多功能數(shù)字鐘課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、<p>　　電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告書</p><p><b>　　課題名稱</b></p><p><b>　　姓名</b></p><p><b>　　學(xué)號(hào)</b></p><p><b>　　院、系、部</b></p><p

2、><b>　　專業(yè)</b></p><p><b>　　指導(dǎo)教師</b></p><p>　　2016年6月12日</p><p><b>　　設(shè)計(jì)任務(wù)及要求：</b></p><p>　　用中小規(guī)模集成芯片設(shè)計(jì)并制作多功能數(shù)字鐘，具體要求如下：</p>&

3、lt;p>　　準(zhǔn)確及時(shí)，以數(shù)字形式顯示時(shí)（00～23）、分（00～59）、秒（00～59）的時(shí)間。</p><p><b>　　2、具有校時(shí)功能。</b></p><p><b>　　指導(dǎo)教師簽名：</b></p><p>　　2016年6月 日</p><p><b>　　二、指

4、導(dǎo)教師評(píng)語：</b></p><p><b>　　指導(dǎo)教師簽名：</b></p><p>　　2016年6月 日</p><p><b>　　三、成績</b></p><p><b>　　指導(dǎo)教師簽名：</b></p><p>　　2016

5、年6月 日</p><p>　　多功能數(shù)字鐘課程設(shè)計(jì)報(bào)告</p><p><b>　　1 設(shè)計(jì)目的</b></p><p>　　一、設(shè)計(jì)原理與技術(shù)方法： </p><p>　　包括：電路工作原理分析與原理圖、元器件選擇與參數(shù)計(jì)算、電路調(diào)試方法與結(jié)果說明； </p><p>　

6、　軟件設(shè)計(jì)說明書與流程圖、軟件源程序代碼、軟件調(diào)試方法與運(yùn)行結(jié)果說明。 </p><p>　　1、電路工作原理分析與原理圖 </p><p>　　數(shù)字鐘實(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。由于標(biāo)準(zhǔn)的1Hz</p><p>　　時(shí)間信號(hào)必須做到準(zhǔn)確穩(wěn)定，所以通常使用輸出頻率穩(wěn)定的石英晶體振蕩器電路構(gòu)成數(shù)字鐘的振源。又由于計(jì)數(shù)的起始時(shí)

7、間不可能與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間（如北京時(shí)間）一致，故需要在電路上加一個(gè)校時(shí)電路。因此一個(gè)具有計(jì)時(shí)、校時(shí)、報(bào)時(shí)、顯示等基本功能的數(shù)字鐘主要由振蕩器、分頻器、計(jì)數(shù)器、譯碼器、顯示器、校時(shí)電路、報(bào)時(shí)電路等七部分組成。石英晶體振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過分頻器得到秒脈沖后，秒脈沖送入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)果通過“時(shí)”、“分”、“秒”譯碼器譯碼，并通過顯示器顯示時(shí)間。由以上分析可得到原理框圖如下圖</p><p>　　圖1  

8、  實(shí)驗(yàn)原理框圖 </p><p>　　2、元器件選擇與參數(shù)計(jì)算 </p><p>　?。?）晶體振蕩電路：產(chǎn)生秒脈沖既可以采用555脈沖發(fā)生電路也可以采用晶振脈沖發(fā)生電路。若由集成電路定時(shí)器555與RC組成的多諧振蕩器作為時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源，可使555與RC組成多諧振蕩器，產(chǎn)生頻率 f=1kHz的方波信號(hào)，再通過分頻則可得到秒脈沖信號(hào)。晶體振

9、蕩器電路則可以給數(shù)字鐘提供一個(gè)頻率穩(wěn)定準(zhǔn)確的32768Hz的方波信號(hào)，可保證數(shù)字鐘的走時(shí)準(zhǔn)確及穩(wěn)定。 </p><p>　　相比二者的穩(wěn)定性，晶振電路比555電路能夠產(chǎn)生更加穩(wěn)定的脈沖，數(shù)字電路中的時(shí)鐘是由振蕩器產(chǎn)生的，振蕩器是數(shù)字鐘的核心。振蕩器的穩(wěn)定度及頻率的精度決定了數(shù)字鐘計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確程度，所以最后決定采用晶振脈沖發(fā)生電路。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、頻率易調(diào)整，它是電子鐘的核

10、心，用它產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)，再由分頻器分成秒時(shí)間脈沖。</p><p>　　所以秒脈沖晶體振蕩選用32768Hz的晶振，該元件專為數(shù)字鐘電路而設(shè)計(jì)，其頻率較低，有利于減少分頻器級(jí)數(shù)。從有關(guān)手冊(cè)中，可查得C1、C2均為20pF。當(dāng)要求頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度更高時(shí)，還可接入校正電容并采取溫度補(bǔ)償措施。由于CMOS電路的輸入阻抗極高，因此反饋電阻R1可選為20MΩ。 </p><p>　?。?/p>

11、2）分頻器電路：分頻器電路將32768Hz的高頻方波信號(hào)經(jīng)32768（152）次分頻后得到1Hz的方波信號(hào)供秒計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。分頻器實(shí)際上也就是計(jì)數(shù)器。該電路可通過CD4060與雙D觸發(fā)器74LS74共同實(shí)現(xiàn)。 </p><p>　?。?）時(shí)間計(jì)數(shù)器電路：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)器及時(shí)個(gè)位和時(shí)十位計(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

12、，而根據(jù)設(shè)計(jì)要求，時(shí)個(gè)位和時(shí)十位計(jì)數(shù)器為24進(jìn)制計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器可以使用十進(jìn)制的74LS160。 </p><p>　　（4）譯碼驅(qū)動(dòng)電路：譯碼驅(qū)動(dòng)電路將計(jì)數(shù)器輸出的8421BCD碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管需要的邏輯狀態(tài)，并且為保證數(shù)碼管正常工作提供足夠的工作電流。譯碼器可以使用CD4511。 </p><p>　　（5）校時(shí)電路：可以通過基本的門器件、電阻與開關(guān)實(shí)現(xiàn)。由設(shè)計(jì)的電路圖

13、可選擇與非門74LS00。 </p><p>　?。?）整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路：一般時(shí)鐘都應(yīng)具備整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路功能,即在時(shí)間出現(xiàn)整點(diǎn)前數(shù)秒內(nèi),數(shù)字鐘會(huì)自動(dòng)報(bào)時(shí),以示提醒.其作用方式是發(fā)出連續(xù)的或有節(jié)奏的音頻聲波。 </p><p>　　3、電路調(diào)試方法與結(jié)果說明 </p><p>　　（1）電路調(diào)試方法 </p><p

14、>　?、贁?shù)碼管的調(diào)試：可以用萬用表的負(fù)極接數(shù)碼管的3或8腳，正極依次接數(shù)碼管剩余的管腳所接電阻的另一端，并將萬用表調(diào)至測發(fā)光二極管檔位，從而測試數(shù)碼管的顯示是否正確。 </p><p>　　②“時(shí)”“分”“秒”電路的調(diào)試：將“時(shí)”“分”“秒”電路連接完成后，可以用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的1Hz方波信號(hào)分別作為“時(shí)”、“分”、“秒”的個(gè)位74LS160的計(jì)數(shù)脈沖，從而測試“時(shí)”是否為24進(jìn)制，“分”和“

15、秒”是否為60進(jìn)制。 </p><p>　?、坌r(shí)電路的調(diào)試：先將電路外接用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的2Hz方波信號(hào)，再分別通過校時(shí)、校分電路開關(guān)的斷開、閉合以及開關(guān)閉合后電路的工作情況判斷電路的校時(shí)、校分功能是否正確。 </p><p>　?、苊朊}沖產(chǎn)生電路的調(diào)試：將電路產(chǎn)生的秒時(shí)間脈沖接入示波器，觀察并計(jì)算電路是否產(chǎn)生1Hz方波信號(hào)。 （2）結(jié)果說明 

16、</p><p>　?、贁?shù)碼管的調(diào)試：當(dāng)正極依次接1、2、4、5、7、9、10管腳時(shí)，數(shù)碼管依次是G、F、A、B、C、D、E亮。 </p><p>　?、凇皶r(shí)”“分”“秒”電路的調(diào)試：“時(shí)”為24進(jìn)制（從“00”到“23”），“分”和“秒”都為60進(jìn)制（從“00”到“59”）。 </p><p>　?、坌r(shí)電路的調(diào)試：開關(guān)斷開時(shí)電路處于正常工作狀

17、態(tài)，開關(guān)閉合時(shí)電路處于校時(shí)、校分狀態(tài)。 </p><p>　　④秒脈沖產(chǎn)生電路的調(diào)試：電路產(chǎn)生1Hz方波信號(hào)。</p><p>　　4、軟件設(shè)計(jì)說明書與流程圖 </p><p>　　（1）秒脈沖產(chǎn)生電路 </p><p>　　晶體振蕩器是構(gòu)成數(shù)字式時(shí)鐘的核心，它保證了時(shí)鐘的走時(shí)準(zhǔn)確及穩(wěn)定。由于晶體具有較高的頻率穩(wěn)

18、定性及準(zhǔn)確性，從而保證了輸出頻率的穩(wěn)定和準(zhǔn)確。晶體XTAL的頻率選為32768HZ。該元件專為數(shù)字鐘電路而設(shè)計(jì)，其頻率較低，有利于減少分頻器級(jí)數(shù)。從有關(guān)手冊(cè)中，可查得C1、C2均為20pF。當(dāng)要求頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度更高時(shí)，還可接入校正電容并采取溫度補(bǔ)償措施。由于CMOS電路的輸入阻抗極高，因此反饋電阻R1可選為22MΩ。較高的反饋電阻有利于提高振蕩頻率的穩(wěn)定性。通常，數(shù)字鐘的晶體振蕩器輸出頻率較高，為了得到1Hz的秒信號(hào)輸入，需要對(duì)振蕩

19、器的輸出信號(hào)進(jìn)行分頻。通常實(shí)現(xiàn)分頻器的電路是計(jì)數(shù)器電路，一般采用多級(jí)２進(jìn)制計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)。 </p><p>　　本實(shí)驗(yàn)中采用CD4060來構(gòu)成分頻電路。管腳圖見圖2。CD4060在數(shù)字集成電路中可實(shí)現(xiàn)的分頻次數(shù)最高，而且CD4060還包含振蕩電路所需的非門，使用更為方便。CD4060計(jì)數(shù)為14級(jí)2進(jìn)制計(jì)數(shù)器，可以將32768Hz的信號(hào)分頻為2Hz，再經(jīng)過74LS74即可獲得1Hz的方波信號(hào)。原理電路圖如

20、圖3所示，圖4為仿真電路圖。</p><p>　　圖2   D4060管腳圖</p><p>　　圖3   CD4060秒脈沖振蕩發(fā)生器 </p><p>　　圖 4   產(chǎn)生1Hz時(shí)間脈沖的電路圖</p><p>　　（2）時(shí)間計(jì)數(shù)

21、器電路 ①“秒”“分”電路 </p><p>　　根據(jù)題目要求，“秒”和“分”都是60進(jìn)制的，而且是從“00”到“59”，可以使用十進(jìn)制的74LS160來實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。首先將兩片74LS160通過串行進(jìn)位方式接成百進(jìn)制計(jì)數(shù)器，即分別將“秒”和“分”個(gè)位的進(jìn)位輸出信號(hào)經(jīng)非門作為“秒”和“分”十位的計(jì)數(shù)輸入脈沖。當(dāng)計(jì)數(shù)器從全0狀態(tài)開始計(jì)數(shù)，計(jì)入59個(gè)脈沖時(shí)，經(jīng)與非門譯碼產(chǎn)生低電平信號(hào)立刻將兩片74

22、LS160同時(shí)置零，于是便得到了60進(jìn)制的計(jì)數(shù)器。74160的邏輯功能示意圖、引腳圖及功能表如下所示。</p><p>　　圖5   a ) 74160邏輯功能示意圖    b ) 74160引腳圖</p><p>　　圖6   

23、;  74160邏輯功能表</p><p><b>　　②“時(shí)”電路 </b></p><p>　　根據(jù)題目要求，“時(shí)”是24進(jìn)制的，而且是從“00”到“23”，可以使用十進(jìn)制的74LS160來實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。首先將兩片74LS160通過串行進(jìn)位方式接成百進(jìn)制計(jì)數(shù)器，當(dāng)計(jì)數(shù)器從全0狀態(tài)開始計(jì)數(shù)，計(jì)入23個(gè)脈沖時(shí)，經(jīng)與非門譯碼產(chǎn)生低電平信號(hào)立

24、刻將兩片74LS160同時(shí)置零，于是便得到了24進(jìn)制的計(jì)數(shù)器。 （3）譯碼驅(qū)動(dòng)電路 </p><p>　　計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)了對(duì)時(shí)間的累計(jì)以8421BCD碼形式輸出，選用顯示譯碼電路將計(jì)數(shù)器的輸出數(shù)碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼顯示器件所需要的輸出邏輯和一定的電流，選用CD4511作為顯示譯碼電路，選用LED數(shù)碼管作為顯示單元電路。由于CD4511是輸出高電平有效，所以選用七段共陰極LED數(shù)碼管。若將“秒”、“分”、“

25、時(shí)”計(jì)數(shù)器的每位輸出分別接到相應(yīng)七段譯碼器的輸入端，便可進(jìn)行不同數(shù)字的顯示?！懊搿庇脭?shù)碼管顯示如圖7所示。</p><p>　　圖7   “秒”的譯碼及驅(qū)動(dòng)顯示電路圖 </p><p><b>　　（4）校時(shí)電路 </b></p><p>　　數(shù)字種啟動(dòng)后,每當(dāng)數(shù)字鐘顯示與實(shí)際時(shí)間不符合,需要根

26、據(jù)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間進(jìn)行校時(shí)。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。?！懊搿睍r(shí)，采用等待校時(shí)。?！胺帧?、“時(shí)”的原理比較簡單，采用加速校時(shí)。 </p><p>　　對(duì)校時(shí)電路的要求是 : </p><p>　　1．在小時(shí)校正時(shí)不影響分和秒的正常計(jì)數(shù)&#

27、160;。 2．在分校正時(shí)不影響秒和小時(shí)的正常計(jì)數(shù) 。 </p><p>　　當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，因?yàn)樾Ｕ盘?hào)和0相與的輸出為0，而開關(guān)的另一端接高電平，正常輸入信號(hào)可以順利通過與或門，故校時(shí)電路處于正常計(jì)時(shí)狀態(tài)；當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，情況正好與上述相反，這時(shí)校時(shí)電路處于校時(shí)狀態(tài)。與非門可選74LS00，非門則可用與非門2個(gè)輸入端并接來代替從而節(jié)省芯片。校時(shí)電路圖見圖8。</p>&

28、lt;p><b>　　8  校時(shí)電路圖</b></p><p>　?。?）整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路 </p><p>　　一般時(shí)鐘都應(yīng)具備整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路功能，即在時(shí)間出現(xiàn)整點(diǎn)前數(shù)秒內(nèi)，數(shù)字鐘會(huì)自動(dòng)報(bào)時(shí)，以示提醒。其作用方式是發(fā)出連續(xù)的或有節(jié)奏的音頻聲波。當(dāng)時(shí)間在59分50秒到59分59秒期間時(shí)，分十位、分個(gè)位和秒十位均保持不變，分別為5、9和5，

29、因此可將分計(jì)數(shù)器十位的QC和QＡ 、個(gè)位的QＤ和QＡ及秒計(jì)數(shù)器十位的QＣ 和QＡ相與。電路在整點(diǎn)前6秒鐘內(nèi)開始整點(diǎn)報(bào)時(shí)，即當(dāng)時(shí)間在59分54秒到59分59秒期間時(shí)，報(bào)時(shí)電路產(chǎn)生報(bào)時(shí)控制信號(hào)，控制小喇叭產(chǎn)生低音；當(dāng)時(shí)間為00分00秒時(shí)，報(bào)時(shí)電路產(chǎn)生報(bào)時(shí)控制信號(hào)，控制小喇叭產(chǎn)生高音。 </p><p>　　5、軟件調(diào)試方法與運(yùn)行結(jié)果說明 </p><p>

30、;　?。?）軟件調(diào)試方法 </p><p>　　由于仿真時(shí)晶振不能正常工作，所以通過外接1KHz方波信號(hào)來調(diào)試電路。 </p><p>　　“時(shí)”“分”“秒”電路的調(diào)試：“時(shí)”為24進(jìn)制（從“00”到“23”），“分”和“秒”都為60進(jìn)制（從“00”到“59”）。校時(shí)電路的調(diào)試：可以通過校時(shí)、校分電路的開關(guān)來校對(duì)時(shí)間，并判斷電路的“時(shí)”“分”“秒”的進(jìn)制是否正確。開關(guān)斷

31、開時(shí)電路處于正常工作狀態(tài)，開關(guān)閉合時(shí)電路處于校時(shí)、校分狀態(tài)。</p><p>　?。?）運(yùn)行結(jié)果說明 </p><p>　　數(shù)碼管的各部分可以正確顯示，電路的“時(shí)”為24進(jìn)制（從“00”到“23”），“分”和“秒”都為60進(jìn)制（從“00”到“59”）。開關(guān)斷開時(shí)電路處于正常工作狀態(tài)，開關(guān)閉合時(shí)電路處于校時(shí)、校分狀態(tài)，通過控制開關(guān)及輸入信號(hào)可以達(dá)到校時(shí)功能。</p>

32、<p><b>　　設(shè)計(jì)體會(huì)與建議</b></p><p><b>　　1.設(shè)計(jì)體會(huì) </b></p><p>　　我覺得此次的數(shù)字鐘設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，電路原理相對(duì)來比較簡單，但電路圖比較復(fù)雜，所用芯片比較多，相應(yīng)的連線也多，這就給焊接電路增加了較大的難度。不過通過此次實(shí)驗(yàn)，使我更進(jìn)一步地熟悉了芯片的結(jié)構(gòu)，掌握了實(shí)驗(yàn)中所用各芯片的工作

33、原理和其具體的使用方法，同時(shí)還接觸到了一些新認(rèn)識(shí)的芯片，增長了見識(shí)。 </p><p>　　這次課程設(shè)計(jì)是一次難得的鍛煉機(jī)會(huì)，讓我們能夠充分運(yùn)用所學(xué)過的理論知識(shí)和自己動(dòng)手實(shí)際操作的能力，另外還讓我們學(xué)習(xí)查找資料的方法，以及自己設(shè)計(jì)電路、焊接電路、分析解決電路存在的問題的能力。這對(duì)于我來說是很好的提高，填補(bǔ)了平日理論學(xué)習(xí)后實(shí)踐方面的空白。</p><p><b>　　參考

34、文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 閻石. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京：高等教育出版社，2001年</p><p>　　[2] 楊素行. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程[M]. 北京：高等教育出版社，2005年</p><p>　　[3]康華光. 電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京：高等教育出版社，1999年</p><p>　　[4