數(shù)電課程設(shè)計(jì)--電子鐘

1、<p>　　數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)報(bào)告</p><p><b>　　題目：數(shù)字鐘</b></p><p>　　姓 名： </p><p>　　學(xué) 號(hào)： </p><p>　　專業(yè)班級(jí)： 應(yīng)用物理學(xué) </p&

2、gt;<p>　　指導(dǎo)老師： 　 </p><p>　　所在院系： 數(shù) 理 學(xué) 院 </p><p>　　2014年01月02日</p><p><b>　　成績(jī)?cè)u(píng)定·</b></p><p>　　一、指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)（根據(jù)學(xué)生設(shè)計(jì)報(bào)告質(zhì)量、答辯情況及其平時(shí)表

3、現(xiàn)綜合評(píng)定）。</p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)是本次設(shè)計(jì)采用Multisim12仿真軟件進(jìn)行仿真。</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

4、觀性，且無(wú)機(jī)械裝置，具有更更長(zhǎng)的使用壽命，因此得到了廣泛的使用。</p><p>　　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(shí)序電路。目前，數(shù)字鐘的功能越來(lái)越強(qiáng)，并且有多種專門的大規(guī)模集成電路可供選擇。數(shù)字鐘適用于自動(dòng)打鈴、自動(dòng)廣播，也適用于節(jié)電、節(jié)水及自動(dòng)控制多路電器設(shè)備。它是由數(shù)子鐘電路、定時(shí)電路、放大執(zhí)行電路、電源電路組成。</p><p>　　為了簡(jiǎn)化電路結(jié)

5、構(gòu)，數(shù)字鐘電路與定時(shí)電路之間的連接采用直接譯碼技術(shù)。具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作可靠、使用壽命長(zhǎng)、更改設(shè)定時(shí)間容易、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　從有利于學(xué)習(xí)的角度考慮，這里主要介紹以中小規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)數(shù)字鐘的方法。</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1 概述 …………………………………………………………………

6、…………… 1</p><p>　　1.1 課程設(shè)計(jì)題目及要求 ……………………………………………………… 1</p><p>　　1.2 設(shè)計(jì)組成部分 ……………………………………………………………… 1</p><p>　　2 系統(tǒng)總體方案及硬件設(shè)計(jì) ……………………………………………………… 2</p><p>　　2.1 系統(tǒng)總體方案

7、 ……………………………………………………………… 2</p><p>　　2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) ……………………………………………………………… 2</p><p>　　2.3 設(shè)計(jì)所用器材 ……………………………………………………………… 3</p><p>　　3 各模塊設(shè)計(jì) ……………………………………………………………………… 4</p>&

8、lt;p>　　3.1 時(shí)鐘振蕩電路 ……………………………………………………………… 4</p><p>　　3.2 秒脈沖產(chǎn)生電路 …………………………………………………………… 5</p><p>　　3.3 計(jì)數(shù)電路 …………………………………………………………………… 5</p><p>　　3.4 校正電路 ………………………………………………………

9、…………… 7</p><p>　　3.5 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路 ……………………………………………………………… 8</p><p>　　4 軟件仿真 ………………………………………………………………………… 9</p><p>　　5 課程設(shè)計(jì)體會(huì) ……………………………………………………………………10</p><p>　　參考文獻(xiàn) ……………

10、………………………………………………………………11</p><p>　　附錄1系統(tǒng)原理圖 …………………………………………………………………12</p><p><b>　　1 概述</b></p><p>　　1.1 課程設(shè)計(jì)題目及要求</p><p><b>　　第一題：數(shù)字鐘</b><

11、;/p><p>　　設(shè)計(jì)要求：要求用中、小規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)一臺(tái)能顯示日、時(shí)、分、秒的數(shù)字電子鐘，技術(shù)要求如下：由晶振電路產(chǎn)生１Hz標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)，秒、分為00~59六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，時(shí)為00~23二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器，周顯示從1~日為七進(jìn)制計(jì)數(shù)器?？墒謩?dòng)校正，且具有整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能。</p><p>　　1.2 設(shè)計(jì)組成部分</p><p>　　該設(shè)計(jì)電路主要包括以下幾方面：晶體振

12、蕩電路、分頻器電路、時(shí)間計(jì)數(shù)器電路、譯碼驅(qū)動(dòng)電路、整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路、時(shí)間校正電路等。</p><p>　　2 系統(tǒng)總體方案及硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1 系統(tǒng)總體方案</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

13、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>　　圖1 數(shù)字鐘的一般構(gòu)成框圖</p><p>　　2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　晶體振蕩器電路：晶體振蕩器電路給數(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。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

14、電路。</p><p>　　分頻器電路：分頻器電路將1000HZ的高頻方波信號(hào)經(jīng)1000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>　　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，其中小時(shí)為二十四進(jìn)制，分鐘和秒六十進(jìn)制，輸出可用數(shù)碼管顯示，所以要求二十四進(jìn)制為00000000~001

15、00011計(jì)數(shù)，六十進(jìn)制為00000000~01100000計(jì)數(shù)，并且均為8421BCD碼編碼形式。</p><p>　　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</p><p>　　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>　　校時(shí)校分電路：在接通電源或者時(shí)鐘走時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí)，則需要進(jìn)行時(shí)間的校準(zhǔn)。通常

16、可以在整點(diǎn)時(shí)刻和利用電臺(tái)或者電視臺(tái)的信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)，也可以在其他時(shí)刻利用別的時(shí)間進(jìn)行校準(zhǔn)。</p><p>　　整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路：時(shí)鐘一般都具有整點(diǎn)報(bào)時(shí)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，較復(fù)雜的也可以是實(shí)時(shí)語(yǔ)音提示。</p><p>　　顯示數(shù)碼管：數(shù)碼管通常有發(fā)光二極管數(shù)碼管和液晶顯示數(shù)碼管，本設(shè)計(jì)提供的是發(fā)光二極管數(shù)碼管。&

17、lt;/p><p>　　2.3 設(shè)計(jì)所用主要器材</p><p><b>　　1. 通用實(shí)驗(yàn)底板</b></p><p><b>　　2. 直流穩(wěn)壓電源</b></p><p><b>　　3. 電位器</b></p><p><b>　　4.

18、數(shù)碼顯示器</b></p><p>　　5. 電容：10nF、3～22pF之間</p><p>　　6. 電阻：200Ω、10KΩ、22MΩ</p><p>　　7. 主要集成電路：74LS160</p><p>　　8. 晶振：32768HZ</p><p>　　9. 開關(guān)：?jiǎn)蔚峨p擲開關(guān)</p>

19、;<p>　　10. 三極管：8050</p><p>　　11. 蜂鳴器：0.45W</p><p><b>　　3 各模塊設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1 時(shí)鐘振蕩電路</p><p>　　時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)有很多設(shè)計(jì)方法，比如555多諧振蕩器、模擬運(yùn)放振蕩器、石英晶體震蕩器等，其中555多諧振蕩器

20、調(diào)節(jié)方便，并且multsim中有非常實(shí)用的向?qū)В⒄袷幤鳒?zhǔn)確性最高。</p><p>　　方案一：石英晶體震蕩電路</p><p>　　如圖2所示為電路通過(guò)CMOS非門構(gòu)成的輸出為方波的數(shù)字式晶體振蕩電路，這個(gè)電路中，CMOD非門與晶體、電容和電阻構(gòu)成的晶體振蕩電路；實(shí)現(xiàn)整形緩沖功能，將振蕩器輸出的近似于正弦波的波形轉(zhuǎn)換為較為理想的方形波；與石英晶體串聯(lián)的微調(diào)電容可以對(duì)振蕩器頻率做微調(diào)

21、，從而在輸出端得到較為穩(wěn)定的脈沖信號(hào)。電路中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(gè)高增益的反相放大器。兩個(gè)電容與晶體構(gòu)成一個(gè)諧振網(wǎng)絡(luò)，完成對(duì)諧振頻率的控制功能，同時(shí)提供一個(gè)180度相移，從而和與非門構(gòu)成一個(gè)正反饋網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)振蕩器的功能。</p><p>　　圖2 石英晶體震蕩電路圖</p><p>　　方案二：555多諧振蕩器電路</p>&

22、lt;p>　　555多諧振蕩器電路產(chǎn)生1KHZ的電路原理圖如圖3所示：</p><p>　　圖3 555多諧振蕩器電路</p><p>　　通過(guò)比較可知，555組成的脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生的脈沖誤差不高，而且電路簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)。</p><p>　　3.2 秒脈沖產(chǎn)生電路</p><p>　　秒脈沖產(chǎn)生電路主要功能有兩個(gè)：一是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)；

23、二是可提供整點(diǎn)報(bào)時(shí)所需要的高、低音頻率信號(hào)。</p><p>　　方案一：555多諧振蕩器產(chǎn)生1KHZ信號(hào)，故想得到秒脈沖需要將分頻比設(shè)置為1000，正好選用三個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)，即利用74LS160。</p><p>　　方案二：石英晶體振蕩器產(chǎn)生32768HZ信號(hào)，故想要得到1HZ信號(hào)，就要進(jìn)行分頻，利用4位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS161計(jì)數(shù)分頻可以得到。</p><p

24、><b>　　3.3 計(jì)數(shù)電路</b></p><p>　　利用四位十進(jìn)制的芯片74LS160級(jí)聯(lián)分別來(lái)實(shí)現(xiàn)分、秒的六十進(jìn)制，時(shí)的二十四進(jìn)制以及周的七進(jìn)制。</p><p>　　周計(jì)數(shù)——七進(jìn)制電路</p><p>　　利用與非門反饋到置數(shù)端，當(dāng)=0111時(shí)，置數(shù)端輸入變成“0”，使輸出變成置的數(shù)0001，利用置數(shù)法實(shí)現(xiàn)，計(jì)數(shù)范圍1~7

25、。</p><p>　　圖4 七進(jìn)制電路仿真</p><p>　　2.小時(shí)計(jì)數(shù)——二十四進(jìn)制電路</p><p>　　首先設(shè)計(jì)一個(gè)一百進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，在24（00100100）處直接取出所有為一的端口，經(jīng)過(guò)與非門給清零端，適用清零法完成二十四進(jìn)制，計(jì)數(shù)范圍0~23。</p><p>　　圖5 二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器仿真</p><

26、p>　　3.分鐘、秒計(jì)數(shù)——六十進(jìn)制電路</p><p>　　首先設(shè)計(jì)一個(gè)一百進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，在59（01100000）處直接取出所有為一的端口，經(jīng)過(guò)與非門給清零端，適用清零法完成二十四進(jìn)制，計(jì)數(shù)范圍0~59。</p><p>　　圖6 六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器仿真</p><p><b>　　3.4 校正電路</b></p><

27、;p>　　方案一：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。根據(jù)要求，數(shù)字鐘應(yīng)具有分校正、時(shí)校正、日校正功能，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>　　圖7 方案一校正電路</p><p>　　方案二：校正周、時(shí)、

28、分電路基本一致，這里只仿真校分電路，如圖7所示，方法是控制六十進(jìn)制的時(shí)鐘輸入端CP，使用兩個(gè)三態(tài)門或者把秒進(jìn)位信號(hào)加入，用來(lái)控制校分和計(jì)分的切換，由于兩個(gè)三態(tài)門和的使能端有效點(diǎn)評(píng)剛好相反，接地時(shí)是校分功能，不接地時(shí)是計(jì)分功能，其他校正電路與校分電路基本一樣。</p><p><b>　　圖8方案二校正電路</b></p><p>　　通過(guò)比較可知，方案二比方案一的電路

29、復(fù)雜，成本也更高，通過(guò)比較選擇方案二，電路既簡(jiǎn)單又經(jīng)濟(jì)。</p><p>　　3.5 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路</p><p>　　根據(jù)要求，電路應(yīng)在整點(diǎn)前10秒鐘內(nèi)開始整點(diǎn)報(bào)時(shí)，即當(dāng)時(shí)間在59分50秒到59分59秒期間時(shí)，報(bào)時(shí)電路報(bào)時(shí)控制信號(hào)。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，因此可將分計(jì)數(shù)器十位的和、個(gè)位的和及秒計(jì)數(shù)器十位的和相與，從而

30、產(chǎn)生報(bào)時(shí)控制信號(hào)。</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)酒會(huì)發(fā)出鳴叫聲，兩個(gè)輸入端是極性的，其較長(zhǎng)引腳應(yīng)與高電位相連，圖19的三極管時(shí)為了驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。</p><p><b>　　圖9 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路</b></p><p><b>　　4 軟件仿真</b></p

31、><p>　　整體仿真電路圖如圖10所示：</p><p>　　圖10 整體電路圖如圖所示</p><p><b>　　5課程設(shè)計(jì)體會(huì)</b></p><p>　　在此次的數(shù)字鐘設(shè)計(jì)過(guò)程中，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。這學(xué)期數(shù)電實(shí)驗(yàn)課的考試就是做的數(shù)字鐘，所以在計(jì)數(shù)模塊上面有以前的經(jīng)

32、驗(yàn)，設(shè)計(jì)技術(shù)模塊很快就得出了正確的結(jié)果，雖然跟實(shí)驗(yàn)室用得芯片不一樣，但原理不一樣，我也得出結(jié)論，不同的電路可以實(shí)現(xiàn)同樣的功能，我們應(yīng)該設(shè)計(jì)最簡(jiǎn)單，最經(jīng)濟(jì)，最實(shí)用的電路。當(dāng)然這個(gè)不一定所有條件都符合，找到一個(gè)最大限度滿足各種條件的方案是我們?cè)O(shè)計(jì)的目標(biāo)。</p><p>　　每次課程設(shè)計(jì)是一次難得的鍛煉機(jī)會(huì)，讓我們能夠充分利用所學(xué)過(guò)的理論知識(shí)還有自己的想象的能力，另外還讓我們學(xué)習(xí)查找資料的方法，以及自己處理分析電路，

33、設(shè)計(jì)電路的能力。我相信是對(duì)我的一個(gè)很好的提高。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，應(yīng)付考試有考試的方法。這次的課程設(shè)計(jì)讓我懂得了它們?cè)趯?shí)際中的用途，還有我們身邊的很多數(shù)字鐘電路，這些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(guò)程中變得不再那么神秘，我相信，以后還有更多的謎底被揭開。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我還更加深了理論知識(shí)的學(xué)習(xí)。這次的設(shè)計(jì)電路我用到了計(jì)數(shù)器、譯碼器等，通過(guò)自己分析和設(shè)計(jì)更好地運(yùn)用了它們，而且還學(xué)會(huì)了它

34、們更多的功能，發(fā)現(xiàn)它們的功能遠(yuǎn)比書上說(shuō)的多很多，可以利用不同的接法設(shè)計(jì)出各種各樣不同的電路出來(lái)。模電課程設(shè)計(jì)學(xué)到得方法在這里可以繼續(xù)使用，比如MULTISIM等學(xué)習(xí)軟件，給設(shè)計(jì)提供了很大的便利。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(lái)，做得很匆忙，覺(jué)得不是敷衍老師，而是敷衍自己。雖然自己很努力的做了，但覺(jué)得做得不夠好，難免有點(diǎn)遺憾。這學(xué)期本來(lái)課不多，課程設(shè)計(jì)又給得比較早，</p>

35、<p>　　碰到的問(wèn)題越讓人絕望，解決問(wèn)題之后的喜悅程度就越高。作為工科類的學(xué)生，以后工作了難免要碰到許許多多的問(wèn)題，不要絕望，堅(jiān)持，直到看到勝利的曙光。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]清華大學(xué)電子教研組，閻石.北京：高等教育出版社，2006.168—172，336—338</p><p>&