2023同濟(jì)大學(xué)數(shù)字鐘-課程設(shè)計

1、電子電路課程設(shè)計說明書 PAGE 12同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院課程設(shè)計指導(dǎo)老師：易延 趙亞輝姓名:學(xué)號：班級:機(jī)械目錄設(shè)計目的3設(shè)計任務(wù)與要求32.1、設(shè)計任務(wù)3 2.2、根本要求3設(shè)計任務(wù)分析43.1、設(shè)計要點4 3.2、工作原理4電路設(shè)計局部54.1、秒脈沖發(fā)生器5振蕩器設(shè)計54.1.2 振蕩器參數(shù)確定6分頻器設(shè)計74.2、秒分時計數(shù)器電路設(shè)計74.2.1秒分計數(shù)器74.2.2時計數(shù)器84.3、譯碼顯示電路設(shè)計9 4.4、校時電路設(shè)計10 4.5、上電復(fù)位電路11 4.6、總體設(shè)計電路圖12元器件使用說明145.1、振蕩器 555定時器14 NE555的特點14 NE555引腳位配置說明14

2、5.2、計數(shù)器74LS160D155.3、譯碼器74LS48N16電路仿真176.1、振蕩器局部的仿真18 6.2、分頻器局部仿真197、元器件清單198、設(shè)計總結(jié)219、參考資料21課程設(shè)計：數(shù)字鐘1、設(shè)計目的進(jìn)一步掌握電子電路設(shè)計方法及相關(guān)設(shè)計軟件使用；學(xué)會選擇和使用集成芯片和各種元器件，熟悉各類器件的引腳安排，掌握各芯片的邏輯功能及使用方法。掌握電子電路的設(shè)計制作和調(diào)試方法。2、設(shè)計任務(wù)與要求2.1設(shè)計任務(wù) 采用集成電路設(shè)計一臺可以顯示時、分、秒的數(shù)字鐘。2.2根本要求能直接顯示時、分、秒的數(shù)字鐘，要求二十四為一計數(shù)周期。當(dāng)電路發(fā)生走時誤差時，要求電路具有校時功能。要求電路具有整點報時功

3、能，幾點響幾聲。要求電路主要采用中規(guī)模集成電路。要求電源電壓+5伏 +10伏。3、設(shè)計任務(wù)分析3.1設(shè)計要點設(shè)計一個標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號發(fā)生電路設(shè)計60進(jìn)制、24進(jìn)制計數(shù)器時分秒計數(shù)電路設(shè)計譯碼顯示電路設(shè)計操作方面的校時電路設(shè)計整點報時電路設(shè)計上電復(fù)位電路3.2工作原理數(shù)字電子鐘由信號發(fā)生器、“時、分、秒計數(shù)器、譯碼器及顯示器、校時電路、整點報時電路等組成。秒信號產(chǎn)生器是整個系統(tǒng)的時基信號，它直接決定計時系統(tǒng)的精度，本設(shè)計用由集成定時器555與RC組成的多諧振蕩器作為時間標(biāo)準(zhǔn)信號源，發(fā)出頻率為1KHZ，再經(jīng)過3級十分頻3個十進(jìn)制計數(shù)器后得到1HZ。將標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號送入“秒計數(shù)器，該計數(shù)器采用60進(jìn)制

4、計數(shù)器，每累計60秒發(fā)出一個“分脈沖信號，該信號將作為“分計數(shù)器的時鐘脈沖?！胺钟嫈?shù)器也采用60進(jìn)制計數(shù)器，每累計60分，發(fā)出一個“時脈沖信號，該信號將被送到“時計數(shù)器?！皶r計數(shù)器采用24進(jìn)制計數(shù)器，可以實現(xiàn)一天24h的累計。譯碼顯示電路將“時、分、秒計數(shù)器的輸出狀態(tài)經(jīng)七段顯示譯碼器譯碼，通過六位LED顯示器顯示出來。整點報時電路是根據(jù)計時系統(tǒng)的輸出狀態(tài)產(chǎn)生一個脈沖信號，然后去觸發(fā)音頻發(fā)生器實現(xiàn)報時。校時電路是來對“時、分、秒顯示數(shù)字進(jìn)行校對調(diào)整。其數(shù)字鐘系統(tǒng)組成框圖如下:時顯示器秒顯示器分顯示器時顯示器秒顯示器分顯示器秒譯碼器分譯碼器時譯碼器秒譯碼器分譯碼器時譯碼器時計數(shù)器分計數(shù)器秒計數(shù)器時

5、計數(shù)器分計數(shù)器秒計數(shù)器校時電路校時電路振蕩器分頻器秒脈沖振蕩器分頻器秒脈沖圖1 數(shù)字鐘電路系統(tǒng)的組成框圖4、電路設(shè)計局部4.1秒脈沖信號發(fā)生器秒脈沖信號發(fā)生器是數(shù)字電子鐘的核心局部，它的精度和穩(wěn)定度決定了數(shù)字鐘的質(zhì)量。由振蕩器與分頻器組合產(chǎn)生秒脈沖信號。 4.1.1振蕩器設(shè)計一般說來，振蕩器的頻率越高，計時精度越高。本設(shè)計中采用由集成定時器555與RC組成的多諧振蕩器，經(jīng)過調(diào)整輸出1000Hz脈沖。電路圖如以下圖所示：圖2 555定時器振蕩電路 4.1.2 振蕩器參數(shù)確定 555定時器的脈沖時間是由于RC充放電確定的。根據(jù)三要素公式： 1 充電過程的方程式： (2) 充電時間為： (3) 放電

6、過程的方程式： 4 放電時間為： (5) 總時間為： 6 頻率為： 7首先確定C1=0.1uf，R2=5.1K，需要輸出頻率f=1KHZ，將充放電時間算出，確定電阻R1。通過確定R1=4.1K。 4.1.3分頻器設(shè)計分頻器功能主要有兩個，一是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號，一是提供功能擴(kuò)展電路所需要的信號，選用三片74LS90進(jìn)行級聯(lián)，74LS90是二五十進(jìn)制計數(shù)器。因為555定時器產(chǎn)生1KHZ的信號，第一片的Q3輸出100HZ，第二片的Q3輸出10HZ，第三片輸出1HZ。經(jīng)過3次1/10分頻后正好是1HZ，為標(biāo)準(zhǔn)的秒輸入脈沖。電路圖如以下圖所示：圖3 分頻器電路4.2秒、分、時計時器電路設(shè)計秒、分計數(shù)器

7、為60進(jìn)制計數(shù)器，小時計數(shù)器為24進(jìn)制計數(shù)器。實現(xiàn)這兩種模數(shù)的計數(shù)器采用中規(guī)模集成計數(shù)器74LS160D構(gòu)成。4.2.1秒、分計數(shù)局部設(shè)計分和秒一樣，都采用60進(jìn)制計數(shù)，本設(shè)計選74LS160D作為計數(shù)器，將一片74LS160D設(shè)計成10進(jìn)制加法計數(shù)器，另一片設(shè)置6進(jìn)制加法計數(shù)器。兩片74LS160D按反響清零法串接而成。秒計數(shù)器的十位和個位，輸出脈沖除用作自身清零外，同時還作為分計數(shù)器的輸入脈沖CP1。當(dāng)分秒計數(shù)局部的個位接受秒計數(shù)局部的信號秒計數(shù)接受的信號為振蕩器經(jīng)分頻后輸出的1HZ的標(biāo)準(zhǔn)脈沖，計數(shù)滿60后向時計數(shù)局部的十位給出一個進(jìn)位信號。分秒十位計數(shù)局部接受個位的進(jìn)位信號并進(jìn)行計數(shù)，計

8、滿6就想前一級給出進(jìn)位信號。當(dāng)十位和個位計滿60個數(shù)后計數(shù)器清零。計數(shù)規(guī)律是從005900。設(shè)計電路圖如圖4。4.2.2時計數(shù)局部設(shè)計時間計數(shù)設(shè)計為24進(jìn)制計數(shù)，本設(shè)計選74LS160D作為計數(shù)器，將一片74LS160D設(shè)計成十進(jìn)制加法計數(shù)器，另一片設(shè)置2進(jìn)制加法計數(shù)器。既個位計數(shù)狀態(tài)為Qd Qc Qb Qa = 0100十位計數(shù)狀態(tài)為Qd Qc Qb Qa = 0010時，要求計數(shù)器歸零。通過把個位Qc、十位Qb相與后的信號送到個位、十位計數(shù)器的清零端，使計數(shù)器清零，從而構(gòu)成24進(jìn)制計數(shù)器，計數(shù)規(guī)律是從002300。設(shè)計電路圖如圖5。圖4 秒、分計數(shù)局部電路圖5 時計數(shù)局部電路4.3譯碼顯示

9、電路設(shè)計譯碼電路的功能是將秒、分、時計數(shù)器的輸出代碼進(jìn)行翻譯，變成相應(yīng)的數(shù)字，由數(shù)碼管和譯碼器74LS47D組成。74LS47D是BCD-7段譯碼器/驅(qū)動器，輸出高電平有效，專用于驅(qū)動LED七段共陽極顯示數(shù)碼管。假設(shè)將秒、分、時計數(shù)器的每位輸出分別送到相應(yīng)七段譯碼管的輸入端，便可以進(jìn)行不同數(shù)字的顯示。在譯碼管輸出與數(shù)碼管之間串聯(lián)電阻R=510作為限流電阻。圖6 譯碼顯示電路4.4校時電路設(shè)計校時電路是數(shù)字鐘不可缺少的局部，每當(dāng)數(shù)字鐘與實際時間不符時，需要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)時間進(jìn)行校時。當(dāng)數(shù)字鐘接通電源或者計時出現(xiàn)錯誤是，需要校正時間，校時是數(shù)字鐘應(yīng)具備的根本功能。為了電路簡單，只對時和分進(jìn)行校時。校時電

10、路要求在小時校正時不影響分和秒的正常計數(shù)，在分校時時不影響秒和小時的計數(shù)。時校時電路和分校時電路都是一致的，校時脈沖信號為10HZ脈沖，這樣速度正好適中，適合校時。方法是控制六十進(jìn)制的時鐘輸入端CP，使用兩個三態(tài)門或者把秒進(jìn)位信號V2信號源仿真參加，或者把校分的按鍵信號J1參加，J2用來控制校分和計分切換，由于兩個三態(tài)門U10A和U11A的使能端有效電平剛好相反，J2接地時為校分功能，J2不接地時為計分功能。圖7 校時電路4.5上電復(fù)位電路在計數(shù)器清零端處接一個或門即可。 4.6總體設(shè)計電路圖元器件使用說明5.1振蕩器 555定時器 5.1.1 NE555的特點只需簡單的電阻器、電容器，即可完

11、成特定的振蕩延時作用。其延時范圍極廣，可由幾微秒至幾小時之久。它的操作電源范圍極大，可與TTL，CMOS等邏輯閘配合，也就是它的輸出準(zhǔn)位及輸入觸發(fā)準(zhǔn)位，均能與這些邏輯系列的高、低態(tài)組合。其輸出端的供應(yīng)電流大，可直接推動多種自動控制的負(fù)載。它的計時精確度高、溫度穩(wěn)定度佳，且價格廉價。5.1.2 NE555引腳位配置說明如右圖 NE555接腳圖 Pin 1 (接地) -地線(或共同接地) ，通常被連接到電路共同接地。 Pin 2 (觸發(fā)點) -這個腳位是觸發(fā)NE555使其啟動它的時間周期。觸發(fā)信號上緣電壓須大于2/3 VCC，下緣須低于1/3 VCC 。 Pin 3 (輸出) -當(dāng)時間周期開始55

12、5的輸出輸出腳位，移至比電源電壓少1.7伏的高電位。周期的結(jié)束輸出回到O伏左右的低電位。于高電位時的最大輸出電流大約200 mA 。 Pin 4 (重置) -一個低邏輯電位送至這個腳位時會重置定時器和使輸出回到一個低電位。它通常被接到正電源或忽略不用。 Pin 5 (控制) -這個接腳準(zhǔn)許由外部電壓改變觸發(fā)和閘限電壓。當(dāng)計時器經(jīng)營在穩(wěn)定或振蕩的運作方式下,這輸入能用來改變或調(diào)整輸出頻率。 Pin 6 (重置鎖定) - Pin 6重置鎖定并使輸出呈低態(tài)。當(dāng)這個接腳的電壓從1/3 VCC電壓以下移至2/3 VCC以上時啟動這個動作。 Pin 7 (放電) -這個接腳和主要的輸出接腳有相同的電流輸出

13、能力，當(dāng)輸出為ON時為LOW，對地為低阻抗，當(dāng)輸出為OFF時為HIGH，對地為高阻抗。 Pin 8 (V +) -這是555個計時器IC的正電源電壓端。供應(yīng)電壓的范圍是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。 參數(shù)功能特性： 供應(yīng)電壓4.5-18V 供應(yīng)電3-6 mA 輸出電225mA (max) 上升/下時間100 ns NE555的相關(guān)應(yīng)用: NE555的作用范圍很廣，但一般多應(yīng)用于單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器Monostable Mutlivibrator及無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器(Astable Multivibrator)。5.2計數(shù)器74LS160D 74LS160D計數(shù)器是一種中規(guī)模二一五-十

14、進(jìn)制計數(shù)器，下降沿觸發(fā)，R0(1),R0(2)是清零端，R91，R9(2)是置9端，CPA和QA可組成一個二進(jìn)制計數(shù)器，CPB和QBQCQD組成五進(jìn)制計數(shù)器；假設(shè)把QA和CPB相連，脈沖從CPA輸入，那么構(gòu)成8421BCD碼十進(jìn)制計數(shù)器。由74LS160D的truth table可以看出，選擇74LS160D可以在數(shù)字鐘進(jìn)位和清零上有極大的方便，不需要其他門電路輔助就能自己完成進(jìn)位和清零。表1 74LS160D計數(shù)/復(fù)位真值表表2 74LS160D BCD數(shù)碼順序5.3譯碼器74LS48 74LS48芯片是一種常用的七段數(shù)碼管譯碼器驅(qū)動器，下面是74LS48的引腳圖和功能表。圖9 74LS48

15、引腳圖表3 74LS48功能表6、電路仿真隨著科技的開展，“計算機(jī)仿真技術(shù)已成為許多設(shè)計部門重要的前期設(shè)計手段。它具有設(shè)計靈活，結(jié)果、過程的統(tǒng)一的特點?？墒乖O(shè)計時間大為縮短、耗資大為減少，也可降低工程制造的風(fēng)險。仿真軟件有很多，multisim、protues等都可以電路仿真。本設(shè)計仿真過程是在multisim平臺上完成的。課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計是學(xué)生走向就業(yè)的重要實踐環(huán)節(jié)。由于MULTISIM提供了實驗室無法相比的大量的元器件庫，提供了修改電路設(shè)計的靈活性、提供了實驗室在數(shù)量、質(zhì)量上難以相比的虛擬儀器、儀表，因而也提供了培養(yǎng)學(xué)生實踐精神、創(chuàng)造精神的平臺。 6.1 振蕩器局部的仿真6.2分頻器局部

16、仿真7、元器件清單序號元件名稱數(shù)量規(guī)格備注1NE555定時器1DIP封裝274LS160D6DIP封裝374LS48N6DIP封裝4共陰數(shù)碼管65電阻6516電阻41057開關(guān)28導(dǎo)線假設(shè)干9瓷片電容40.1uf1074LS0031174LS20N與非門41274LS04D非門1213按鍵21474LS125N三態(tài)門21574LS126D三態(tài)門21674LS90D31774LS32或門1設(shè)計總結(jié)設(shè)計電路過程中，在multisim軟件中出現(xiàn)了許多各種各樣的錯誤，雖然最后經(jīng)過不斷的修改以及和同學(xué)的討論得到了比較好的解決，但從中卻讓我弄明白了很多東西，很好的理解那句“失敗乃成功之母的含義。其中有一個

17、問題弄的我是焦頭爛額，就是連接好譯碼顯示電路后LED卻不能顯示出數(shù)字，最后查出原來所選用的譯碼器型號不同連接方式也不同，74LS48D需要用共陰極接法，74LS47D那么需要用共陽極接法。還有就是設(shè)計六十進(jìn)制計數(shù)器和二十四進(jìn)制計數(shù)器是各個計數(shù)器之間的連接、秒到分間的進(jìn)位問題、分到時之間的進(jìn)位問題、校時電路的連接方式等等問題。這次電子電路課程設(shè)計，也對電子電路設(shè)計的知識有了更深一步的了解，熟悉了更多不同的數(shù)字芯片，比方74LS90，74LS290,74LS00，74LS48，74LS47，數(shù)碼管等，這為我以后的電路設(shè)計打了一定的根底。在連接六進(jìn)制,十進(jìn)制,六十進(jìn)制的進(jìn)位及二十四進(jìn)制的接法中,要求熟悉