多功能數(shù)字鐘課程設計報告

1、<p>　　電子技術(shù)課程設計報告書</p><p><b>　　課題名稱</b></p><p><b>　　姓名</b></p><p><b>　　學號</b></p><p><b>　　院、系、部</b></p><p

2、><b>　　專業(yè)</b></p><p><b>　　指導教師</b></p><p>　　2016年6月12日</p><p><b>　　設計任務及要求：</b></p><p>　　用中小規(guī)模集成芯片設計并制作多功能數(shù)字鐘，具體要求如下：</p>&

3、lt;p>　　準確及時，以數(shù)字形式顯示時（00～23）、分（00～59）、秒（00～59）的時間。</p><p><b>　　2、具有校時功能。</b></p><p><b>　　指導教師簽名：</b></p><p>　　2016年6月 日</p><p><b>　　二、指

4、導教師評語：</b></p><p><b>　　指導教師簽名：</b></p><p>　　2016年6月 日</p><p><b>　　三、成績</b></p><p><b>　　指導教師簽名：</b></p><p>　　2016

5、年6月 日</p><p>　　多功能數(shù)字鐘課程設計報告</p><p><b>　　1 設計目的</b></p><p>　　一、設計原理與技術(shù)方法： </p><p>　　包括：電路工作原理分析與原理圖、元器件選擇與參數(shù)計算、電路調(diào)試方法與結(jié)果說明； </p><p>　

6、　軟件設計說明書與流程圖、軟件源程序代碼、軟件調(diào)試方法與運行結(jié)果說明。 </p><p>　　1、電路工作原理分析與原理圖 </p><p>　　數(shù)字鐘實際上是一個對標準頻率（1Hz）進行計數(shù)的計數(shù)電路。由于標準的1Hz</p><p>　　時間信號必須做到準確穩(wěn)定，所以通常使用輸出頻率穩(wěn)定的石英晶體振蕩器電路構(gòu)成數(shù)字鐘的振源。又由于計數(shù)的起始時

7、間不可能與標準時間（如北京時間）一致，故需要在電路上加一個校時電路。因此一個具有計時、校時、報時、顯示等基本功能的數(shù)字鐘主要由振蕩器、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后，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。由以上分析可得到原理框圖如下圖</p><p>　　圖1  

8、  實驗原理框圖 </p><p>　　2、元器件選擇與參數(shù)計算 </p><p>　?。?）晶體振蕩電路：產(chǎn)生秒脈沖既可以采用555脈沖發(fā)生電路也可以采用晶振脈沖發(fā)生電路。若由集成電路定時器555與RC組成的多諧振蕩器作為時間標準信號源，可使555與RC組成多諧振蕩器，產(chǎn)生頻率 f=1kHz的方波信號，再通過分頻則可得到秒脈沖信號。晶體振

9、蕩器電路則可以給數(shù)字鐘提供一個頻率穩(wěn)定準確的32768Hz的方波信號，可保證數(shù)字鐘的走時準確及穩(wěn)定。 </p><p>　　相比二者的穩(wěn)定性，晶振電路比555電路能夠產(chǎn)生更加穩(wěn)定的脈沖，數(shù)字電路中的時鐘是由振蕩器產(chǎn)生的，振蕩器是數(shù)字鐘的核心。振蕩器的穩(wěn)定度及頻率的精度決定了數(shù)字鐘計時的準確程度，所以最后決定采用晶振脈沖發(fā)生電路。石英晶體振蕩器的特點是振蕩頻率準確、電路結(jié)構(gòu)簡單、頻率易調(diào)整，它是電子鐘的核

10、心，用它產(chǎn)生標準頻率信號，再由分頻器分成秒時間脈沖。</p><p>　　所以秒脈沖晶體振蕩選用32768Hz的晶振，該元件專為數(shù)字鐘電路而設計，其頻率較低，有利于減少分頻器級數(shù)。從有關手冊中，可查得C1、C2均為20pF。當要求頻率準確度和穩(wěn)定度更高時，還可接入校正電容并采取溫度補償措施。由于CMOS電路的輸入阻抗極高，因此反饋電阻R1可選為20MΩ。 </p><p>　?。?/p>

11、2）分頻器電路：分頻器電路將32768Hz的高頻方波信號經(jīng)32768（152）次分頻后得到1Hz的方波信號供秒計數(shù)器進行計數(shù)。分頻器實際上也就是計數(shù)器。該電路可通過CD4060與雙D觸發(fā)器74LS74共同實現(xiàn)。 </p><p>　?。?）時間計數(shù)器電路：時間計數(shù)電路由秒個位和秒十位計數(shù)器、分個位和分十位計數(shù)器及時個位和時十位計數(shù)器電路構(gòu)成，其中秒個位和秒十位計數(shù)器、分個位和分十位計數(shù)器為60進制計數(shù)器

12、，而根據(jù)設計要求，時個位和時十位計數(shù)器為24進制計數(shù)器。計數(shù)器可以使用十進制的74LS160。 </p><p>　　（4）譯碼驅(qū)動電路：譯碼驅(qū)動電路將計數(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。譯碼器可以使用CD4511。 </p><p>　?。?）校時電路：可以通過基本的門器件、電阻與開關實現(xiàn)。由設計的電路圖

13、可選擇與非門74LS00。 </p><p>　?。?）整點報時電路：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。 </p><p>　　3、電路調(diào)試方法與結(jié)果說明 </p><p>　?。?）電路調(diào)試方法 </p><p

14、>　?、贁?shù)碼管的調(diào)試：可以用萬用表的負極接數(shù)碼管的3或8腳，正極依次接數(shù)碼管剩余的管腳所接電阻的另一端，并將萬用表調(diào)至測發(fā)光二極管檔位，從而測試數(shù)碼管的顯示是否正確。 </p><p>　?、凇皶r”“分”“秒”電路的調(diào)試：將“時”“分”“秒”電路連接完成后，可以用函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生的1Hz方波信號分別作為“時”、“分”、“秒”的個位74LS160的計數(shù)脈沖，從而測試“時”是否為24進制，“分”和“

15、秒”是否為60進制。 </p><p>　　③校時電路的調(diào)試：先將電路外接用函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生的2Hz方波信號，再分別通過校時、校分電路開關的斷開、閉合以及開關閉合后電路的工作情況判斷電路的校時、校分功能是否正確。 </p><p>　?、苊朊}沖產(chǎn)生電路的調(diào)試：將電路產(chǎn)生的秒時間脈沖接入示波器，觀察并計算電路是否產(chǎn)生1Hz方波信號。 （2）結(jié)果說明 

16、</p><p>　　①數(shù)碼管的調(diào)試：當正極依次接1、2、4、5、7、9、10管腳時，數(shù)碼管依次是G、F、A、B、C、D、E亮。 </p><p>　?、凇皶r”“分”“秒”電路的調(diào)試：“時”為24進制（從“00”到“23”），“分”和“秒”都為60進制（從“00”到“59”）。 </p><p>　　③校時電路的調(diào)試：開關斷開時電路處于正常工作狀

17、態(tài)，開關閉合時電路處于校時、校分狀態(tài)。 </p><p>　　④秒脈沖產(chǎn)生電路的調(diào)試：電路產(chǎn)生1Hz方波信號。</p><p>　　4、軟件設計說明書與流程圖 </p><p>　　（1）秒脈沖產(chǎn)生電路 </p><p>　　晶體振蕩器是構(gòu)成數(shù)字式時鐘的核心，它保證了時鐘的走時準確及穩(wěn)定。由于晶體具有較高的頻率穩(wěn)

18、定性及準確性，從而保證了輸出頻率的穩(wěn)定和準確。晶體XTAL的頻率選為32768HZ。該元件專為數(shù)字鐘電路而設計，其頻率較低，有利于減少分頻器級數(shù)。從有關手冊中，可查得C1、C2均為20pF。當要求頻率準確度和穩(wěn)定度更高時，還可接入校正電容并采取溫度補償措施。由于CMOS電路的輸入阻抗極高，因此反饋電阻R1可選為22MΩ。較高的反饋電阻有利于提高振蕩頻率的穩(wěn)定性。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

19、器的輸出信號進行分頻。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)。 </p><p>　　本實驗中采用CD4060來構(gòu)成分頻電路。管腳圖見圖2。CD4060在數(shù)字集成電路中可實現(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。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，再經(jīng)過74LS74即可獲得1Hz的方波信號。原理電路圖如

20、圖3所示，圖4為仿真電路圖。</p><p>　　圖2   D4060管腳圖</p><p>　　圖3   CD4060秒脈沖振蕩發(fā)生器 </p><p>　　圖 4   產(chǎn)生1Hz時間脈沖的電路圖</p><p>　?。?）時間計數(shù)

21、器電路 ①“秒”“分”電路 </p><p>　　根據(jù)題目要求，“秒”和“分”都是60進制的，而且是從“00”到“59”，可以使用十進制的74LS160來實現(xiàn)這個功能。首先將兩片74LS160通過串行進位方式接成百進制計數(shù)器，即分別將“秒”和“分”個位的進位輸出信號經(jīng)非門作為“秒”和“分”十位的計數(shù)輸入脈沖。當計數(shù)器從全0狀態(tài)開始計數(shù)，計入59個脈沖時，經(jīng)與非門譯碼產(chǎn)生低電平信號立刻將兩片74

22、LS160同時置零，于是便得到了60進制的計數(shù)器。74160的邏輯功能示意圖、引腳圖及功能表如下所示。</p><p>　　圖5   a ) 74160邏輯功能示意圖    b ) 74160引腳圖</p><p>　　圖6   

23、;  74160邏輯功能表</p><p><b>　?、凇皶r”電路 </b></p><p>　　根據(jù)題目要求，“時”是24進制的，而且是從“00”到“23”，可以使用十進制的74LS160來實現(xiàn)這個功能。首先將兩片74LS160通過串行進位方式接成百進制計數(shù)器，當計數(shù)器從全0狀態(tài)開始計數(shù)，計入23個脈沖時，經(jīng)與非門譯碼產(chǎn)生低電平信號立

24、刻將兩片74LS160同時置零，于是便得到了24進制的計數(shù)器。 （3）譯碼驅(qū)動電路 </p><p>　　計數(shù)器實現(xiàn)了對時間的累計以8421BCD碼形式輸出，選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，選用CD4511作為顯示譯碼電路，選用LED數(shù)碼管作為顯示單元電路。由于CD4511是輸出高電平有效，所以選用七段共陰極LED數(shù)碼管。若將“秒”、“分”、“

25、時”計數(shù)器的每位輸出分別接到相應七段譯碼器的輸入端，便可進行不同數(shù)字的顯示?！懊搿庇脭?shù)碼管顯示如圖7所示。</p><p>　　圖7   “秒”的譯碼及驅(qū)動顯示電路圖 </p><p><b>　?。?）校時電路 </b></p><p>　　數(shù)字種啟動后,每當數(shù)字鐘顯示與實際時間不符合,需要根

26、據(jù)標準時間進行校時。通常，校正時間的方法是：首先截斷正常的計數(shù)通路，然后再進行人工觸發(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。?！懊搿睍r，采用等待校時。?！胺帧?、“時”的原理比較簡單，采用加速校時。 </p><p>　　對校時電路的要求是 : </p><p>　　1．在小時校正時不影響分和秒的正常計數(shù)&#

27、160;。 2．在分校正時不影響秒和小時的正常計數(shù) 。 </p><p>　　當開關斷開時，因為校正信號和0相與的輸出為0，而開關的另一端接高電平，正常輸入信號可以順利通過與或門，故校時電路處于正常計時狀態(tài)；當開關閉合時，情況正好與上述相反，這時校時電路處于校時狀態(tài)。與非門可選74LS00，非門則可用與非門2個輸入端并接來代替從而節(jié)省芯片。校時電路圖見圖8。</p>&

28、lt;p><b>　　8  校時電路圖</b></p><p>　　（5）整點報時電路 </p><p>　　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。當時間在59分50秒到59分59秒期間時，分十位、分個位和秒十位均保持不變，分別為5、9和5，

29、因此可將分計數(shù)器十位的QC和QＡ 、個位的QＤ和QＡ及秒計數(shù)器十位的QＣ 和QＡ相與。電路在整點前6秒鐘內(nèi)開始整點報時，即當時間在59分54秒到59分59秒期間時，報時電路產(chǎn)生報時控制信號，控制小喇叭產(chǎn)生低音；當時間為00分00秒時，報時電路產(chǎn)生報時控制信號，控制小喇叭產(chǎn)生高音。 </p><p>　　5、軟件調(diào)試方法與運行結(jié)果說明 </p><p>

30、;　　（1）軟件調(diào)試方法 </p><p>　　由于仿真時晶振不能正常工作，所以通過外接1KHz方波信號來調(diào)試電路。 </p><p>　　“時”“分”“秒”電路的調(diào)試：“時”為24進制（從“00”到“23”），“分”和“秒”都為60進制（從“00”到“59”）。校時電路的調(diào)試：可以通過校時、校分電路的開關來校對時間，并判斷電路的“時”“分”“秒”的進制是否正確。開關斷

31、開時電路處于正常工作狀態(tài)，開關閉合時電路處于校時、校分狀態(tài)。</p><p>　　（2）運行結(jié)果說明 </p><p>　　數(shù)碼管的各部分可以正確顯示，電路的“時”為24進制（從“00”到“23”），“分”和“秒”都為60進制（從“00”到“59”）。開關斷開時電路處于正常工作狀態(tài)，開關閉合時電路處于校時、校分狀態(tài)，通過控制開關及輸入信號可以達到校時功能。</p>

32、<p><b>　　設計體會與建議</b></p><p><b>　　1.設計體會 </b></p><p>　　我覺得此次的數(shù)字鐘設計實驗，電路原理相對來比較簡單，但電路圖比較復雜，所用芯片比較多，相應的連線也多，這就給焊接電路增加了較大的難度。不過通過此次實驗，使我更進一步地熟悉了芯片的結(jié)構(gòu)，掌握了實驗中所用各芯片的工作

33、原理和其具體的使用方法，同時還接觸到了一些新認識的芯片，增長了見識。 </p><p>　　這次課程設計是一次難得的鍛煉機會，讓我們能夠充分運用所學過的理論知識和自己動手實際操作的能力，另外還讓我們學習查找資料的方法，以及自己設計電路、焊接電路、分析解決電路存在的問題的能力。這對于我來說是很好的提高，填補了平日理論學習后實踐方面的空白。</p><p><b>　　參考

34、文獻</b></p><p>　　[1] 閻石. 數(shù)字電子技術(shù)基礎[M]. 北京：高等教育出版社，2001年</p><p>　　[2] 楊素行. 模擬電子技術(shù)基礎簡明教程[M]. 北京：高等教育出版社，2005年</p><p>　　[3]康華光. 電子技術(shù)基礎[M]. 北京：高等教育出版社，1999年</p><p>　　[4