數(shù)字電路電子時鐘設(shè)計

數(shù)字電路電子時鐘設(shè)計姓名學(xué)號專業(yè)指導(dǎo)教師成績?nèi)掌跀?shù)字電路電子時鐘設(shè)計摘要：數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術(shù)實現(xiàn)時、分、秒計時的裝置，與機械式時鐘相比具有更高的準確性和直觀性，且無機械裝置，具有更更長的使用壽命，因此得到了廣泛的使用。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序電路。目前，數(shù)字鐘的功能越來越強，并且有多種專門的大規(guī)模集成電路可供選擇。本設(shè)計通過簡單的芯片實現(xiàn)數(shù)字電子鐘。要點在于用555芯片連接輸出為一秒的多諧振蕩器用于時鐘的秒脈沖，用74LS160（十進制計數(shù)器）、74LS48（七段顯示譯碼管的驅(qū)動）等連接成的60和24進制的計數(shù)器，再通過數(shù)碼管顯示，構(gòu)成簡單數(shù)字時鐘。其中還包括校時功能。此數(shù)字鐘電路由振蕩器、分頻器、校時電路、顯示譯碼電路組成。本實驗采用Multisim軟件進行仿真，仿真結(jié)果顯示此電路能完成上述要求，可實現(xiàn)上述一系列功能。關(guān)鍵詞：數(shù)字時鐘、計數(shù)器、555定時器、校時功能、仿真測試引言20世紀末，電子技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展，在其推動下，現(xiàn)代電子產(chǎn)品幾乎滲透了社會的各個領(lǐng)域，有力的推動了社會生產(chǎn)力的發(fā)展和社會信息化程度的提高，同時也使現(xiàn)代電子產(chǎn)品性能進一步提高，產(chǎn)品更新?lián)Q代的節(jié)奏也越來越快。數(shù)字中作為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚奈锲?，廣泛用于個人家庭以及辦公室等公共場所，給人們的生活、學(xué)習(xí)、工作、娛樂帶來極大的方便，由于數(shù)字集成電路技術(shù)的發(fā)展和采用了先進的石英技術(shù)，使數(shù)字鐘具有走時準確、性能穩(wěn)定、攜帶方便等優(yōu)點，它還用于計時、自動報時及自動控制等各個領(lǐng)域。盡管目前市場上已有現(xiàn)成的數(shù)字鐘集成電路芯片出售，價格便宜，使用也方便，但鑒于數(shù)字鐘電路的基本組成包含了數(shù)字電路的主要組成部分，因此進行數(shù)字鐘的設(shè)計是必要的，研究數(shù)字鐘及擴大其應(yīng)用，有著非?，F(xiàn)實的意義。本次課程設(shè)計的目的在于培養(yǎng)學(xué)生對基本電路的應(yīng)用和掌握，使學(xué)生在實驗原理的指導(dǎo)下，初步具備基本電路的分析和設(shè)計能力，并掌握其應(yīng)用方法；自行擬定實驗步驟，檢查和排除故障、分析和處理實驗結(jié)果及撰寫實驗報告的能力。綜合實驗的設(shè)計目的是培養(yǎng)學(xué)生初步掌握小型數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計能力，包括選擇設(shè)計方案，進行電路設(shè)計、安裝、調(diào)試等環(huán)節(jié)，運用所學(xué)知識進行工程設(shè)計、提高實驗技能的實踐。數(shù)字電子鐘是一種用數(shù)字顯示秒、分、時的記時裝置。數(shù)字電子鐘由于采用了石英技術(shù)，走時精度高、穩(wěn)定性好，不需要經(jīng)常調(diào)校，使用攜帶方便，與機械式時鐘相比具有更高的準確性和直觀性，且無機械裝置，具有更長的使用壽命。因而能得到廣泛的應(yīng)用，小到人們的日常生活中的電子手表、電子鬧鐘、大到車站、碼頭、機場等公共場所的大型數(shù)字顯示電子鐘。本設(shè)計通過簡單的芯片實現(xiàn)數(shù)字電子鐘。要點在于用555芯片連接輸出為一秒的多諧振蕩器用于時鐘的秒脈沖，用74LS160（十進制計數(shù)器）、74LS48（七段顯示譯碼管的驅(qū)動）等連接成的60和24進制的計數(shù)器，再通過數(shù)碼管顯示，構(gòu)成簡單數(shù)字時鐘。2方案認證芯片方案一采用CMOS。CMOS電路是電壓控制器件，是一種低功耗器件。雖功耗低，但是當(dāng)電流過大時，會燒毀芯片，并且COMS電路的速度慢，傳輸延遲時間長(25-50ns)。方案二采用TTL電路。TTL電路是電流控制器件，TTL電路的速度快，傳輸延遲時間短(5-10ns)，能到達很好的精度。通過以上兩種方案的比較，故選方案二。秒脈沖方案一采用1kHz經(jīng)過分頻后產(chǎn)生的秒脈沖?？梢岳檬⒕w產(chǎn)生32768Hz的頻率，然后經(jīng)過CD4060的十四分頻，再用74LS74二分頻就可以產(chǎn)生1Hz的脈沖。方案二直接采用555震蕩器產(chǎn)生的1Hz秒脈沖。由于1kHZ頻率相對較大，所以導(dǎo)致所需的電阻阻值很小，而且整體電路過于復(fù)雜，不易于實現(xiàn)。故選方案二。脈沖產(chǎn)生器方案一采用石英晶體振蕩器。石英晶體振蕩器具有體積小、重量輕、可靠性高、頻率穩(wěn)定度高等優(yōu)點。其具有極高的頻率穩(wěn)定，主要用在要求頻率十分穩(wěn)定的振蕩電路中作諧振元件，但成本相對較高。方案二采用NE555多諧振蕩器。NE555多諧振蕩器只需簡單的電阻器、電容器，即可完成特定的振蕩延時作用。其延時范圍極，可由幾微秒至幾小時之久。其操作電源范圍廣，可與TTL，CMOS等邏輯電路配合，它的計時精確度高、溫度穩(wěn)定度佳，且成本較低。方案三采用單片機作為計時器。51單片機功能比較廣，功耗大，用來做數(shù)字時鐘浪費。綜上所述分析，故選方案二。顯示模塊方案一采用LED顯示。LED數(shù)碼管顯示速度快，亮度高，顯示清晰，控制也較為簡單。方案二采用低功耗LED顯示。雖然液晶有較低功耗且能夠較清晰的較多位數(shù)的數(shù)字和所有的字母，但是不太經(jīng)濟和不好控制。為了較好地控制和使用，選擇方案一。3系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)整體框圖數(shù)字時鐘是由555定時器、計數(shù)器、譯碼器、數(shù)碼管組成。其中的555定時器組成標準信號發(fā)生器，直接決定計時系統(tǒng)的精度。由不同進制的計數(shù)器、譯碼器和顯示器組成計時系統(tǒng)。將標準秒信號送入采用60進制的“秒計數(shù)器”，每累計60秒就發(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。也采用60進制的計數(shù)器，每累計60分，就發(fā)出一個“時脈沖”信號，該信號將被送到“時計數(shù)器”。時計數(shù)器采用24進制計數(shù)器，可實現(xiàn)對一天的累計。譯碼顯示電路將“時”、“分”、“秒”計數(shù)器的輸出狀態(tài)通過六位七段顯示器顯示出來。整個計數(shù)器電路由秒計數(shù)器、分計數(shù)器和時計數(shù)器組成。秒脈沖信號經(jīng)過6級計數(shù)器，分別得到秒個位、秒十位、分個位、分十位，以及時個位、時十位的計時。顯示6位的“時”、“分”、“秒”需要6個計數(shù)器。其中，秒和分計數(shù)器都是60進制，時計數(shù)器為二十四進制，都選用74LS160來實現(xiàn)。實現(xiàn)的方法采用反饋清零法。系統(tǒng)整體框圖如圖3-1所示。該系統(tǒng)能實現(xiàn)以下功能：由555芯片產(chǎn)生1HZ標準秒信號。兩個74LS160來實現(xiàn)六十進制秒、分計數(shù)器。兩個74LS160來實現(xiàn)二十進制時計數(shù)器。由74ls48驅(qū)動數(shù)碼管進行時鐘的顯示。具有按鈕調(diào)節(jié)時和分的功能。圖3-1系統(tǒng)整體框圖圖3-1系統(tǒng)整體框圖單元電路設(shè)計秒脈沖電路555

定時器成本低，性能可靠，只需要外接幾個電阻、電容，就可以實現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。它也常作為定時器廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、電子測量及自動控制等方面。555定時器的內(nèi)部電路框圖和外引腳排列圖分別如圖2.9.1和圖2.9.2所示。它內(nèi)部包括兩個電壓比較器，三個等值串聯(lián)電阻，一個RS觸發(fā)器，一個放電管T及功率輸出級。它提供兩個基準電壓VI1和VI2。芯片引腳圖如圖3-2所示。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的同相輸入端的電壓為VI2，C2的反相輸入端的電壓為VI1。若觸發(fā)輸入端TR的電壓小于VI1，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VI2，同時TR端的電壓大于VI1，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0電平。圖3-2555定時器芯片引腳圖.圖3-2555定時器芯片引腳圖555定時器各個引腳功能如下：1腳：外接電源負端VSS或接地，一般情況下接地。2腳：低觸發(fā)端。3腳：輸出端Vo。4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電壓，當(dāng)該端不用時，應(yīng)將該端串入一只0.01μF電容接地，以防引入干擾。6腳：TH高觸發(fā)端。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。本設(shè)計脈沖電路用555定時器串接合適大小的電容、電阻來產(chǎn)生秒脈沖，其計算公式如下所示：T≈0.7*（R2+2R3)*C2F=1/T≈1.44/(R2+2R3)*C2計算得C2=10uf，R2=48kΩ，R1=48kΩ。其在電路中具體接法如下圖3-3所示。圖3-3秒脈沖單元電路圖3-3秒脈沖單元電路譯碼電路圖3-474ls48引腳圖74ls48為有內(nèi)部上拉電阻的BCD－七段譯碼器/驅(qū)動器，其引腳圖如圖3-4所示。輸出端（Ya－Yg）為高電平有效，可驅(qū)動燈緩沖器或共陰極VLED。當(dāng)要求輸出0-15時，消隱輸入（BI）應(yīng)為高電平或開路，對于輸出為0時還要求脈沖消隱輸入（RBI）為高電平或者開路。當(dāng)BI為低電平時，不管其它輸入端狀態(tài)如何，Ya－Yg均為低電平。當(dāng)RBI和地址端（A0－A3）均為低電平，并且燈測試輸入端（LT）為高電平時，Ya－Yg為低電平，脈沖消隱輸出（RBO）也變?yōu)榈碗娖?。?dāng)BI為高電平或開路時，LT為低電平可使Ya－Yg均為高電平。圖3-474ls48引腳圖74ls48引出端符號和功能：A0－A3譯碼地址輸入端BI/RBO消隱輸入（低電平有效）/脈沖消隱輸出（低電平有效）LT燈測試輸入端（低電平有效）RBI脈沖消隱輸入端（低電平有效）Ya－Yg段輸出74ls48譯碼輸出樣式：圖3-5譯碼器驅(qū)動電路圖3-5譯碼器驅(qū)動電路秒計數(shù)器電路74ls160是同步可預(yù)置十進計數(shù)器是由四個D型觸發(fā)器和若干個門電路構(gòu)成，內(nèi)部有超前進位，具有計數(shù)、置數(shù)、禁止、直接（異步）清零等功能。對所有觸發(fā)器同時加上時鐘，使得當(dāng)計數(shù)使能輸入和內(nèi)部門發(fā)出指令時輸出變化彼此協(xié)調(diào)一致而實現(xiàn)同步工作。這種工作方式消除了非同步（脈沖時鐘）計數(shù)器中常有的輸出計數(shù)尖峰。緩沖時鐘輸入將在時鐘輸入上升沿觸發(fā)四個觸發(fā)器。其芯片引腳圖如圖3-6、內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3-7所示。74ls160工作特點：圖3-674ls160芯片引腳圖圖3-674ls160芯片引腳圖用于n位級聯(lián)的進位輸出同步可編程序有置數(shù)控制線二極管箝位輸入直接清零同步計數(shù)圖3-774ls160內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖3-774ls160內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖這種計數(shù)器是可全編程的，即輸出可預(yù)置到任何電平。當(dāng)預(yù)置是同步時，在置數(shù)輸入上將建立一低電平，禁止計數(shù)，并在下一個時鐘之后不管使能輸入是何電平，輸出都與建立數(shù)據(jù)一致。清除是異步的（直接清零），不管時鐘輸入、置數(shù)輸入、使能輸入為何電平，清除輸入端的低電平把所有四個觸發(fā)器的輸出直接置為低電平。該芯片工作方式可參照表3-1所示。表3-174ls160工作方式表表3-174ls160工作方式表H=高電平、L=低電平、X=不定（高或低電平）、↑=由“低”→“高”電平的躍變。該電路由兩片74ls160連接成的60進制秒計數(shù)器。其具體在電路中的接法如圖3-8所示。秒單元低位是十進制計數(shù)器，它的clk端接的是秒脈沖產(chǎn)生電路。高位接成六進制計數(shù)器，它的脈沖信號是秒單元低位的進位信號。當(dāng)高位計數(shù)為0110，即計數(shù)到6的時候在下個時鐘信號到來時通過清零端把秒單元兩片74ls160計數(shù)清零，這樣就形成了60進制秒計數(shù)器。分計數(shù)器電路這是由兩片74ls160連接成的60進制分計數(shù)器。分單元低位是十進制計數(shù)器，它的信號端接的是秒單元的進位信號。高位接成六進制計數(shù)器，它的脈沖信號是分單元低位的進位信號。當(dāng)高位計數(shù)為0110，即計數(shù)到6的時候在下個時鐘信號到來時通過清零端把分單元兩片74ls160計數(shù)清零，這樣就形成了60進制分計數(shù)器。其具體在電路中的接法如圖3-9所示。時計數(shù)器電路24進制時計數(shù)器也是采用兩片74ls160連接而成的。其低位也是十進制計數(shù)器，信號端接的是分單元的進位信號。高位的脈沖信號是時單元低位的進位信號。當(dāng)高位計數(shù)為0010，低位為0100時，即時計數(shù)器計數(shù)到24的時候在下個時鐘信號到來時通過清零端把時單元兩片74ls160計數(shù)清零，這樣就形成了24進制時計數(shù)器。其具體在電路中的接法如圖3-10所示。分計數(shù)電路時計數(shù)電路校準電路本次設(shè)計通過按鍵來對數(shù)字時鐘進行校正，按鍵的一端接地，另一端分別接分單元和時單元低位的信號端，通過按鍵產(chǎn)生的脈沖來分別對時、分單元進行校正。由于開關(guān)存在抖動現(xiàn)象，所以在開關(guān)兩端連接103電容來消除抖動，使校準電路更加穩(wěn)定。接法如圖3-11所示。4安裝和調(diào)試當(dāng)完成數(shù)字時鐘焊接后，通電發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管b端不亮，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)b端與g端線路連接錯誤，改正以后又發(fā)現(xiàn)其中分的高位數(shù)碼管亮，但不變化不會計數(shù)，所以又NE555的輸出端增加一個LED燈，以檢測是否有信號輸出。時鐘能夠正常工作后，發(fā)現(xiàn)自己設(shè)計的校時電路不起作用。最初設(shè)計是通過插針直接把秒單元的脈沖信號接到分和時單元的進位信號上，從而進行校時。不過按照該設(shè)計進行連接，當(dāng)校時的時候卻造成了整個電路的計時混亂。最后在電路板上加上了一個開關(guān)，開關(guān)一端接地線，當(dāng)需要進行校時時，把開關(guān)的另一端插到分單元或時單元的低位信號端引出的插針上即可進行校時。不過按下開關(guān)時不可避免的會造成抖動，引起數(shù)碼管計數(shù)的跳動，所以又在開關(guān)兩端接上了一個103瓷片電容來消除抖動影響。通過幾天的研究，做出來的數(shù)字時鐘整體效果很好，計數(shù)正常，校時也很穩(wěn)定。5結(jié)論這次課程設(shè)計是對以前所學(xué)數(shù)電知識的一次應(yīng)用和練習(xí)，從中不僅強化了我對教材中知識的理解和掌握。而且也拓展了我在數(shù)字電子技術(shù)方面的知識，和對自己所學(xué)專業(yè)的認識。課程設(shè)計更是一個把所學(xué)知識應(yīng)用于實踐的過程，它對我動手能力的提高不言而喻。同時我從這次課設(shè)中知道：知識不僅僅是寫在書本上的文字和死板的理論，它更是指導(dǎo)我們實踐的工具。用一些比較簡單的邏輯器件，經(jīng)過一定的理論知識分析，將它們組合在一起就構(gòu)成了我們生活中普遍應(yīng)用的電子時鐘。完成課程設(shè)計的任務(wù)以后，看到自己的成果感到很有成就感，從而加強了自己對本課程的興趣，更加有利于對本課程方面知識的進一步拓展性學(xué)習(xí)。理論要聯(lián)系實踐，當(dāng)然實踐也離不開理論，由于對課本的內(nèi)容還不是很熟悉，所以在做這個課程設(shè)計前，我先把課本的重