數(shù)電課程設(shè)計---多功能數(shù)字鐘

1、<p>　　多功能數(shù)字鐘的電路設(shè)計</p><p>　　數(shù)字鐘是采用數(shù)字電路實現(xiàn)“時”、“分”、“秒”數(shù)字顯示的計時裝置。鐘表的數(shù)字化在提高報時精度的同時，也大大擴展了它的功能，諸如定時自動報警、按時自動打鈴、時間程序自動控制、定時廣播、定時啟閉路燈等。因此，研究數(shù)字鐘及擴大其應用，有著非?，F(xiàn)實的意義。</p><p>　　1）掌握數(shù)字鐘的設(shè)計、組裝與調(diào)試方法。</p>

2、;<p>　　2）熟悉集成電路的使用方法。</p><p>　　二、 設(shè)計任務與要求</p><p>　　1）時鐘顯示功能，能夠以十進制顯示“時”、“分”、“秒”。</p><p>　　2）具有校準時、分的功能。</p><p>　　3）整點自動報時，在整點時，便自動發(fā)出鳴叫聲，時長1s。</p><p>

3、;<b>　　選做：</b></p><p>　　1）鬧鐘功能，可按設(shè)定的時間鬧時。</p><p>　　2）日歷顯示功能。將時間的顯示增加“年”、“月”、“日”。</p><p><b>　　三、 原理電路</b></p><p>　　一個具有計時、校時、報時、顯示等基本功能的數(shù)字鐘主要由振蕩器、

4、分頻器、計數(shù)器、譯碼器、顯示器、校時電路、報時電路等七部分組成。石英晶體振蕩器產(chǎn)生的信號經(jīng)過分頻器得到秒脈沖，秒脈沖送入計數(shù)器計數(shù)，計數(shù)結(jié)果通過“時”、“分”、“秒”譯碼器譯碼，并通過顯示器顯示時間。</p><p><b>　　振蕩器單元電路設(shè)計</b></p><p>　　方案一：晶體振蕩器電路</p><p>　　晶體振蕩器是構(gòu)成數(shù)字式時

5、鐘的核心，它保證了時鐘的走時準確及穩(wěn)定。</p><p>　　一般輸出為方波的數(shù)字式晶體振蕩器電路通常有兩類，一類是用TTL門電路構(gòu)成；另一類是通過CMOS非門構(gòu)成的電路，如圖1.2所示，從圖上可以看出其結(jié)構(gòu)非常簡單。該電路廣泛使用于各種需要頻率穩(wěn)定及準確的數(shù)字電路，如數(shù)字鐘、電子計算機、數(shù)字通信電路等。</p><p>　　圖1.2 CMOS晶體振蕩器(仿真電路)</p>

6、<p>　　圖1.2所示電路中，CMOS非門U1與晶體、電容和電阻構(gòu)成晶體振蕩器電路，U2實現(xiàn)整形功能，將振蕩器輸出的近似于正弦波的波形轉(zhuǎn)換為較理想的方波。輸出反饋電阻為非門提供偏置，使電路工作于放大區(qū)域，即非門的功能近似于一個高增益的反相放大器。電容Ｃ１、Ｃ２與晶體構(gòu)成一個諧振型網(wǎng)絡(luò)，完成對振蕩頻率的控制功能，同時提供了一個180度相移，從而和非門構(gòu)成一個正反饋網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了振蕩器的功能。由于晶體具有較高的頻率穩(wěn)定性及準確性，

7、從而保證了輸出頻率的穩(wěn)定和準確。</p><p>　　方案二：555定時器與RC組成的多諧振蕩器</p><p>　　如果精度要求不高可以采用由集成電路定時器555與RC組成的多諧振蕩器。設(shè)振蕩頻率f0＝103Hz，電路參數(shù)如圖</p><p>　　555多諧振蕩器原理電路及工作波形</p><p>　　本設(shè)計采用方案一，單元電路連接、各參數(shù)

8、及產(chǎn)生的波形如下圖所示：</p><p>　　２、分頻器單元電路設(shè)計</p><p>　　通常，數(shù)字鐘的晶體振蕩器輸出頻率較高，為了得到1Hz的秒信號輸入，需要對振蕩器的輸出信號進行分頻。</p><p>　　通常實現(xiàn)分頻器的電路是計數(shù)器電路，一般采用多級2進制計數(shù)器來實現(xiàn)。例如，將32768Ｈz的振蕩信號分頻為1ＨZ的分頻倍數(shù)為32768（），即實現(xiàn)該分頻功能的計

9、數(shù)器相當于15級2進制計數(shù)器。常用的2進制計數(shù)器有74HC393等。</p><p><b>　　方案一：</b></p><p>　　可選用14級二進制串行計數(shù)/分頻器CD4060得到精確頻率。</p><p>　　CD4060計數(shù)為１４級２進制計數(shù)器，可以將32768Ｈz的信號分頻為２Ｈz。欲得到1秒信號，還需要加入分頻電路。</p&

10、gt;<p>　　圖2 秒脈沖產(chǎn)生電路</p><p>　　方案二：利用計數(shù)器級聯(lián)</p><p>　　選用三片74LS90進行級聯(lián)，因為每片為1/10分頻器，三片級聯(lián)好</p><p>　　獲得1Hz標準秒脈沖。其電路圖如下：</p><p>　　由于CD4060在MULTISIM中仿真不了，所以本設(shè)計采用三片74HC161

11、和一片74HC160IC級聯(lián)，構(gòu)成2^15分頻器。單元電路連接如下圖所示：</p><p>　?。?、計數(shù)器單元電路設(shè)計</p><p>　　時間計數(shù)單元有時計數(shù)、分計數(shù)和秒計數(shù)等幾個部分。</p><p>　　時計數(shù)單元一般為12進制計數(shù)器或24進制計數(shù)器，其輸出為兩位8421BCD碼形式；分計數(shù)和秒計數(shù)單元為60進制計數(shù)器，其輸出也為8421BCD碼。</p

12、><p>　　可用于計數(shù)的芯片很多，比如可預置的 4 位二進制同步計數(shù)器(74LS161)，可二/五分頻十進制計數(shù)器(74LS90)，可預置BCD雙時鐘可逆計數(shù)器(74LS192)，雙十進制計數(shù)器（74LS390）等。</p><p>　　本設(shè)計采用74ls160作為計數(shù)器分別構(gòu)成60、24進制計數(shù)器。</p><p><b>　　60進制計數(shù)器</b&

13、gt;</p><p>　　由74ls160構(gòu)成的60進制計數(shù)器，將一片74ls160設(shè)計成10進制加法計數(shù)器，另一片設(shè)置6進制加法計數(shù)器。兩片74ls160按反饋清零法串接而成。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。下圖電路即可作為秒計數(shù)器，也可作為分計數(shù)器。</p><p><b>　　24進制計數(shù)器</b></

14、p><p>　　由74ls160構(gòu)成的二十四進制計數(shù)器，將一片74ls160設(shè)計成四進制加法計數(shù)器，另一片設(shè)置二進制加法計數(shù)器。即個位計數(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進制計數(shù)器。電路圖如下:</p><p>　　4、譯碼

15、驅(qū)動及顯示單元電路設(shè)計</p><p>　　計數(shù)器實現(xiàn)了對時間的累計以8421BCD碼形式輸出，為了將計數(shù)器輸出的8421BCD碼顯示出來，需用顯示譯碼電路將計數(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，一般這種譯碼器通常稱為7段譯碼顯示驅(qū)動器。常用的7段譯碼顯示驅(qū)動器有CD4511。</p><p>　　方案一、由CD4511和七段譯碼管構(gòu)成，電路如圖所示：</p

16、><p>　　方案二、直接由帶譯碼功能的LED數(shù)碼管構(gòu)成。</p><p>　　本設(shè)計采用方案一，并增加限流電阻R=100歐，防止電流過大損壞LED數(shù)碼管。單元電路連接如下圖所示：</p><p>　　5、校時單元電路設(shè)計</p><p>　　當重新接通電源或走時出現(xiàn)誤差時都需要對時間進行校正。通常，校正時間的方法是：首先截斷正常的計數(shù)通路，然后

17、再進行人工出觸發(fā)計數(shù)或?qū)㈩l率較高的方波信號加到需要校正的計數(shù)單元的輸入端，校正好后，再轉(zhuǎn)入正常計時狀態(tài)即可。</p><p>　　方案一、慢校時，用手動產(chǎn)生單脈沖作校時脈沖。</p><p>　　K1、K2分別是時校正、分校正開關(guān)。不校正時，K1、K2開關(guān)是閉和的。當校正時位時，需要把K1開關(guān)打開，然后用手撥動K3開關(guān)，來回撥動一次，就能使時位增加1，根據(jù)需要去撥動開關(guān)的次數(shù)，校正完畢后把

18、K1開關(guān)閉上。校正分位時和校正時位的方法一樣。其電路圖如下:</p><p>　　方案二、快校時，通過開關(guān)控制，使計數(shù)器對2Hz的校時脈沖計數(shù)。</p><p>　　接電容C1、C2可以緩解抖動。</p><p>　　本設(shè)計采用方案二、單元電路連接如下圖所示：</p><p>　　6、整點報時單元電路設(shè)計</p><p&g

19、t;　　一般時鐘都應具備整點報時電路功能，即在時間出現(xiàn)整點前數(shù)秒內(nèi)，數(shù)字鐘會自動報時，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，較復雜的也可以是實時語音提示。</p><p>　　按題目要求，本設(shè)計利用一個八輸入與非門，當分秒為59分59秒時，控制蜂鳴器響，蜂鳴時間為1s。電路如圖所示：</p><p>　　7、鬧時擴展單元電路的設(shè)計</p><p>　　

20、鬧鐘功能，可按設(shè)定的時間鬧時。</p><p>　　總體設(shè)計方案如下圖：</p><p>　　增加計四個計數(shù)器，作為鬧時電路的記憶單元，通過開關(guān)控制CD4511的BI端輸入電平的高低，當BI端為1時，譯碼器正常工作，當BI端為0時，譯碼器的七個輸出端均輸出低電平，此時LED數(shù)碼管不會顯示該譯碼器的數(shù)字，時鐘計數(shù)單元和鬧鐘定時單元譯碼器的輸出端分別連接CD4071或門的輸入端，CD4071或

21、門的輸出端連接LED數(shù)碼管的七個輸入端，這樣，就可通過一個開關(guān)控制LED數(shù)碼管分別顯示時鐘計數(shù)單元和鬧鐘定時單元，而不會相互影響計數(shù)，并且可減小LED數(shù)碼管的數(shù)量。</p><p>　　可手動從計數(shù)器Q輸入端輸入需要定時的時間，按動開關(guān)可以讓LED數(shù)碼管返回顯示時鐘的實際時間。</p><p>　　利用四片同或門IC比較時鐘計數(shù)單元和鬧鐘記憶單元輸出端的BCD碼，當相同時就控制蜂鳴器蜂鳴，

22、時長為一分鐘。電路連接如下圖：</p><p>　　增加一個開關(guān)單元，控制蜂鳴器，鬧鈴期間可手動關(guān)閉蜂鳴器，并可作為蜂鳴器的總開關(guān)使用。此單元電路圖如圖所示：</p><p>　　8、日歷擴展單元電路的設(shè)計</p><p>　　顯示年份分由四片74LS190級聯(lián)，構(gòu)成十進制計數(shù)器。為了方便顯示，把前三片置數(shù)成201，由此，可以顯示2010到2019的年份，九年的時間

23、已經(jīng)足夠使用。此電路如下：</p><p>　　月份部分由兩片74LS190級聯(lián)構(gòu)成十二進制計數(shù)器，并在第十三個脈沖到來時置01。增加一個調(diào)校電路，用于調(diào)校月份。</p><p>　　日期部分由兩片74LS190級聯(lián)構(gòu)成28、29、30、31進制計數(shù)器，并分別在第28、29、30、31個脈沖到來時置01。</p><p>　　利用一個3-8譯碼器、一個4-10譯碼器

24、及八片門電路構(gòu)成月份反饋單元，顯示每個月份所對應的日期。</p><p><b>　　主要功能原理：</b></p><p>　　把月份個位計數(shù)器的輸出端接到4-10譯碼器的輸入端，這樣就可以從4-10譯碼器的輸出端選擇到1到9月份，把月份個位計數(shù)器的輸出端的QA和QB、月份十位計數(shù)器的輸出端的QA分別接到3-8譯碼器的輸入端ABC，這樣3-8譯碼器輸出端的Y4、Y5

25、、Y就對應10、11和12月份。</p><p>　　通過兩個八輸入與非門把十二個月份分成三組，1、3、5、7、8、10、12作為一組，期為31日；2、4、6、9、11作為一組，日期為30日；2月單獨作為一組，日期為28或29日。并且任意時刻只有一組輸出為1，其他兩組為0。</p><p>　　通過另三個與非門構(gòu)成置數(shù)選擇單元，哪個組月份輸出為1就在該組月份對應的日期到達時把日期置為01，

26、同時產(chǎn)生日期進位脈沖。</p><p>　　為了化簡設(shè)計，用一個開關(guān)手動選擇閏年與平年對應二月的日期總數(shù)。</p><p><b>　　如下圖所示：</b></p><p><b>　　9、整體電路</b></p><p>　　1）基本功能整體電路圖：</p><p>　　2

27、）整體電路圖（包括兩個擴展電路圖）：</p><p><b>　　3）元件清單</b></p><p>　　四、電路和程序調(diào)試過程與結(jié)果：</p><p>　　由于時間不是很充足，沒有做實物，只用multisim做仿真，不能測量計算誤差值。</p><p>　　對60進制計數(shù)器的時序邏輯仿真圖：</p>&

28、lt;p><b>　　五、總結(jié)</b></p><p>　　本課程設(shè)計的不足是用到比較多的IC,由于對各種IC參數(shù)不了解，所以也就不能很好的選擇正確的IC，但由于只是仿真，對結(jié)果的影響也不是很大。</p><p>　　本課程設(shè)計的有點就是電路的功能比較多，能考慮到實際的情況，如可通過幾個開關(guān)切換和控制電路，使用比較靈活。</p><p>

29、　　需要該進的地方就是本課程設(shè)計的不足之處，就是要在IC的選擇上多下功夫。</p><p>　　經(jīng)過這次數(shù)字電子電路的課程設(shè)計，我的數(shù)電知識得到鞏固，并且有了一定程度的提高，對數(shù)字鐘的工作原理有了比較深刻的理解，對數(shù)字電子設(shè)計的過程及其涉及的工具有更深入的認識。</p><p>　　另一方面，我的動手能力有了一定的提高，特別是自己動手解決問題的能力。例如自己通過網(wǎng)上查閱各種IC功能的能力，