嘉兴学院数字电子技术课程设计1

1、嘉兴学院南湖学院题目名称：数字钟的设计与制作 姓 名： 班 级： 电气N 学 号： 20 日 期： 20 嘉兴学院南湖学院机建系目录一指标要求1二设计计算41总体方案设计52单元电路设计63总 体 电 路 7三安装调试9四总 结12数字钟的设计与制作一指标要求：1.显示时、分、秒。.采用24 小时制。2.具有校时功能，可以对小时和分单独校时，对分校时的时候，停止分向小时进位。校 时时钟源可以手动输入或借用电路中的时钟。 3.为了保证计时准确、稳定，由晶体振荡器提供标准时间的基准信号。二设计计算：1总体方案设计：根据设计要求，可建立数字钟系统组成框图，如图 3-1 所示，数字中电路系统由主 体电

2、路和扩展电路两大部分组成，其中，主体电路完成数字钟的基本计数功能，扩展电 路完成数字钟的定时、整点报时扩展功能。 图3-1 数字钟原理框图 该系统的工作原理是：用振荡器产生的高脉冲信号作数字钟的秒脉冲发生器，秒脉冲 接入秒计数器，秒计数器计满60 后向分计数器个位进位，分计数器计满60 后向小时计数器 个位进位并且小时计数器按照“24 翻 1”的规律计数。计数器的输出经译码器送显示器。计 时与实际时间出现误差时电路可以进行校时、校分。扩展电路的整点报时和闹钟功能必须在 主体电路正常运行的情况下才能实现。 时显示器 分显示器 秒显示器 时计数器 时译码器 分译码器 秒译码器 秒计数器 分计数器

3、整点报时 定时控制 校时电路 主 体 电 路 扩 展 电 路 秒脉冲发生器 3 主体电路是由功能部件和单元电路组成的，在设计这些电路和选择元器件时，尽量选用 同类型的元器件，考虑到 CMOS 集成电路的承受能力，最好选用 TTL 集成芯片，整个电路 选用芯片应尽可能的少。下面介绍各功能部件与单元电路的设计。2单元电路设计：2.1 秒脉冲电路的设计 数字电路中秒脉冲发生器是由振荡器产生的，振荡器是数字钟的核心，振荡器的稳定度 及频率的精度决定了数字钟计时的准确程度。分和秒计数器都是模M=60的计数器 其计数规律为0001585900 用两片74LS161分别做作十位计数器（六进制）和个位计数器（

4、十进制），再将它们级联组成模数M=60的计数器 时计数器是一个“24翻1”的特殊进制计数器 即当数字钟运行到23时59分59秒时，秒的个位计数器再输入一个秒脉冲时，数字钟应自动显示为00时00分00秒，实现日常生活中习惯用的计时规律 可得将C 2 、R 9 、R 10 、R P 取适当的值即可得到频率为1H Z 的秒脉冲。 且R P 具有微调电路工作频率的功能，本电路可产生比较精确的脉冲。本次设计采用555 振荡 4 器构成秒脉冲发生器。 2.2 时分秒计数器的设计 数字钟的计数电路是用两个六十进制计数电路和24 进制计数电路实现的。数字钟的计数 电路的设计可以用反馈清零法。当计数器正常计数时

5、，反馈门不起作用，只有当进位脉冲到 来时，反馈信号将计数电路清零，实现相应模的循环计数。以60 进制为例，当计数器从00， 01，02，59 计数时，反馈门不起作用，只有当第 60 个秒脉冲到来时，反馈信号随即 将计数电路清零，实现模为60 的循环计数。 下面将分别介绍60 进制分秒计数器和24 进制小时计数器。 1）60 进制计数器，电路图如图4-3 所示 图4-3 60 进制计数器 电路由两片74LS90 和一个与门构成，分别为60 进制计数器的十位和个位，十位为六进 制，个位为十进制，两者级联构成60 进制计数器。当计数器达到59 时，在下一个秒脉冲作 用下实现反馈清零，电路重新开始下一

6、轮计数。下面对74LS90 集成电路加以说明。 74LS90 是二五十进制计数器，它有两个时钟输入端CPA 和CPB。其中，CPA 和 0 Q 组成一位二进制计数器；CPB 和 3 2 1 Q Q Q 组成五进制计数器；若将 0 Q 与 B C P 相连接，时钟脉 冲从 A C P 输入，则构成了8421BCD 码十进制计数器。74LS90 有两个清零端R0（1）、R0（2）， 两个置9 端R9（1）和R9（2），且均为高电平有效，本次设计即利用清零端实现六进制。74LS90 5 的管脚图如图4-4 所示，其BCD 码十进制计数时序如表4-5，二五混合进制计数时序如表 4-6。 图4-4 74

7、LS90 管脚图 表4-5 BCD 码十进制计数时序 表4-6 二五混合进制计数时序 2）24 进制计数器 用74Ls90 设计24 进制电路与60 进制电路原理基本相同，只是把原来60 清零改为目前 24 清零即可，电路如图4-7 所示 6 图4-7 24 进制电路 工作原理与60 进制计数部分基本相同，只是当计数器达到23 时，在下一个分进位脉冲 作用下实现反馈清零，重新开始下一轮计数 2.3 译码与显示电路的设计 译码与显示电路如图4-8 所示 BI/RBO 4 RBI 5 LT 3 A 7 B 1 C 2 D 6 a 13 b 12 c 11 d 10 e 9 f 15 g 14 74

8、 LS4 8 a b f c g d e DPY LEDgn 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g DPY_7 -SEG 图4-8 译码与显示电路 电路的工作原理：译码是编码的反过程，译码器是将输入的二进制代码翻译成相应的输 出信号以表示编码时所赋予原意的电路。常用的集成译码器有二进制译码器、二十制译码 器和BCD7 段译码器、显示模块用来显示计时模块输出的结果。 图4-7 24 进制电路 7 电路中的主要元件及功能介绍： 1）译码器74LS48 译码器是一个多输入、多输出的组合逻辑电路。它的工作是把给定的代码进行“翻译”， 变成相应的状态，使输出通道中相应的一路有信号输出。

9、译码器在数字系统中有广泛的用途， 不仅用于代码的转换、终端的数字显示，还用于数字分配，存储器寻址和组合控制信号等。 译码器可以分为通用译码器和显示译码器两大类。在本电路中用的译码器是共阴极译码器 74LS48，用 74LS48 把输入的8421BCD 码 ABCD 译成七段输出 a-g，再由七段数码管显示相应 的数。 74LS48 的管脚图如图4-9。在管脚图中，管脚LT、RBI、BI/RBO 都是低电平是起作用， 作用分别为： LT 为灯测检查，用LT 可检查七段显示器个字段是否能正常被点燃。 BI 是灭灯输入，可以使显示灯熄灭。 RBI 是灭零输入，可以按照需要将显示的零予以熄灭。BI/R

10、BO 是共用输出端，RBO 称为 灭零输出端，可以配合灭零输出端 RBI，在多位十进制数表示时，把多余零位熄灭掉，以提 高视图的清晰度。也可用共阴译码器74LS248，CD4511。 BI/RBO 4 RBI 5 LT 3 A 7 B 1 C 2 D 6 a 13 b 12 c 11 d 10 e 9 f 15 g 14 74 LS48 图4-9 74LS48 管脚图 （2）显示器SM421050N 在此电路图中所用的显示器是共阴极形式，阴极必须接地。SM421050N 的管脚功能图如 图4-10 所示 a b f c g d e DPY LEDgn 1 2 3 4 5 6 7 a b c d

11、 e f g DPY_7 -SEG 图4-10 SM421050N 管脚图 2.4 校时电路的设计 校时电路的作用是：当数字钟接通电源或者出现误差时，校正时间。校时是数字钟应具 8 有的基本功能。一般电子表都具有时、分、秒等校时功能。为了使电路简单，在此设计中只 进行分和小时的校时。校时电路如图4-11 所示。 校时电路工作原理：设计要求电路校时时，应不影响原电路正常工作。当单刀双掷开关 SW1 拨至上端时，SR 触发器输出为“0”，与非门 U16：A 和 U16：B 被截止，按钮开关 1 和按钮开关 2 产生的脉冲电平被屏蔽，此时电路能正常工作，且校时功能不起作用，此功能 可用来防止因错误操

12、作而导致时钟出错。当 SW1 拨至下端时，SR 触发器输出为“1” 与非 门U16：A 和U16：B 打开，在无按钮开关1 和按钮开关2 产生的脉冲电平时，非门U16：A 和U16：B 输出“0”，此时电路正常工作，在按钮开关1 或按钮开关2 按下并松开瞬间，U16： A 和 U16：B 输出“1”，经过异或门之后，即可产生脉冲，即实现了电路的校时功能，且不 影响电路正常工作。按钮开关1 和按钮开关2 分别控制时校时和分校时。 图4-11 校时电路 2.5 主体电路图 主体电路图如图4-12 所示 9 图4-12 主体电路图 2.6 功能扩展电路的设计 2.6.1 定时控制电路的设计 10 设

13、计要求：电路具有显示闹钟定时时间功能，当电路到达设定的时刻时发出闹钟信号， 持续时间为一分钟，一分钟过后，闹钟停止，数字钟继续记时。且具有电路止闹功能，即闹 钟时可以是闹钟停止，也可提前将停止闹钟功能，使电路不再闹时。 设计思路：定时电路的控制应有三部分组成，一部分由计数器在外界人工操作下设置闹 钟时刻，一部分由锁存电路构成，锁存计数器设置的时刻，第三部分由比较报时电路构成， 由设计要求可知，当比较器输入的闹钟的时分与数字钟基本电路的时分时刻相同时比较发出 闹钟信号，驱动蜂鸣器或发光二极管发出声或光闹钟信号 1)闹钟时刻设置部分 闹钟部分电路图如图4-13 所示 图4-13 闹钟时刻设置电路

14、工作原理说明：闹钟时刻只有时和分，其工作原理与基本电路的校时电路完全相同。在 单刀双掷开关拨至下面时，按钮开关分别控制时和分的定时时刻设置。 2)锁存部分 锁存部分电路如图4-14 所示 11 图4-14 锁存部分电路 工作原理：锁存器 74LS373 为八输入锁存器当使能端 OE 为“0”时且 LE 为“1”输出 Qn 等于输入 Dn，当 OE 为“1”时锁存器输出高阻态可以通过开关 SW4 控制锁存器的片选 功能，使显示器显示闹钟定时时刻或者数字钟正常时间。图中当开关拨至上端时，显示正常 时间，开关拨至下端时，显示器显示闹钟定时时刻。图 4-15 和 4-16 分别为锁存器 74LS373

15、 的功能表和管脚图。 图4-154LS373 功能表 12 图4-16 74LS373 管脚图。 3)比较报时部分 比较报时部分电路如图4-17 所示 图4-17 比较报时部分电路如图4-17 13 工作原理：分别把闹钟定时时刻和始终时刻输入两片比较器 74LS85 中当且仅当两片输 入时和分相等时QA=B 输出“1”，此时驱动扬声器发声，发光二极管发光。可持续一分钟， 直到时钟秒进位，时钟分钟加 1。闹钟到时间时，断开开关，则闹钟停止，次开关可以控制 闹钟的断和开。图4-18 和4-19 分别为锁存器74LS373 的管脚图和功能表。 图4-18 74LS373 管脚图 图4-19 74LS

16、373 功能表 2.6.2 整点报时电路的设计 设计要求：要求电路具有整点报时功能，当时钟电路为59 分时，从50 秒开始，每隔一 秒钟响一次直到进位变为00 分。 14 设计思路：可利用一与门将时钟分59 为“1”的输出端与秒十位为5 时为“1”的输出端 与时钟脉冲信号与在一起，当条件符合时，电路即可以报时，报时信号可以是声音报时和光 报时两种。 整点报时电路如图4-20 所示 图4-20 整点报时电路 工作原理：在秒脉冲作用下，电路开始正常计数。当计数达到59 分50 秒时，在秒脉冲 作用下，与非门输入全为“1”此时与非门输出“0”，经反相器后输出为“1”，高电平驱动扬 声器发出声音，同时

17、发光二极管开始发光，发出整点报时信号。由于接入秒脉冲信号，扬声 器发声和发光二极管的工作频率均为1Hz，持续10 秒钟后，停止整点报时。图中所用74LS30、 74LS08、74LS04 管脚图分别如图4-21、4-22、4-23 所示。 图4-21 74LS30 管脚图 15 图4-22 74LS08 管脚图 图4-23 74LS04 管脚图3总体电路：将以上主体电路和扩展电路经过适当的排列，组合连接为整体电路图，整体电路图如图 4-24 所示 16 图4-24 整体电路图 17三安装调试3.1 整体电路的仿真 用Proteus 软件绘制好电路图，开始运行，经过多次调试和改装，电路终于能正常

18、运行， 并实现设计要求所有功能。图5-1 为仿真运行过程中显示部分图。 图5-1 仿真运行过程中显示图 3.2 电路功能测试以及常见问题解决本法 3.2.1 电路功能测试 按照设计要求，逐项测试电路功能 1）数字钟计数功能测试：接通电源，在秒脉冲的作用下，电路开始计数，且时、分、秒 18 分别为24、60、60 进制。计数功能符合设计要求。 2）校时功能测试：在显示时钟时间时，按动时钟调时、时钟调分按钮开关时，时、分均 可以调节，且不按动时，计数电路能正常工作，校时功能符合设计要求。 3）整点报时功能测试：电路基数时，当时钟到达59 分50 秒时，电路发出整点报时信号， 频率为1Hz，持续10

19、 秒钟后，报时停止。整点报时功能符合设计要求。 4)闹钟功能测试：切换显示开关，使显示器显示闹钟时刻，通过定时开关调节定时的时 和分，当时钟到达定时时刻时，扬声器响起，发光二极管发光，频率均为 1Hz。闹钟时间为 1 分钟。断开闹钟控制开关，闹钟停止。切换显示开关至时钟部分，时钟部分能继续正常工 作。闹钟功能符合设计要求。 3.2.2 常见问题解决办法 由于不熟悉本设计电路构造，经常会有一些误操作导致不能得到想要结果，这里特此列 举出一些常见问题及其解决办法。 1）操作时钟调校正按钮时，显示器显示数据不改变，且到 60 秒时分位依然不改变，解 决办法：此时显示器显示的时间为闹钟时间应切换显示开

20、关，再调节校正按钮即可。 2）显示开关已切换至时钟显示，操作时钟调校正按钮时，显示器显示数据依然不改变， 分、时电路可以正常进位。解决办法：此时校时开关处于锁定状态，不能校时，切换校时开 关即可解决问题。 3）定时电路可以正常定时，时钟电路也可以正常计时，但当时钟到达定时时刻时，没有 闹钟信号发出，扬声器没有声音，发光二极管不发光，且此时正点报时也不起作用。解决办 法：此时闹钟控制开关处于断开状态，把此开关闭合问题即得到解决。 19 附件 : 原件 规格 数量 电阻 10K 10 个 2K 1 个 电容 0.01uF 1 个 100uF 1 个 电位器 1K 1 个 发光二极管 1 个 蜂鸣器 1 个 开关 按键开关 4 个 普通开关 1 个 单刀双掷开关 3 个 集成电路 74LS00 2 片 74LS04 1 片 74LS08 2 片 74LS30 1 片 74LS373 4 片 74LS48 6 片 74LS85 4 片 74LS86 1 片 74LS90 10 片 555 1 片 数码管 7