数电课程设计数字钟设计.doc

太原科技大学测控101201目录设计目的3设计任务4设计指标4多功能数字钟设计原理5时钟信号振荡电路6秒脉冲产生信号7计数电路8 小时计数电路8分钟计时电路9秒钟计数电路10校时信号11整点报时电路13译码驱动及显示电路14数字钟整体电路的实现15多功能数字钟设计方案二16设计原理图16电路各个组成部分16电路图实现18方案比较以及确定19电路的仿真与调试20元器件明细表23设计心得与体会25参考文献2728设计目的增强对数字电子技术及相关知识的了解与掌握。学习multisim 10.0 等相关软件的使用方法。具备简单电路设计的能力。数字钟从原理上讲是一种典型的数字电路，其中包括了组合逻辑电路和时序电路。此次设计与制作数字电子钟的目的是让学生在了解数字钟的原理的前提下，运用刚刚学过的数电知识设计并制作数字钟，而且通过数字钟的制作进一步了解各种在制作中用到的中小规模集成电路的作用及其使用方法。由于数字电子钟包括组合逻辑电路和时序电路，通过它可以进一步学习与掌握各种组合逻辑电路与时序电路的原理与使用方法，从而实现理论与实践相结合。总的来说，此次课程设计，有助于学生对电子线路知识的整合和电子线路设计能力的训练，并为后继课程的学习打下一定的基础。设计任务设计一个数字钟的电子电路，使其具有以下功能：“时”、“分”、“秒”的十进制数字显示功能，其中“时”为24进制，“分”和“秒”都是六十进制；手动校时功能；整点报时功能。设计指标时间计数电路采用24进制，从00开始到23后再回到00；各用2位数码管显示时、分、秒；具有自动校时、校分功能，可以分别对时及分进行单独校时，使其校正到标准时间；计时过程具有报时功能，当时间到达整点时，蜂鸣器开始响，同时灯光隔一秒亮一次的显示；为了保证计时的稳定及准确，须由晶体振荡器提供时间基准信号。多功能数字钟设计原理数字电子钟电路一般由振荡器、分屏器、计数器、译码器、及显示器组成，其框图如下图1-1所示：图1-1 数字电子钟的组成框图 从图1-1可以看到，石英振荡器产生的振荡信号送到分频器，经分频后得到1HZ的秒脉冲，秒脉冲再送入计数器进行计数，并把累计的计数结果以“时”、“分”、“秒”的时间格式显示出来。“秒”和“分”的显示由两级计数器及译码器组成六十进制计数电路来实现，“时”的显示是由两级计数器和译码器组成的二十四进制计数器电路来实现。除了基本的计时功能外，本数字电子钟还增加了手动校正和整点报时的功能。接下来介绍各单元电路。时钟信号振荡电路时钟电路的实现方案有很多，如555多谐振荡器。模拟运放振荡器及石英晶体振荡能提供频率稳定的准确的方波信号，可保证电子钟走时准确，实际中的电子钟都使用这种振荡器；而555多谐振荡器调节方便，本设计采用它作为时钟信号产生电路。利用555振荡器设计的信号振荡电路如图2-1所示。秒脉冲产生信号由555多谐振荡器电路产生1KHZ的振荡信号，经过分频器1000分频后得到1HZ的方波信号作为秒计数器的计数信号。分频器实际上就是计数器，可用3片十进制计数器74LS160来实现。为了加快仿真过程，便于观察实验结果，此处选用了JK触发器74LS73D构成的T触发器进行2倍分频，这样约4KHZ的振动信号经过3级分频器分频后，得到500HZ的脉冲信号，作为秒计数器的计数信号。计数电路 小时计数电路小时计数为二十四进制计数器，电路如图3-1所示。在图3-1中，74LS160是十进制计数器，选用2片74LS160先构成100进制（099）计数器，然后在24（00100100）取出为1的端口。为了提高可靠性，所有为0的端口加非门74LS04，再经过与非门和或非门送到清零端，实现二十四进制计数，其计数范围为023。分钟计时电路在图3-2中，分钟计数电路为六十进制计数电路，类似于二十四进制计数电路，也选用了74LS160芯片。首先也是设计成100进制计数器，然后在60处（01100000）取出为一的端口，给所有的为0的端口加非门74LS04，再经过与非门送到清零端，实现六十进制计数。，计数范围为060。秒钟计数电路与分钟计数电路同理，秒钟计数电路可以完全按照其样子做成。电路如图3-3所示。校时信号在刚接通电源或时钟走时出现误差时，便是需要手动的对时间进行校准。校准时间电路如图 3-4所示。校时电路由“时”、“分”、“秒”校准3部分组成，分别用3个开关J1、J2、J3来完成。当开关接高电平VCC时，为正常计时档；当开关接低电平（接地），为校时档。例如要校正“小时”，当开关J1扳到接地的校时位置时，此时的U30A和U31A两个与非门组成了RS触发器，门电路U30A输出为“1”，门U31A输出为“0”，使得与非门U28A打开，U29A封锁，校时信号直接接入小时计数器的时钟断CLK进行快速校准，校准结束后，开关J1接到正常的计时位置，小时计数器就利用分进位正常计数。“分”和“秒”的校准与“时”校准的原理相同。整点报时电路整点报时电路是由报时电路计数器、停止电报时控制电路、蜂鸣器等部分组成，如图3-5所示。报时计数电路由两块74LS192芯片组成，74LS192为可逆十进制计数器，用两片74LS192芯片构成两位十进制减法计数器。在分计时达到59分时，把当前的小时计数值作为减计数的初始值保持起来，并开始进行减计数，一直减到零；停止报时控制电路由7个或门和一个模拟开关组成，当减计数到零时，经过或门的逻辑判断，输出控制信号为低电平，模拟开关截止，蜂鸣器停止报时。译码驱动及显示电路译码驱动电路将计数器输出的8421BCD码转换为数码管需要的逻辑状态，并为数码管提供足够的工作电流，以保证数码管的正常工作。本设计选用了74LS48设计显示译码电路，74LS48为七段数码管的译码器，是一种与共阴极级数字显示器配合使用的集成译码器，其功能是把输入的4位二进制代码转换成显示器需要的7个段信号ag。如下图3-6所示。显示数码管有发光二极管（LED）数码管和液晶显示（LCD）数码管，根据74LS48的特点，此处选用LED数码管。LED显示器具有工作电压低（1.53V）、体积小、寿命长、亮度高、响应快以及可靠性高的优点，但其工作电流较大，每个字段的工作电流约为10mA数字钟整体电路的实现将以上的各个单元电路组合起来，就形成了数字时钟电路，如图4-1所示。图4-1 数字钟总电路多功能数字钟设计方案二设计原理图数字钟实际上是一个对标准频率（1HZ）进行计数的计数电路。由于计数的起始时间不可能与标准时间（如北京时间）一致，故需要在电路上加一个校时电路，同时标准的1HZ时间信号必须做到准确、稳定，通常使用石英晶体振荡器电路构成。一个用来计“时”、“分”、“秒”的数字钟，主要由六个部分构成。其整体设计原理图如图4-1所示。图4-1 数字钟组成框图电路各个组成部分 振荡器。振荡器主要用来产生频率稳定的时间标准（时标）信号，以保证数字时钟的走时准确及稳定。要产生稳定的时标信号，一般采用石英晶体振荡器。现在使用的指针式电子钟或数字显示的电子钟都是使用石英晶体振荡器电路。从数字钟精确度考虑，晶体振荡器频率越高，计时的精度越高，但这样会使分频器的级数增加。所以在确定频率时应当考虑两方面因素。 分频器。振荡器产生的时标信号通常频率很高，为了得到1HZ的秒信号，需要对振荡器的输出信号进行分频。分频器的级数和每级的分频次数要根据时标频率来定。例如，目前石英电子钟多采用32 768HZ的时标信号，将此信号经过15级二分频即可得到周期为1秒的秒信号。也可以选用其他频率的时基信号，确定分频次数后再选择合适的集成电路。 计数器。“秒”、“分”、“时”分别为六十、六十、二十四进制的计数器。“秒”和“分”计数器用两块十进制的计数器来实现是很容易的，他们的个位为十进制，十位为六十进制，这样符合人们通常计数的习惯。“时”计数也采用两块十进制集成块，只是做成24进制。计数器均用反馈清零法来实现。 译码显示电路。因为本计数全部采用十进制集成块，所以计数器的译码显示均采用8421BCD-7断译码器，采用共阴或共阳极的显示器。 校时电路。在刚开机接通电源时，由于“时”、“分”为任意值，所以需要调整。“校时”电路的基本原理是将“秒”信号直接引进“时”计数器，同时将“分”计数器置零，让“时”计数器快速计数，在“时”的指示达到需要的数字后，切断“秒”信号。“校分”电路也按此方法进行。 整点报时电路。数字钟一般都应具备整点报时功能，即在时间出现整点前数秒内，数字钟会自动报时，以示提醒。其作用方式是发出连续的活有节奏的音频声波，较复杂的也可以是实现语音提示。电路图实现数字钟的整体电路可如图 4-2所示。图4-2 数字钟整体仿真电路 方案比较以及确定方案二与原方案相比较有一下的优点与缺点。优点：与原方案比较，方案二所用的元器件明显较少，也因此方案二实现的电路就看着更加简单了。缺点：与原方案比较可知，方案二中有着不足方案二电路电源一接通后就会乱码，必须要手动校时后才会正常。方案二电路能校正的只有“分”和“时”，而原方案却是“时”、“分”、“秒”都是能校正的，因此可以使校准更加简单。蜂鸣报警电路的设计，方案二中只有蜂鸣器却没有灯光的显示。综合比较原方案和方案二的优缺点，最后仍然决定选用原方案。电路的仿真与调试时钟振荡电路的仿真测试图如图6-1所示：图6-1 时钟振荡电路的仿真测试图时钟振荡电路的仿真波形如图 6-2所示：图 6-2 时钟振荡电路仿真波形数字钟时间与秒表时间的仿真误差为了测试数字时钟的精确度，于是就在仿真时对数字时钟的时间与秒表的时间进行一个对比测试，测试结果得如下的表1所示。表1 数字钟时间与秒表时间的比较表秒表时间(单位：秒)数字钟时间误差（单位：秒）0000：00：0003000：00：30060.0100：01：000.019000：01：30012000：02：000150.0200：02：300.02180.0300：03：000.03误差分析从表1可看出，误差接近于0，而且理论上，误差本来是累积的，但实际上不然，该表的数据已显示数字钟走了90秒和120秒时的误差与走了60秒的误差并不相关联，亦即误差不累积。因此易得出此误差值为人的反应时间（包括视觉反应时间和手的反应时间），并不是数字钟本身的误差。因此，此数字钟的精确度相当高，满足设计要求。元器件明细表本次设计所用到的元器件明细如下表2所示表2 元器件明细表元件系列功能数量单价总价100mRESISTOR电阻2￥0.05 ￥0.10 100RESISTOR电阻1￥0.05 ￥0.05 10kPOTENTIOMETER滑动变阻1￥0.05 ￥0.05 10nFCAPACITOR电容1￥0.05 ￥0.05 10uFCAPACITOR电容1￥0.05 ￥0.05 10RESISTOR电阻3￥0.05 ￥0.15 14kRESISTOR电阻1￥0.05 ￥0.05 1RESISTOR电阻4￥0.05 ￥0.20 50RESISTOR电阻1￥0.05 ￥0.05 74LS00D74LS与非门15￥0.10 ￥1.50 74LS04D74LS非门13￥0.25 ￥3.25 74LS160D74LS十进制计数器6￥0.80 ￥4.80 74LS192D74LS减计数器2￥1.00 ￥2.00 74LS20D74LS与非门5￥0.50 ￥2.50 74LS32D74LS或门8￥0.50 ￥4.00 74LS48D74LS_IC译码器6￥0.80 ￥4.80 74LS73D74LSJK触发器3￥1.00 ￥3.00 BUZZERBUZZER蜂鸣器1￥1.50 ￥1.50 CLOCK_VOLTAGESIGNAL_VOLTAGE_SOURCES信号脉冲源1￥1.20 ￥1.20 DG300ACJANALOG_SWITCH分析开关1￥0.88 ￥0.88 GROUNDPOWER_SOURCES接地若干￥0.00 ￥0.00 LM555CNTIMER精确定时、发送脉冲1￥1.00 ￥1.00 SEVEN_SEG_COM_KHEX_DISPLAY二极管显示器2￥0.50 ￥1.00 SEVEN_SEG_COM_K_GREENHEX_DISPLAY二极管显示器2￥0.50 ￥1.00 SEVEN_SEG_DECIMAL_COM_K_BLUEHEX_DISPLAY二极管显示器2￥0.50 ￥1.00 SPDTSWITCH单刀双掷开关3￥0.50 ￥1.50 VCCPOWER_SOURCES电源电压若干￥0.00 ￥0.00 VDDPOWER_SOURCES电源电压1￥0.01 ￥0.01 VSSPOWER_SOURCES电源电压1￥0.01 ￥0.01 ￥36.70 设计心得与体会通过这次课程设计，加强了我们的动手、思考和解决问题的能力。在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里想老着这样的接法可以行得通，但连接电路时，总是实现不了，因此耗费时间较多。我沉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。比如一些芯片的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，通过动手实践让我们对各个元件映象深刻。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。所以这个期末测试之前的课程设计对我们的作用是非常大的，使我们对知识的掌握更加准确。经过两个星期的实习，过程曲折可谓一语难尽。在此期间我们也失落过，也曾一度热情高涨。从开始时满富盛激情到最后汗水背后的复杂心情，点点滴滴无不令我回味无长。生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。通过实习，我才真正领略到“艰苦奋斗”这一词的真正含义，我才意识到老一辈电子设计为我们的社会付出。我想说，设计确实有些辛苦，但苦中也有乐，在如今单一的理论学习中，很少有机会能有实践的机会，此次给了我们一个很好的实践机会。虽然我是一个人一组，但我也经常会去询问其他同学一些我不懂的问题，在相互交流过程中，我和同学的距离更加近了；我想说，确实很累，但当我看到自己所做的成果时，心中也不免产生兴奋； 正所谓“三百六十行，行行出状元”。而这次实习也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。对我们而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次实习必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计中，我遇到比较多的困难。以下几个是典型的问题：秒针电路时常是时灵时不灵，不知道如何启动其走动；时钟和分钟显示屏不会亮；灯泡亮了一次后，关闭开关，秒针每走一次仍旧会不停的亮灭。在调试、研究了电路图后，我调整了振荡器以及电容的相关参数，顺利解决了第一个问题；在分析了显示电路后，我将原来的六个显示屏一起相连然后接