數(shù)電課程設計——數(shù)字電子時鐘的實現(xiàn)

1、<p>　　課 程 設 計 報 告</p><p>　　設計題目：數(shù)字電子時鐘的設計與實現(xiàn)</p><p><b>　　班 級：</b></p><p><b>　　學 號：</b></p><p><b>　　姓 名： </b></p>

2、<p><b>　　指導教師：</b></p><p>　　設計時間：2016年12月</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　鐘表的數(shù)字化給人們生產(chǎn)生活帶來了極大的方便，大大的擴展了原先鐘表的報時。諸如，定時報警、按時自動打鈴、時間程序自動控制等，這些，都是以鐘表數(shù)字化為基礎的。功

3、能數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路實現(xiàn)時、分、秒、計時的裝置，與機械時鐘相比具有更高的準確性和直觀性，且無機械裝置，具有更長的使用壽命，因此得到了廣泛的使用。從原理上講，數(shù)字鐘是一種典型的數(shù)字電路，其中包括了組合邏輯電路和時序電路。</p><p>　　因此，此次設計與制作數(shù)字鐘就是為了了解數(shù)字鐘的原理，從而學會制作數(shù)字鐘，而且通過數(shù)字鐘的制作進一步的了解各種在制作中用到的中小規(guī)模集成電路的作用及使用方法。通過此次課程設計

4、可以進一步學習與各種組合邏輯電路與時序電路的原理與使用方法。通過仿真過程也進一步學會了Multisim 7的使用方法與注意事項。</p><p>　　本次所要設計的數(shù)字電子表可以滿足使用者的一些特殊要求，輸出方式靈活，如可以隨意設置時、分、秒的輸出，定點報時。由于集成電路技術的發(fā)展，，使數(shù)字電子鐘具有體積小、耗電省、計時準確、性能穩(wěn)定、維護方便等優(yōu)點。</p><p>　　關鍵詞：數(shù)字鐘，

5、組合邏輯電路，時序電路，集成電路</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　摘要 ·····················

6、83;······························1</p><p>　　第1章 概述 

7、3;····································&#

8、183;······3</p><p>　　第2章 課程設計任務及要求 ·······················

9、83;·······4</p><p>　　2.1設計任務························

10、····················4</p><p>　　2.2設計要求···········

11、83;································4</p><p>　　第

12、3章 系統(tǒng)設計 ···································&#

13、183;······6</p><p>　　3.1方案論證·························

14、;···················6</p><p>　　3.2系統(tǒng)設計············&#

15、183;·······························6</p><p>　　3.2.1

16、結(jié)構(gòu)框圖及說明·································6</p>&l

17、t;p>　　3.2.2 系統(tǒng)原理圖及工作原理···························7</p><p>　　3.3單元電路設計

18、····································

19、3;···8</p><p>　　3.3.1 單元電路工作原理···························

20、····8</p><p>　　3.3.2 元件參數(shù)選擇··························

21、3;········14</p><p>　　第4章 軟件仿真 ······················

22、83;··················15</p><p>　　4.1仿真電路圖············

23、3;·····························15</p><p>　　4.2仿真過程··

24、····································

25、3;·····16</p><p>　　4.3仿真結(jié)果··························

26、··················16</p><p>　　第5章 安裝調(diào)試 ·············

27、·····························17</p><p>　　5.1安裝調(diào)試過程··

28、····································

29、3;·17</p><p>　　5.2故障分析······························

30、··············17</p><p>　　第6章 結(jié)論·················

31、83;·····························18</p><p>　　第7章 使用儀器設備清單 ·

32、;·································19</p><p&g

33、t;　　參考文獻 ···································&

34、#183;·············19</p><p>　　收獲、體會和建議 ·················&

35、#183;·······················20</p><p><b>　　概述</b></p><p>　　數(shù)字集成電路的出

36、現(xiàn)和飛速發(fā)展，以及石英晶體振蕩器的廣泛應用，使得數(shù)字鐘的精度穩(wěn)定度遠遠超過了老式的機械表，用數(shù)字電路實現(xiàn)對“時”、“分”、“秒”數(shù)字顯示的數(shù)字鐘在數(shù)字顯示方面，目前已有集成的計數(shù)、譯碼電路，它可以直接驅(qū)動數(shù)碼顯示器件，也可以直接采用才COMS--LED光電組合器件，構(gòu)成模塊式石英晶體數(shù)字鐘。本設計主要是用中、小規(guī)模集成電路設計的一臺能顯示時、分、秒的數(shù)字電子鐘。</p><p>　　數(shù)字電子產(chǎn)品的發(fā)展不僅是人類文

37、明進步的標志，同時也是科技創(chuàng)新的必然要求。對推動社會的進步起著不可磨滅的作用，而電子時鐘作為一種普遍的電子產(chǎn)品，更是人們生活所不可缺少的。任何精密的儀器都必須依賴時間的計量才會擁有其存在的價值。由此可知，對于電子產(chǎn)品的研究與設計就變得是那樣的必不可少，這是創(chuàng)新精神的要求，也是時代賦予我們的一份責任。</p><p>　　因此，此次設計與制作數(shù)字鐘就是為了了解數(shù)字鐘的原理，從而學會制作數(shù)字鐘，而且通過數(shù)字鐘的制作進

38、一步的了解各種在制作中用到的中小規(guī)模集成電路的作用及使用方法。數(shù)字電子鐘是一個將“ 時”，“分”，“秒”顯示于人的視覺器官的計時裝置。它的計時周期為24小時，顯示滿刻度為23時59分59秒。</p><p>　　通過此次課程設計可以進一步學習與各種組合邏輯電路與時序電路的原理與使用方法。通過仿真過程也進一步學會了Multisim 7的使用方法與注意事項。數(shù)字電子鐘是一個將“ 時”，“分”，“秒”顯示于人的視覺器官

39、的計時裝置。它的計時周期為24小時，顯示滿刻度為23時59分59秒。</p><p>　　第2章 課程設計任務及要求</p><p><b>　　2.1設計任務</b></p><p>　　設計一個數(shù)字鐘，具有時、分、秒計數(shù)顯示功能，以24小時循環(huán)計時，并用數(shù)碼管顯示從0時0分0秒到23時59分59秒。</p><p>

40、;　　進一步掌握數(shù)字電子技術課程所學的理論知識，并熟練加以應用。在以前所學的知識的基礎上提高分析問題，解決問題的能力。</p><p>　　熟悉幾種常見的數(shù)字電子器件，計數(shù)器、七段字形譯碼器等。掌握其工作原理和使用方法，并能熟練的將其組合連接，使其構(gòu)成簡單的24小時數(shù)字電子時鐘。</p><p>　　基于multisim7對電路進行仿真。</p><p><b

41、>　　主要功能：</b></p><p>　　1.能顯示時、分、秒，且24小時制；</p><p>　　2.具有開機清零功能；</p><p>　　3.具有校時功能，可以分別對時、分進行單獨校時，使其校正到標準時間；4.計時過程具有整點報時功能； </p><p>　　5.設計所需的脈沖電路；</p><

42、p>　　6.用二進制集成計數(shù)器設計一個分、秒鐘計數(shù)器，即六十進制計數(shù)器；</p><p>　　7.用二進制集成計數(shù)器設計一個24小時計數(shù)器；</p><p>　　8.譯碼顯示電路顯示時間；</p><p>　　9.設計一個秒鐘發(fā)生器，輸入1Hz的時鐘</p><p>　　10.鬧鐘功能：可按設定的時間報時。</p><

43、;p><b>　　2.2設計要求</b></p><p>　　完成原理圖設計、模擬仿真，按要求完成設計報告。</p><p><b>　　1.理論設計部分</b></p><p>　?、弄毩⑼瓿上到y(tǒng)的原理設計。說明系統(tǒng)實現(xiàn)的功能，應達到技術指標，進行方案論證，確定設計方案。</p><p>　

44、?、飘嫵鲭娐穲D，說明各部分電路的工作原理，初步選定所使用的各種器件的主要參數(shù)及型號，列出元器件明細表。</p><p>　?、窍到y(tǒng)中包含的中、小規(guī)模集成電路的種類至少在六種以上。</p><p><b>　　2.模擬仿真</b></p><p>　?、鸥鶕?jù)理論設計用multisim 7在計算機上進行仿真。驗證所設計方案的正</p>

45、<p><b>　　確性。</b></p><p>　　⑵分析電路的工作原理，寫出仿真報告。</p><p><b>　　3.安裝調(diào)試部分</b></p><p>　?、艑崿F(xiàn)數(shù)字鐘，并進行單元測試和系統(tǒng)調(diào)試。完成系統(tǒng)功能。</p><p>　?、迫粝到y(tǒng)出現(xiàn)故障，排除系統(tǒng)故障，分析并記錄系

46、統(tǒng)產(chǎn)生故障的原因，并</p><p>　　將此部分內(nèi)容寫進報告中。</p><p>　　4.寫出課程設計總結(jié)報告</p><p><b>　　第3章 系統(tǒng)設計</b></p><p><b>　　3.1方案論證</b></p><p>　　由于集成電路技術的發(fā)展，使數(shù)字電子鐘

47、具有體積小、耗電省、計時準確、性能穩(wěn)定、維護方便等優(yōu)點。</p><p>　　此次設計的數(shù)字時鐘電子電路分為以下6個部分：</p><p>　?。?）振蕩電路（2）時間計數(shù)電路（3）顯示電路（4）校時電路（5）整點報時電路（6）鬧鐘功能電路。</p><p>　　時間計數(shù)電路是一個由計數(shù)器組成的時序邏輯電路。用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器作為秒脈沖信號源，控制秒個位

48、的信號輸入。將計數(shù)器與顯示器相連接，可以將輸入的二進制數(shù)翻譯成可以直讀的十進制數(shù)字并顯示出來，顯示管與計數(shù)器之間由譯碼器相接，作為譯碼驅(qū)動。電路中添加校時電路，以保證可以隨時對時間進行校正。整點自動報時電路，可以使時鐘在臨近整點的時刻鳴叫提醒，并有指示燈閃爍。鬧鐘電路可以實現(xiàn)時鐘在設定時刻鳴叫報時，并有指示燈閃爍。 </p><p><b>　　3.2系統(tǒng)設計</b></p>

49、<p>　　3.2.1結(jié)構(gòu)框圖及說明</p><p><b>　　1Hz</b></p><p>　　圖1 整體結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　3.2.2系統(tǒng)原理圖及工作原理</p><p>　　圖2 整體電路設計圖</p><p><b>　　工作原理：</b>&

50、lt;/p><p>　　1.首先，由555定時器組成一個多諧振蕩器得到1HZ的秒脈沖，秒脈沖發(fā)生器的輸出端接到每個計數(shù)器的時鐘輸入端。</p><p>　　2.數(shù)字鐘的分、秒計數(shù)部分均為六十進制計數(shù)器（顯示00～59），采用兩片74LS160來實現(xiàn)。個位為十進制，十位為六進制，當個位計數(shù)到9時，再來一個脈沖變成0，同時產(chǎn)生一個進位信號，給十位提供一個脈沖，使十位計數(shù)加1。而數(shù)字鐘的時計數(shù)部分為

51、二十四進制計數(shù)器（顯示00～23），也是采用兩片74LS160實現(xiàn)。當開始計數(shù)時，個位按十進制計數(shù)，當計到23時，這時再來一個脈沖，回到“零”。所以，這里必須使個位既能完成十進制計數(shù)，又能在高低位滿足“23”這一數(shù)字后，十計數(shù)器清0，圖中采用了十位的2和個位的3相“與非”后再清0。當秒計數(shù)器計到59時，再來一個脈沖變成00，同時產(chǎn)生一個進位信號給分計數(shù)器的CP輸入端；當分計數(shù)器計到59時，再來一個脈沖變成00，同時產(chǎn)生一個進位信號給時計

52、數(shù)器的CP輸入端；當時計數(shù)器計到23時，再來一個脈沖變成00。</p><p>　　3.數(shù)字鐘的校正部分主要是通過開關實現(xiàn)的。當需要進行校正時，將開關J1打開，J2打到+5V時為分校正,J4打到+5V,J4打到上面時為時校正。</p><p>　　4.當計數(shù)器在每次計到整點時，需要提前十秒報時，這可采用譯碼電路來解決，即當分為59時，且秒計數(shù)到50時，輸出一高電平，經(jīng)過一系列門電路驅(qū)動燈泡

53、發(fā)光，完成整點報時。</p><p>　　5.數(shù)字鐘采用4片74LS85和4個撥碼開關構(gòu)成鬧鐘電路。將時鐘電路顯示十進制數(shù)對應的二進制數(shù)A與撥碼開關所設置的鬧鐘時刻B做比較。從時十位到分個位，逐級比較，若均分別相等，從最低位（分個位）對應的比較器74LS85（U27）的OAEQB輸出高電平，完成鬧鐘功能。</p><p>　　3.3 單元電路設計</p><p>

54、　　3.3.1單元電路工作原理</p><p><b>　?。ㄒ唬┱袷庪娐?lt;/b></p><p>　　多諧振蕩器是一種能產(chǎn)生矩形波的自激振蕩器，也稱矩形波發(fā)生器。“多諧”指矩形波中除了基波成分外，還含有豐富的高次諧波成分。多諧振蕩器沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)。在工作時，電路的狀態(tài)在這兩個暫穩(wěn)態(tài)之間自動地交替變換，由此產(chǎn)生矩形波脈沖信號，常用作脈沖信號源及時序電路中的時

55、鐘信號。</p><p>　　圖3 555定時器組成多諧振蕩器</p><p>　　通過仿真，示波器輸出以下波形：</p><p>　　圖4 多諧振蕩器輸出矩形波</p><p>　　由各元件參數(shù)可知，其輸出頻率為1Hz，可以作為電子時鐘電路的秒脈沖信號。</p><p><b>　　（二）時間計數(shù)電路<

56、;/b></p><p>　　1、十進制計數(shù)器74LS160</p><p>　　表1 74LS160計數(shù)器功能表</p><p>　　圖5 74LS160十進制計數(shù)器</p><p>　　2、六十進制計數(shù)器和二十四進制計數(shù)器的連接</p><p>　　電子時鐘的“分”和“秒”由六十進制計數(shù)器實現(xiàn)，“時”由二十四

57、進制計數(shù)器實現(xiàn)。因此，就需要用74160接成兩個六十進制和一個二十四進制計數(shù)器。多片計數(shù)器組合，各級之間的連接方式分串行進位方式、并行進位方式。本次設計采用串行進位的方式。</p><p>　　六十進制計數(shù)器，由兩塊中規(guī)模集成十進制計數(shù)器74LS160，一塊組成十進制，另一塊組成六進制。組合起來就構(gòu)成六十進制計數(shù)器， </p><p>　　二十四進制時計數(shù)器，它由兩塊中規(guī)模集成十進制計數(shù)器

58、74LS160，一塊組成四進制，另一塊組成二進制。組合起來就構(gòu)成二十四進制計數(shù)器，同理，各片均采用置零法。</p><p>　　圖6 六十進制計數(shù)器</p><p>　　圖7 二十四進制計數(shù)器</p><p><b>　　3、整體連接</b></p><p>　　將兩片六十進制計數(shù)器和一片二十四進制計數(shù)器串聯(lián)，便得到完整

59、的電子時鐘計時電路。</p><p>　　圖8 數(shù)字鐘時間計數(shù)電路</p><p><b>　?。ㄈ╋@示電路</b></p><p>　　七段共陰極LED數(shù)碼管：</p><p>　　表2七段顯示譯碼器74LS48的功能表</p><p>　　七段共陰極LED數(shù)碼管的功能：</p>

60、<p>　　1.正常譯碼顯示。=1， =1時，對輸入為十進制數(shù)l～15的二進制碼（0001～1111）進行譯碼，產(chǎn)生對應的七段顯示碼。</p><p>　　2.滅零。當=1，而輸入為0的二進制碼0000時，只有當=1時，才產(chǎn)生0的七段顯示碼,如果此時輸入=0 ，則譯碼器的a～g輸出全0，使顯示器全滅，所以稱為滅零輸入端。</p><p>　　3.試燈。當=0時，無論輸入怎樣，a

61、～g輸出全1，數(shù)碼管七段全亮。由此可以檢測顯示器七個發(fā)光段的好壞。 稱為試燈輸入端。</p><p>　　4.特殊控制端?？梢宰鳛檩斎攵耍部梢宰鳛檩敵龆?。</p><p>　　圖9 七段LED數(shù)碼管</p><p><b>　　（四）校時電路</b></p><p>　　數(shù)字鐘應具有分校正和時校正功能，因此，應截斷分十

62、位和時十位的直接計數(shù)通路，并采用正常計時信號與校正信號可以隨時切換的電路接入其中。</p><p>　　本設計的校時電路的關鍵，是通過開關，控制電路中“秒”到“分”、“分”到“時”的進位輸入端的高低電平的變化，從而實現(xiàn)手動調(diào)節(jié)“分”和“時”。</p><p><b>　　下面以分校時為例：</b></p><p><b>　　圖10

63、分校時電路</b></p><p><b>　?。ㄎ澹┱c報時電路</b></p><p>　　電路應在整點前10秒開始報時，即在59分50秒到59分59秒期間時，報時電路控制信號。</p><p>　　當時間59分50秒到59分59秒期間時，分十位、分個位和秒十位保持不變，分別為5、9和5，因此可將計數(shù)器十位的Qc和Qa，個位的Q

64、d和Qa及秒計數(shù)器十位的Qc和Qa相與，從而產(chǎn)生報時控制信號。</p><p>　　圖11 整點報時電路</p><p><b>　?。[鐘功能電路</b></p><p>　　1、4位數(shù)值比較器74LS85</p><p>　　圖12 4位數(shù)值比較器74LS85</p><p><b&

65、gt;　　2、鬧鐘電路</b></p><p>　　鬧鐘電路要完成對所設置鬧鐘時刻與時鐘顯示時刻的比較。比較的數(shù)值包括時十位、是個位、分十位、分個位，并按從高到低的順序逐級比較。因此，本次設計采用4片74LS85和4個撥碼開關構(gòu)成鬧鐘電路。</p><p>　　圖13 鬧鐘功能電路</p><p>　　3.3.2元件參數(shù)選擇</p><

66、;p>　　4V，0.5W燈泡（2個）</p><p><b>　　5V直流電源</b></p><p>　　電阻：100K(1個) 40K（1個） 1K（2個）</p><p>　　電容：0.1uf（1個） 0.01uf（1個）</p><p><b>　　第4章 軟件仿真</b><

67、/p><p><b>　　4.1 仿真電路圖</b></p><p>　　圖14 數(shù)字電子鐘的仿真電路圖</p><p><b>　　4.2 仿真過程</b></p><p>　　1、按照實驗的設計圖在multisim7的工作臺上連接仿真電路。</p><p>　　2、檢查設計思

68、路以及電路，按照設計框圖原理，查看仿真電路與原理圖是否吻合。不吻合則需要進行修改，反之就可以進行下一步。</p><p>　　3、單擊運行按鈕運行仿真。</p><p>　　4、根據(jù)仿真情況與課程設計任務對比，對于不能實現(xiàn)的任務修改并調(diào)試程序，重新裝載并重新運行調(diào)試仿真，直到實現(xiàn)能完全實現(xiàn)所要求的功能為止。</p><p>　　5、進一步改進和簡化程序再進行調(diào)試仿真

69、。</p><p><b>　　4.3 仿真結(jié)果</b></p><p>　　圖15 時鐘正確顯示00:00:59</p><p>　　圖16 時鐘正確顯示00:59:59</p><p>　　圖17 時鐘正確顯示23:59:59</p><p>　　經(jīng)觀察檢測，仿真結(jié)果符合預定要求。</p

70、><p><b>　　第5章 安裝調(diào)試</b></p><p><b>　　5.1安裝調(diào)試過程</b></p><p>　　可以先將系統(tǒng)劃分為多諧振蕩器、計數(shù)器、校準電路、譯碼顯示等部分。單元電路安裝好后，應該先認真進行通電前的檢查，通電后，檢查每片集成電路的工作電壓是否正常（TTL型集成電路電源電壓為5±0.25V

71、），這是電路有效工作的基本保證。調(diào)試該單元電路直至正常工作。調(diào)試可分為靜態(tài)調(diào)試和動態(tài)調(diào)試兩種，一般組合電路應靜態(tài)調(diào)試，時序電路應動態(tài)調(diào)試。       統(tǒng)調(diào)主電路的方法是將已調(diào)試好的若干單元電路連接起來，然后跟蹤信號流向，由輸入到輸出，由簡單到復雜，依次測試，直至正常工作。因此時控制電路尚未安裝，需人為地給受控電路加以特定信號使其正常工作。   

72、;    調(diào)試控制電路分為兩步：第一步單獨調(diào)試控制電路本身，施加于控制電路的各個信號可以人為設定為某種狀態(tài)，直至正常工作。第二步將控制電路與系統(tǒng)主電路中各個功能部件聯(lián)接起來，進行電路統(tǒng)調(diào)。</p><p><b>　　5.2 故障分析</b></p><p>　　由于連線較多較復雜，常出現(xiàn)連線錯誤、刪除多余線導致斷點等問題，需要反復檢查才

73、能發(fā)現(xiàn)，給電路正常運行造成一定困擾。</p><p><b>　　第6章 結(jié)論</b></p><p>　　設計了一個數(shù)字鐘，具有時、分、秒計數(shù)顯示功能，以24小時循環(huán)計時，并用數(shù)碼管顯示從0時0分0秒到23時59分59秒。進一步掌握了數(shù)字電子技術課程所學的理論知識，并能熟練加以應用。在以前所學的知識的基礎上提高了分析問題，解決問題的能力。</p>&l

74、t;p>　　熟悉了幾種常見的數(shù)字電子器件，計數(shù)器、七段字形譯碼器等。掌握了其工作原理和使用方法，并能熟練的將其組合連接，使其構(gòu)成簡單的24小時數(shù)字電子時鐘。并能夠基于multisim7對電路進行仿真。</p><p>　　電路完成了預期主要功能：</p><p>　　1.能顯示時、分、秒，且24小時制；</p><p>　　2.具有開機清零功能；</p&

75、gt;<p>　　3.具有校時功能，可以分別對時、分進行單獨校時，使其校正到標準時間；4.計時過程具有整點報時功能； </p><p>　　5.設計所需的脈沖電路；</p><p>　　6.用二進制集成計數(shù)器設計一個分、秒鐘計數(shù)器，即六十進制計數(shù)器；</p><p>　　7.用二進制集成計數(shù)器設計一個24小時計數(shù)器；</p><p&

76、gt;　　8.譯碼顯示電路顯示時間；</p><p>　　9.設計一個秒鐘發(fā)生器，輸入1Hz的時鐘</p><p>　　10.鬧鐘功能：可按設定的時間報時。</p><p>　　第7章 使用儀器設備清單</p><p><b>　　參考文獻 </b></p><p>　　李景宏，馬學文.《電子技

77、術實驗教程》.沈陽：東北大學出版社.2000</p><p>　　王永軍，李景華編著.《數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)》.北京：電子工業(yè)出版社，2002</p><p>　　閻石編著.《數(shù)字電子技術基礎》.北京：高等教育出版社，2006</p><p><b>　　收獲、體會和建議</b></p><p>　　過這次對數(shù)字鐘的設計與

78、制作，讓我了解了設計電路的程序，也讓我了解了關于數(shù)字鐘的原理與設計理念，要設計一個電路總要先用仿真仿真成功之后才實際接線的。但是最后的成品卻不一定與仿真時完全一樣，因為，再實際接線中有著各種各樣的條件制約著。而且，在仿真中無法成功的電路接法，在實際中因為芯片本身的特性而能夠成功。所以，在設計時應考慮兩者的差異，從中找出最適合的設計方法。</p><p>　　同時，在此次的數(shù)字鐘設計過程中，更進一步地熟悉了芯片的結(jié)

79、構(gòu)及掌握了各芯片的工作原理和其具體的使用方法，也鍛煉了自己獨立思考問題的能力和通過查看相關資料來解決問題的習慣。此外，也深刻地體會到設計一個電路前先進行仿真的重要性，更深有體會，通過仿真可以對自己設計得電路進行逐級排查和調(diào)試，找出電路中問題的所在，及時糾正自己的錯誤。</p><p>　　通過這次學習，讓我對各種電路都有了大概的了解，所以說，坐而言不如立而行，對于這些電路還是應該自己動手實際操作才會有深刻理解。本