數(shù)電課程設計--數(shù)字鐘的設計

1、<p><b>　　課程設計報告書</b></p><p>　　課程名稱： 數(shù)電技術課程設計 </p><p>　　題 目： 數(shù)字鐘的設計 </p><p>　　系 （院）： 電子工程學院 </p><p>　　學 期：

2、</p><p>　　專業(yè)班級： </p><p>　　姓 名： </p><p>　　學 號： </p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　現(xiàn)在我國的電子業(yè)發(fā)展非?？焖伲娮訕I(yè)的發(fā)展有利于鐘表業(yè)的發(fā)

3、展。在中國鐘表發(fā)展史上，國產(chǎn)機芯研制的失敗已經(jīng)成為過去，“組裝業(yè)”作為新興鐘表工業(yè)的起步階段也已成為過去。一支新的充滿智慧的鐘表精英在成長。</p><p>　　我們相信在科技高速發(fā)展的今天，鐘表業(yè)運用當今材料工業(yè)、電子工業(yè)和其他領域的最新技術，一定會生產(chǎn)出代表中國科學水平的產(chǎn)品。我們希望鐘表業(yè)的精英們在提高制造技術水平中不斷創(chuàng)新，培育出擁有自主知識產(chǎn)權的品牌。這正是中國鐘表業(yè)發(fā)展的希望。</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(chǎn)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><b>　　2 設計目的</b></p><p>　　1、鞏固加深對數(shù)字電子技術基礎知識的理解，提高綜合運用所學知識的能力，熟悉集成電路的使用方法。</p><p>　　2、通過查找資料、選方案、設計電路、仿真或調試、寫報告等環(huán)節(jié)的訓練，培養(yǎng)學生獨立分析問題、解決問題能力

6、。</p><p>　　3、了解電子線路設計的工程、工藝技術規(guī)范，學會書寫設計說明書。 </p><p>　　4、了解與掌握常用電子儀器的使用方法，及簡單的制版、焊接、組裝、調試工藝過程。</p><p>　　5、培養(yǎng)學生嚴肅、認真的科學態(tài)度和工作作風。</p><p>　　6、掌握數(shù)字鐘的設計、組裝與調試方法。</p><

7、;p>　　3 設計內容及要求</p><p>　　1、設計一個具有“時”、“分”、“秒”顯示的電子鐘（23小時59分59秒）。應具有校時功能。</p><p>　　2、用中小規(guī)模集成電路組成電子鐘，并在實驗箱上進行組裝、調試。</p><p>　　3、畫出框圖和邏輯電路圖，寫出設計、實驗總結報告。</p><p><b>　

8、　4 系統(tǒng)框圖</b></p><p>　　振蕩器產(chǎn)生的信號經(jīng)過分頻器作為產(chǎn)生秒脈沖，秒脈沖送入計數(shù)器，計數(shù)結果經(jīng)過“時”、“分”、“秒”，譯碼器，顯示器顯示時間。其中振蕩器和分頻器組成標準秒脈沖信號發(fā)生器，由不同進制的計數(shù)器，譯碼器和顯示電路組成計時系統(tǒng)。秒信號送入計數(shù)器進行計數(shù)，把累計的結果以“時”，“分”、“秒”的數(shù)字顯示出來。“時”顯示由二十四進制計數(shù)器，譯碼器，顯示器構成；“分”、“秒”顯

9、示分別由六十進制的計數(shù)器，譯碼器，顯示器構成；校時電路實現(xiàn)對時，分的校準。</p><p>　　數(shù)字時鐘基本原理的邏輯框圖如下所示：</p><p>　　圖1 數(shù)字時鐘基本原理的邏輯框圖</p><p>　　5 單元電路設計、參數(shù)計算和器件選擇</p><p>　　由圖1的數(shù)字時鐘基本原理的邏輯框圖知其由振蕩器、分頻器、計數(shù)器、譯碼器、顯

10、示器、校正電路組成。</p><p><b>　　5.1 振蕩器</b></p><p>　　4MHz的石英晶體構成振蕩器。74LS160構成分頻器，對石英晶體振蕩器分頻。74LS160分別組成六十進制的秒計數(shù)器、六十進制分計數(shù)器、二十四進制時計數(shù)器。用74LS00及74LS04芯片構成時間校準電路。使用由4MHz的石英晶體振蕩器和由74LS160構成的分頻器構成的

11、產(chǎn)生震蕩周期為一秒的標準秒脈沖，把振蕩周期為一秒的標準秒脈沖輸入秒計數(shù)中，把秒計數(shù)器地進位輸出作為分計數(shù)器的CP脈沖，分計數(shù)器的進位輸出作為時計數(shù)器的CP脈沖。</p><p>　　由于4MHz石英晶體振蕩器產(chǎn)生的頻率為4MHz，造成分頻電路復雜，整個電路分頻較困難，信號發(fā)生電路比較復雜。而555定時器構成的多諧振蕩器的震蕩頻率輸出信號頻率為100Hz，分頻電路比較容易實現(xiàn)。整體信號發(fā)生電路簡單。</p&g

12、t;<p>　　555定時器（又稱時基電路）是一個模擬與數(shù)字混合型的集成電路。555定時器是一種應用極為廣泛的中規(guī)模集成電路。該電路使用靈活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以構成單穩(wěn)、多諧和施密特觸發(fā)器。因而廣泛用于信號的產(chǎn)生、變換、控制與檢測。 目前生產(chǎn)的定時器有雙極型和CMOS兩種類型，其型號分別有NE555(或5G555)和C7555等多種。它們的結構及工作原理基本相同。通常，雙極型定時器具有較大的驅動能力

13、，而CMOS定時器具有低功耗、輸入阻抗高等優(yōu)點。555定時器工作的電源電壓很寬，并可承受較大的負載電流。雙極型定時器電源電壓范圍為5～16V，最大負載電流可達200mA；CMOS定時器電源電壓范圍為3～18V，最大負載電流在4mA以下。</p><p>　　采用集成電路555定時器與RC組成多諧振蕩器，如圖2所示。</p><p>　　圖2 集成電路555定時器與RC組成多諧振蕩器<

14、;/p><p>　　圖3 555多諧振蕩器仿真結果</p><p>　　555定時器組成多諧振蕩器，多諧振蕩器產(chǎn)生OUT的信號頻率。電阻、電容參數(shù)值計算如下：</p><p>　　C2為電路的濾波電容，提高電路的穩(wěn)定性，一般選取0.01F.</p><p>　　因為信號發(fā)生電路頻率為1Hz，所以其3腳輸出的信號周期為0.01s .555定時器組

15、成的多諧振蕩器頻率計算公式：</p><p>　　選取以上的電阻、電容，多諧振蕩器產(chǎn)生100Hz信號。</p><p>　　表1 555定時器的功能表</p><p><b>　　5.2 分頻器</b></p><p>　　分頻器的功能主要有兩個：一個是產(chǎn)生標準秒脈沖信號；二是提供功能擴展電路所需要的信號，如仿電臺報

16、時用的1000Hz的高音頻信號和500Hz的低音頻信號等。</p><p>　　在本設計過程中將多次用到74LS160，這里對它的引腳圖以及功能做一下介紹（如表2、表3、表4）。</p><p>　　表2 設計過程中所畫的圖中74LS160的引腳介紹</p><p>　　表3 74LS160的功能表</p><p>　　表4 74LS1

17、60的真值表</p><p>　　通過對74LS160的功能表（表2）的觀察可知，使用74LS160實現(xiàn)十進制計數(shù)器的功能時，ENP端和ENT端均要接1，CLK端和ROAD端不用的要接1。</p><p>　　振蕩器產(chǎn)生的時間標準信號通常頻率很高，要使它變成能用來計時的“秒”信號，需要用分頻器來完成。分頻器的級數(shù)和每級的分頻次數(shù)要根據(jù)振蕩頻率及時基頻率來決定。若選用的時基頻率為100Hz，

18、因此分頻器采用了2級74LS160作分頻器。</p><p>　　圖4 分頻器及邏輯分析儀分析</p><p>　　使用Multisim11軟件進行分析，采用1KHz的信號進行模擬分析，可看到頻率被逐級分頻。當信號通過第一級分頻器時，信號變?yōu)?00Hz，到第二級時，信號變?yōu)?0Hz。（第一行為第一級仿真信號，第二行為第二級仿真信號）</p><p>　　本次課程設

19、計使用555定時器所構成的諧振電路，可直接產(chǎn)生1Hz電路，故不使用分頻器。即通過調整R3阻值變化或者調整C2電容值來完成。</p><p>　　5.3 譯碼器與顯示器</p><p>　　74LS247是驅動共陽極數(shù)碼管的顯示譯碼器。圖5為74LS247的邏輯符號及引腳排列圖。</p><p>　　LED數(shù)碼顯示器是一種七段顯示器，它由七個發(fā)光二級管裝封而成，如圖

20、 所示，七段的不同組合能顯示出十個阿拉伯數(shù)字。</p><p>　　圖5 LED和譯碼器</p><p>　　本次課程設計采用將LED和譯碼器集成好的DCD_HEX，如圖6所示。</p><p>　　圖6 DCD_HEX</p><p><b>　　5.4 計數(shù)器</b></p><p>

21、　　5.4.1 60進制數(shù)</p><p>　　因為秒計時，和分計時都是六十進制計數(shù)，所以在此將它們歸在一起。秒計時電路使用原理為六十進制計數(shù)，當計數(shù)器記到59時，再來一個計數(shù)脈沖，計數(shù)器進位輸出變?yōu)?，送到更高一級的計數(shù)電路中去，同時自身置0。下面是六十進制計數(shù)器具體工作原理：</p><p>　　選用2片74LS160來實現(xiàn)60進制同步遞增計數(shù)器，其中個位數(shù)計數(shù)器接成十進制計數(shù)器。十

22、位計數(shù)器選用QC與QB做反饋端，經(jīng)與非門74LS00輸出控制端控制清零端，接成六進制形式。其中分個位、秒個位及時個位是十進制，分十位和秒十位是六進制現(xiàn)。十位只能顯示0,1,2,3,4,5數(shù)字。XFG1為信號發(fā)生器，來提供脈沖信號進行仿真。</p><p>　　60時進制電路結構如圖7所示：</p><p>　　圖7 60進制顯示電路原理圖</p><p>　　圖8

23、 邏輯分析儀分析60進制電路波形圖</p><p>　　6，7，8，9，2，3，4，5端分別接到各位計數(shù)器QA,QB,QC,QD和十進制計數(shù)器QA,QB,QC,QD端完成仿真。從圖8邏輯分析儀分析60進制電路波形圖可以看出各位計數(shù)器和十位計數(shù)器QDQCQBQA的變化符合表4 74LS160的真值表變化，各位計數(shù)器QDQCQBQA從0000到1001到1000。十位計數(shù)器QDQCQBQA從0000到0110到0

24、000。</p><p>　　5.4.2 24進制計數(shù)</p><p>　　選用2片74LS160能實現(xiàn)二十四進制同步遞增計數(shù)器，圖中個位與十位計數(shù)器均接成十進制技術形式，采用同步級聯(lián)復位方式。選擇十位計數(shù)器的輸出端QB和個位數(shù)出端QC通過與非門74LS00控制兩片計數(shù)器的清零段，當計數(shù)器輸出狀態(tài)為00100100時，立即反饋清零。其中時十位只能顯示0、1、2三個數(shù)字。</p>

25、;<p>　　24時進制電路結構圖如圖9所示：</p><p>　　圖9 24進制顯示電路原理圖</p><p>　　圖10 邏輯分析儀分析24進制電路波形圖</p><p>　　6，7，8，9，2，3，4，5端分別接到各位計數(shù)器QA,QB,QC,QD和十進制計數(shù)器QA,QB,QC,QD端完成仿真。從圖10邏輯分析儀分析24進制電路波形圖可以看出各

26、位計數(shù)器和十位計數(shù)器QDQCQBQA的變化符合表4 74LS160的真值表變化，各位計數(shù)器QDQCQBQA從0000到1001到1000。十位計數(shù)器QDQCQBQA從0000到0010到0000。</p><p><b>　　5.5 校時電路</b></p><p>　　秒、分、時計數(shù)器之間采用同步級連方式。敲擊【S1】和【S2】鍵，可控制開關【S1】和【S2】將

27、秒脈沖直接引入分、時計數(shù)器，實現(xiàn)分計數(shù)器和時計數(shù)器的校時，如圖11所示。</p><p>　　校時的功能是通過芯片的ENT為0或為1，來控制電路的變化。當電路正常計時時，ENT端接到Co端，其中時和分的Co端是由十位QA,QC和各位RCO輸出端經(jīng)與門來實現(xiàn)。當QA,QC,RCO均為1時，ENT為1，電路實行計數(shù)功能。否者電路進行保持。ENT接到1時，電路工作進行校時。</p><p>　　

28、圖11 分時、時時校正電路</p><p>　　6 完整電路圖及工作原理</p><p>　　圖12 數(shù)字鐘電路圖</p><p>　　由圖12可以清楚得看出整個數(shù)字時鐘的總體工作原理和整個工作過程：</p><p>　　由兩個60進制計數(shù)器同步遞增計數(shù)器分別構成秒鐘計時器和分時計數(shù)器，由24進制同步遞增實現(xiàn)小時計數(shù)。由555和RC構成

29、的振蕩器產(chǎn)生的1Hz的秒脈沖信號，計數(shù)器進入60進制的“秒”計時，“秒”的分位進入60進制的“分”計時，最后，由分的“時”進位進入24進制的“時”計時。</p><p>　　在電路中，還有由門電路和開關構成的校時電路對電路的“時”，“分”進行校時，得到正確的時間。</p><p>　　圖2-圖10各個部分功能的電路和圖12的總體數(shù)字時鐘的電路均在電子電路計算機仿真軟件Multisim11中

30、進行調試和仿真得到的。</p><p><b>　　7 電路組裝調試</b></p><p>　　本次課程設計仿真使用了函數(shù)信號發(fā)生器、四通道示波器、邏輯分析儀等。在電路調試過程中分塊進行調試，每塊成功后再進行整體連線，來進行整體調試。</p><p>　　由圖12中所示的數(shù)字鐘電路圖按照信號的流向分級安裝，逐級級聯(lián)。這里的每一級是指組成數(shù)字

31、中的各個功能電路。</p><p>　　在電路連接過程中也遇到種種問題，例如元器件參數(shù)設置，可以通過書籍及網(wǎng)絡來查看。</p><p>　　級聯(lián)時如果出現(xiàn)時序配合不同步，或劍鋒脈沖干擾，引起的邏輯混亂，可以增加多級邏輯門來延時。如果顯示字符變化很快，模糊不清，可能是由于電源電流的跳變引起的，可在集成電路器件的電源端Vcc加退藕濾波電容。通常用幾十微法的大電容與0.01μF的小電容相并聯(lián)。&

32、lt;/p><p>　　通過運用數(shù)字集成電路設計的24小時制的數(shù)字電子時鐘，經(jīng)過試驗，成功實現(xiàn)了一下基本功能：</p><p>　　1.能準確計時，以數(shù)字形式顯示時、分、秒的時間。</p><p>　　2.能定時控制，且能校正時間（通過開關調時、分）。</p><p><b>　　8 電路設計總結</b></p>

33、;<p>　　本設計主要采用的是計數(shù)器、門電路等器件，雖然器件使用數(shù)量比較多，但相對來說，不是很復雜。此課題的核心價值是他讓我們把理論知識轉化為實際知識，對電路進行分塊，在分模塊具體落實。對于具體模塊電路的構成有很多不同的設計方法。</p><p>　　此次設計的優(yōu)點是本設計所需要的元器件比較常見，總體實現(xiàn)起來比較方便。但缺點是在設計當中首先是555定時器產(chǎn)生的OUT信號，應為實際電阻、電容值的限制

34、，產(chǎn)生的信號不是1Hz，故不是標準秒脈沖。</p><p>　　9 系統(tǒng)所需的元器件</p><p>　　表5 系統(tǒng)所需元器件</p><p><b>　　10 參考文獻</b></p><p>　　【1】閻石.進制，555定時器應用舉例.北京：高等教育出版社</p><p>　　【2】何其

35、貴.分頻器.北京：北京理工大學出版社</p><p>　　【3】王冠華.Mulitisim11電路設計及其應用.北京：國防工業(yè)出版社</p><p>　　【4】呂思忠，施齊云.數(shù)字電路實驗與課程設計.哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社</p><p>　　【5】歐陽星明.數(shù)字系統(tǒng)邏輯設計.北京：電子工業(yè)出版社</p><p>　　【6】盧結成，高世

36、忻.電子電路實驗及應用課題設計.合肥：中國科學技術大學出版社</p><p><b>　　11 收獲與體會</b></p><p>　　經(jīng)過兩周的構思、設計，我的數(shù)電課程設計——數(shù)字時鐘最終得以圓滿結束。通過本次設計，使我對已學過的電路、數(shù)電、模電等電子技術的知識有了更深一步的了解，鍛煉和培養(yǎng)了自己利用已學知識來分析和解決實際問題的能力。對自己以后的學習和工作有很大

37、的幫助。剛開始做這個設計的時候感覺自己什么都不知道怎么下手，腦子里比較浮躁和零亂。但通過一段時間的努力，通過重溫數(shù)電，模電等電子技術的書籍，還有通過查看相關的設計技術以及一些參考文獻，再加之在老師的指導和周圍同學的幫助下，使我對自己的本設計有了熟練的掌握。做好一個課程設計不僅要具備扎實的書本知識并會善于應用，還要學會利用網(wǎng)絡資源查閱資料，實在搞不懂的地方要向老師或同學請教，這樣才可能做出一個比較規(guī)范的課程設計。</p>&

38、lt;p>　　另外，通過這次課程設計，我體會到了實際的工作與書本上的知識是有一定距離的，我們還需要進一步的學習。從客觀上對自己在書本中所學的知識有了感性的認識，使自己更加充分地理解了理論與實際的關系，在這次課程設計中，我學會了如何看電路圖，讀電路圖，如何利用網(wǎng)絡資源，并對數(shù)字電路的應用和開發(fā)的設計思想有了更進一步的了解和掌握，使自己的知識體系更加健全，加深了對數(shù)字電子技術的了解。從這次設計中，我體會到，如果將我們在大學里所學的知識