数电课程设计报告

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课程设计报告

设计题目：数字电子钟设计与实现

班级：学号：姓名：指导教师：设计时间：

摘要

数字时钟已成为人们日常生活中必不可少的必需品，广泛于个人家庭以及办公室等公共场所，给人们的生活、学习、工作、消遣带来了极大的便利。由于数字集成电路技术的发展采用了先进的三石英技术，使数字时钟具有走时确凿、性能稳定、携带便利等优点，它还用于计时、自动报时及自动控制等各个领域。尽管目前市场上已有现成的数字时钟电路芯片出售，价格低廉、使用也便利，但鉴于数字时钟电路的基本组成包含了数字电路的组成部分，因此进行数定时钟的设计是必要的。在这里我们将已学过的比较零散的数字电路的知识有机的、系统的联系起来用于实际，来增养我们的综合分析和设计电路的能力。

本次设计以数字时钟为主，实现对时、分、秒数字显示的计数器计时装置，周期为24小时，显示满为23时59分59秒并具４有校时功能的数电子时钟。电路主要采用中规模的集成电路，本电路主要脉冲产生模块、校时模块、两个六十进制模块（分、秒）、一个二十四进制模块（时）和一个报时规律电路组成。时、分、秒再通过BCD-7段译码显示屏显示出来。

3.2.2系统原理图及工作原理

系统具体电路连接状况如图2

GNDGNDCKCKCKCKCKCKU24ABCDEFGABCDEFGU25ABCDEFGU13ABCDEFGU15ABCDEFGU6ABCDEFGU84041424344454613121110915144748495051527613121110915145657585960616213121110915143165666768697091011121314151312111091514202322232425261312111091514OAOBOCODOEOFOG1312111091514OAOBOCODOEOFOG~LT~RBI~BI/RBO~LT~RBI~BI/RBO~LT~RBI~BI/RBO~LT~RBI~BI/RBO~LT~RBI~BI/RBOABCDABCDABCDABCD7126354ABCD71263547126ABCDU1274LS48NU1474LS48N71263547126354712653547255U16B7474LS08D6475631413121115354U3B7874LS08D16171887~LOAD~CLR35363432141312111537U21B74LS03N14131211151413121115QAQBQCQDQAQBQCQDQAQBQCQDRCORCORCOQAQBQCQD141312111514131211~LOAD~CLR~LOAD~CLR~LOAD~CLRQAQBQCQDRCOQAQBQCQDCLKCLKCLKENPENTENPENTENPENTENPENTCLKU20B2774LS08DU17AABCDABCDABCD710710710ABCD54RCO74LS160N710~LOAD~CLR~LOAD~CLR34569123456912345691234569121U274LS160NCLK15U18U1974LS160NU107374LS160NRCOU974LS160N354~LT~RBI~BI/RBOU2274LS48NU2374LS48NU574LS48NOAOBOCODOEOFOGU774LS48NOAOBOCODOEOFOGOAOBOCODOEOFOGOAOBOCODOEOFOGU174LS160NCLK2ENPENT300710VCC9VU26A9VVCC274LS21N710VCCU11BABCD34569123456U4BVCC674LS00D74LS00D09VVCC78J23J1U27ALTBAEQBAGTBB0A0B1A1765OALTBOAEQBOAGTBB2A2B3A32349101112141311574LS21D3877I2BIPOLAR_CURRENT092U28ALTBAEQBAGTB2349101112141311588Key=SpaceVCC29I1BIPOLAR_CURRENT0U34ALTBAEQBAGTBB0A0B1A1765OALTBOAEQBOAGTBB2A2B3A323491011121413115Key=Space8584U29OR283393381820765OALTBOAEQBOAGTBB0A0B1A1B2A2B3A380VCCU33ALTBAEQBAGTB2349101112141311596U32ALTBAEQBAGTB23491011121413115U31ALTBAEQBAGTB23491011121413115VCCR2100Ω04RSTDISTHRTRICON9V7485N7485N8VCCOUTU3038689765OALTBOAEQBOAGTBB0A0B1A1B2A2B3A39495765OALTBOAEQBOAGTBB0A0B1A1B2A2B3A3999798765OALTBOAEQBOAGTBB0A0B1A1B2A2B3A3LED279LED1VCCR1100Ω9V71R3100Ω7906257485N937485NVCC7485N7485NC1100nF0VCC91GND1C21nFLM555CN9VVCCVCC9VR4100Ω101C4100nF10274LS04DC3100nF10347691280ABCDVCCENPENTU35100U378VCCRSTDISTHRTRICONGND1OUT3BUZZER200Hz100ΩR519U36B25LM555CN0图2

3.3单元电路设计

3.3.1秒脉冲电路设计

VCCVCCR2100Ω4RSTDISTHRTRICONGND19V8VCCOUTU30371R3100Ω79062591C1100nF0VCC9VC21nFLM555CN

图3由555构成的多谐振荡器

电路图如图3所示，由555定时器、电容和电阻组成震荡电路，产生秒脉冲信号。它是数字电子钟的核心部分，它的精度和稳定度决定于数字中的质量。寻常晶体振荡器发出的脉冲经过整形、分频获得1Hz的秒脉冲。

555定时器与RC组成的系统接通电源后，电容C1被充电，vc上升，当vc上升到大于2/3VCC时，触发器被复位，放电管T导通，此时v0为低电平，电容C1通过R2和T放电，使vc下降。当vc下降到小于1/3VCC时，触发器被复位，v0翻转为高电平。电容器C1放电终止，所需时间为：T1=0.7R2C

当C1放电终止时，T截止，VCC将通过R1、R2向电容器C1充电，vc由1/3VCC上升到2/3VCC所需的时间为：

T2=0.7（R1+R2）C

当vc上升到2/3VCC时，触发器又被复位发生翻转，如此周而复始，在输出端就得到一个周期性的方波，其频率为：1.43/（R1+2R2）C

本设计中频率可通过以上公式计算出来，f=1Hz

3.3.2时、分、秒计数器电路

一般采用10进制计数器来实现时间计数单元计数功能，要实现这一要求，可选用的中规模集成计数器较多，这里我们选择使用74LS160。

图474LS160引脚图

假使采用反馈清零方式时在计数一遍后进入重新计数时时间间隔不是一个时间脉冲而是两个，会造成计数不准，例如十进制从0000—0001—0010—??1001—1010（此状态虽不会显示但已经出来）—0000。故现在采用反馈置数法实现，以十进制为例0000——0001——0010——??1001——0000（不会出现1010状态，故很准）其接法电路如图5图6。

秒信号经秒计数器、分计数器、时计数器之后。分别得到显示电路，以便实现用数字显示时、分、秒的要求。“秒〞和“分〞计数器应为六十进制，而“时〞计数器应为二十四进制。

图5两块74LS160构成的六十进制计数器

采用置数法74LS160的3、4、5、6引脚接地，低位的7、10、1引脚和高位1引脚接高电平，高位7、10引脚接低位15引脚。其14—11引脚接显示译码器的7、1、2、6引脚。

图6两块74LS160构成的二十四进制计数器

（1）六十进制计数器。它由两块中规模集成十进制计数器74LS160，一块组成十进制，另一块组成六进制。采用置数法时，当高位出现0101状态，低位为1001状态，即计到59（第60个脉冲），如图5所示六十进制计数器。

（2）二十四进制计数器。它由两块中规模集成十进制计数器74LS160构成。当高位出现0010状态，低位为0011状态，即计到第24个来自“分〞计数器的进位信号时，产生反馈置数信号，如图6所示为二十四进制计数器。

3.3.3校时电路

在刚接通电源或者时钟走时出现误差时，则需要进行时间的校准。因此，应截断时分的直接计数通路，并采用正常计数信号与校时信号可以切换的电路接入其中。故我们设计了对时、分、秒各自校时的电路。设计原理是：将74ls160的两个使能端接在一起后接到单刀双掷开关的公共端，再将进位端和高电平分别接到另外两端。当开关按下时接入高电平，反之便会接到进位端。

图7校时部分电路原理图

通过一个单刀双掷开关控制接入“时〞计数电路的脉冲信号。若要校时，将校时脉冲信号引入“时〞计数器，让其快速计数，在时计数器显示到需要的数字后再切掉校时信号，引入正常脉冲信号，完成校时功能。校分的原理和校时一样。

校时电路的连接状况如图8所示

图8校时电路连接

3.3.4译码显示电路

选用器件时应当注意译码器和显示器件相互协同。一是驱动功率要足够大，二是规律电平要匹配秒计数器、分计数器、和时计数器的计数分别输送给各自的显示译码器74LS48，在数送给各自的数码管，显示出时、分、秒的计时。电路如图9所示为计数、译码显示电路。

图9译码显示电路

图1074LS48引脚图

这里采用74LS48作为显示译码器，A0~A3接74LS160的QA~QD端3、4、5引脚都接高电平，9~15端接七段数码管。七段数码管引脚图如下图11（共阴极）

图11七段数码管引脚图

译码显示电路在仿真中的连接状况如图12

图12

3.3.5定时电路设计

每当数字时钟计时与所设定的时间一致时开始发出5s的响声，响声是从第1s开始到第6s,响声的频率一样，即所发出的声音是一样的没有变化。定时电路即规律见下图13。

图13定时响5s真值表

由卡诺图可以计算出定时响5s的规律，其规律电路连接见下图14

VCC100R4100Ω101C4100nF103C3100nF8VCC47625RSTDISTHRTRICONGND1OUT3U35U37BUZZER200Hz100ΩR5LM555CN0

图14响5s规律电路连接4.软件仿真

4.1仿真电路图

GNDGNDCKCKCKCKCKCKU24ABCDEFGABCDEFGU25ABCDEFGU13ABCDEFGU15ABCDEFGU6ABCDEFGU84041424344454613121110915144748495051527613121110915145657585960616213121110915143165666768697091011121314151312111091514202322232425261312111091514OAOBOCODOEOFOG1312111091514OAOBOCODOEOFOG~LT~RBI~BI/RBO~LT~RBI~BI/RBO~LT~RBI~BI/RBO~LT~RBI~BI/RBO~LT~RBI~BI/RBOABCDABCDABCDABCD7126354ABCD71263547126ABCDU1274LS48NU1474LS48N71263547126354712653547255U16B7474LS08D6475631413121115354U3B7874LS08D16171887~LOAD~CLR35363432141312111537U21B74LS03N14131211151413121115QAQBQCQDQAQBQCQDQAQBQCQDRCORCORCOQAQBQCQD141312111514131211~LOAD~CLR~LOAD~CLR~LOAD~CLRQAQBQCQDRCOQAQBQCQDCLKCLKCLKENPENTENPENTENPENTENPENTCLKU20B2774LS08DU17AABCDABCDABCD710710710ABCD54RCO74LS160N710~LOAD~CLR~LOAD~CLR34569123456912345691234569121U274LS160NCLK15U18U1974LS160NU107374LS160NRCOU974LS160N354~LT~RBI~BI/RBOU2274LS48NU2374LS48NU574LS48NOAOBOCODOEOFOGU774LS48NOAOBOCODOEOFOGOAOBOCODOEOFOGOAOBOCODOEOFOGU174LS160NCLK2ENPENT300710VCC9VU26A9VVCC274LS21N710VCCU11BABCD34569123456U4BVCC674LS00D74LS00D09VVCC78J23J1U27ALTBAEQBAGTBB0A0B1A1765OALTBOAEQBOAGTBB2A2B3A32349101112141311574LS21D3877I2BIPOLAR_CURRENT092U28ALTBAEQBAGTB2349101112141311588Key=SpaceVCC29I1BIPOLAR_CURRENT0U34ALTBAEQBAGTBB0A0B1A1765OALTBOAEQBOAGTBB2A2B3A323491011121413115Key=Space8584U29OR283393381820765OALTBOAEQBOAGTBB0A0B1A1B2A2B3A380VCCU33ALTBAEQBAGTB2349101112141311596U32ALTBAEQBAGTB23491011121413115U31ALTBAEQBAGTB23491011121413115VCCR2100Ω04RSTDISTHRTRICON9V7485N7485N8VCCOUTU3038689765OALTBOAEQBOAGTBB0A0B1A1B2A2B3A39495765OALTBOAEQBOAGTBB0A0B1A1B2A2B3A3999798765OALTBOAEQBOAGTBB0A0B1A1B2A2B3A3LED279LED1VCCR1100Ω9V71R3100Ω7906257485N937485NVCC7485N7485NC1100nF0VCC91GND1C21nFLM555CN9VVCCVCC9VR4100Ω101C4100nF10274LS04DC3100nF10347691280ABCDVCCENPENTU35100U378VCCRSTDISTHRTRICONGND1OUT3BUZZER200Hz100ΩR519U36B25LM555CN0

4.2仿真过程

按下仿真开始开关，观测时钟是