課程設(shè)計(jì)--多功能數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)及制作

1、<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、分、秒計(jì)時的裝置，與機(jī)械時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，因此得到了廣泛的應(yīng)用。數(shù)字鐘從原理上講是一種典型的數(shù)字電路，其中包含了組合邏輯電路和時序邏輯電路。</p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)則是利用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器、譯碼器，以及數(shù)碼顯示管和一

2、些常用的邏輯門器件設(shè)計(jì)并制作一個多功能數(shù)字鐘，對該數(shù)字鐘的各個單元進(jìn)行詳細(xì)的原理分析，同時闡述仿真過程中出現(xiàn)的問題及調(diào)試過程，并比較測試結(jié)果和理論結(jié)果。除此之外還有硬件實(shí)現(xiàn)的步驟和理論依據(jù)，最后對整個設(shè)計(jì)、仿真、硬件實(shí)現(xiàn)的過程進(jìn)行總結(jié)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：數(shù)字鐘 脈沖信號 計(jì)時 清零</p><p>　　多功能數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)及制作</p><p>　　

3、1 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求</p><p><b>　　1.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容</b></p><p>　　設(shè)計(jì)一個多功能數(shù)字鐘，能夠達(dá)到指定的要求。</p><p><b>　　1.2設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　1.數(shù)字鐘可以按常理計(jì)時，并顯示時、分、秒；</p><p>

4、　　2.小時以24為一個周期，分和秒均以60為一個周期；</p><p>　　3.具有校時功能，可以分別對時和分進(jìn)行單獨(dú)校時，使其校正到指定時間；</p><p>　　2 電路設(shè)計(jì)方案及其論證</p><p>　　2.1 電路設(shè)計(jì)方案1</p><p>　　2.1.1 原理框圖</p><p><b>　

5、　圖2.1</b></p><p>　　2.1.2 原理電路圖</p><p><b>　　圖2.2</b></p><p>　　2.2 電路設(shè)計(jì)方案2</p><p>　　2.2.1 原理框圖</p><p>　　方案2的基本原理框圖和方案一相同。</p><p&

6、gt;　　2.2.2 原理電路圖</p><p><b>　　圖2.3</b></p><p>　　2.3 方案對比，擇優(yōu)選擇</p><p><b>　　2.4 方案論證</b></p><p>　　數(shù)字電子鐘由信號發(fā)生器、計(jì)數(shù)器、數(shù)碼顯示管、校時控制電路組成。時鐘源產(chǎn)生穩(wěn)定的脈沖信號送進(jìn)秒計(jì)時器

7、，通過六十進(jìn)制的秒計(jì)數(shù)器后產(chǎn)生一個分脈沖，使分計(jì)數(shù)器計(jì)一次數(shù)，同樣通過分計(jì)數(shù)器產(chǎn)生一個時脈沖，使時計(jì)數(shù)器計(jì)一次數(shù)。最后一整個循環(huán)下來，通過反饋清零對數(shù)字鐘清零。在計(jì)數(shù)過程中計(jì)數(shù)器的輸出端接譯碼器，將二進(jìn)制碼傳送到數(shù)碼顯示管，則可以顯示時間。校時電路則是通過開關(guān)來控制各個芯片的脈沖輸入端，需要校時時，該芯片接開關(guān)控制的單脈沖則可以通過一次次的單脈沖來校正時間。</p><p>　　3 單元電路的說明及各參數(shù)的計(jì)算

8、</p><p><b>　　3.1 振蕩電路</b></p><p>　　3.1.1電路原理圖</p><p><b>　　圖3.1</b></p><p>　　多諧振蕩器也稱無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，它沒有穩(wěn)定狀態(tài)，同時無需外加觸發(fā)脈沖，就能輸出一定頻率的矩形波形。用555實(shí)現(xiàn)多諧振蕩，需要具有一定參數(shù)的R

9、1、R2和電容進(jìn)行連接，并且接上+5V的直流電源才能形成特定頻率的震蕩。</p><p>　　振蕩周期：T=0.7（R1+2R2）C,其中當(dāng)R1=43Ω，R2=50Ω，C=0.01F時，f=1Hz。</p><p><b>　　3.2 計(jì)時電路</b></p><p>　　3.2.1計(jì)時電路所用芯片74LS90工作原理</p>&

10、lt;p>　　74LS90內(nèi)部是由二進(jìn)制和五進(jìn)制計(jì)數(shù)共同組成的十進(jìn)制計(jì)數(shù)。 </p><p>　?。?）二進(jìn)制計(jì)數(shù)：將計(jì)數(shù)脈沖由CP0輸入，由Q0輸出。</p><p><b>　　圖3.2</b></p><p>　　（2）五進(jìn)制計(jì)數(shù)：將計(jì)數(shù)脈沖由CP1輸入，由Q3 、Q2、 Q1 輸出</p><p><

11、;b>　　圖3.3</b></p><p>　?。?）8421BCD碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)：將Q0與CP1相連,計(jì)數(shù)脈沖CP由CP0輸入</p><p><b>　　圖3.4</b></p><p>　　（4）用級聯(lián)（相當(dāng)于串行進(jìn)位）法和脈沖反饋法實(shí)現(xiàn)大容量計(jì)數(shù)器。</p><p>　　脈沖反饋：用S0，S1，S

12、2…，SN表示輸入0，1，2，…，N個計(jì)數(shù)脈沖CP時計(jì)數(shù)器的狀態(tài)。N進(jìn)制計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)工作狀態(tài)應(yīng)為N個：S0，S1，S2…，SN-1 。在輸入第N個計(jì)數(shù)脈沖CP后，通過控制電路，利用狀態(tài)SN產(chǎn)生一個有效置0信號，送給異步置0端，使計(jì)數(shù)器立刻置0，即實(shí)現(xiàn)了N進(jìn)制計(jì)數(shù)。</p><p>　　級聯(lián)：將多個集成計(jì)數(shù)器（如M1進(jìn)制、M2進(jìn)制）串接起來，以獲得計(jì)數(shù)容量更大的N（=M1×M2）進(jìn)制計(jì)數(shù)器。一般集成計(jì)數(shù)器

13、都設(shè)有級聯(lián)用的輸入端和輸出端。異步計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)的方法：低位的進(jìn)位信號→高位的CP端。</p><p><b>　　圖3.5</b></p><p>　　3.2.2秒計(jì)時原理</p><p><b>　　圖3.6</b></p><p>　　秒的個位部分逢十進(jìn)一，為十進(jìn)制計(jì)數(shù)，十位部分逢六進(jìn)一，為六進(jìn)制

14、計(jì)數(shù)，從而共同完成六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，當(dāng)計(jì)數(shù)到59時清零并重新開始計(jì)數(shù)。秒計(jì)時的個位可以直接利用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS90進(jìn)行計(jì)數(shù)，由0增加到9時，芯片輸出端1001跳變到0000，即最高位Q3輸出一個下降沿產(chǎn)生進(jìn)位，連在十位的計(jì)數(shù)器脈沖輸入端CP，從而實(shí)現(xiàn)個位的十進(jìn)制計(jì)數(shù)和進(jìn)位功能。十位收到個位的進(jìn)位信號后計(jì)一次數(shù)，十位計(jì)數(shù)到5時接下來的脈沖使其變成6，一瞬間通過清零端反饋清零，秒計(jì)數(shù)集體清零，由于清零所需時間很短，所以顯示管上不會顯示出6

15、0，而是直接從59跳到00。</p><p>　　3.2.3 分計(jì)時原理</p><p>　　分計(jì)時原理和秒計(jì)時原理一樣，同樣是通過兩塊74LS90級聯(lián)和反饋清零實(shí)現(xiàn)六十進(jìn)制計(jì)數(shù)。</p><p>　　3.2.4 時計(jì)時原理</p><p><b>　　圖3.7</b></p><p>　　來自分

16、計(jì)數(shù)電路的進(jìn)位脈沖使時的個位加一，十計(jì)數(shù)器由0增加到9產(chǎn)生向十位的進(jìn)位信號，該進(jìn)位信號即Q3連在十位計(jì)數(shù)的脈沖輸入端，使十位計(jì)數(shù)，當(dāng)十位計(jì)數(shù)到2，個位計(jì)數(shù)到4時，通過反饋清零將計(jì)數(shù)器清零，同樣由于清零時間較短，顯示管上不會顯示24，而是從23便可以跳到00。</p><p><b>　　3.3 顯示電路</b></p><p>　　顯示電路由譯碼器74LS48和數(shù)碼顯

17、示管組成。</p><p>　　3.3.1 譯碼器74LS48工作原理</p><p><b>　　圖3.8</b></p><p>　　74LS48為有內(nèi)部上拉電阻的BCD－七段譯碼器/驅(qū)動器。</p><p>　　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（B

18、I）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。</p><p><b>　　引出端符號:</b&

19、gt;</p><p>　　A0－A3 譯碼地址輸入端</p><p>　　BI/RBO消隱輸入（低電平有效）/脈沖消隱輸出（低電平有效） </p><p>　　LT燈測試輸入端（低電平有效） </p><p>　　RBI脈沖消隱輸入端（低電平有效） </p><p>　　Ya－Yg 段輸出 &

20、lt;/p><p>　　3.3.2 數(shù)碼顯示管工作原理</p><p>　　7段數(shù)碼管一般由8個發(fā)光二極管組成，其中由7個細(xì)長的發(fā)光二極管組成數(shù)字顯示，另外一個圓形的發(fā)光二極管顯示小數(shù)點(diǎn)。</p><p>　　當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時，相應(yīng)的一個點(diǎn)或一個筆畫發(fā)光?？刂葡鄳?yīng)的二極管導(dǎo)通，就能顯示出各種字符，盡管顯示的字符形狀有些失真，能顯示的數(shù)符數(shù)量也有限，但其控制簡單，使有也

21、方便。發(fā)光二極管的陽極連在一起的稱為共陽極數(shù)碼管，陰極連在一起的稱為共陰極數(shù)碼管，如圖4.9所示。</p><p>　　圖3.9 7段數(shù)碼管內(nèi)部字段LED和引腳分布</p><p>　　圖3.10 7段數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　發(fā)光二極管（LED是一種由磷化鎵（GaP）等半導(dǎo)體材料制成的，能直接將電能轉(zhuǎn)變成光能的發(fā)光顯示器件。當(dāng)其內(nèi)部有一一電流通過時，

22、它就會發(fā)光。</p><p>　　7段數(shù)碼管每段的驅(qū)動電流和其他單個LED發(fā)光二極管一樣，一般為5～10mA；正向電壓隨發(fā)光材料不同表現(xiàn)為1.8~2.5V不等。</p><p>　　7段數(shù)碼管的顯示方法可分為靜態(tài)顯示與動態(tài)顯示，下面分別介紹。</p><p><b>　?。?） 靜態(tài)顯示</b></p><p>　　所謂

23、靜態(tài)顯示，就是當(dāng)顯示某一字符時，相應(yīng)段的發(fā)光二極管恒定地尋能可截止。這種顯示方法為每一們都需要有一個8位輸出口控制。對于51單片機(jī)，可以在并行口上擴(kuò)展多片鎖存74LS573作為靜態(tài)顯示器接口。</p><p>　　靜態(tài)顯示器的優(yōu)點(diǎn)是顯示穩(wěn)定，在發(fā)光二極管導(dǎo)通電注一定的情況下顯示器的亮度高，控制系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，僅僅在需要更新顯示內(nèi)容時，CPU才執(zhí)行一次顯示更新子程序，這樣大大節(jié)省了CPU的時間，提高了CPU的工作

24、效率；缺點(diǎn)是位數(shù)較多時，所需I/O口太多，硬件開銷太大，因此常采用另外一種顯示方式——動態(tài)顯示。</p><p><b>　?。?）動態(tài)顯示</b></p><p>　　所謂動態(tài)顯示就是一位一位地輪流點(diǎn)亮各位顯示器（掃描），對于顯示器的每一位而言，每隔一段時間點(diǎn)亮一次。雖然在同一時刻只有一位顯示器在工作（點(diǎn)亮），但利用人眼的視覺暫留效應(yīng)和發(fā)光二極管熄 滅時的余輝效應(yīng)，

25、看到的卻是多個字符“同時”顯示。顯示器亮度既與點(diǎn)亮?xí)r的導(dǎo)通電流有關(guān)，也與點(diǎn)亮?xí)r間和間隔時間的比例有關(guān)。調(diào)整電流和時間參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)亮度較高較穩(wěn)定的顯示。若顯示器的位數(shù)不大于8位，則控制顯示器公共極電位只需一個8位I/O口（稱為掃描口或字位口），控制各位LED顯示器所顯示的字形也需要一個8位口（稱為數(shù)據(jù)口或字形口）。</p><p>　　動態(tài)顯示器的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省硬件資源，成本較低，但在控制系統(tǒng)運(yùn)行過程中，要保證顯示器正

26、常顯示，CPU必須每隔一段時間執(zhí)行一次顯示子程序，這占用了CPU的大量時間，降低了CPU工作效率，同時顯示亮度較靜態(tài)顯示器低。</p><p>　　綜合以上考慮，由于數(shù)字鐘時分秒的現(xiàn)實(shí)只需6個數(shù)碼管，又考慮到芯片工作效率與電源效率，本設(shè)計(jì)采用靜態(tài)顯示，為共陰極顯示。</p><p><b>　　3.4 校時電路</b></p><p>　　校時

27、電路功能是在其他計(jì)時功能正常的情況下對時（分、秒）進(jìn)行手動校時。</p><p><b>　　圖3.11</b></p><p>　　工作原理是當(dāng)S1開關(guān)打向上方，電路正常計(jì)時；當(dāng)開關(guān)S1打向下方，開關(guān)S2從VCC打向接地端時產(chǎn)生單脈沖后，需校時的芯片計(jì)數(shù)增加一，每上下?lián)軇右淮蜸2，需校時的芯片技術(shù)加一，直到校時到所需時間。</p><p>　

28、　時分秒各個校時電路原理相同，再次不再贅述。</p><p>　　4 硬件電路的設(shè)計(jì)及其制作與調(diào)試</p><p>　　4.1 電路仿真出現(xiàn)的問題和調(diào)試過程</p><p>　　仿真使用的系統(tǒng)是Multisim11，在該軟件平臺下將設(shè)計(jì)好的電路圖仿真出來，由于該軟件仿真功能比較強(qiáng)大，在電路的連接，原件的選擇都很全面，所以仿真過程中出現(xiàn)的問題都不難解決。</p&

29、gt;<p>　　主要問題有生振蕩的時候需要設(shè)定電容電阻的值，以達(dá)到產(chǎn)生的方波為1Hz，但是在已有的理論知識的基礎(chǔ)上得到的理論值放到仿真系統(tǒng)中后不能達(dá)到需要的效果， </p><p><b>　　圖4.1</b></p><p>　　4.2硬件制作出現(xiàn)的問題和調(diào)試過程</p><p>　　在檢測面包板狀況的過程中,出現(xiàn)本該相通的地

30、方卻未通的狀況,后經(jīng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)是由于萬用表筆尖未與面包板內(nèi)部垂直接觸所至.</p><p>　　在檢測74LS48驅(qū)動電路的過程中發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管不能正常顯示的狀況,經(jīng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)主要是由于接觸不良的問題,其中包括線的接觸不良和芯片的接觸不良,在實(shí)驗(yàn)過程中,數(shù)碼管有幾段二極管時隱時現(xiàn),有時會消失.用5V電源對數(shù)碼管進(jìn)行檢測,一端接地,另一端接觸每一段二極管,發(fā)現(xiàn)二極管能正常顯示的,再用萬用表歐姆檔檢測每一根線是否接觸良好,在

31、檢測過程中發(fā)現(xiàn)有幾根線有時能接通,有時不能接通,把接觸不好的線重新接過后發(fā)現(xiàn)能正常顯示了.其次是由于芯片接觸不良的問題,用萬用表歐姆檔檢測有幾個引腳本該相通的地方卻未通,而檢測的導(dǎo)線狀況良好,其解決方法為把74LS48的芯片拔出,根據(jù)面包板孔的的狀況重新調(diào)整其引腳,使其正對于孔,再用力均勻地將芯片插入面包板中,此后發(fā)現(xiàn)能正常顯示。</p><p>　　在連接校正電路的過程中,出現(xiàn)時和分都能正常校正時,但秒?yún)s受到影

32、響,特別時一較分鐘的時候秒亂跳,而不校時的時候,秒從40跳到59,然后又跳回40,分和秒之間無進(jìn)位,電路在時,分,秒進(jìn)位過程中能正常顯示,故可排除芯片和連線的接觸不良的問題.經(jīng)檢查,校正電路的連線沒有錯誤,后用萬用表的直流電壓檔帶電檢測秒的十位的QA,QB,QC和QD腳,發(fā)現(xiàn)QA腳時有電壓時而無電壓,再檢測秒到分和分到時的進(jìn)位端,發(fā)現(xiàn)是由于秒到分的進(jìn)位未拔掉所至。</p><p>　　由于在仿真過程中沒辦法考慮所

33、設(shè)參數(shù)是否合理，所以發(fā)現(xiàn)在硬件實(shí)現(xiàn)過程中電路中設(shè)定的50Ω和43Ω的電阻以及0.01uF的電容沒辦法完全沒到相同的，所以，為了買元件方便，就改變了硬件的參數(shù)，但是為了達(dá)到振蕩電路1Hz的條件，所買的電阻和電容盡量達(dá)到可以滿足公式=1的要求即可。</p><p><b>　　結(jié)束語</b></p><p><b>　　總結(jié)</b></p>

34、;<p><b>　　收獲和體會</b></p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)是本人到目前為止覺得最有意義也是收獲最大的一次實(shí)習(xí)。身為自動化的學(xué)生，設(shè)計(jì)是我們將來必需的技能。而這次課程設(shè)計(jì)恰恰給我們提供了一個應(yīng)用自己所學(xué)知識的平臺。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 邱關(guān)源

35、主編.電路.第五版.北京.高等教育出版社</p><p>　　[2] 于歆杰等選譯.電路基礎(chǔ).第三版.北京.清華大學(xué)出版社</p><p>　　[3] 康華光主編.電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分.第五版.高等教育出版社</p><p>　　[4] 康華光主編.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分.第五版.高等教育出版社</p><p><b>　　附錄<