数电课程设计+多功能电子时钟

1、随着电子技术的不断发展， 数字电子技术在设计中所体现在 出来的优势越来越明显，它不仅是电子信息类专业的一个重要部 分，而且在其它类专业工程中也是不可缺少的。报警电路、时序 控制电路作为子系统的应用，发展更是迅速，已成为新一代一些 电子设备不可缺少的核心部件，其现实生活中的运用也是非常普 遍和广泛。集成数字电子计时器的设计过程中， 组成其电路的核心部分 是几个电路的设计以其几种芯片功能应用，其中主要包括：控制 电路，校时电路，译码电路，优先编码电路，显示电路等。电子 技术的发展促使这些电路被广泛的应用到一系列电子设备当中， 时序控制电路也成为数字电子电路设计和制作过程中不可缺少的 部分，并且设计

2、简单，易于操作，可靠性好的优点。对数字电子计时器设计的目的是为了更好的掌握几种芯片 的工作原理，学会其电路的设计与主要性能参数测量方法以及掌 握电子线路系统的装试和调试技术。 本次设计分为四个主要步骤： 一 ：构思和设计分频电路，校时电路和译码电路。 二：根据设计 要求和选择的电路通过计算选择元器件和参数，并准确无误的设 计好要设计的电路原理图。三：在万能板或在面包板上根据设计 电路原理进行元器件的电路安装和精细的调试。四：在安装好的 电路板上进行闹钟功能的测试。在此次课程设计的编写过程中参考了多种电子设计资料如电子线路设计实验测试（第二版），数子电子技术基础 等。在编写此次课程设计的过程中由

3、于本人的水平有限，在设计 的过程中难免出现缺点和不足之处，还请老师批评和指正。31第一章：系统电路设计1.1系统总设计思路数字电子计时器原理框图如图（1.1）所示，电路 一般包括以下几个部分：振荡器、分频器、校时电路、 时分秒计数器、译码显示电路。1111mtm-分躺图1.1数字电子计时器原理框图对于各部分（1）振荡器用来产生相应频率的脉冲信号。（2）分频器用来对振荡器产生的信号进行分频，从而得到电子 计数器需要的1Hz秒脉冲。（3）为使数字钟走时与标准时间一致， 校时电路是必不可少的。设计中采用开关控制校时直接用秒脉冲先后对“时”“分”计数器进行校时操作。（4）计数电路，通过计数输出产生相应

4、的二进制码元， 再输入到译码器。（5）译码电路和显示器为一个整体。通过译码 器译码输 入到数码管，最终显示出来。1.2 设计方案选择1.2.1 振荡部分 方案一 晶体震振荡器电路采用石英晶体振荡器。 使用振荡频率为 32768Hz 的石英晶体 和反向器构成一个稳定性好、精度高的时间信号源。改变电容 C 可以对振荡器的频率进行微调， 再通过一个反相器， 输出 32768Hz 的方波，将此方波的频率进行 15 次二分频后， 在输出端刚好可得 到频率为1Hz的脉冲信号。方案二 555 振荡器电路振荡器是计时器的核心，其作用是产生一个标准频 率的脉冲信号。振荡频率的精度和稳定度决定了数字钟 的质量。采

5、用集成电路555定时器与RC组成的多谐振 荡器。（比较）秒信号发生器是数字电子钟的核心部分，它的精度和稳 度决定了数字钟的质量，但我们做实验考虑到用石音晶体振荡电 路时分频电路用的元件较多 且价格较贵，用 555构成的电路元件 容易得，电路简单且易于实现，故选方案二 。1.2.2 分频部分 方案一 CD4060 构成的分频电路 通常实现分频器的电路是计数器电路， 一般采用多级 2 进制计 数器来实现。CD4060在数字集成电路中可实现的分频次数最高，为14级2进制计数器而且CD4060还包含振荡电路所需的非门。方案二 74LS90 构成的分频电路74LS90是异步二一五一十进制加法计数器，它既

6、可以作二进 制加法计数器，又可以作五进制和十进制加法计数器。将CP2 和Q相连，计数脉冲由CR输入，Q、Q、Q、Q作为输出端，则构 成异步 8421 码十进制加法计数器。从而完成十分频。（比较）由于CD4060为2进制计数，要求精度比较高，在实际学 习中对74LS90的了解比CD4060的了解要深，所以采用 74LS90 来做分频电路，所以选方案二。1.2.3校时部分方案一慢校时将低压电源通过一个开关连接到校时电路，通过开关的接通 与断开产生高低电平，再通过部分逻辑门电路，从而得到所需要的 脉冲信号完成校时。方案二快校时将校时1Hz脉冲信号与开关控制的信号取反再输到一个与非 门，然后与另一个进

7、位脉冲信号同时输入到一个与非门，最后输 如到进位脉冲，只要开关接通，1Hz脉冲信号将连续输入到校时 电路，完成快校时。（比较）快校时电路由于脉冲源产生的 1Hz脉冲信号比较稳定， 实现方案相对简单，并且灵活易操作，选方案二。1.2.4译码驱动显示部分方案一译码器74LS48与共阴数码管电路共阴数码管的译码器应选用74LS48,译码后输出为高电平， 数码管的公共端接地，从而在数码管上将显示出相应的数字。 方案二共阳数码管电路共阳数码管的译码器应选用 74LS47,译码后输出为低电平， 数码管公共端接正电源，将在数码管上显示出相应数字。（比较）由于译码器74LS47在市面比较容易买到及多方面的原

8、因，所以选用74LS47,数码管用共阳数码管。综合上述方案的选择与比较，都选择方案二。主要是由于电 器元件的熟悉程度以及市场的供求关系。在方案二中，大部分的 电器元件我们较熟悉并且更容易获得。第二章单元电路设计2.1振荡器电路2.1.1 用555作振荡器采用集成电路555定时器与RC组成的多谐振荡器。输出的脉冲频率为 f=1（Rj+2 R2） C11 n 2 = 1KHz，周期T = 1 fS=1ms。取电阻为千欧级，电容 O.OluF到O.luF。若参数选择：Ri=F2=1Ok欧姆，C=47uF时，可以得到秒脉冲信号。虽 然直接得到了秒脉冲，但从计时精度的角度考虑，振荡器的振荡 频率越高，钟

9、表计时的精度就越高，所以一般不直接输出秒脉冲 信号。2.1.2芯片管脚图及功能表介绍(1)芯片管脚如图(2.1)8765VccC1TH CO5记定时器GNDTL OTTT R1234图2.1 555定时器管脚图(2)芯片功能表输 出输出阀值输入(V11)触发输入(V12)复位(Rd)输出(Vo)发电管TXX00导通2/3V cc2/3V cc1/3V cc10导通1/3V cc1不变不变表2.1 555定时器功能表2.1.3振荡器单元电路图图2.2 555定时器构成的振荡器电路工作原理接通电源Vcc后，V经电阻R和R对电容C冲电，其电压uc 按由0按指数规律上升。随着冲电达到饱和，电容 C开始

10、放电 uc随之下降。由于电容C上的电压uc将在2/3Vcc和1/3Vcc之间 来回冲电和放电，从而使电路产生了振荡，输出矩形脉冲。2.2分频器电路2.2.1 用74LS90作分频器通常实现分频器的电路是计数器电路，一般采用多级10进制计数器来实现。分频器的功能有两个：一是产生标准秒脉 冲信号；二是提供功能扩展电路所需的信号。选用中规模集成 电路74LS90可以完成以上功能。将3片74LS90级联，每片 为1/10分频，三片级联正好获得1Hz的标准秒脉冲。2.2.2芯片74LS90的管脚图及功能表介绍（1）芯片管脚如图（2.3）141312111098CPi NCQoQ3J ND Qi Qa74

11、L S90CP2 旳 Rop） NCVcc Ss（i） Ss1234567图2.374LS90管脚图（2）芯片功能介绍74LS90是异步二一五一十进制加法计数器，它既可以作二进 制加法计数器，又可以作五进制和十进制加法计数器。通过不同的连接方式，74LS90可以实现四种不同的逻辑功能； 而且还可借助R1）、F0（2）对计数器清零，借助S（1）、S9（2）将计 数器置9。其具体功能详述如下：1）计数脉冲从CR输入，Q作为输出端，为二进制计数器。2）计数脉冲从CP输入，QQQ作为输出端，为异步五进制加 法计数器。3）若将CP和Q相连，计数脉冲由 CR输入，Q、Q、Q、Q 作为输出端，则构成异步84

12、21码十进制加法计数器。4）若将CR与Q相连，计数脉冲由 CP2输入，Q、Q、Q、Q作为输出端，则构成异步5421码十进制加法计数器。5）清零、置9功能。a）异步清零当 R）（1）、R2）均为 “ 1”； S（1）、S9（2）中有 “0” 时，实现2.2.3 分频单元电路图异步清零功能，即QDQQQ= 0000。b)置9功能当 S(1)、02)均为 “ 1”； F0(1)、R)(2)中有 “0” 时，实现 置 9 功能，即 QQcQQa= 1001。(3)芯片功能表输入输出功能清0置9时钟QD QC QB QAR(1)、R(2)S(1)、S2)CRCP1 10xx0xx0 0 0 0清00xx

13、01 1xx10 0 1置90xx 01xx 0J 1Q输出二进制计数1JQDQCQB输出五进制计数JQQQQQBQ输出8421BCD码十进制计数QJQQQCQ输出5421BCD码十进制计数1 1不变保持表2.274LS90功能表图 2.4 三片 74LS90 构成的分频电路图 工作原理由振荡器产生的 1kHz 信号通过 U1，U2，U3 三次十分频后 得到1Hz的秒脉冲。即由U1的CPi输入十个脉冲后，从U1的 Q3输出一个脉冲，同样U2, U3也是，最后1kHz的信号就转变 成了我们所需要的1Hz的秒信号。2.3 校 时 电路2.3.1 校时电路的设计 当数字计时器接通电源或者计时出现误差

14、时， 需要校正时间 （或称校时）。校时是数字计时器应具备的基本功能。为使电路 简单。这里只进行分和小时的校对。对校时电路的要求是，在小时校正时不影响分和时不影响 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做校时脉冲， （图 2.5）为校 “时”，校“分”电路。其中 S1 为校“分”用的控制开关， S2 为校“时”用的控制开关。校时脉冲采用分频器输出的 1Hz 脉 冲，当 S1 或 S2 分别为“ 0”时可进行“快校时” 。秒的正常计 数；在分校正 本设计采用“快校时” 。需要注意的是，校

15、时电路是由与非门构成的组合逻辑电路， 可用芯片74LS00和74LS04实现。开关S1或S2为“ 0”或“ T 时，可能会产生抖动，接电容 C1, C2可以缓解抖动。2.3.2 芯片功能及管脚介绍（1 ）74LS00 管脚如图（ 2.5）14 13 12 1110 9 SVcc 4B 4A 4Y 3B 3A iY*4LS0C1A IB 丄Y 2A 2B2Y GNI)123467图2.5 74LS00管脚图(2) 芯片功能介绍74LS00为四二输入与非门，即Y AB 。当A=1 ,B=1 时 Y=0 ； A=1，B=0 时 Y=1 ； A=0，B=1 时 Y=1 ；A=0， B=0 时 Y=1。

16、(3) 芯片逻辑功能表输入输出ABY110101011001表2.374LS00功能表(4)74LS04 管脚如图(2.6)141312111098Vcc 6A 6Y 5A4A 4Y_4LS041A 1Y 2A 2Y 3A 3Y GNI)19*3467图2.6 74LS04管脚图(5)芯片功能介绍74LS04为六反相器，即丫二入。当A=0时，丫=1 ;当A=1 时，Y=0。(6)芯片逻辑功能表输入输出A丫0110表2.4 74LS04功能表2.3.3校时单元电路图图2.7 由74LS00和74LS04构成的校时电路工作原理当“ S1” “S2”由接通到断开或由断开到接通时可能会产生 抖动，接电

17、容“ Ci ”“C2”后可缓解抖动。取Ci=C2=0.01uF，分压电阻R等于3.3千 欧。开关S闭合后，电路开始校时。非门1的输出也为高电平； 所以非门b的输出只与校时脉冲有关。又由于与非门 a的输出也 为高电平，所以非门c的输出只与非门b的输出有关。因此与非 门c的输出与校时脉冲相同。开关S断开后，电路开始正常计时。非门1的输出为低电平， 所以与非门b的输出为高电平，因此与非门c的输出完全由与非 门a的输出决定；又与非门a的输入只与进位脉冲有关，所以电 路进行正常计时。2.4计数器电路2.4.1秒、分、时计数器设计秒脉冲信号经过6级计数器，分别得到 秒”个位，十位、分” 个位、十位、时”个

18、位，十位的计时，小时为24进制，秒分计数 器为60进制。（1）24进制计数电路：小时计数电路是由两片74LS90组成 的24进制计数电路，采用两片中规模集成电路 74LS90串联接 起来构成。当时”个位U8计数输入端CKA来到第10个触发信号时， U8计数器复零，进位端Q3向U9时”十位计数器输出进位信号， 当第24个时”脉冲到达时，U8计数器的状态为0100，U9计数 器的状态为0010,此时时”个位计数器的Q2和时”十位计数器的 Qi输出为1。把它们通过一个与非门送到 U8和U9计数器的清 零端R01和R02通过74LS90内部的R01和R02清零，计数器复位， 完成24进制计数。如图（2

19、.8）（2）60进制计数电路：秒计数器电路与分计数器电路都是 60进制，它由一级10进制计数器和一级6进制计数器连接构成， 采用两片中规模集成电路 74LS90和74LS92串联接起来构成的 秒、分计数器。74LS90计数器是十进制异步计数器，用反馈归零方法实现 十进制计数。Q3作为十进制的进位信号。74LS92计数器是十二（二 六）进制异步计数器，用反馈归零方法实现六进制计数， Q2作为六进制的进位信号。74LS90和74LS92都是在一秒时钟 或进位信号的下降沿翻转计数，所以当74LS90计到9且74LS92 计到5的时候再输入一个脉冲计数器全部归零。由次可见串联实 现了六十进制计数。如图

20、（2.9）2.4.2芯片74LS92的管脚图及功能表介绍。（1）芯片管脚如图（2.8）1413121110g3CP1 NCQuQi GNB Qa Qs74LS92CP NC NC NO Vcc Ro（i） Rjo123斗567图2.8 74LS92的管脚图(2)芯片功能介绍74LS92是异步二一六一十二进制加法计数器，它既可以 作二进制加法计数器，又可以作六进制和十二进制加法计数器。通过不同的连接方式，74LS92可以实现四种不同的逻辑功能； 而且还可借助R1)、F0(2)对计数器清零。其具体功能详述如下：(a) 计数脉冲从CR输入，Q作为输出端，为二进制计数器。(b) 计数脉冲从CP2输入，

21、QQQ作为输出端，为异步六进制加 法计数器。(c) 若将CP和Q相连，计数脉冲由 CR输入，Q、Q、Q、Q 作为输出端，则构成异步8421码十二进制加法计数器。(d) 清零功能。异步Y冃零当F0(1)、F0(2)均为“ 1”；时，实现异步清零功能，即QQQQ=0000。(3)芯片功能表输入输出功能清0时钟Q Q Q QR1)、F0(2)CR CP1 1XX0 0 0 0清00Xx0XX110 0置120xx 0;1Q输出二进制计数1 ;QQQ输出六进制计数JQ AQQQQ输出8421BC码十二进制计 数1 1不变保持表2.5 74LS92功能表2.4.3芯片74LS08管脚图及功能介绍(1)芯

22、片管脚如图(2.9 )14 13 12 11 10 98Vcc 4B 4A 4Y SB 3Y74LS081A IB 1Y 2A 2B 2YGND1234567图2.9 74LS08管脚图(2)芯片功能介绍芯片74LS08为四二输入与门，即 Y=AB。当A=1 , B=1时 Y=1 ;当 A=1，B=0 时 Y=0 ;当 A=0，B=1 时 Y=0 ;当 A=0，B=0 时 Y=0。（3） 芯片功能表输入输出ABY111100010000表2.6 74LS08功能表2.4.4 计数单元电路图（1）24进制计数4-J库Q予 Q? Qi Qo74LS90 U9Ro（i）R 9（i）Clii f二-Q

23、s Q2 Qi Qo74LS90 U8RoRgCPn CIJ j | f诂 丄蚀冲图2.10两片74LS90构成的24进制电路工作原理U8和U9都接成十进制计数器，当U9计到0010同时U8计到 0100时，即U9的Q和U8的Q2同为1再经一个与非门后连接到异 步置零端清零，从而完成24进制计数。（2）60进制计数图2.11 由74LS90和74LS92组成的60进制电路工作原理由于分和秒都是60进制，所以芯片90用U4.6表示，芯片 92用U5.7表示。接为十进制计数器芯片90与接为六进制的芯片92相串联就构成 了我们所需要的六十进制计数器。芯片 90用Q3向前进位，芯片92用Q2向前一计时

24、电路进位2.5译码驱动显示电路2.5.1译码驱动显示电路的设计六个74LS47集成电路构成数字电子计时器的七段数码显示 管显示译码/驱动器。74LS47七段显示译码器输出低电平有效， 将计数器输出的8421BCD码译成七段（a b、c、d、e、f、g） 输出，用以直接驱动LED七段数码显示对应的十进制数。六个LED七段数码显示管利用不同发光段组合的方式显示不 同数码，都采用+5V电源作为每段发光二极管的驱动电源。需要 发光的段为高电平，不发光的段为低电平。设计中采用共阳极数 码管，每段发光二极管的正向降压，随显示光的颜色有所不同， 通常约3V5V，点亮电流在510mA。六个LED七段数码显示

25、管分别显示秒个位、十位；分个位、十位；时个位、十位的计数 十进制数。2.5.2芯片74LS47和数码管的管脚图及功能表介绍（1）芯片管脚如图（2.12 ）16 15 14 13 12 11 10 9VccYf Ya Yb Y； Yi 兀74LS47BI/ B C LT RBO11 D A GND12345678图2.12 74LS47管脚图(2) 芯片功能介绍芯片通过A, B, C, D输入四位不同的8421BCD码, 将其翻译成16种不同的符号输出到显示器。(3) 芯片功能表十进制功能输入1I3输出DACBab gcdef010 00H0000001110 01H110011112001H1

26、0010010030000110001Hd14010H1100110005H1010010001061H111000007011H10001111001118100H1000000009H1000110010011H111100100H1110011011011010111110H101110020H10110100111031H111100001111H1111111140111151表2.774LS47译码输出功能表a1bgdJ数码管结构如图（2.13 ）1 1丁孔字型结构图2.13数码管字型结构图2.5.3译码驱动显示单元电路图VCGa b c d e f g74LS47D C E 女图

27、2.14 74LS47与数码管连接图工作原理译码器74LS47通过四个输入端A , B, C, D输入015 个不同的二进制码元，将其翻译成不同的高低电平组合，从 而在数码管上显示出相对应的16个不同的数字符号。本设计 最多只需00001001九个不同的二进制码元，所以数码管只 显示09九个数字。第三章仿真及测试3.1仿真平台3.1.1 Proteus 简介Proteus是目前最好的模拟单片机外围器件的工具。 可以仿真 51系列、AVR ,PIC等常用的MCU及其外围电路（如LCD , RAM， ROM，键盘，马达，LED，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器 件，）其实proteus与m

28、ultisim比较类似，只不过它可以仿真MCU !当然，软件仿真精度有限，而且不可能所有的器件都找得 到相应的仿真模型，用开发板和仿真器当然是最好选择，可是估 计初学者有的可能性比较小吧？如果你在 51 单片机，如果自己动 手做LCD，LED，AD/DA，直流马达，SPI, IIC，键盘，的小 实验的话，是可以做的很成功的!用51 不管是用汇编或是 C 编程 当 然 要 用 keil ， uvisoin3 有 不 少新 特 性 呢! 使 用 keil c51 v7.50 + proteus 6.7可以像使用仿真器一样调试程序， 一般 而言，微机实验中用万利仿真器 +电工系自己做的实验板的实验

29、都可以做得到! 当然，硬件实践还是必不可少的!Proteus与其它单片机仿真软件不同的是，它不仅能仿真单片 机 CPU 的工作情况，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与 的其它电路的工作情况。因此在仿真和程序调试时，关心的不再 是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容的改变，而是从工 程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。对于这样的 仿真实验，从某种意义上讲，是弥补了实验和工程应用间脱节的 矛盾和现象。3.1.2 仿真测试1启用Proteus,对于我们所需要测试的参数主要是分频电路 的三块74LS90的输出脉冲频率及脉冲稳定性。2.从元器件库中调出各种系列的芯片、电容、电感、电阻以 及示波器等我们所需要的各种元器件，元器件调出后，认真连接 各元件，对元器件的位置进行调整以求电路原理图美观简易，并 保存图，使布局比较合理。数字电子计时器的仿真原理图及仿真 结果如（图 3.13.4）所示。（见 21， 22页）注：仿真时一次分频， 二次分频，三次分频对应的时间档位分别为0.002S,0.02S,0.2S。又每个脉冲占 5格，所以对应的频率分别为 100Hz， 10Hz， 1Hz。Digital Os cil lose opeDC1