課程設計--數(shù)字電子鐘電路設計

1、<p><b>　　**大學</b></p><p><b>　　課程設計(報告)</b></p><p>　　題 目 數(shù)字電子鐘電路設計 </p><p>　　學院名稱 電 氣 工 程 學 院 </p><p>

2、;　　指導教師 </p><p>　　職 稱 </p><p>　　班 級 </p><p>　　學 號

3、 </p><p>　　學生姓名 </p><p>　　2011年 1 月 13 日</p><p><b>　　數(shù)字電子鐘設計</b></p><p><b>　　摘要：</b></p>

4、<p>　　數(shù)字鐘被廣泛用于個人家庭,車站, 碼頭、辦公室等公共場所,成為人們日常生活中的必需品。由于數(shù)字集成電路的發(fā)展和石英晶體振蕩器的廣泛應用,使得數(shù)字鐘的精度,運用超過老式鐘表, 鐘表的數(shù)字化給人們生產生活帶來了極大的方便，而且大大地擴展了鐘表原先的報時功能。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、自動起閉路燈、定時開關烘箱、通斷動力設備、甚至各種定時電氣的自動啟用等，所有這些，都是以鐘表數(shù)字化為基礎

5、的。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>　　本文設計中采用了組合邏輯電路和時序電路的設計，芯片采用了2-5-10異步計數(shù)器74LS390，74LS00與非門、555時鐘芯片等，實現(xiàn)時間的計時,能顯示時、分、秒的數(shù)字鐘實現(xiàn)校時、校分、校秒。</p><p><b>　　。</b></p><p><b>

6、　　擴展功能：　</b></p><p>　　關鍵詞: 計數(shù)器；譯碼器；振蕩器；校時電路 </p><p><b>　　ABSTRACT:</b></p><p>　　Digital clock is widely used in personal family, stations, terminals, offices

7、 and other public places, become a necessity in daily life. As digital integrated circuit development and wide application of quartz crystal oscillators, making the digital clock accuracy, the use of more than old-fashio

8、ned clocks, digital clocks to the production and life of people has brought great convenience, but also greatly extends the original timekeeping watches function. Such as timed automatic alarm, automatic</p><p

9、>　　This design uses a combinational logic circuit and sequential circuit design, chip with a 2-5-10 asynchronous counter 74LS390, 74LS00 NAND gate 555 clock chip, etc., to achieve the time of the time.</p><

10、p>　　Basic function: to display hours, minutes, seconds, the digital clock.</p><p>　　Extended Function: proofreading hours, minutes, proofreading, proofreading seconds.</p><p>　　KEYWORDS: Coun

11、ter; Decoder; Oscillator; Proofreading Time Circuit</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 系統(tǒng)設計3</b></p><p>　　1.1 設計任務與要求3</p><p>　　1.2 設計分析4<

12、/p><p>　　1.3各模塊方案選擇和論證4</p><p>　　1.3.1 振蕩電路模塊的選擇4</p><p>　　1.3.2 分頻電路模塊6</p><p>　　1.3.3計數(shù)電路模塊7</p><p>　　1.3.4校時電路模塊8</p><p>　　2 系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)8<

13、;/p><p>　　2.1 振蕩電路8</p><p>　　2.2 分頻電路9</p><p>　　2.3 計數(shù)電路9</p><p>　　2.4 校時電路10</p><p>　　3 設計的仿真和運行結果及調試過程11</p><p>　　3.1 振蕩電路11</p>&

14、lt;p>　　3.2 分頻電路11</p><p>　　3.3 計數(shù)電路12</p><p>　　3.4 校時電路13</p><p><b>　　4 結束語14</b></p><p><b>　　參考文獻15</b></p><p>　　附錄A 總電路圖

15、16</p><p>　　附錄B Ultiboard 效果圖17</p><p><b>　　1 系統(tǒng)設計</b></p><p>　　1.1 設計任務與要求</p><p>　　本設計采用小規(guī)模集成電路設計一個有時、分、秒顯示且具有校時功能的電子鐘：</p><p>　　數(shù)字時鐘主要由：分頻器

16、、掃描顯示譯碼器、六十進制計數(shù)器（或十進制計數(shù)器與六十進制計數(shù)器組合成六十進制）、十二進制計數(shù)器（或二十四進制計數(shù)器）電路組成。在整個時鐘設計中最關鍵的是如何獲得一個精準的1Hz計時脈沖。</p><p>　　數(shù)字時鐘顯示由時（12或24進制任選）、分（60進制）、秒（60進制）組成，利用掃描譯碼電路在六個數(shù)碼管分別顯示。</p><p>　　設計電路，安裝調試或仿真，分析實驗結果，并寫出

17、設計說明書,語言流暢簡潔，文字不得少于3500字。要求圖紙布局合理，符合工程要求，使用軟件繪出原理圖（SCH）和印制電路板(PCB),器件的選擇要有計算依據(jù)。</p><p><b>　　1.2 設計分析</b></p><p>　　電路系統(tǒng)由秒信號發(fā)生器、“時、分、秒”計數(shù)器、譯碼器及顯示器、校時電路組成。秒信號產生器是整個系統(tǒng)的時基信號，它直接決定計時系統(tǒng)的精度，

18、一般用石英晶體振蕩器加分頻器來實現(xiàn)，本文采用555定時器產生相應脈沖，將標準秒信號送入“秒計數(shù)器”，“秒計數(shù)器”采用60進制計數(shù)器，每累計60秒發(fā)出一個“分脈沖”信號，該信號將作為“分計數(shù)器”的時鐘脈沖?！胺钟嫈?shù)器”也采用60進制計數(shù)器，每累計60分鐘，發(fā)出一個“時脈沖”信號，該信號將被送到“時計數(shù)器”?！皶r計數(shù)器”采用24進制計時器，可實現(xiàn)對一天24小時的累計。譯碼顯示電路將“時”、“分”、“秒”計數(shù)器的輸出送到七段顯示譯碼驅動器譯碼

19、驅動，通過六個七段LED顯示器顯示出來。校時電路是直接加一個脈沖信號到時計數(shù)器或者分計數(shù)器來對“時”、“分”顯示數(shù)字進行校對調整。數(shù)字電子鐘的整體邏輯框圖如圖所示。</p><p>　　圖1.2 整體框圖</p><p>　　1.3各模塊方案選擇和論證</p><p>　　1.3.1 振蕩電路模塊的選擇</p><p>　　振蕩器是數(shù)字鐘的

20、核心，它的作用是產生一個頻率標準，即時間標準信號。然后再由分頻器分成秒脈沖，即“秒”時間脈沖。因此，振蕩器頻率的精度與穩(wěn)定度基本決定了數(shù)字鐘的質量。要產生穩(wěn)定的時標信號。</p><p>　?。?）方案一 555構成的多諧振蕩器 </p><p>　　電容C1放電時間為：t1=R2*C1*ln2,充電時間為：t2=(R1+R2)*CI*ln2,則其振蕩頻率為f=1/(t1+t2)。選擇適

21、當?shù)腞1、R2、C1值可使f＝1HZ。</p><p>　　圖1.3.1.1 555構成的多諧振蕩器</p><p>　　（2）方案二 晶體振蕩分頻電路石英晶體振蕩電路</p><p>　　采用頻率fs＝32768Hz的石英晶體。D1、D2是反相器，D1用于振蕩，D2用于緩沖整形。Rf為反饋電阻（10-100MΩ），反饋電阻的作用是為CMOS反相器提供偏置，使其工

22、作在放大狀態(tài)。C1是頻率微調電容，改變C1可對振蕩器頻率作微量調整，C1一般取5-35pF。C2是溫度特性校正用的電容，一般取20-405pF，電容C1、C2與晶體共同構成Ⅱ型網(wǎng)絡，完成對振蕩器頻率的控制，并提供必要的180 0相移。最后輸出fs=32768Hz。</p><p>　　圖1.3.1.2 石英晶體振蕩電路</p><p>　　將32 768Hz脈沖信號輸入到CD4060（內

23、部結構如圖4－4）組成的脈沖振蕩的14位二進制計數(shù)器，所以從最后一級Q14輸出的脈沖信號頻率為：32768/214 = 32768/16384 = 2Hz 如圖6。再經過二次分頻，得到1Hz的標準信號脈沖，即秒脈沖如圖7。</p><p>　　圖1.3.1.3 秒信號原理圖</p><p><b>　　（3）方案選擇</b></p><p>

24、　　振蕩器是數(shù)字鐘的核心，它的作用是產生一個頻率標準，即時間標準信號。然后再由分頻器分成秒脈沖，即“秒”時間脈沖。因此，振蕩器頻率的精度與穩(wěn)定度基本決定了數(shù)字鐘的質量。要產生穩(wěn)定的時標信號，一般是采用石英晶體振蕩器。從數(shù)字鐘的精度考慮，晶振頻率越高，鐘表的計時精度越高。但這會使震蕩器的耗電量增大，分頻器的級數(shù)也要增多，如果精度要求不高，可采用由集成電路定時器555與RC組成的多諧振蕩器，本實驗即采用此方法。</p><

25、;p>　　1.3.2 分頻電路模塊</p><p>　　分頻器的作用是將由555定時器體產生的高頻信號分頻成基時鐘脈沖信號和擴展部分所需的頻率。在此電路中，分頻器的功能主要有兩個：一是產生標準脈沖信號；二是功能擴展電路所需的信號。在此電路中作為分頻器的元件是:74LS90。</p><p>　　電路經過十分頻后將555定時器差生的1KHZ的振蕩脈沖變?yōu)?Hz的脈沖信號，該信號作為計數(shù)

26、器的計數(shù)脈沖使用。</p><p>　　74LS90引腳及原理如下：</p><p>　　圖1.3.2 74LS90引腳及原理圖</p><p>　　1.3.3計數(shù)電路模塊</p><p>　　計數(shù)器是一種計算輸入脈沖的時序邏輯網(wǎng)絡，被計數(shù)的輸入信號就是時序網(wǎng)絡的時鐘脈沖，它不僅可以計數(shù)而且還可以用來完成其他特定的邏輯功能，如測量、定時控制

27、、數(shù)字運算等等。</p><p>　　數(shù)字鐘的計數(shù)電路是用兩個六十進制計數(shù)電路和二十四進制計數(shù)電路實現(xiàn)的。數(shù)字鐘的計數(shù)電路的設計可以用反饋清零法。當計數(shù)器正常計數(shù)時，反饋門不起作用，只有當進位脈沖到來時，反饋信號將計數(shù)電路清零，實現(xiàn)相應模的循環(huán)計數(shù)。以六十進制為例，當計數(shù)器從00，01，02，……，59計數(shù)時，反饋門不起作用，只有當?shù)?0個秒脈沖到來時，反饋信號隨即將計數(shù)電路清零，實現(xiàn)模為60的循環(huán)計數(shù)。<

28、/p><p>　　秒信號經秒計數(shù)器、分計數(shù)器、時計數(shù)器之后，分別得到“秒”個位、十位、“分”個位、十位以及“時”個位、十位的計時輸出信號，然后送至譯碼顯示電路，以便實現(xiàn)用數(shù)字顯示時、分、秒的要求?！懊搿焙汀胺帧庇嫈?shù)器應為六十進制，而“時”計數(shù)器應為二十四進制。采用10進制計數(shù)器74LS90來實現(xiàn)時間計數(shù)單元的計數(shù)功能，其為雙2-5-10異步計數(shù)器，并且每一計數(shù)器均有異步清零端（高電平有效）。</p>&

29、lt;p>　　時計數(shù)器采用74LS90構成24進制計數(shù)器，其信號來自分計數(shù)器的進位輸出，因為到２3的下一個狀態(tài)要自動清零，將時的個位和十位的清零端相連，再與24的BCD碼相連轉換為相應的二進制，從而實現(xiàn)00－23的循環(huán)。兩片74LS90的輸出端QA－QD分別驅動７段LED顯示器顯示計數(shù)狀態(tài)。</p><p>　　分計數(shù)器和秒計數(shù)器也都采用74LS90構成60進制計數(shù)器，可以將十位的QB和QC輸出狀態(tài)送清零端

30、，同事送到一與門，與門的信號作為十位進位信號送往下一個計數(shù)，這樣當計數(shù)器計數(shù)到59的時候，下一個狀態(tài)的到來將使其清零，從而實現(xiàn)計數(shù)器的復位。</p><p>　　1.3.4校時電路模塊</p><p>　　時鐘出現(xiàn)誤差時，需校準。校對時間總是在標準時間到來之前進行，分四個步驟：首先把小時計數(shù)器置到所需的數(shù)字；然后再將分計數(shù)器置到所需數(shù)字；在此同時或之后，將秒計數(shù)器在零時停計數(shù)，處于等待啟動

31、；當選定的標準時刻到達的瞬間，按起動按鈕，電路則從所預置時間開始計數(shù)。由此可知，校時電路應具有預置小時，預置分、等待啟動、計時四個階段，因此，我們設計的校時電路，方便、可靠地實現(xiàn)這四個階段所要求的功能。</p><p>　　圖1.3.4 校時電路原理圖</p><p><b>　　2 系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)</b></p><p><b>　

32、　2.1 振蕩電路</b></p><p>　　在實驗電路設計中，由555構成的多諧振蕩器來產生１ＫＨＺ的脈沖信號，再經３級１０分頻電路輸出１ＨＺ的基準信號。</p><p><b>　　圖2。1 振蕩電路</b></p><p><b>　　2.2 分頻電路</b></p><p>　

33、　在此電路中作為分頻器的元件是:74LS390。由于振蕩器產生的頻率很高，要得到秒脈沖，需要分頻電路。本實驗由集成電路定時器555與RC組成的多諧振蕩器，產生1KHz的脈沖信號。故采用3片中規(guī)模集成電路計數(shù)器74LS390來實現(xiàn)，得到需要的秒脈沖信號。</p><p>　　圖2.2 分頻電路</p><p><b>　　2.3 計數(shù)電路</b></p>

34、<p>　　時計數(shù)器采用74LS90構成24進制計數(shù)器，其信號來自分計數(shù)器的進位輸出，因為到23的下一個狀態(tài)要自動清零，將時的個位和十位的清零端相連，再與24的BCD碼相連轉換為相應的二進制，從而實現(xiàn)00－23的循環(huán)。兩片74LS90的輸出端QA－QD分別驅動７段LED顯示器顯示計數(shù)狀態(tài)。</p><p>　　分計數(shù)器和秒計數(shù)器也都采用74LS90構成60進制計數(shù)器，可以將十位的QB和QC輸出狀態(tài)送清

35、零端，同時送到一與門，與門的信號作為十位進位信號送往下一個計數(shù)，這樣當計數(shù)器計數(shù)到59的時候，下一個狀態(tài)的到來將使其清零，從而實現(xiàn)計數(shù)器的復位。</p><p>　　圖2.3 計時電路</p><p><b>　　2.4 校時電路</b></p><p>　　當數(shù)字鐘接通電源或者出現(xiàn)誤差時，校正時間。校時是數(shù)字鐘應具有的基本功能。一般電子表都

36、具有時、分、秒等校時功能。為了使電路簡單，在此設計中只進行分和小時的校時。校時是通過開關控制使計數(shù)器對1Hz校時脈沖計數(shù)。</p><p>　　當數(shù)字鐘走時出現(xiàn)誤差時，需要校正時間。校時電路實現(xiàn)對“時”“分”“秒”的校準。在電路中設有正常計時和校對位置。本實驗實現(xiàn)“時”“分”的校對。對校時的要求是，在小時校正時不影響分和秒的正常計數(shù)；在分校正時不影響秒和小時的正常計數(shù)。需要注意的時，校時電路是由與非門構成的組合邏

37、輯電路，開關S1或S2為“0”或“1”時，可能會產生抖動，為防止這一情況的發(fā)生我們接入一個由RS觸發(fā)器組成的防抖動電路來控制。</p><p>　　圖2.4 校時電路</p><p>　　3 設計的仿真和運行結果及調試過程</p><p><b>　　3.1 振蕩電路</b></p><p>　　按電路圖連接好后，用示

38、波器檢測輸出的波形，通過調動滑動變阻器，是輸出產生要求的波形</p><p><b>　　3.2 分頻電路</b></p><p>　　用示波器分別測試每次分頻后的的波形，觀察是否為預想的波形，再通過四綜示波器觀察波形</p><p>　　3.2 每次分頻后的的波形</p><p>　　通過3次的分頻處理，得到一個1H

39、Z的脈沖。</p><p><b>　　3.3 計數(shù)電路</b></p><p>　　由于仿真的局限性，如果采用1HZ的秒脈沖，出來的效果將需要大量的時間，所以最后改用信號發(fā)生器給定400HZ的信號作為秒脈沖。秒、分計數(shù)器的個位能準確以十進制形式計數(shù)；十位也能準確以六進制的形式計數(shù)。當個位計數(shù)到9后自動向十位計數(shù)。</p><p>　　圖3.3

40、.1 60秒的進位演示1</p><p>　　圖3.3.2 60秒的進位演示2</p><p><b>　　3.4 校時電路</b></p><p>　　當開關斷開時，分計數(shù)電路，小時計數(shù)電路正常計數(shù)，當開關閉合時，校時電路進行校時。只是有時松開按鍵時，校時數(shù)會有點誤變化，經過仔細分析，是由于在松按鍵時產生了抖動。</p>

41、<p>　　3.4。1 分校時演示1</p><p>　　3.4.2 分校時演示2</p><p>　　閉合分鐘調時開關，由于是自動校時，自動校時的頻率和秒同步，所以過1秒，分自動加1分鐘，以此類推。</p><p><b>　　4 結束語</b></p><p>　　雖然我們學習了模電和數(shù)電，對電子技術

42、有了一些初步了解，但那都是一些理論的東西。通過這次數(shù)字電子鐘的課程設計，我們才把學到的東西與實踐相結合。</p><p>　　通過這次實驗，我們也進一步熟悉數(shù)字電路的設計與特點，同時也基本上掌握了用555振蕩器和74LS系列的集成對秒、分、時及其進位的實現(xiàn)。而且讓我們了解了電路設計的基本思路，增強了實踐動手能力，理論結合實際的能力加強。除此以外，我們還深深地認識到嚴謹、認真的科學態(tài)度在科學實驗中發(fā)揮的重要作用。&

43、lt;/p><p>　　數(shù)字鐘是本次課設中原理比較簡單的一個，但是它的組成部分多，電路連接有些復雜，出現(xiàn)問題后分析起來比較困難，所以我們養(yǎng)成了完成一個部分就調試檢驗一個部分，確保正確才進行下一步工作，出現(xiàn)了問題只要在未檢驗的部分查尋就可以很快找出，效果很不錯。在電腦制作文檔的過程中，我也對辦公軟件有了更進一步的了解，使我對辦公軟件有了更深層次的掌握。</p><p>　　此次的數(shù)字電子鐘重在仿

44、真和接線，雖然能把電路圖連接出來，并能正常顯示，但是真正連成實物的話，我們又得考慮線路是否太復雜能否縮減些多余的線路也有助于焊接電路，并且做一個簡單的時鐘用上這么多芯片也是很不經濟的方面，還有待我們學得更加深入，掌握進一步的知識才能做的更好。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 黃永定.電子實驗綜合實訓教程[M].北京：機械工業(yè)出

45、版社，2004</p><p>　　[2] 王慧玲.電子技術實驗——低頻、高頻、數(shù)字、集成.北京：機械工業(yè)出版社，2004</p><p>　　[3] 毛期儉.數(shù)字電路與邏輯設計實驗及應用.人民郵電出版社.2006</p><p>　　[4] 童詩白.模擬電子技術基礎（第三版）.高教出版社.2006</p><p>　　[5] 金維香，謝玉梅

46、.電子測試技術.湖南大學出版社.2008</p><p>　　[6] 康華光.電子技術基礎 數(shù)字部分（第五版）.高等教育出版社，2006</p><p><b>　　附錄</b></p><p><b>　　附錄A 總電路圖</b></p><p>　　附錄B Ultiboard 效果圖</p