數(shù)電課程設(shè)計(jì)--多功能數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　課 程 設(shè) 計(jì)</b></p><p>　　課程名稱 數(shù)字電路課程設(shè)計(jì) </p><p>　　題目名稱 多功能數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)</p><p>　　學(xué)生學(xué)院 物理與光電工程學(xué)院</p><p>　　專業(yè)班級(jí) 光信息科學(xué)與技術(shù) </p><p>　　2012 年 3

2、 月 31 日</p><p>　　題目名稱 多功能數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)1</p><p><b>　　摘要3</b></p><p>　　1設(shè)計(jì)目的任務(wù)及要求................................................. 4</p><p>　　2方案設(shè)計(jì)與論證5

3、</p><p>　　2.1時(shí)間脈沖產(chǎn)生電路5</p><p>　　2.2分頻器電路7</p><p>　　2.3時(shí)間計(jì)數(shù)器電路與譯碼驅(qū)動(dòng)及顯示單元電路8</p><p><b>　　2.4校時(shí)電路9</b></p><p>　　2.5報(bào)時(shí)電路10</p><p>

4、;　　3單元電路的設(shè)計(jì)11</p><p>　　3.1時(shí)間脈沖產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)11</p><p>　　3.2計(jì)數(shù)與譯碼顯示電路的設(shè)計(jì)12</p><p>　　3.3 校時(shí)電路的設(shè)計(jì)13</p><p>　　3.4 報(bào)時(shí)電路14</p><p>　　3.5電路總圖15</p><p>

5、　　4仿真結(jié)果及分析以及實(shí)物制作16</p><p>　　4.1時(shí)鐘結(jié)果仿真16</p><p>　　4.2仿真結(jié)果分析16</p><p>　　4.3實(shí)物制作17</p><p><b>　　5心得與體會(huì)18</b></p><p><b>　　6參考文獻(xiàn)19</b&

6、gt;</p><p><b>　　7元件清單19</b></p><p>　　8部分芯片結(jié)構(gòu)附錄20</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)的裝置，與機(jī)械式時(shí)鐘相比具有更高的準(zhǔn)確性和直觀性，且無機(jī)械裝置，具有更長的使用壽命，已

7、得到廣泛的使用。</p><p>　　數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)方法有許多種,例如,可用中小規(guī)模集成電路組成電子鐘；也可以利用專用的電子鐘芯片配以顯示電路及其所需要的外圍電路組成電子鐘；還可以利用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)電子鐘等等。這些方法都各有其特點(diǎn)，其中利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的電子鐘具有編程靈活，并便于功能的擴(kuò)展。但這里為了學(xué)習(xí)數(shù)字電路，包括對(duì)組合邏輯電路與時(shí)序電路的學(xué)習(xí)，采用中小規(guī)模集成電路組成數(shù)字鐘。</p><p&g

8、t;　　1設(shè)計(jì)目的任務(wù)及要求</p><p><b>　　1.1設(shè)計(jì)目的</b></p><p>　　1）掌握數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)、組裝與調(diào)試方法。</p><p>　　2）熟悉集成電路的使用方法。</p><p>　　1.2設(shè)計(jì)任務(wù)與要求

9、 </p><p>　　1）時(shí)鐘顯示功能，能夠以十進(jìn)制顯示“時(shí)”、“分”、“秒”。</p><p>　　2）具有校準(zhǔn)時(shí)、分的功能。</p><p>　　3）整

10、點(diǎn)自動(dòng)報(bào)時(shí)，在整點(diǎn)時(shí)，便自動(dòng)發(fā)出鳴叫聲，時(shí)長1s。</p><p><b>　　選做：</b></p><p>　　1）鬧鐘功能，可按設(shè)定的時(shí)間鬧時(shí)。</p><p>　　2）日歷顯示功能。將時(shí)間的顯示增加“年”、“月”、“日”。</p><p>　　1.3 系統(tǒng)原理框圖</p><p>　　數(shù)字

11、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，故需要在電路上加一個(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。通常使用石英晶體振蕩器電路構(gòu)成數(shù)字鐘。圖1所示為數(shù)字鐘的一般構(gòu)成框圖。</p><p><b>　　圖 1系統(tǒng)原理框圖</b></p><p>　?、啪w振蕩器電路：晶體振蕩器電路給數(shù)字鐘提

12、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。不管是指針式的電子鐘還是數(shù)字顯示的電子鐘都使用了晶體振蕩器電路。</p><p>　?、品诸l器電路：分頻器電路將32768HZ的高頻方波信號(hào)經(jīng)32768（）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。</p><p>　　⑶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

13、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，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。</p><p>　?、茸g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。</p><p>　?、烧c(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

14、出現(xiàn)整點(diǎn),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)出一秒或連續(xù)的或有節(jié)奏的音頻聲波,較復(fù)雜的也可以是實(shí)時(shí)語音提示。</p><p><b>　　2方案設(shè)計(jì)與論證</b></p><p>　　2.1時(shí)間脈沖產(chǎn)生電路</p><p>　　方案一：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。</p><p&g

15、t;　　圖 2 555與RC組成的多諧振蕩器圖</p><p>　　方案二:振蕩器是數(shù)字鐘的核心。振蕩器的穩(wěn)定度及頻率的精確度決定了數(shù)字鐘計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確程度，通常選用石英晶體構(gòu)成振蕩器電路。石英晶體振蕩器的作用是產(chǎn)生時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。因此，一般采用石英晶體振蕩器經(jīng)過分頻得到這一時(shí)間脈沖信號(hào)。</p><p>　　圖 3 石英晶體振蕩器圖</p><p>　　用555組成的

16、脈沖產(chǎn)生電路: R1=15*103Ω，R2=68*103Ω，C=10μF ，則555所產(chǎn)生的脈沖的為:f=1.43/[(R1+2*R2)*103*10*106=0.947Hz,而設(shè)計(jì)要求為1Hz,因此其誤差為5.3%,在精度要求不是很高的時(shí)候可以使用。</p><p>　　石英晶體振蕩電路:采用的32768晶體振蕩電路,其頻率為32768Hz,然后再經(jīng)過15分頻電路可得到標(biāo)準(zhǔn)的1Hz的脈沖輸出.R的阻值

17、,對(duì)于TTL門電路通常在0.7～2KΩ之間;對(duì)于CMOS門則常在10～100MΩ之間。</p><p>　　由門電路組成的多諧振蕩器的振蕩周期不僅與時(shí)間常數(shù)RC有關(guān)，而且還取決于門電路的閾值電壓VTH，由于VTH容易受到溫度、電源電壓及干擾的影響，因此頻率穩(wěn)定性較差，只能用于對(duì)頻率穩(wěn)定性要求不高的場合。</p><p>　　綜上分析，選擇方案二，石英晶體振蕩電路能夠作為最穩(wěn)定的信號(hào)源。&l

18、t;/p><p><b>　　2.2分頻器電路</b></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(hào)輸入，需要對(duì)振蕩器的輸出信號(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)。例如，將32768Hz的振蕩信號(hào)分頻為1HZ的分頻倍數(shù)為32768（），即實(shí)現(xiàn)該分頻功能的計(jì)數(shù)器相當(dāng)于15級(jí)2進(jìn)制計(jì)數(shù)器。從盡量減少元

19、器件數(shù)量的角度來考慮，這里可選多極２進(jìn)制計(jì)數(shù)電路CD4060或CD4040來構(gòu)成分頻電路。CD4060和CD4040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。</p><p>　　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，其內(nèi)部框圖如圖2.1所示，從圖中可以看出，CD4060的時(shí)鐘輸入端兩個(gè)串接的非門，因此可以直接實(shí)現(xiàn)振蕩和分

20、頻的功能。</p><p>　　圖 5.1 CD4046內(nèi)部框圖 圖5.2 CD4040內(nèi)部框圖</p><p>　　CD4040計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)模數(shù)為4096（），其邏輯框圖如圖5.2。如將32768Hz信號(hào)分頻為1Hz，則需外加一個(gè)8分頻計(jì)數(shù)器，故一般較少使用CD4040來實(shí)現(xiàn)分頻。</p><p>　　綜上所述，可選擇CD4060

21、同時(shí)構(gòu)成振蕩電路和分頻電路。照?qǐng)D5.1，在和之間接入振蕩器外接元件可實(shí)現(xiàn)振蕩，并利用D觸發(fā)器進(jìn)行二分頻（圖5.3）后可實(shí)現(xiàn)15級(jí)2分頻，即可得1Hz信號(hào)。</p><p><b>　　圖5.3</b></p><p>　　2.3時(shí)間計(jì)數(shù)器電路與譯碼驅(qū)動(dòng)及顯示單元電路</p><p>　　方案一：采用10進(jìn)制計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)時(shí)間計(jì)數(shù)單元的計(jì)數(shù)功能。如

22、74HC390，其內(nèi)部邏輯框圖如圖6所示。該器件為雙2-5-10異步計(jì)數(shù)器。</p><p>　　圖 6 74HC390(1/2)內(nèi)部邏輯框圖</p><p>　　秒個(gè)位計(jì)數(shù)單元為10進(jìn)制計(jì)數(shù)器，無需進(jìn)制轉(zhuǎn)換，只需將ＱＡ與ＣＰＢ（下降沿有效）相連即可。ＣＰＡ（下降沒效）與1Hz秒輸入信號(hào)相連，Ｑ３可作為向上的進(jìn)位信號(hào)與十位計(jì)數(shù)單元的ＣＰＡ相連。</p><p>　　

23、秒十位計(jì)數(shù)單元為6進(jìn)制計(jì)數(shù)器，需要進(jìn)制轉(zhuǎn)換。將10進(jìn)制計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)換為６進(jìn)制計(jì)數(shù)器的電路連接方法如圖7所示，其中Ｑ２可作為向上的進(jìn)位信號(hào)與分個(gè)位的計(jì)數(shù)單元的ＣＰＡ相連。</p><p>　　圖 7 10進(jìn)制-6進(jìn)制計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　分個(gè)位和分十位計(jì)數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)分別與秒個(gè)位和秒十位計(jì)數(shù)單元完全相同，只不過分個(gè)位計(jì)數(shù)單元的Ｑ３作為向上的進(jìn)位信號(hào)應(yīng)與分十位計(jì)數(shù)單元的ＣＰＡ相連，分

24、十位計(jì)數(shù)單元的Ｑ２作為向上的進(jìn)位信號(hào)應(yīng)與時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)單元的ＣＰＡ相連。</p><p>　　時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)單元電路結(jié)構(gòu)仍與秒或個(gè)位計(jì)數(shù)單元相同，但是要求，整個(gè)時(shí)計(jì)數(shù)單元應(yīng)為24進(jìn)制計(jì)數(shù)器，不是10的整數(shù)倍，因此需將個(gè)位和十位計(jì)數(shù)單元合并為一個(gè)整體才能進(jìn)行24進(jìn)制轉(zhuǎn)換。</p><p>　　譯碼電路的功能是將“秒”、“分”、“時(shí)”計(jì)數(shù)器的輸出代碼進(jìn)行翻譯，變成相應(yīng)的數(shù)字。用于驅(qū)動(dòng)LED七段數(shù)碼管的

25、譯碼器常用的有CD4511。CD4511是BCD-7段譯碼器/驅(qū)動(dòng)器，其輸出是OC門輸出且高電平有效，專用于驅(qū)動(dòng)LED七段共陰極顯示數(shù)碼管。</p><p>　　方案二：采用CD4033集成電路。CD4033是十進(jìn)制計(jì)數(shù)器/脈沖分配器（七段譯碼輸出）。該集成塊采用上升沿觸發(fā)，輸出的信號(hào)可直接驅(qū)動(dòng)七段數(shù)碼管。</p><p>　　綜上所述CD4033混合了計(jì)數(shù)與譯碼，電路較74HC390與C

26、D4511構(gòu)成的電路簡單。而且CD4511譯碼后顯示的“6”與“9”不太完整，而CD4033則沒這個(gè)毛病。所以本電路選擇CD4033做為計(jì)數(shù)譯碼模塊。</p><p><b>　　2.4校時(shí)電路</b></p><p>　　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

27、計(jì)時(shí)狀態(tài)即可。根據(jù)要求，數(shù)字鐘應(yīng)具有分校正和時(shí)校正功能，因此，應(yīng)截?cái)喾謧€(gè)位和時(shí)個(gè)位的直接計(jì)數(shù)通路，并采用正常計(jì)時(shí)信號(hào)與校正信號(hào)可以隨時(shí)切換的電路接入其中。</p><p><b>　　方案一：</b></p><p>　　圖 9 方案一校正電路圖</p><p>　　方案二：方案二與方案一原理差不多，但多了RC電路防抖動(dòng)。</p>

28、<p>　　圖 10 方案二校正電路圖</p><p>　　通過比較可知，方案二比方案一多了防抖動(dòng)的措施，穩(wěn)定性更好，通過比較選擇方案二，既能實(shí)現(xiàn)防抖動(dòng)功能，做出事物也更經(jīng)濟(jì)一些。</p><p><b>　　2.5報(bào)時(shí)電路</b></p><p>　　整點(diǎn)自動(dòng)報(bào)時(shí)，在整點(diǎn)時(shí)，便自動(dòng)發(fā)出鳴叫聲，時(shí)長1s。</p>&l

29、t;p>　　這里采用74HC30八與非門進(jìn)行檢測，分秒都到0時(shí)，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器進(jìn)行一秒的報(bào)時(shí)。</p><p><b>　　3單元電路的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1時(shí)間脈沖產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　圖 14 產(chǎn)生1Hz時(shí)間脈沖的電路圖</p><p>　　CD4060同時(shí)構(gòu)成振蕩電路和分頻電路。如

30、圖14，并利用D觸發(fā)器進(jìn)行2分頻可實(shí)現(xiàn)15級(jí)2分頻，即可得1Hz信號(hào)。</p><p>　　3.2計(jì)數(shù)與譯碼顯示電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　圖15 六十進(jìn)制電路</p><p>　　圖16 二十四進(jìn)制電路</p><p>　　3.3 校時(shí)電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　數(shù)字鐘啟動(dòng)后,每當(dāng)數(shù)字鐘顯示與實(shí)際時(shí)間不符進(jìn),

31、需要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間進(jìn)行校時(shí)。校“秒”時(shí)，采用等待校時(shí)。?！胺帧薄ⅰ皶r(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) 。</p><p>　　2．在分校正時(shí)不影響秒和小時(shí)的正常計(jì)數(shù) 。</p><p>　　如圖17所示，當(dāng)開關(guān)打向上時(shí)，正常輸入信號(hào)可以順利通

32、過，故校時(shí)電路處于正常計(jì)時(shí)狀態(tài)；當(dāng)開關(guān)打向下時(shí)，校時(shí)電路處于校時(shí)狀態(tài)。</p><p>　　圖 17 校時(shí)電路圖</p><p><b>　　3.4 報(bào)時(shí)電路</b></p><p>　　根據(jù)要求，電路應(yīng)在整點(diǎn)開始整點(diǎn)報(bào)時(shí)。</p><p>　　選蜂鳴器為電聲器件，蜂鳴器是一種壓電電聲器件，當(dāng)其兩端加上一個(gè)直流電壓時(shí)就會(huì)

33、發(fā)出鳴叫聲，兩個(gè)輸入端是極性的，其較長引腳應(yīng)與高電位相連。</p><p><b>　　圖 18報(bào)時(shí)電路圖</b></p><p><b>　　3.5電路總圖</b></p><p><b>　　圖19電路總圖</b></p><p><b>　　4.</b&g

34、t;</p><p><b>　　4.1時(shí)鐘結(jié)果仿真</b></p><p>　　圖 20時(shí)鐘結(jié)果仿真圖</p><p><b>　　4.2仿真結(jié)果分析</b></p><p>　　經(jīng)測試之后，電路可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字鐘的基本功能，比如計(jì)數(shù)，如圖20，同時(shí)多功能模塊校時(shí)功能和報(bào)時(shí)功能都可以

35、使用?；诜抡娼Y(jié)果可以認(rèn)定，此次多功能數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)是成功的。</p><p><b>　　5心得與體會(huì)</b></p><p>　　這次課程設(shè)計(jì)是一次難得的鍛煉機(jī)會(huì)，我充分利用了所學(xué)過的理論知識(shí)還有自己的想象的能力，同時(shí)還學(xué)習(xí)到了很多查找資料的方法，以及自己處理分析電路，設(shè)計(jì)電路的能力。我認(rèn)為，平時(shí)在學(xué)習(xí)理論知識(shí)的時(shí)候，我們應(yīng)該更注重實(shí)踐，這次的課程設(shè)計(jì)讓我懂得了數(shù)電

36、知識(shí)在實(shí)際中的用途，認(rèn)識(shí)到我們身邊的很多電路，其實(shí)都是我們自己可以實(shí)現(xiàn)的，以前那些神秘的東西在不斷的學(xué)習(xí)過程中變得不再那么神秘。通過這次課程設(shè)計(jì)，我還更加深了理論知識(shí)的學(xué)習(xí)。在這次的設(shè)計(jì)電路我大膽采用了CD4060，此片芯片將計(jì)數(shù)譯碼融合在一起，與傳統(tǒng)的分開實(shí)現(xiàn)有很大的不同。這次通過自己分析和設(shè)計(jì)很好地運(yùn)用了它們。最終實(shí)現(xiàn)了電路結(jié)構(gòu)簡單化，實(shí)用化。在制作過程中，碰到了一些小問題，如將與門芯片和或門芯片其中的兩個(gè)輸出腳接錯(cuò)，這是由于粗心大

37、意，不看芯片介紹而胡亂猜測導(dǎo)致的，雖說沒出事故，但也讓我深刻的認(rèn)識(shí)到做事情要腳踏實(shí)地，小心謹(jǐn)慎，這樣才不會(huì)導(dǎo)致意外的發(fā)生。課程設(shè)計(jì)機(jī)會(huì)不多，這學(xué)期很好，有足夠的時(shí)間，上學(xué)期因?yàn)槟ｋ娬n程設(shè)計(jì)臨近期末才給出來，做得很匆忙。雖然自己很努力的做了，但覺得做得不夠好，難免有點(diǎn)遺憾。這學(xué)期本來課不多，課程設(shè)計(jì)又給得比較早，自己認(rèn)真做</p><p><b>　　6參考文獻(xiàn)</b></p>

38、<p>　　1 《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》潘明、潘松 主編 科學(xué)出版社 。</p><p><b>　　7元件清單</b></p><p>　　共陰數(shù)碼管 6個(gè)</p><p>　　CD4033 6個(gè)</p><p>　　470Ω電阻 42個(gè)</p>

39、<p>　　1000Ω電阻 3個(gè)</p><p>　　102無極電容 2個(gè)</p><p>　　按鍵開關(guān) 2個(gè)</p><p>　　撥動(dòng)開關(guān) 1個(gè)</p><p>　　CD4060 1個(gè)</p><p>　　

40、CD4081 1個(gè)</p><p><b>　　CD40711個(gè)</b></p><p><b>　　CD40691個(gè)</b></p><p><b>　　74LS741個(gè)</b></p><p><b>　　74HC301個(gè)</

41、b></p><p><b>　　蜂鳴器 1個(gè)</b></p><p>　　32768HZ晶振1個(gè)</p><p><b>　　8部分芯片結(jié)構(gòu)附錄</b></p><p><b>　　CD4033</b></p><p><b>