數(shù)電課設(shè)數(shù)字時鐘

1、華僑大學(xué)廈門工學(xué)院 數(shù)字邏輯系統(tǒng)設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目： 數(shù)字時鐘設(shè)計(jì) 專業(yè)、班級： 12級通信工程3班 學(xué)生姓名： 詹家煒 學(xué) 號： 1202303035 指導(dǎo)教師： 陳燕燕 分 數(shù) : 課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書設(shè)計(jì)題目數(shù)字時鐘設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名詹家煒?biāo)谠合惦娮有畔⒐こ滔祵I(yè)、年級、班通信工程12級3班 設(shè)計(jì)要求： 1、時鐘：24小時制； 2、能同時顯示時鐘、分鐘和秒鐘； 3、具備時、分、秒三級校時功能； 4、接入電源后，時鐘能自動運(yùn)行顯示時間； 5、誤差：優(yōu)于1秒/小時 設(shè)計(jì)步驟： 1、理解數(shù)字時鐘的基本原理； 2、學(xué)習(xí)proteus 軟件的使用； 3、用proteus軟件仿真電路圖；

2、4、電路圖仿真運(yùn)行無誤后，買芯片焊接電路板。參考文獻(xiàn)閱讀： 1童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)M.北京：高等教育出版社，2005. 2臧春華.電子線路設(shè)計(jì)與應(yīng)用M.北京:高等教育出版社,2005. 3邱關(guān)源 羅先覺.電路（第五版）M.北京：高等教育出版社，2006. 4康華光.數(shù)字電子技術(shù)（第五版）M.北京：高等教育出版社，2005.課設(shè)進(jìn)度安排：第12周 課設(shè)題目選定（單號題目一，雙號題目二） 第13周 查閱資料，制定方案，設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖第14周 設(shè)計(jì)單元電路，利用proteus進(jìn)行電路 仿真，驗(yàn)證方案的可行性（檢查運(yùn)行仿真情況）第15周 制作電路板第16周 驗(yàn)收實(shí)物第17周 提交課設(shè)報(bào)告（按規(guī)定的格

3、式寫）任務(wù)下達(dá)日期： 2014 年 12 月 4 日任務(wù)完成日期： 2015 年 1 月 4 日指導(dǎo)教師（簽名）： 學(xué)生（簽名）： 詹家煒21目 錄 1. 設(shè)計(jì)目的.42.  設(shè)計(jì)要求.43. 設(shè)計(jì)方案選取與論證.54. 電路結(jié)構(gòu)框圖.6 5. 電路仿真.66. 制作與調(diào)試過程.177. 結(jié)果與結(jié)論.188. 收獲與致謝.199. 參考文獻(xiàn).201、 設(shè)計(jì)目的1.1數(shù)字電路系統(tǒng)的定義及組成  電子技術(shù)的發(fā)展是以電子器件的發(fā)展為基礎(chǔ)，數(shù)字電路可以分為組合邏輯電路和時序邏輯電路兩大類，在組合邏輯電路中，任意時刻的輸出僅僅取決于該時刻的輸入

4、，與電路原來的狀態(tài)無關(guān)，在時序邏輯電路中，任意時刻的輸出信號不僅取決于當(dāng)前的輸入信號，而且還取決于電路原來的狀態(tài)。按有無集成元件來分，可分為分立元件數(shù)字電路和集成數(shù)字電路；按集成電路的集成度來分，可分為小規(guī)模集成數(shù)字電路（SSI）、中規(guī)模集成數(shù)字電路（MSI）、大規(guī)模集成數(shù)字電路(LSI）、和超大規(guī)模集成數(shù)字電路（VLSI）。 1.2掌握時鐘電路的作用及基本構(gòu)成 時鐘電路用555定時器構(gòu)成，555定時器是一種多用途的數(shù)字-模擬混合集成電路，利用它能極方便地構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。時鐘電路可以產(chǎn)生脈沖從而起到控制電路的作用，整個系統(tǒng)都在它的控制下按一定的規(guī)

5、律工作。2、設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個能在數(shù)碼管上顯示時、分、秒，并能自動走時和手動調(diào)時的數(shù)字時鐘，基本要求如下：1、時鐘：24小時制；2、能同時顯示時鐘、分鐘和秒鐘；3、具備時、分、秒三級校時功能；4、接入電源后，時鐘能自動運(yùn)行顯示時間；5、誤差：優(yōu)于1秒/小時 創(chuàng)新要求：1、能同時顯示星期幾。2、能夠進(jìn)行整點(diǎn)報(bào)時。3、設(shè)計(jì)方案選取與論證3.1選取該方案的目的數(shù)字鐘是一種數(shù)字電路技術(shù)，實(shí)現(xiàn)時、分、秒計(jì)時的裝置，與機(jī)械式時鐘相比具有更高的準(zhǔn)確性和直觀性，且無機(jī)械裝置，具有更長的使用壽命，因此得到了廣泛的使用。廣泛用于個人家庭、碼頭、車站、辦公室等公共場所，成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚谋匦杵?，由于?shù)字集成

6、電路的發(fā)展和石英晶體震蕩器的廣泛使用，使得數(shù)字鐘的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過老式鐘表，鐘表的數(shù)字化給人們生產(chǎn)生活帶來了極大的方便，而且大大地?cái)U(kuò)展了鐘表原先的報(bào)時功能。諸如定時自動報(bào)警、按時自動打鈴、時間程序自動控制、定時廣播、自動啟閉路燈、定時開關(guān)烘箱、通斷動力設(shè)備、甚至各種定時電氣的自動啟用等。所有這些，都是以鐘表數(shù)字化為基礎(chǔ)的。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。3.2可行性研究數(shù)字鐘一般是由振蕩器、分頻器、計(jì)數(shù)器、顯示器等幾部分組成。這些都是數(shù)字電路中應(yīng)用最廣泛的基本電路，本設(shè)計(jì)直接采用由定時器設(shè)計(jì)的單穩(wěn)態(tài)振蕩器產(chǎn)生振動為1s的脈沖。并將信號送入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)算，并把累加的結(jié)果以“時”“分

7、”“秒”的數(shù)字顯示出來。秒的顯示由兩級計(jì)數(shù)器和譯碼器組成的六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)；分的顯示同秒的相同，時的顯示由兩級計(jì)數(shù)器和譯碼器組成的二十四進(jìn)制電路來實(shí)現(xiàn)。所有的計(jì)時結(jié)果有六位數(shù)碼管顯示。3.3優(yōu)缺點(diǎn)討論 關(guān)于振蕩器的選擇有石英晶體振蕩器和555定時器兩種選擇。石英晶體振蕩器的特點(diǎn)是振蕩頻率準(zhǔn)確、電路結(jié)構(gòu)簡單、率易調(diào)整。它具有壓電效應(yīng)，在晶體某一方向加電場，則在與此垂直的方向產(chǎn)生機(jī)械振動，有了機(jī)械振動，就會在相應(yīng)的垂直面上產(chǎn)生電場，從而使機(jī)械振動和電場互為因果，這種循環(huán)過程一直持續(xù)到晶體的機(jī)械強(qiáng)度限制時，才達(dá)到最后穩(wěn)定，這種壓電諧振的頻率即為晶體振蕩器的固有頻率。而555定時器是一種應(yīng)用極為廣泛

8、的中規(guī)模集成電路。該電路使用靈活、方便，只需外接少量的阻容元件舊可以構(gòu)成單穩(wěn)、多諧和施密特觸發(fā)器。但相對于石英晶體振蕩器來說，我們對555定時器更熟悉一些。4、電路結(jié)構(gòu)框圖 秒顯示器 秒譯碼器 秒計(jì)數(shù)器振蕩器分顯示器 分譯碼器 分計(jì)數(shù)器時顯示器時譯碼器時計(jì)數(shù)器日顯示器日譯碼器日計(jì)數(shù)器整點(diǎn)觸發(fā)電路 圖4 電路結(jié)構(gòu)框圖5、電路仿真5.1由555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)振蕩器555 定時器的功能主要由兩個比較器決定。兩個比較器的輸出電壓控制RS 觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當(dāng) 5 腳懸空時，則電壓比較器C1的反相輸入端的電壓為2VCC /3，C2的同相輸入端的電壓為VCC /3。若觸發(fā)輸

9、入端TR的電壓小于VCC /3，則比較器C2的輸出為0，可使RS觸發(fā)器置1，使輸出端OUT=1。如果閾值輸入端TH的電壓大于2VCC/3，同時TR端的電壓大于VCC /3，則C1的輸出為0，C2的輸出為1，可將RS 觸發(fā)器置0，使輸出為低電平。它的各個引腳功能如下：1腳：外接電源負(fù)端VSS或接地，一般情況下接地。2腳：低觸發(fā)端TR。3腳：輸出端Vo4腳：是直接清零端。當(dāng)此端接低電平，則時基電路不工作，此時不論TR、TH處于何電平，時基電路輸出為“0”，該端不用時應(yīng)接高電平。5腳：VC為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內(nèi)部兩個比較器的基準(zhǔn)電 壓，當(dāng)該端不用時，應(yīng)將該端串入一只0.01F電容接

10、地，以防引入干擾。6腳：高觸發(fā)端TH。7腳：放電端。該端與放電管集電極相連，用做定時器時電容的放電。8腳：外接電源VCC，雙極型時基電路VCC的范圍是4.5 16V，CMOS型時基電路VCC的范圍為3 18V。一般用5V。在1腳接地，5腳未外接電壓，兩個比較器A1、A2基準(zhǔn)電壓分別為的情況下，555時基電路的功能表如下表所示。清零端高觸發(fā)端TH低觸發(fā)端TRQ放電管T功能0××0導(dǎo)通直接清零101x保持上一狀態(tài)保持上一狀態(tài)1101截止置11001截止置11110導(dǎo)通清零555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)振蕩器是數(shù)字電子鐘的核心部分，它的精度和穩(wěn)定度決定于數(shù)字鐘的質(zhì)量。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器只有一

11、個穩(wěn)定狀態(tài)，一個暫穩(wěn)態(tài)。在外加脈沖的作用下，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以從一個穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到一個暫穩(wěn)態(tài)。由于電路中RC延時環(huán)節(jié)的作用，該暫態(tài)維持一段時間又回到原來的穩(wěn)態(tài)，暫穩(wěn)態(tài)維持的時間取決于RC的參數(shù)值。555定時器引腳圖如圖5.1.1，單穩(wěn)態(tài)振蕩器電路如圖5.1.2所示。單穩(wěn)態(tài)振蕩器為計(jì)數(shù)器提供計(jì)數(shù)脈沖。本電路產(chǎn)生振蕩信號的周期為1s。圖5.1.1 555定時器引腳圖圖5.1.2 單穩(wěn)態(tài)振蕩仿真電路5.2數(shù)字顯示及譯碼模塊 數(shù)碼管可以分為共陽極與共陰極兩種，共陽極就是把所有LED的陽極連接到共同接點(diǎn)com，而每個LED的陰極分別為a、b、c、d、e、f、g及dp（小數(shù)點(diǎn)）；共陰極則是把所有L

12、ED的陰極連接到共同接點(diǎn)com，而每個LED的陽極分別為a、b、c、d、e、f、g及dp（小數(shù)點(diǎn)）。七段顯示譯碼器CD4511是一種與共陰極數(shù)字顯示器配合使用的集成顯示譯碼驅(qū)動器，是一種以CMOS制成的中規(guī)模集成電路(Medium-Scale Integrated Circuit,簡稱MSI），它的功能是將輸入的4位二進(jìn)制BCD碼轉(zhuǎn)換成顯示器所需要的七段驅(qū)動信號a-g,它與共陰極數(shù)碼顯示管配合使用。其引腳分布如下圖所示：圖5.2.1 CD4511引腳圖圖5.2.2 CD4511真值表圖5.2.3 數(shù)字顯示及譯碼模塊仿真電路5.3六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS90為中規(guī)模TTL集成計(jì)數(shù)器，可實(shí)現(xiàn)二分頻、

13、五分頻和十分頻等功能，它由一個二進(jìn)制計(jì)數(shù)器和一個五進(jìn)制計(jì)數(shù)器構(gòu)成，它既可以作二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，又可以作五進(jìn)制十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。其引腳排列圖及功能表如下所示圖5.3.1 74LS90的管腳圖圖5.3.2 74LS90功能表GEWEI是十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，Q0和Q3與運(yùn)算的結(jié)果作為十進(jìn)制的進(jìn)位信號，74LS90計(jì)數(shù)器是十進(jìn)制異步計(jì)數(shù)器，用反饋歸零方法實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制計(jì)數(shù)，SHIWEI和與非門組成六進(jìn)制計(jì)數(shù)。74LS90是在CP信號的下降沿翻轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)，Q0和Q2相與0101的下降沿，作為“分”計(jì)數(shù)器的輸入信號。Q1和Q2高電平1分別送到計(jì)數(shù)器。清零R0(1)和R0(2)，74LS90內(nèi)部的R0(1)和R0(2)與

14、非后清零而使數(shù)器歸零，完成六進(jìn)制計(jì)數(shù)。由此可見GEWEI和SHIWEI串聯(lián)實(shí)現(xiàn)了六十進(jìn)制。圖5.3.3 六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器仿真電路5.4二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器二十四進(jìn)制技術(shù)器所用芯片與六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器相同，都是74LS90以及與非門。當(dāng)“時”個位GEWEI計(jì)數(shù)輸入端CKA來到第10個觸發(fā)信號時，GEWEI計(jì)數(shù)器復(fù)零，進(jìn)制端Q3向SHIWEI“時”十進(jìn)制計(jì)數(shù)器輸出進(jìn)位信號，當(dāng)?shù)?4個“時”（來自“分”計(jì)數(shù)器輸出的進(jìn)位信號）脈沖到達(dá)時，GEWEI計(jì)數(shù)器的狀態(tài)為“0100”，SHIWEI計(jì)數(shù)器的狀態(tài)為“0010”，此時“時”個位計(jì)數(shù)器的Q2和“時”十位計(jì)數(shù)器的Q1輸出為“1”。把它們分別送到GEWEI和SHIW

15、EI計(jì)數(shù)器的清零端R0(1)和R0(2)，通過74LS90內(nèi)部的R0(1)和R0(2)與非后清零。計(jì)數(shù)器復(fù)零，完成24進(jìn)制計(jì)數(shù)。圖5.4 二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器仿真電路5.5星期計(jì)數(shù)模塊74LS160為可預(yù)置的十進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器，其功能表以及管腳圖如下圖所示管腳介紹： RCO 進(jìn)位輸出端 ENP 計(jì)數(shù)控制端 QA-QD 輸出端 ENT 計(jì)數(shù)控制端 CLK 時鐘輸入端 CLR 異步清零端（低電平有效） LOAD 同步并行置入端（低電平有效）圖5.5.1 74LS160管腳圖根據(jù)題目要求星期電路為七進(jìn)制計(jì)數(shù)電路構(gòu)成，并由七進(jìn)制電路可知圖5.5所示的轉(zhuǎn)換關(guān)系。需要實(shí)現(xiàn)000101110001循環(huán)的輸出，這就

16、需要在0111時置入0001。所以需要利用基本門使得電路在狀態(tài)0111時能給端一個低電平信號（即“0”）使其置數(shù)。因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)三個信號到來時均能置數(shù)，所以三個信號要接一個三輸入與非門送到置數(shù)控制端。因?yàn)榕c門的工作特點(diǎn)是“有0出0”，所以即=。0111圖5.5.2 狀態(tài)圖圖5.5.3 七進(jìn)制計(jì)數(shù)器仿真電路5.6整點(diǎn)報(bào)時電路整點(diǎn)報(bào)時功能是通過四路與非門將“分”和“秒”位的個位與十位連接在一起，當(dāng)分和秒的個位變?yōu)?并且十位變?yōu)?時，輸出低電平信號，再通過與非門門變?yōu)楦唠娖叫盘?，非門連接在NPN型三極管的基極，當(dāng)基極為高電平時三極管導(dǎo)通，蜂鳴器工作。在其他時刻蜂鳴器不工作。整點(diǎn)報(bào)時電路圖如圖所示。圖5.

17、6 整點(diǎn)報(bào)時仿真電路5.7整體仿真電路圖數(shù)字時鐘的整體仿真電路如下圖所示：時分秒星 期圖5.7 數(shù)字時鐘整體仿真電路6、制作及調(diào)試過程6.1萬能板前的準(zhǔn)備：在焊接萬能板之前你需要準(zhǔn)備足夠的細(xì)導(dǎo)線或錫線用于走線。洞洞板具有焊盤緊密等特點(diǎn)，這就要求我們的烙鐵頭有較高的精度，建議使用功率30瓦左右的尖頭電烙鐵。同樣，焊錫絲也不能太粗，建議選擇線徑為0.50.6mm的。在開始安裝以前，首先要按照清單檢查有無缺少器件，然后按照圖開始安裝器件，（特別要注意不能把芯片裝反）然后開始焊接，焊的時候要非常小心。6.2萬能板的焊接：對于洞洞板的焊接方法，一般是利用前面提到的細(xì)導(dǎo)線進(jìn)行飛線連接，盡量做到水平和豎直走

18、線，整潔清晰?，F(xiàn)在網(wǎng)上流行一種方法叫錫接走線法，工藝不錯，性能也穩(wěn)定，但比較浪費(fèi)錫，在這邊我把這兩種方法一起應(yīng)用。但是當(dāng)我開始焊時，焊的板子很不穩(wěn)定，容易短路或斷路，結(jié)果出不來。除了布局不夠合理和焊工不良等因素外，缺乏技巧是造成這些問題的重要原因之一。掌握一些技巧可以使電路反映到實(shí)物硬件的復(fù)雜程度大大降低，減少飛線的數(shù)量，讓電路更加穩(wěn)定。我用了下面的方法后就又快又準(zhǔn)確的焊好板了。電源貫穿電路始終，合理的電源布局對簡化電路起到十分關(guān)鍵的作用。你首先需要對的布局有個初步的規(guī)劃。由于計(jì)數(shù)報(bào)警器要連的地線和電源線比較多，可以先把電源線、地線焊接好。洞洞板的焊接需要大量的跨接、跳線等，不要急于剪斷元器件

19、多余的引腳，有時候直接跨接到周圍待連接的元器件引腳上會事半功倍。另外，本著節(jié)約材料的目的，可以把剪斷的元器件引腳收集起來作為跳線用材料。特別要強(qiáng)調(diào)這一點(diǎn)，多設(shè)置跳線不僅可以簡化連線，而且要美觀得多。因?yàn)榕裴樣性S多靈活的用法。比如兩塊板子相連，就可以用排針和排座，排針既起到了兩塊板子間的機(jī)械連接作用又起到電氣連接的作用。用錫線焊的時候，要使焊的錫線大小均勻，不要太細(xì)也不要太粗。焊好之后，按照電路圖逐一檢查電路有沒有漏焊的問題，接下來用萬用表逐一檢查有沒有虛焊或線路斷路或線路短路。在線路沒有問題的情況下連接電源調(diào)試，之后用電源逐個模塊進(jìn)行檢查。7、結(jié)論電路進(jìn)行仿真后，能夠滿足設(shè)計(jì)的要求，利用六片7

20、4LS90和一片74LS160級聯(lián)構(gòu)成計(jì)數(shù)電路，用七片CD4511BC和兩個七段共陰極數(shù)碼管構(gòu)成顯示電路，用555定時器、蜂鳴器和與非門電路構(gòu)成報(bào)警電路。經(jīng)過仿真，我們得到了一個能夠顯示時分秒和星期幾的電路，將計(jì)數(shù)電路的輸出與顯示電路的輸入相連，數(shù)碼管就能顯示出輸出的數(shù)字；利用555定時器、電阻、電容來設(shè)計(jì)報(bào)警電路。當(dāng)時間為59分59秒時，蜂鳴器開始發(fā)出聲音，時間為一秒，實(shí)現(xiàn)了整點(diǎn)報(bào)時功能。剛開始做第一塊電路板時，因?yàn)槭堑谝淮螄L試用萬用板，所以不是很熟悉，就從網(wǎng)上了解到別人的焊接技術(shù)，然后就自己開始焊接了，焊接完后，接上電源時數(shù)碼管不會顯示出數(shù)字，經(jīng)檢查原來是我的芯片還沒插上去。插上之后，接上

21、電源，數(shù)碼管就顯示00字樣，通過按按鍵，計(jì)數(shù)卻是偶數(shù)的2、4、6、8，經(jīng)檢查后，覺得都沒有問題，后來經(jīng)過上網(wǎng)查資料，原來是輸入端A與電源線接到了一起。通過這次的數(shù)電課設(shè)，即使做壞掉了，也要不氣餒，只要保持耐心，堅(jiān)持就會成功的。8、收獲與致謝我們學(xué)習(xí)了數(shù)字電子電路和模擬電子電路，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(jì)，我們才把學(xué)到的知識與實(shí)踐相結(jié)合。從而對我們學(xué)的知識有了更進(jìn)一步的理解，使我們進(jìn)一步加深了對所學(xué)知識的記憶。在此次的數(shù)字鐘設(shè)計(jì)過程中，我更進(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。也鍛煉了自己獨(dú)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