数字电路技术基础课程设计数字钟的设计

1、设计题目数字钟设计过程一、设计任务与要求1.设计目的数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。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。因此，我们此次设计与制做数字钟就是为了了解数字钟的原理，从而学会制作数字钟.而且通过数字钟的制作进一步的了解各种在制作中用到的中小规模集成电路的作用及实用方法.且由于数字钟包括组合逻辑电路和时叙电路.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.2.设计要求（1）设计指标 输入10hz的时钟；（对已

2、有khz频率时钟进行分频） 能显示时、分、秒，24小时制； 时和分有校正功能； 整点报时，喇叭响两秒； 可设定夜间某个时段不报时；（2）设计要求 画出电路原理图（或仿真电路图）； 元器件及参数选择； 电路仿真与调试； pcb文件生成与打印输出。（3） 制作要求 自行装配和调试，并能发现问题和解决问题。二、原理框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数字钟。该设计主要由以下几部分组成:震荡器、秒计数器、分计数器、时计数器

3、、bcd-七段显示译码/驱动器、led七段显示数码管、时间校准电路3。 数字钟数字显示部分，采用译码与二极管串联电路，将译码器、七段数码管连接起来，组成十进制数码显示电路，即时钟显示。要完成显示需要6个数码管，八段的数码管需要译码器械才能显示，然后要实现时、分、秒的计时需要60进制计数器和24进制计数器，在在仿真软件中发生信号可以用函数发生器仿真，频率可以随意调整。60进制可能由10进制和6进制的计数器串联而成，频率振荡器可以由晶体振荡器分频来提供，也可以由555定时来产生脉冲并分频为1hz。计数器的输出分别经译码器送显示器显示。计时出现误差时,可以用校时电路校时、校分。扩展电路必须在主题电路

4、正常运行的情况下才能进行功能扩展。主体思路如图1所示：时十位时个位分十位分个位秒十位秒个位24进制时计数60进制分计时60进制秒计时校时电路振荡器整点报时整点报时拓展时钟显示电路3、 原理图的设计1 总原理图2 工作原理（1）晶体振荡器晶体振荡器电路给数字钟提供一个频率稳定准确的32768z的方波信号，可保证数字钟的走时准确及稳定。不管是指针式的电子钟还是数字显示的电子钟都使用了晶体振荡器电路。一般输出为方波的数字式晶体振荡器电路通常有两类，一类是用门电路构成；另一类是通过非门构成的电路，本次设计采用555定时器得到1hz,的脉冲功能主要是产生标准秒脉冲信号和提供功能扩展电路所需要的信号。 晶

5、体振荡电路（2）时间记数电路 在数字钟的控制电路中，分和秒的控制都是一样的，都是由一个十进制计数器和一个六进制计数器串联而成的，在电路的设计中我采用的是统一的器件74ls161n的反馈置数法来实现十进制功能和六进制功能，根据74ls161的结构把输出端的0101（十进制为5）用一个与非门74ls00引到load端便可置0，这样就实现了六进制计数。同样，在输出端的1001（十进制为9）用一个与非门74ls00引到load端便可置0，这样就实现了十进制计数。在分和秒的进位时，用秒计数器的load端接分计数器的clk控制时钟脉冲，脉冲在上升沿来时计数器开始计数。时计数器可由两个十进制计数器串接并通过

6、反馈接成二十四制计数器。 二十四进制计数器 六十进制计数器（3） 校时电路当数字钟接通电源或者计时出现误差时，需要校正时间。校时是数字钟应具备的基本功能。校时时应截断分个位和时个位的直接计数通路，并采用正常计时信号与校正信号可以随时切换的电路接入其中。对校时电路的要求是，在小时校正时不影响分和秒的正常计数；在分校正时不影响秒和小时的正常计数。校时方式有快校时和慢校时两种，快校时是，通过开关控制，使计数器对1hz的校时脉冲计数。慢校时是用手动产生单脉冲作校时脉冲下图所示为校时电路和校分电路。其中s1是校分用的控制开关，s2为校时用的控制开关，它们的控制功能下表所示。校时脉冲采用分频器输出的1hz

7、脉冲，当s1或s2分别为0时可进行快校时。如果校时脉冲由单脉冲产生器提供，则可以进行慢校时。multisim仿真软件校时的具体设计方法是：用一个单刀双掷开关切换计数功能与校时功能，另一端接计数器的脉冲输入端，开关置于函数发生器这一端便可以校时，置于计数器的进位端便是计时。不校正时间时开关都应打在与非门的那一端。 开关接校时电路 开关接计数电路时（4）译码显示电路设计 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，并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。4511是一个用于驱动共阴极 led （数码管）显示器的 bcd 码七段码译码器，特点如下：具有bcd转换、消隐和锁

8、存控制、七段译码及驱动功能的cmos电路能提供较大的拉电流。可直接驱动led显示器。由计数器得到的4位二进制码的必须通过译码后转为人们习惯的数字显示。如12：54：30的二进制码为00010010：01010100：00110000。译码之后再驱动7段数码管显示时、分、秒。led七段显示数码管显示时、分、秒。 译码显示电路（5） 整点报时整点报时的功能要求时，每当数字钟计时快到整点时发出声响。喇叭响两秒。快到整点时，59分58秒开始响，到00分00秒停止，一共响两秒。整点报时蜂鸣器仿真图4、 仿真调试ni multisim 10是美国国家仪器公司（ni，national instruments

9、）最新推出的multisim最新版本。目前美国ni公司的ewb的包含有电路仿真设计的模块multisim、pcb设计软件ultiboard、布线引擎ultiroute及通信电路分析与设计模块commsim 4个部分，能完成从电路的仿真设计到电路版图生成的全过程。multisim、ultiboard、ultiroute及commsim 4个部分相互独立，可以分别使用。multisim、ultiboard、ultiroute及commsim 4个部分有增强专业版（power professional）、专业版（professional）、个人版（personal）、教育版（education）、学

10、生版（student）和演示版（demo）等多个版本，各版本的功能和价格有着明显的差异。ni multisim 10用软件的方法虚拟电子与电工元器件，虚拟电子与电工仪器和仪表，实现了“软件即元器件”、“软件即仪器”。ni multisim 10是一个原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。 ni multisim 10的元器件库提供数千种电路元器件供实验选用，同时也可以新建或扩充已有的元器件库，而且建库所需的元器件参数可以从生产厂商的产品使用手册中查到，因此也很方便的在工程设计中使用。ni multisim 10的虚拟测试仪器仪表种类齐全，有一般实验用的通用仪器，如万用表、函数信号发生器、双

11、踪示波器、直流电源；而且还有一般实验室少有或没有的仪器，如波特图仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真仪、频谱分析仪和网络分析仪等。ni multisim 10具有较为详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、 时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等电路分析方法，以帮助设计人员分析电路的性能。ni multisim 10可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工学、模拟电路、数字电、射频电路及微控制器和接口电路等。可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察不

12、同故障情况下的电路工作状况。在进行仿真的同时，软件还可以存储测试点的所有数据，列出被仿真电路的所有元器件清单，以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据等。ni multisim 10有丰富的help功能，其help系统不仅包括软件本身的操作指南，更要的是包含有元器件的功能解说，help中这种元器件功能解说有利于使用ewb进行cai教学。另外，ni multisim10还提供了与国内外流行的印刷电路板设计自动化软件protel及电路仿真软件pspice之间的文件接口，也能通过windows的剪贴板把电路图送往文字处理系统中进行编辑排版。支持vhdl和verilog hdl语言的电路仿真与设

13、计。利用ni multisim 10可以实现计算机仿真设计与虚拟实验，与传统的电子电路设计与实验方法相比，具有如下特点：设计与实验可以同步进行，可以边设计边实验，修改调试方便；设计和实验用的元器件及测试仪器仪表齐全，可以完成各种类型的电路设计与实验；可方便地对电路参数进行测试和分析；可直接打印输出实验数据、测试参数、曲线和电路原理图；实验中不消耗实际的元器件，实验所需元器件的种类和数量不受限制，实验成本低，实验速度快，效率高；设计和实验成功的电路可以直接在产品中使用。ni multisim 10易学易用，便于电子信息、通信工程、自动化、电气控制类专业学生自学、便于开展综合性的设计和实验，有利于

14、培养综合分析能力、开发和创新的能力。电源/信号源库包含有接地端、直流电压源（电池）、正弦交流电压源、方波（时钟）电压源、压控方波电压源等多种电源与信号源。基本器件库包含有电阻、电容等多种元件。基本器件库中的虚拟元器件的参数是可以任意设置的，非虚拟元器件的参数是固定的，但是可以选择的。multisim10是一个电路原理设计、电路功能测试的虚拟仿真软件，其元器件库提供数千种电路元器件供实验选用，同时也可以新建或扩充已有的元器件库。有超强板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。multisim10软件进行设计仿真分析的基本步骤

15、为:设计创建仿真电路、原理图电路图、选项的设置、使用仿真仪器、设定仿真分析方法，启动multisim10仿真。仿真分析开始前可双击仪器图标打开仪器面板。准备观察被测试波形。按下程序窗口右上角的启动停止开关状态为1，仿真分析开始。若再次按下，启动停止升关状态为0，仿真分析停止。电路启动后，需要调整示波器的时基和通道控制，使波形显示正常。在multisim软件中，根据数字钟的总电路图，设置函数发生器的频率为1hz，把a开关和b开关都接到与非门的那端，再运行就可以让数字钟自行计数了。如果运行的太慢可以适当调节函数发生器的频率。如果把a开关接到函数发生器上，就是对小时进行校正，如果把b开关接到函数发生

16、器上那就是对分进行校正。小时的计数是从01到12，不是从00到11，但在校正小时位时初始状态仍为00。振荡器的仿真可以直接运行，然后用示波器观察现象便可。直流稳压电源的仿真中可以看到用万用表测量出关键点的电压5.123v。用示波器a通道和b通道分别显示整流滤波后电压ui的波形和稳压输出电压uo的波形，从示波器显示窗口可以看出：上面一条锯齿波曲线为ui波形，下面一条线为uo波形。如果以上设计的电路通过模拟仿真分析，不符合设计要求，可通过逐渐改变元器件参数，或更改元器件型号，使设计符合要求，最终确定出元器件参数。并可对更改的电路立即进行仿真分析，观察虚拟结果是否满足设计要求。五、电路功能与特性总结

17、：本设计的电子数字钟能经振荡分频器、计数器、译码和显示电路将时间“时”“分”“秒”用数字的方式显示出来，并且需要校正电路使其准确工作，还有定时和报时功能。控制较简单，没有遥控、防电台报时等复杂电路。调试时有的器件在理论上可行，但在实际运行中就无法看到效果，所以得换不少器件，有时无法找出错误便更换器件重新接线以使电路正常运行。multisim软件有时会出问题，在理论上可行的电路在调试中未必能显示出来，这就需要耐心、仔细地分析和解决问题，不断地尝试才能得出正确的答案。6、 收获和体会 通过本次设计,我明白了一个道理:无论做什么事情,都必需养成严谨,认真,善思的工作作风. 数电课程设计是培养学生综合

18、运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.回顾起此次课程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在短短的一个星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。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，但实际接上电路，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间用去很多。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

19、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后的课程设计对我们的作用是非常大的。 在此次的数字钟设计过程中,更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法.在连接六进制,十进制,六十进制的进位及十二进制的接法中,要求熟悉逻辑电路及其芯片各引

20、脚的功能,那么在电路出错时便能准确地找出错误所在并及时纠正了.在设计电路中,往往是先仿真后连接实物图,但有时候仿真和电路连接并不是完全一致的,例如仿真的连接示意图中,往往没有接高电平的16脚或14脚以及接低电平的7脚或8脚,因此在实际的电路连接中往往容易遗漏.又例如74hc390芯片,其本身就是一个十进制计数器,在仿真电路中必须连接反馈线才能正常显示,而在实际电路中无需再连接,因此仿真图和电路连接图还是有一定区别的.在设计电路的连接图中出错的主要原因都是接线和芯片的接触不良以及接线的错误所引起的. 通过这次数电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，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做数电课程设计，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。 通过这次对数字钟的设计与制作，让我了解了