1、電子技術(shù)課程設計報告多功能數(shù)字鐘電路設計上海大學機自學院自動化系電氣工程及其自動化姓名:*學號:*指導老師:徐昱琳201*年*月*日目錄一,設計課題 (1二,用途 (1三,設計任務和要求 (13.1設計任務指標 (13.2設計要求 (1四,電路構(gòu)成分析 (14.1秒脈沖產(chǎn)生電路 (24.1.1晶體振蕩電路 (34.1.2分頻電路 (34.2計數(shù)器電路 (44.2.1六十進制計數(shù)電路 (44.2.2二十四進制計數(shù)電路 (54.3譯碼顯示電路 (64.3.1.CD4511譯碼器 (64.3.2小時譯碼顯示電路 (64.4校時、校分電路 (74.5整點報時電路 (84.6鬧鐘電路 (8五,總電路 (

2、9六,電路仿真 (106.1初始狀態(tài) (106.2校時、校分功能 (116.3滿六十進位 (11七,總結(jié) (12一,設計課題多功能數(shù)字鐘電路設計二,用途數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術(shù)實現(xiàn)時、分、秒計時的鐘表。與機械鐘相比具有更高的準確性和直觀性,具有更長的使用壽命,已得到廣泛的使用。數(shù)字鐘實際上是一個對標準頻率(1HZ進行計數(shù)的計數(shù)電路。由于計數(shù)的起始時間不可能與標準時間(如北京時間一致,故需要在電路上加一個校時電路,同時標準的1HZ時間信號必須做到準確穩(wěn)定,通常使用石英晶體振蕩器電路構(gòu)成數(shù)字鐘。三,設計任務和要求3.1設計任務指標1,時間以24小時為一個周期;2,數(shù)值顯示時、分、秒;3,有校時功

3、能,可以分別對時及分進行單獨校時,使其校正到標準時間;4,具有整點報時功能,當時間到達整點前5秒進行蜂鳴報時;5,具有鬧鐘功能,當時間到達預設的時間進行蜂鳴鬧鈴;6,為了保證計時的穩(wěn)定及準確須由石英晶體振蕩器提供時間基準信號。3.2設計要求利用中規(guī)模數(shù)字集成器件設計、實現(xiàn)所需電路,并在Multisim,Pspice或其它EDA軟件上對功能電路進行仿真、調(diào)試和完善。(本次設計采用Multisim軟件四,電路構(gòu)成分析數(shù)字式計時器應由秒發(fā)生裝置、計秒,計分,計時部分、時間顯示部分、時間校正和鬧鐘報時等幾部分組成。所涉及的電子器件主要有振蕩器、加法計數(shù)器、譯碼器、顯示器、寄存器、比較器等。其中,振蕩器

4、組成標準秒信號發(fā)生器;由不同進制的計數(shù)器、譯碼器和顯示器組成計時,顯示系統(tǒng);寄存器和比較器構(gòu)成定點報時系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)原理圖如下: 4.1秒脈沖產(chǎn)生電路秒脈沖產(chǎn)生電路的功能是產(chǎn)生標準脈沖信號,提供整點報時所需要的頻率信號。主要由振蕩器和分頻器組成。振蕩器是計數(shù)器的核心,振蕩器的穩(wěn)定度和頻率的精準度決定了計時器的準確度,本次設計采用石英晶體振蕩電路。石英晶體振蕩器具有頻率準確、振蕩穩(wěn)定、溫度系數(shù)小的特點。通常用晶體振蕩器發(fā)出的脈沖經(jīng)過整形、分頻獲得1Hz 的脈沖輸出,電路如下圖: 圖2圖1數(shù)字鐘基本原理框圖4.1.1晶體振蕩電路電路通過CMOS非門構(gòu)成的輸出為方波的數(shù)字式晶體振蕩電路,該電路中CMO

5、S非門U1與晶體、電容和電阻構(gòu)成的晶體振蕩器電路,U2實現(xiàn)整形功能,將輸出的近似于正弦波的波形轉(zhuǎn)換為較為理想的方波。輸出反饋電阻R1為非門提供偏置,使電路工作于放大區(qū)。電容C1,C2與晶體構(gòu)成一個諧振型網(wǎng)絡,完成對振蕩頻率的控制功能,同時提供180°相移,從而和非門構(gòu)成一個正反饋網(wǎng)絡,實現(xiàn)振蕩器功能。 圖34.1.2分頻電路一般采用多級2進制計數(shù)器來實現(xiàn)分頻,本設計將32768Hz的振蕩信號分頻為1Hz的分頻倍數(shù)為32768(215,即需15級二進制計數(shù)器,常用的二進制計數(shù)器有74HC74等等。本設計中采用CD4060輸入端串接非門來構(gòu)成分頻電路。 圖4 圖54.2計數(shù)器電路由秒計數(shù)

6、器、分計數(shù)器和時計數(shù)器串接而成。秒脈沖信號將經(jīng)過6級計數(shù)器,分別得到秒個位、秒十位、分個位、分十位、時個位、時十位的計時。為此需要6片中規(guī)模計數(shù)器。秒、分計數(shù)器都是六十進制(10*6,時計數(shù)器為二十四進制,用74160來實現(xiàn)。(反饋清零法4.2.1六十進制計數(shù)電路秒計數(shù)器和分計數(shù)器各由一個十進制計數(shù)器(個位和一個六進制計數(shù)器(十位串組成,形成兩個六十進制計數(shù)器,其中個位計數(shù)器接成十進制形式。十位計數(shù)器懸著QB和QC端做反饋端,經(jīng)與非門輸出至控制清零端CLR,接成六進制計數(shù)形式(計數(shù)至0110時清零。個位與十位計數(shù)器之間采用同步級聯(lián)復位方式,將個位計數(shù)器的進位輸出端ROC接至十位計數(shù)器的時鐘信號

7、輸入端CLK,完成個位對十位計數(shù)器的進位控制。將十位計數(shù)器的反饋清零信號經(jīng)非門輸出,作為六十進制的進位輸出脈沖信號,即當計數(shù)器至60時,反饋清零的低電平信號輸入CLR端,同時經(jīng)非門變?yōu)楦唠娖?在同步級聯(lián)方式下,控制高位計數(shù)器的計數(shù)。創(chuàng)建如圖3所示的電路,IO1IO4是個位數(shù)碼管的顯示輸出端,IO5-Io8是十位數(shù)碼管的顯示輸出端,IO9接電源,給兩個芯片的使能端提供高電平,IO10在此電路作為秒計數(shù)電路時接秒信號產(chǎn)生電路,作為分計數(shù)電路時接秒計數(shù)電路提供過來的進位信號(即接至秒計數(shù)器的CLR端。IO11作為低位計數(shù)器的進位輸出,與高位計數(shù)器的時鐘信號端相連。 圖64.2.2二十四進制計數(shù)電路創(chuàng)

8、建如下圖所示的電路,I O1I O4是個位數(shù)碼管的顯示輸出端,I O5I O8時十位數(shù)碼管的顯示輸出端,I O9接電源,給兩個芯片的使能端提供高電平,I O10接分計數(shù)電路提供過來的進位信號(即接至分計數(shù)器的CLR端。分計數(shù)器需要的是一個二十四進制轉(zhuǎn)換的遞增計數(shù)電路。個位和十位數(shù)均連接成十進制計數(shù)形式,采用同步級聯(lián)復位方式。將個位計數(shù)器的進位輸出端RCO 接至十位計數(shù)器的時鐘信號輸入端CLK,完成個位對十位計數(shù)器的進位控制。完成二十四進制,十位計數(shù)器的輸出端Q B和個位計數(shù)器的輸出端Q C通過與非門控制兩片計數(shù)器的清零端CLR,當計數(shù)器的輸出狀態(tài)為00100100時立即反饋清零,從而實現(xiàn)二十四

9、進制遞增計數(shù)。 圖74.3譯碼顯示電路4.3.1.CD4511譯碼器使數(shù)碼管能顯示十進制數(shù),經(jīng)譯碼器譯出,然后經(jīng)驅(qū)動器點亮對應段。 圖84.3.2小時譯碼顯示電路把4511譯碼器的數(shù)據(jù)與74160計數(shù)器的輸出端相連,分和秒顯示譯碼器也是如此。 圖94.4校時、校分電路校對時間一般在選定的準確時間到來之前進行的,可分為四個步驟:首先把時計數(shù)器置到所需的數(shù)字;然后再將分計數(shù)器置到所需的數(shù)字;與此同時或之后應將秒計數(shù)器清零,時鐘暫停計數(shù),處于等待啟動階段;當選定的標準時刻到達的瞬間,按啟動按鈕,電路則從所預置時間開始計數(shù)。由此可知,校時、校分電路應具有預置小時、預置分、等待啟動、計時四個階段。在設計

10、電路時既要方便可靠地實現(xiàn)校時校分的功能,又不能影響時鐘的正常計時,通常采用邏輯門切換。當Q=1時,輸入的預置信號可以傳到時計數(shù)器的CLK端,進行校時工作,二分進位信號被封鎖。例如,校時電路原理示意圖如圖所示。當Q=0時,分進位信號可以傳到時計數(shù)器的CLK端,進行計時工作,而輸入的預置信號分進位信號被封鎖。校分電路也仿照此進行。 圖10當然上訴方法比較精確,也比較復雜,在精確要求不高時,也可以采用另一種方法.只需使用兩個雙向選擇開關(guān)將秒脈沖直接引入時計數(shù)器和分計數(shù)器即可實現(xiàn)功能。此時,低位計數(shù)器的進位信號輸出端需要通過雙向選擇開關(guān)的其中一選擇接至高位計數(shù)器的時鐘信號端,開關(guān)的另一選擇端接至秒脈沖

11、信號。當日常顯示時間時,開關(guān)撥向低位計數(shù)器的進位信號輸出端;調(diào)時調(diào)分時撥向秒脈沖信號,這樣可使計數(shù)器自動跳至所需校對的時間。4.5整點報時電路 圖114.6鬧鐘電路在指定的時間發(fā)出信號,或驅(qū)動音響電路“鬧時”;或?qū)δ逞b置的電源進行接通或斷開“控制”。不管是鬧時還是控制,都要求時間準確,即信號的開始時刻與持續(xù)時間必須滿足規(guī)定的要求。例如:要求上午6:30發(fā)出鬧時信號,6:30對應的時個位狀態(tài)為:0110,分十位對應的狀態(tài)為:0011。將上述計數(shù)器輸出為1的所有輸出端經(jīng)過與門電路去控制蜂鳴器,可以使蜂鳴器電路正好在6:30響持續(xù)1分鐘后停響,也可以通過開關(guān)自己關(guān)閉聲響。 圖12定時 圖13比較五,

12、總電路 圖14 六,電路仿真6.1初始狀態(tài) 圖156.2校時、校分功能控制K1/K2兩個開關(guān)將秒脈沖信號直接引入時、分,從而實現(xiàn)校時,校分功能。 圖166.3滿六十進位秒 分: 圖17 圖18分 時: 圖19七,總結(jié)雖然是這學期才學的數(shù)電,但我仍然對數(shù)電設計感到巨大的壓力。從看到設計任務要求時的手足無措到慢慢著手查閱資料,舉步維艱的一點點設計確實經(jīng)歷了相當長一段時間。這也讓我明白了,像這種電路設計的課程實踐死相當重要的環(huán)節(jié),光是看著原理和電路圖是沒用的,一定要親手使用Multism軟件仿真和親手連過線,才能真正體會到其中的原理以及實踐中可能出現(xiàn)的問題,從而去想辦法解決,也能更深入的去理解電路的

13、實質(zhì)。通過這個設計,加強了自己對電路的調(diào)試能力,學到了更多關(guān)于改錯的技能,犯錯時難免的,但更重要的是要懂得如何去改正并且做出改進。因為之前從未使用過軟件Multisim,所以在這款軟件的使用中我面臨了相當多的問題。首先是元件找不到,因為軟件是英文版,元件名看不懂,也不知道在哪個元件庫中,所以一開始只有百度所需元件的位置,實在是苦不堪言。而且,在仿真過程中我也遇到許多困難,所幸通過自己的努力和同學的幫助都一一克服了。首先,連接電路圖過程中,數(shù)碼管不能顯示,后經(jīng)圖形放大后才發(fā)現(xiàn)是電路斷路了。其次,布局的時候因元件比較多,整體布局比較困難,因子電路不如原電路直觀,最后在不斷努力下,終于不用子電路布好整個電路。經(jīng)過這次Multisim的仿真設計,我得到了一下收獲:、利用網(wǎng)絡這個信息匯集的領(lǐng)域,通過檢索、閱讀,提高自己閱讀文獻的本領(lǐng);、在仿真過程中對芯片工作