電子時(shí)鐘課程設(shè)計(jì)

唐山學(xué)院課程設(shè)計(jì)說明書PAGE111引言20世紀(jì)末，電子技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展，在其推動(dòng)下，現(xiàn)代電子產(chǎn)品幾乎滲透了社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，有力地推動(dòng)了社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展和社會(huì)信息化程度的提高，同時(shí)也使現(xiàn)代電子產(chǎn)品性能進(jìn)一步提高，產(chǎn)品更新?lián)Q代的節(jié)奏也越來越快。

近年來隨著數(shù)字技術(shù)的迅速發(fā)展，各種中、大規(guī)模集成電路在數(shù)字系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、信號(hào)處理等方面都得到了廣泛的應(yīng)用。這就迫切要求理工科大學(xué)生熟悉和掌握常用中、大規(guī)模集成電路功能及其在實(shí)際中的應(yīng)用方法，除通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)數(shù)字電路的基本實(shí)驗(yàn)方法、分析問題和故障檢查方法以及雙蹤示波器等常用儀器使用方法等基本電路的基本實(shí)驗(yàn)技能外，還必須培養(yǎng)大學(xué)生工程設(shè)計(jì)和組織實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?shù)字鐘已成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚纳钣闷?，廣泛用于個(gè)人家庭以及辦公室的公共場(chǎng)所，給人們的生活、學(xué)習(xí)、工作、娛樂帶來了極大的方便。本次設(shè)計(jì)以數(shù)字電子為主，實(shí)現(xiàn)對(duì)日、時(shí)、分、秒數(shù)字顯示的計(jì)時(shí)裝置，周期為24小時(shí)，顯示滿刻度為23時(shí)59分59秒，并具有校時(shí)功能的數(shù)字電子鐘。電路主要采用規(guī)模TTL集成電路。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)電路由脈沖邏輯電路模塊、電源模塊、校時(shí)模塊、計(jì)數(shù)模塊、譯碼顯示模塊等幾部分組成。本設(shè)計(jì)采用555構(gòu)成定時(shí)電路。集成器件555芯片是一種模擬電路和數(shù)字電路相結(jié)合的中規(guī)模集成電路，其邏輯功能強(qiáng)，使用靈活，可方便組成多種邏輯功能電路，能夠更加簡(jiǎn)單更加快捷的實(shí)現(xiàn)定時(shí)功能。數(shù)字電子鐘的發(fā)展廣泛，現(xiàn)在處于集成電路控制階段。它也可以用單片機(jī)理論來實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)利用仿真軟件Multisim10實(shí)現(xiàn)數(shù)字電子鐘的模擬。2數(shù)字電子鐘概述數(shù)字電子鐘實(shí)際上是一個(gè)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率（1HZ）進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)電路。由于計(jì)數(shù)的起始時(shí)間不可能與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間（如北京時(shí)間）一致，故需要再電路上加一個(gè)校時(shí)電路，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)的1HZ時(shí)間信號(hào)必須做到準(zhǔn)確穩(wěn)定。通常使用振蕩器電路構(gòu)成數(shù)字鐘。與傳統(tǒng)的機(jī)械鐘相比，它具有走時(shí)準(zhǔn)確、顯示直觀、無機(jī)械傳動(dòng)裝置等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。

數(shù)字電子鐘是一個(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)有校時(shí)等附加功能。數(shù)字電子鐘需要顯示“日”“時(shí)”、“分”、“秒”，它的周期為24小時(shí)，“日”采用七進(jìn)制，“時(shí)”采用二十四進(jìn)制，“分”采用六十進(jìn)制，“秒”采用六十進(jìn)制。主電路系統(tǒng)由秒信號(hào)發(fā)生器、“日”，“時(shí)、分、秒”計(jì)數(shù)器、譯碼器及顯示器、校時(shí)電路組成。秒信號(hào)產(chǎn)生器是整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)基信號(hào)，它直接決定計(jì)時(shí)系統(tǒng)的精度，一般用555定時(shí)器加分頻器來實(shí)現(xiàn)。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)出一個(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“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)。每累計(jì)24小時(shí)發(fā)出一個(gè)“日脈沖信號(hào)”，該信號(hào)被送到“日計(jì)數(shù)器”。譯碼顯示電路將“時(shí)”、“分”、“秒”計(jì)數(shù)器的輸出狀態(tài)用七段顯示譯碼器譯碼，通過七段顯示器顯示出來。校時(shí)電路時(shí)用來對(duì)“時(shí)”、“分”、“秒”顯示數(shù)字進(jìn)行校對(duì)調(diào)整。555定時(shí)器555定時(shí)器星期顯示器時(shí)顯示器分顯示器秒顯示器譯碼器譯碼器譯碼器譯碼器計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器校時(shí)電路圖2.1原理方框圖3單元模塊3.1信號(hào)發(fā)生模塊信號(hào)發(fā)生器是指產(chǎn)生所需參數(shù)的電測(cè)試信號(hào)的儀器。振蕩電路可選用結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器，555定時(shí)器能夠極方便的構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。由于使用靈活、方便，所以在施密特觸發(fā)器的基礎(chǔ)上改接成多諧振蕩器。555內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)電壓比較器C1和C2，一個(gè)基本RS觸發(fā)器和一個(gè)集電極開路的放電三極管TD三部分構(gòu)成。555定時(shí)器如圖所示：圖3.1555定時(shí)器3.2計(jì)數(shù)模塊模塊秒信號(hào)經(jīng)秒計(jì)數(shù)器、分計(jì)數(shù)器、時(shí)計(jì)數(shù)器之后。分別得到顯示電路，以便實(shí)現(xiàn)用數(shù)字顯示時(shí)、分、秒的要求。時(shí)間計(jì)數(shù)電路由秒個(gè)位和秒十位計(jì)數(shù)器、分個(gè)位和分十位計(jì)數(shù)器、時(shí)個(gè)位和時(shí)十位計(jì)數(shù)器和星期計(jì)數(shù)器電路構(gòu)成，其中秒個(gè)位和秒十位計(jì)數(shù)器、分個(gè)位和分十位計(jì)數(shù)器為60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，時(shí)個(gè)位時(shí)十位計(jì)數(shù)器為24進(jìn)制計(jì)數(shù)器，星期計(jì)數(shù)器為7進(jìn)制計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器的實(shí)現(xiàn)用的是74LS161，時(shí)間計(jì)數(shù)有星期計(jì)數(shù)、時(shí)計(jì)數(shù)、分計(jì)數(shù)和秒計(jì)數(shù)4部分。計(jì)數(shù)器不僅能用于對(duì)時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，還可以用于分頻、定時(shí)、產(chǎn)生節(jié)拍脈沖和脈沖序列以及進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算等。但是并無法顯示計(jì)算結(jié)果，一般都是要通過外接LCD或LED屏才能顯示。圖3.2計(jì)數(shù)器3.3譯碼顯示模塊譯碼是把給定的代碼進(jìn)行翻譯,將星期、時(shí)、分、秒計(jì)數(shù)器輸出的四位二進(jìn)制代碼翻譯為相應(yīng)的十進(jìn)制數(shù),并通過LED顯示器顯示,通常LED顯示器與譯碼器是配套使用的。我們選用的七段譯碼驅(qū)動(dòng)器(74LS248)和數(shù)碼管(LED)是共陰接法，通過計(jì)數(shù)器加到譯碼器，從而實(shí)現(xiàn)共陰極七段LED顯示器的計(jì)數(shù)顯示功能。譯碼顯示電路如圖所示。圖3.3譯碼顯示其中4BI/RBI、5RBI、3LI引腳具有消隱、輸入/串引消隱輸出、串行消引輸入、燈測(cè)試的功能，且為使74LS248正常工作，須將控制信號(hào)端BI/RBO、RBI、LT的引腳全部高電平。它們分別對(duì)星期、時(shí)、分、秒計(jì)數(shù)器的輸出進(jìn)行譯碼，與LED數(shù)碼器連接。LED數(shù)碼器采用共陰接法，陰極采用接地設(shè)備作為發(fā)光二極管的接地。3.4時(shí)鐘校準(zhǔn)模塊當(dāng)重新接通電源或走時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí)都需要對(duì)時(shí)間進(jìn)行校正.通常,校正時(shí)間的方法是:首先截?cái)嗾５挠?jì)數(shù)通路,然后再進(jìn)行人工出觸發(fā)計(jì)數(shù)或?qū)㈩l率較高的方波信號(hào)加到需要校正的計(jì)數(shù)單元的輸入端,校正好后,再轉(zhuǎn)入正常計(jì)時(shí)狀態(tài)即可。在實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)過程中使用的是通過開關(guān)（普通開關(guān)）來實(shí)現(xiàn)高低電平的切換，手動(dòng)賦予需要的高低電平來實(shí)現(xiàn)脈沖的供給，將脈沖提供到所需要的輸入端口，實(shí)現(xiàn)校時(shí)，仿真過程中能夠正常校時(shí)并且在校時(shí)的時(shí)候達(dá)到了預(yù)定的效果；而在我們進(jìn)入實(shí)際電路連接的時(shí)候，利用開關(guān)（手控導(dǎo)線點(diǎn)觸實(shí)現(xiàn)）來實(shí)現(xiàn)校時(shí)再不像仿真那樣的精確了，原因分析是由于使用的是普通的開關(guān)同時(shí)利用的是手動(dòng)的對(duì)輸入端口賦予脈沖信號(hào)，在實(shí)現(xiàn)手動(dòng)生成脈沖信號(hào)的過程中產(chǎn)生了擾動(dòng)，即相當(dāng)于產(chǎn)生了多個(gè)的脈沖信號(hào)對(duì)需要的數(shù)碼管進(jìn)行校時(shí)，如此，并沒有達(dá)到仿真的精確效果，但是在實(shí)驗(yàn)中通過改進(jìn)電路的校時(shí)方式，不是用手觸開關(guān)產(chǎn)生脈沖信號(hào)（如若需用手觸則需要使用一個(gè)鎖存器實(shí)現(xiàn)去抖動(dòng)，才能夠在脈沖生成時(shí)候不產(chǎn)生干擾的脈沖，實(shí)現(xiàn)正常的校時(shí)），而是使用信號(hào)發(fā)生器實(shí)現(xiàn)信號(hào)的提供，對(duì)需要校時(shí)的數(shù)碼管在相對(duì)應(yīng)的輸入端口提供脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)校時(shí)，利用此方式實(shí)現(xiàn)校時(shí)則比手觸開關(guān)方式效果要好。時(shí)鐘校準(zhǔn)電路如圖所示。圖3.4校準(zhǔn)電路圖3.5電源模塊電源有電池供電和整流供電兩種。電源核心器件7805固定三端集成穩(wěn)壓器的外形，它將調(diào)整器、取樣放大器等環(huán)節(jié)集于一體，內(nèi)部包含限流電路、過載保護(hù)電路，基本上可防止任何情況的過載，具有較高的穩(wěn)定度和可靠性。這樣連接便能得到5V直流穩(wěn)定電壓，但由于其輸出電壓固定不變，固此極大地限止了它的應(yīng)甩范圍。7805屬串聯(lián)型集成穩(wěn)壓器，其輸出電壓由內(nèi)部決定。如果將7805的公共端與地?cái)嚅_，通過一只電位器接到負(fù)5V左右的電源上，這樣在改變電位器阻值的同時(shí)，集成穩(wěn)壓器的取樣電壓也隨之發(fā)生了改變，于是輸出電壓也發(fā)生了變化。電源電路如圖所示。圖3.5電源4電路仿真與調(diào)試Multisim10概述通過直觀的電路圖捕捉環(huán)境,輕松設(shè)計(jì)電路通過交互式SPICE仿真,迅速了解電路行為借助高級(jí)電路分析,理解基本設(shè)計(jì)特征通過一個(gè)工具鏈,無縫地集成電路設(shè)計(jì)和虛擬測(cè)試通過改進(jìn)、整合設(shè)計(jì)流程,減少建模錯(cuò)誤并縮短上市時(shí)間Multisim10是一個(gè)電路原理設(shè)計(jì)、電路功能測(cè)試的虛擬仿真軟件，其元器件庫(kù)提供數(shù)千種電路元器件供實(shí)驗(yàn)選用，同時(shí)也可以新建或擴(kuò)充已有的元器件庫(kù)。有超強(qiáng)板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語(yǔ)言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。Multisim10軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真分析的基本步驟為:設(shè)計(jì)創(chuàng)建仿真電路、原理圖電路圖、選項(xiàng)的設(shè)置、使用仿真儀器、設(shè)定仿真分析方法，啟動(dòng)Multisim10仿真。仿真分析開始前可雙擊儀器圖標(biāo)打開儀器面板。準(zhǔn)備觀察被測(cè)試波形。按下程序窗口右上角的啟動(dòng)／停止開關(guān)狀態(tài)為1，仿真分析開始。若再次按下，啟動(dòng)／停止升關(guān)狀態(tài)為0，仿真分析停止。電路啟動(dòng)后，需要調(diào)整示波器的時(shí)基和通道控制，使波形顯示正常。用仿真軟件實(shí)現(xiàn)其功能：運(yùn)用的是MULISIM仿真軟件，該軟件是一個(gè)完成原理電路設(shè)計(jì)、電路功能測(cè)試的虛擬仿真軟件，它具有較為先進(jìn)的電路分析功能，可以完成電路的瞬態(tài)，穩(wěn)態(tài)分析，時(shí)域，頻域分析等；可以設(shè)計(jì)測(cè)試和演示各種電子電路，包括模擬電路，數(shù)字電子路等。電路的連接與仿真是我們這次課程設(shè)計(jì)的主要任務(wù)之一，也是整個(gè)過程的最難的階段。仿真這部分工作在multisim仿真軟件上進(jìn)行。對(duì)于電路的仿真分為幾個(gè)部分，分別對(duì)電路各個(gè)部分的功能都進(jìn)行仿真調(diào)試之后，每連接一部分都要調(diào)試一次，才能確保最后的成功。Multisim這個(gè)仿真軟件以前用的很少，對(duì)它的基本仿真過程不是很了解，而且有些器件的位置也不是很明確，只能一邊學(xué)習(xí)，一邊仿真，過程很慢但收獲很多?；具^程：按照電路原理圖僵仿真分為幾部分依次連接電路并測(cè)試;連接晶體振蕩電路并調(diào)試，觀察發(fā)出的是否為1KHZ的信號(hào)；連接7、60、24進(jìn)制的計(jì)數(shù)器電路并調(diào)試，觀察是否符合要求;將輸出信號(hào)連接到計(jì)數(shù)電路，觀察時(shí)鐘是否正常運(yùn)行。在仿真過程中出現(xiàn)了許多錯(cuò)誤，在處理錯(cuò)誤的過程中必須一步一步進(jìn)行檢查，而且在調(diào)試過程中必須認(rèn)真，將“日”“時(shí)”“分”“秒”逐一進(jìn)行調(diào)試。利用信號(hào)發(fā)生器，示波器進(jìn)行信號(hào)分析，逐一排除故障。5設(shè)計(jì)總結(jié)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(shí)與實(shí)踐相結(jié)合。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(jiǎn)單的課程設(shè)計(jì)，但通過這次課程設(shè)計(jì)我們了解了課程設(shè)計(jì)進(jìn)行更復(fù)雜的設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在此次設(shè)計(jì)過程中，我充分運(yùn)用了電子技術(shù)課程中所學(xué)的基本電子知識(shí)和所有數(shù)字電路的內(nèi)容，在此基礎(chǔ)上，通過查閱相關(guān)資料，結(jié)合設(shè)計(jì)任務(wù)，參考先人經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出最終產(chǎn)品。通過幾天的數(shù)字鐘設(shè)計(jì)過程，將從書本上學(xué)到的知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐，學(xué)會(huì)了初步的電子電路仿真設(shè)計(jì),雖然過程中遇到了一些困難，但是在解決這些問題的過程無疑也是對(duì)自己自身專業(yè)素質(zhì)的一種提高。當(dāng)最終調(diào)試成功的時(shí)候也是對(duì)自己的一種肯定。在此過程中我學(xué)會(huì)了仿真Multisim軟件的使用，正確的設(shè)計(jì)出了電子鐘仿