可用譯碼電路來(lái)解決。即當(dāng)分為59時(shí),則秒在計(jì)數(shù)計(jì)

6、到54時(shí),輸出一延時(shí)高電平,直至秒計(jì)數(shù)器計(jì)到58時(shí),結(jié)束這高電平脈沖去打開(kāi)低音與門(mén),使報(bào)時(shí)聲按500Hz 頻率鳴叫5聲,而秒計(jì)到59時(shí),則去驅(qū)動(dòng)高音lKHz 頻率輸出而鳴叫1聲。4.設(shè)計(jì)內(nèi)容:(1進(jìn)行方案論證;(2設(shè)計(jì)電路;(3焊接,組裝、調(diào)試硬件,測(cè)試結(jié)果;(5撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告,要求有電路圖、原理說(shuō)明、電路所需元件清單、電路參數(shù)計(jì)算、元件選擇、測(cè)試結(jié)果分析等。二、總體方案設(shè)計(jì):1.方案比較:1、方案一如圖,可知此方案的電路的校時(shí)開(kāi)關(guān)中,電路存在開(kāi)關(guān)抖動(dòng)問(wèn)題,使電路出現(xiàn)問(wèn)題。 方案二如圖,此方案加采用基本RS 觸發(fā)器構(gòu)成開(kāi)關(guān)消除抖動(dòng)電路。 2.方案論證:雖然方案二具有更好的性能,能消除抖動(dòng),由于時(shí)

7、間和元器件的限制,方案一簡(jiǎn)單可行。3.方案選擇:選擇方案一。三、單元模塊設(shè)計(jì):1.各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計(jì):1.1 秒脈沖發(fā)生器要想構(gòu)成數(shù)字鐘,首先應(yīng)選擇一個(gè)脈沖源能自動(dòng)地產(chǎn)生穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖信號(hào)。而脈沖源產(chǎn)生的脈沖信號(hào)的頻率較高,因此,需要進(jìn)行分頻,使高頻脈沖信號(hào)變成適合于計(jì)時(shí)的低頻脈沖信號(hào),即“秒脈沖信號(hào)”(頻率為1HZ。經(jīng)過(guò)分頻器輸出的秒脈沖信號(hào)到計(jì)數(shù)器中進(jìn)行計(jì)數(shù)。將標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)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)一個(gè)“分脈沖”信號(hào),該信號(hào)將作為“分計(jì)數(shù)器”的時(shí)鐘脈沖?！胺钟?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

8、“時(shí)計(jì)數(shù)器”?！皶r(shí)計(jì)數(shù)器”采用24進(jìn)制計(jì)時(shí)器,可實(shí)現(xiàn)對(duì)一天24小時(shí)的累計(jì)。此時(shí)需要分別設(shè)計(jì)60進(jìn)制, 24進(jìn)制計(jì)數(shù)器,各計(jì)數(shù)器輸出信號(hào)經(jīng)譯碼器到數(shù)字顯示器,使“時(shí)”、“分”、“秒”得以數(shù)字顯示出來(lái)。值得注意的是:任何計(jì)時(shí)裝置都有誤差,因此應(yīng)考慮校準(zhǔn)時(shí)間電路。校時(shí)電路一般采用手動(dòng)調(diào)整。手動(dòng)調(diào)整可利用手動(dòng)的節(jié)拍調(diào)準(zhǔn)顯示時(shí)間。CD4060由一振蕩器和14級(jí)二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器位組成,振蕩器的結(jié)構(gòu)可以是RC或晶振電路,CR為高電平時(shí),計(jì)數(shù)器清零且振蕩器使用無(wú)效。所有的計(jì)數(shù)器位均為主從觸發(fā)器。在CP1(和CP0的下降沿計(jì)數(shù)器以二進(jìn)制進(jìn)行計(jì)數(shù)。在時(shí)鐘脈沖線(xiàn)上使用斯密特觸發(fā)器對(duì)時(shí)鐘上升和下降時(shí)間無(wú)限制。 原理圖

9、: 脈沖發(fā)生器是數(shù)字鐘的核心部分,它的精度和穩(wěn)定度決定了數(shù)字鐘的質(zhì)量,通常用晶體振蕩器發(fā)出的脈沖經(jīng)過(guò)整形、分頻獲得1Hz的秒脈沖。如晶振為32768 Hz,通過(guò)15次二分頻后可獲得1Hz的脈沖輸出。1.2秒、分為0059六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器 如圖所示,0059中9可將A0與A2接出后與非,然后接到Rd上,就能實(shí)現(xiàn)9之后清零。又由于清零時(shí)產(chǎn)生幾納秒的脈沖,所以可以利用這個(gè)脈沖接到下一端的CLK,使之進(jìn)位。0059中5可將A1與A2接出后與非,然后接到Rd上,就能實(shí)現(xiàn)5之后清零。同理運(yùn)用清零脈沖實(shí)現(xiàn)進(jìn)位。由于分與秒原理一樣在此不再贅述。1.3 星期、日為七進(jìn)制計(jì)數(shù)器和24進(jìn)制計(jì)數(shù)周為七進(jìn)制數(shù),按人們一般

10、的概念一周的顯示為星期“日、1、2、3、4、5、6”,所以我們?cè)O(shè)計(jì)這七進(jìn)制計(jì)數(shù)器,應(yīng)根據(jù)譯碼顯示器的狀態(tài)表來(lái)進(jìn)行,如圖所示。Q4 Q3Q2Q1顯示1 0 0 0 日0 0 0 1 10 0 1 0 20 0 1 1 30 1 0 0 40 1 0 1 50 1 1 0 6所有計(jì)數(shù)器的譯碼顯示均采用BCD七段譯碼器,顯示器采用共陰或共陽(yáng)的顯示器。原理圖: 日為24進(jìn)制計(jì)數(shù)器,因?yàn)榇笥诹吮旧淼氖M(jìn)制,所以使用兩片74ls161,搭建的方法有置數(shù)和清零兩種,方式都一樣;當(dāng)?shù)谝黄?jì)數(shù)到十的時(shí)候再等來(lái)一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)位端會(huì)變?yōu)楦唠娖?此端口接到第二片的時(shí)鐘信號(hào)端和本身的置數(shù)端或清零端,本身的置數(shù)端全部接

11、地,然后第二片計(jì)一個(gè)數(shù),第一片回到0繼續(xù)計(jì)數(shù),直到第二片計(jì)數(shù)到2同時(shí)第一片計(jì)數(shù)到4的時(shí)候,通過(guò)在第一片外加的邏輯電路,每計(jì)數(shù)到4會(huì)譯出一個(gè)信號(hào)與上第二片的外加邏輯電路每到2譯出的信號(hào),此信號(hào)就是計(jì)數(shù)到24的進(jìn)位信號(hào),將此信號(hào)再接回兩片的清零或置數(shù)端即可。1.4 校正電路同上圖,將分與秒的CLK接出,再給一個(gè)開(kāi)關(guān)到連續(xù)脈沖或單次脈沖就能實(shí)現(xiàn)矯正電路的效果。1.5 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路 如圖所示,因?yàn)樾枰?9分5459秒報(bào)時(shí),先取分鐘的59與秒的50。即將分50的C和A位,分9的D和A位,再取秒50的C和A位進(jìn)行與操作。這里考慮到需要的與非與非太多,所以實(shí)際電路中我們運(yùn)用了線(xiàn)與操作,即利用二極管與上拉電

12、阻實(shí)現(xiàn)6與門(mén)的電路。5458秒需要500Hz低音并且需要鳴叫5次,將所需的邏輯寫(xiě)成真值表,并且進(jìn)行卡洛圖化簡(jiǎn)得到CD+DCBA,由于CB與秒9的DCBA相同,所以可以不接出來(lái),其中圖上利用與非-與非的與非等于相或,從而實(shí)現(xiàn)無(wú)或門(mén)的操作。500Hz 與1Hz相與而實(shí)現(xiàn)每半秒輸出500Hz的波形。最后與5458秒相與,從而實(shí)現(xiàn)5458秒中每半秒輸出500Hz的波形。59秒即將D與A位相與再與1KHz相與即可實(shí)現(xiàn)。最后將3個(gè)電路相與就能實(shí)現(xiàn)所需電路了。詳細(xì)與細(xì)節(jié)請(qǐng)自行分析,提示:可將500Hz與1KHz在圖紙中畫(huà)出,即畫(huà)出時(shí)序圖,再將它們進(jìn)行與非操作。 由于芯片輸出的電流太小,所以需要三極管放大,現(xiàn)

13、利用S8550PNP三級(jí)管,當(dāng)輸出為0時(shí),蜂鳴器通過(guò)5V電壓與較大的電流,從而實(shí)現(xiàn)報(bào)時(shí)。如果輸出1為真可以加一個(gè)非門(mén)讓電路輸出0為真,從而驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。2.電路參數(shù)的計(jì)算及元器件的選擇:1.CD4511、74HC00H、74HC04H、74HC161 及數(shù)碼管2.晶振:32768Hz3.電容:100uF/16V、22pF、322pF 之間4.電阻:200、10k、22M6.三極管:85507.喇叭:1/4W,83.特殊器件的介紹:CD4511: A0A3:二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸入端BI:輸出消隱控制端LE:數(shù)據(jù)鎖定控制端LT:燈測(cè)試端YaYg:數(shù)據(jù)輸出端VDD:電源正VSS:接地?cái)?shù)碼管: 74HC161:

14、時(shí)鐘CLK和四個(gè)數(shù)據(jù)輸入端ABCD清零CLR使能ENP,ENT置數(shù)LOAD數(shù)據(jù)輸出端QAQD以及進(jìn)位輸出RCO(RCO=QA·QB·QC·QD·ENT74HC00H:74HC00是一款高速CMOS器件,74HC00引腳兼容低功耗肖特基TTL(LSTTL系列。74HC00遵循JEDEC標(biāo)準(zhǔn)no.7A。74HC00實(shí)現(xiàn)了2輸入與非門(mén)功能。 74HC04H:74HC04是一款高速CMOS器件,74HC04引腳兼容低功耗肖特基TTL(LSTTL系列。74HC04遵循JEDEC標(biāo)準(zhǔn)no.7A。 74HC04提供了6路反相緩沖器。CD4060引腳圖: CD4060內(nèi)

15、部結(jié)構(gòu): 4.各單元模塊的聯(lián)接:各單元電路確定以后,還要認(rèn)真仔細(xì)地考慮他們之間的級(jí)聯(lián)問(wèn)題,如:電氣特性的相互匹配、信號(hào)耦合方式、時(shí)序配合,以及相互干擾等問(wèn)題。1. 電氣性能相互匹配問(wèn)題關(guān)于單元電路之間電氣性能相互匹配的問(wèn)題主要有:阻抗匹配、線(xiàn)性范圍匹配、負(fù)載能力匹配、高低電平匹配等。前兩個(gè)問(wèn)題是模擬單元電路之間的匹配問(wèn)題,最后一個(gè)問(wèn)題是數(shù)字單元電路之間的匹配問(wèn)題。而第三個(gè)問(wèn)題(負(fù)載能力匹配是兩種電路都必須考慮的問(wèn)題。從提高放大倍數(shù)和負(fù)載能力考慮,希望后一級(jí)的輸入電阻要大,前一級(jí)的輸出電阻要小,但從改善頻率響應(yīng)角度考慮,則要求后一級(jí)的輸入電阻要小。2.時(shí)序配合單元電路之間信號(hào)作用的時(shí)序在數(shù)字系統(tǒng)

16、中是非常重要的。哪個(gè)信號(hào)作用在前,哪個(gè)信號(hào)作用在后,以及作用時(shí)間長(zhǎng)短等,都是根據(jù)系統(tǒng)正常工作的要求而決定的。換句話(huà)說(shuō),一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)有一個(gè)固定的時(shí)序。時(shí)序配合錯(cuò)亂,將導(dǎo)致系統(tǒng)工作失常。星期模塊 時(shí)模塊 分模塊 時(shí)鐘模塊秒模塊 報(bào)時(shí)模塊時(shí)序配合是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題,為確定每個(gè)系統(tǒng)所需的時(shí)序,必須對(duì)該系統(tǒng)中各個(gè)單元電路的信號(hào)關(guān)系進(jìn)行仔細(xì)的分析,畫(huà)出各信號(hào)的波形關(guān)系圖時(shí)序圖,確定出保證系統(tǒng)正常工作下的信號(hào)時(shí)序,然后提出實(shí)現(xiàn)該時(shí)序的措施。這里因?yàn)槭菙?shù)字電路,又是比較簡(jiǎn)單的系統(tǒng),所以需要考慮的問(wèn)題不多。四、系統(tǒng)調(diào)試: 1、調(diào)試示波器,時(shí)鐘模塊是否能產(chǎn)生1Hz的矩形波。結(jié)果:如同所示,晶振產(chǎn)生完美的1Hz的

17、矩形波,即周期為1s的脈沖,剛好使得秒模塊1s能夠進(jìn)一位。2、調(diào)試電子鐘,察看是否能夠正常運(yùn)行。 結(jié)果:正常運(yùn)行。3、觀(guān)察校準(zhǔn)電路是否正常使用。結(jié)果:正常使用。4、觀(guān)察報(bào)時(shí)模塊是否運(yùn)行成功。結(jié)果:運(yùn)行成功。5458秒500Hz低音響5次,59秒1KHz高音響1次。五、設(shè)計(jì)總結(jié):1.設(shè)計(jì)的小結(jié):該實(shí)驗(yàn)成功地設(shè)計(jì)出了數(shù)字電子鐘,在和BBB的合作下,共同完成了整個(gè)課題。我首先制作了分秒模塊,測(cè)試運(yùn)行后,BBB同學(xué)就著手做時(shí)與星期模塊,以及時(shí)鐘模塊。這些都完成后,我們就忙著準(zhǔn)備考試。考完的一天晚上,我正考慮著怎么實(shí)現(xiàn)報(bào)時(shí)模塊,晚上上床之后,遙遠(yuǎn)給我發(fā)來(lái)了一份他的草稿,在他的提示下,我開(kāi)始有了思路。閉上

18、眼睡覺(jué)的時(shí)候,我已經(jīng)把電路圖畫(huà)在了腦子里了。第二天一大早,我就著手畫(huà)了電路圖,然而還是有點(diǎn)兒不對(duì),在我的再三分析下,設(shè)計(jì)出了,5458秒一直響,59秒變頻的時(shí)鐘。在課設(shè)開(kāi)始前一天晚上,我們基本已經(jīng)完成,又想說(shuō)準(zhǔn)備考試重要,便放棄了響5次這個(gè)要求。但在我上床的一剎那,我突然有一個(gè)點(diǎn)子,就激動(dòng)地下床,拼接電路,在我一點(diǎn)一點(diǎn)地改動(dòng)下,終于趕在課設(shè)第一天完成了整個(gè)要求。2.設(shè)計(jì)收獲體會(huì)： 課設(shè)最好不要等到老師要求你開(kāi)始做，你才開(kāi)始做，不要拖。最好當(dāng)天開(kāi)始 著手做，這樣你就可以抓到空閑時(shí)間，學(xué)習(xí)累了，或想到什么好點(diǎn)子就可以開(kāi)始 做了。又有充裕的時(shí)間復(fù)習(xí)，做出又有一種喜悅感，而沒(méi)有緊張感。在最后一時(shí) 刻設(shè)計(jì)出報(bào)時(shí)模塊是最高興地，并且沒(méi)有參考任何材料，是從 0 到 1 的過(guò)程，有 獨(dú)門(mén)的創(chuàng)新性，可以說(shuō)，沒(méi)有雷同。 同時(shí)通過(guò)這次對(duì)計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)與制作，讓我們了解了設(shè)計(jì)電路的程序。在此 次的計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)過(guò)程中,更進(jìn)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。 通過(guò)這次對(duì)計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)制作，讓我了解了電路設(shè)計(jì)的基本步驟，也讓我了 解了關(guān)于計(jì)數(shù)器的原理與設(shè)計(jì)理念， 要設(shè)計(jì)一個(gè)電路先進(jìn)行軟件模擬仿真再進(jìn)行 實(shí)際的電路制作。但是最后的成品卻不一定與仿真時(shí)完全一樣，因?yàn)椋賹?shí)際接 線(xiàn)中有著各種各樣的條件制約著