1、-. z*理工大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書1課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生：耿澤浩專業(yè)班級(jí)：通信1305班指導(dǎo)教師：政穎工作單位：信息工程學(xué)院題目:多功能數(shù)字鐘電路設(shè)計(jì)初始條件：本設(shè)計(jì)既可以使用集成譯碼器、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器、脈沖發(fā)生器和必要的門電路等，也可以使用單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)建多功能數(shù)字鐘。用數(shù)碼管顯示時(shí)間計(jì)數(shù)值。要求完成的主要任務(wù): 根本功能：1、準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，以數(shù)字形式顯示時(shí)、分、秒的時(shí)間；2、小時(shí)得計(jì)時(shí)為十二進(jìn)制或二十四進(jìn)制，分和秒的計(jì)時(shí)要求為60進(jìn)制；3、校正時(shí)間。擴(kuò)展功能：1、定時(shí)功能；2、整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能；3、仿播送電臺(tái)整點(diǎn)報(bào)時(shí)。時(shí)間安排：1、2015年7月2日，做課設(shè)具體實(shí)施方案與課程設(shè)計(jì)報(bào)告格式的要

2、求說明。2、2015年7月2日至2015年7月5日，查閱相關(guān)資料，確定方案，仿真調(diào)試。3、2015年7月5日至2015年7月8日，焊接實(shí)物，電路調(diào)試和設(shè)計(jì)說明書撰寫。4、2015年7月9日上交課程設(shè)計(jì)成果及報(bào)告，同時(shí)進(jìn)展辯論。課設(shè)答疑地點(diǎn)：鑒主十七樓七號(hào)實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)教師簽名：年月日系主任或責(zé)任教師簽名：年月日-. z目錄TOC o 1-4 h u HYPERLINK l _Toc207 摘要 PAGEREF _Toc207 1 HYPERLINK l _Toc17303 Abstract PAGEREF _Toc17303 1 HYPERLINK l _Toc10569 1 系統(tǒng)原理框圖 PAG

3、EREF _Toc10569 1 HYPERLINK l _Toc31746 2 方案設(shè)計(jì)與論證 PAGEREF _Toc31746 1 HYPERLINK l _Toc3735 2.1 振蕩器 PAGEREF _Toc3735 1 HYPERLINK l _Toc13318 2.2 分頻器 PAGEREF _Toc13318 1 HYPERLINK l _Toc29664 2.3 時(shí)分秒計(jì)數(shù)器 PAGEREF _Toc29664 1 HYPERLINK l _Toc3281 2.4 校時(shí)電路 PAGEREF _Toc3281 1 HYPERLINK l _Toc15791 2.5 定時(shí)控制電

4、路 PAGEREF _Toc15791 1 HYPERLINK l _Toc26737 3 單元電路的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc26737 1 HYPERLINK l _Toc24263 3.1 譯碼及驅(qū)動(dòng)顯示電路的設(shè)計(jì)： PAGEREF _Toc24263 1 HYPERLINK l _Toc14450 3.2 時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc14450 1 HYPERLINK l _Toc29274 3.3 時(shí)鐘脈沖電路的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc29274 1 HYPERLINK l _Toc12143 3.4 校時(shí)電路的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc12143 1 HY

5、PERLINK l _Toc11831 3.5 鬧鐘電路的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc11831 1 HYPERLINK l _Toc30265 3.6 報(bào)時(shí)電路的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc30265 1 HYPERLINK l _Toc24018 4 仿真結(jié)果及分析 PAGEREF _Toc24018 1 HYPERLINK l _Toc541 4.1 仿真結(jié)果 PAGEREF _Toc541 1 HYPERLINK l _Toc30248 4.2 仿真結(jié)果分析 PAGEREF _Toc30248 1 HYPERLINK l _Toc24755 4.2.1 時(shí)鐘脈沖仿真結(jié)果 PAGER

6、EF _Toc24755 1 HYPERLINK l _Toc20668 4.2.2 時(shí)鐘電路和校時(shí)電路仿真 PAGEREF _Toc20668 1 HYPERLINK l _Toc9879 4.2.3 鬧鐘電路及報(bào)時(shí)電路仿真 PAGEREF _Toc9879 1 HYPERLINK l _Toc6573 5 實(shí)物焊接及調(diào)試 PAGEREF _Toc6573 1 HYPERLINK l _Toc2218 6 收獲及體會(huì) PAGEREF _Toc2218 1 HYPERLINK l _Toc15991 7 元件清單 PAGEREF _Toc15991 1 HYPERLINK l _Toc5368

7、 8 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc5368 1-. z摘要數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)的裝置與機(jī)械式時(shí)鐘相比具有更高的準(zhǔn)確性和直觀性、且無機(jī)械裝置、具有更長的使用壽命。因此得到了更加廣泛的使用。數(shù)字鐘從原理上講是一種典型的數(shù)字電路，其中包括了組合邏輯和時(shí)序電路。數(shù)字式鬧鐘是一種用數(shù)字電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)的裝置，與機(jī)械式時(shí)鐘相比具有更高的準(zhǔn)確性和直觀性，且無機(jī)械裝置，具有更更長的使用壽命，因此得到了廣泛的使用。數(shù)字式鬧鐘從原理上講是一種典型的數(shù)字電路，其中包括了組合邏輯電路和時(shí)序電路。目前，數(shù)字式鬧鐘的功能越來越強(qiáng)，并且有多種專門的大規(guī)模集成電路可供選擇。數(shù)字式鬧鐘適

8、用于自動(dòng)打鈴、自動(dòng)播送，也適用于節(jié)電、節(jié)水及自動(dòng)控制多路電器設(shè)備。關(guān)鍵詞：數(shù)字式鬧鐘；組合邏輯電路；時(shí)序邏輯電路。AbstractDigital clock is a kind of when using a digital circuit technology, minutes and seconds timer device has higher accuracy pared with the mechanical clock and intuitive, and no mechanical device, has a longer service life. So has been mo

9、re widely used. Digital clock in principle is a typical digital circuit, including the binational logic and sequential circuits. Digital alarm clock is a kind of when using a digital circuit technology, minutes and seconds timing device, has higher accuracy pared with the mechanical clock and intuit

10、ive, and no mechanical device, has a longer service life, therefore has been widely used. Digital clock in principle is a typical digital circuit, including the assembly logic circuit and sequential circuits. At present, the digital alarm clock function is stronger and stronger, and there are a vari

11、ety of special selection of large scale integrated circuit. Digital alarm clock is suitable for automatic ringing the bell, automatic radio, can also be applied to electricity saving, water saving and automatic control multi-channel electrical equipment. Keywords: digital alarm clock; binational log

12、ic circuit; Temporal logic circuit. 多功能數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)原理框圖時(shí)電路個(gè)位分電路十位分電路個(gè)位秒電路十位秒電路個(gè)位時(shí)鐘脈沖分電路校時(shí)時(shí)電路校時(shí)鬧鐘比擬器鬧鐘比擬器鬧鐘比擬器時(shí)電路十位鬧鐘比擬器揚(yáng)聲器電路圖1 系統(tǒng)原理框圖方案設(shè)計(jì)與論證振蕩器方案一：振蕩器的頻率越高，計(jì)時(shí)精度越高。通常選用石英晶體構(gòu)成振蕩器電路如圖2。石英晶體振蕩器的作用是產(chǎn)生時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，因此一般采用石英晶體振蕩器經(jīng)過分頻得到這一時(shí)間脈沖。圖2 石英晶體振蕩器如果精度要求不高也可以采用由集成邏輯門與R、C組成的時(shí)鐘源振蕩器或由集成電路定時(shí)器555與R、C組成的多諧振蕩器。方案二:定時(shí)

13、器555與RC組成的多諧振蕩器作為時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源。圖3 555振蕩器綜上分析，選擇方案二，用555組成的脈沖產(chǎn)生電路作為信號(hào)源，他工作穩(wěn)定而且誤差較小，在本次課設(shè)中可以較好的滿足要求。分頻器分頻器的功能主要有兩個(gè)：一是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)二是提供功能擴(kuò)展電路所需要的信號(hào)，如仿電臺(tái)報(bào)時(shí)用的1KHz的高音頻信號(hào)和500KHz的低音頻信號(hào)等。因此，可以選用3片我們較熟悉的中規(guī)模集成電路計(jì)數(shù)器74LS90可以完成上述功能。因每片為1/10分頻，3片級(jí)聯(lián)則可獲得所需要的頻率信號(hào)，即每1片Q0端輸出頻率為500Hz,每2片Q3輸出為10Hz，每3片的Q3端輸出1Hz。時(shí)分秒計(jì)數(shù)器一般采用10進(jìn)制計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)時(shí)

14、間計(jì)數(shù)單元的計(jì)數(shù)功能。為減少器件使用數(shù)量，可選74LS90，其部邏輯框圖如圖4所示。該器件為雙2-5-10異步計(jì)數(shù)器，并且每一計(jì)數(shù)器均提供一個(gè)異步清零端高電平有效。圖4 74LS90內(nèi)部邏輯圖秒個(gè)位計(jì)數(shù)單元為10進(jìn)制計(jì)數(shù)器，無需進(jìn)制轉(zhuǎn)換，只需將0與1下降沿有效相連即可。0下降沿有效與1Hz秒輸入信號(hào)相連，可作為向上的進(jìn)位信號(hào)與十位計(jì)數(shù)單元的0相連。秒十位計(jì)數(shù)單元為6進(jìn)制計(jì)數(shù)器，需要進(jìn)制轉(zhuǎn)換,可以利用74LS90的有兩個(gè)清零端的特點(diǎn)，在不用門電路的情況下實(shí)現(xiàn)10進(jìn)制轉(zhuǎn)6進(jìn)制，具體電路見下面設(shè)計(jì)圖。分個(gè)位和分十位計(jì)數(shù)單元電路構(gòu)造分別與秒個(gè)位和秒十位計(jì)數(shù)單元完全一樣。時(shí)計(jì)數(shù)單元電路是一個(gè)24翻1的特

15、殊進(jìn)制計(jì)數(shù)器，即當(dāng)數(shù)字鐘運(yùn)行到23時(shí)59分59秒，秒的個(gè)位計(jì)數(shù)器再輸入一個(gè)脈沖時(shí)，數(shù)字鐘應(yīng)自動(dòng)顯示00時(shí)00分00秒，實(shí)現(xiàn)日常生活習(xí)慣用的計(jì)時(shí)規(guī)律。校時(shí)電路方案一：通常，校正時(shí)間的方法是：首先截?cái)嗾５挠?jì)數(shù)通路，然后再進(jìn)展人工出觸發(fā)計(jì)數(shù)或?qū)㈩l率較高的方波信號(hào)加到需要校正的計(jì)數(shù)單元的輸入端，校正好后，再轉(zhuǎn)入正常計(jì)時(shí)狀態(tài)即可。根據(jù)要求，數(shù)字鐘應(yīng)具有分校正和時(shí)校正功能，因此，應(yīng)截?cái)喾謧€(gè)位和時(shí)個(gè)位的直接計(jì)數(shù)通路，并采用正常計(jì)時(shí)信號(hào)與校正信號(hào)可以隨時(shí)切換的電路接入其中。圖5所示為所設(shè)計(jì)的校時(shí)電路。圖5校時(shí)電路1方案二：校時(shí)電路是有與非構(gòu)成的組合邏輯電路，開關(guān)S1或S2為0或1時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，接電容C

16、1、C2可以緩解抖動(dòng)。圖6 校時(shí)電路2定時(shí)控制電路方案一：例要求上午7時(shí)59分發(fā)出鬧時(shí)信號(hào)，持續(xù)時(shí)間1分鐘。解7時(shí)59分對(duì)應(yīng)數(shù)字鐘的時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)器的狀態(tài)為(Q3Q2Q1Q0)H1=0111,分十位計(jì)數(shù)器的狀態(tài)為Q3Q2Q1Q0M2=0101，分個(gè)位計(jì)數(shù)器的狀態(tài)為Q3Q2Q1Q0M1=1001。假設(shè)將上述計(jì)數(shù)器輸出為1的所有輸出端經(jīng)過與門電路去控制音響電路，可以使音響電路正好在7點(diǎn)59分響，持續(xù)1分鐘后即8點(diǎn)時(shí)停響。所以鬧時(shí)控制信號(hào)Z的表達(dá)式為1.1式中，M為上午的信號(hào)輸出，要求M=1。如果有與非門實(shí)現(xiàn)式1.1所表示的邏輯功能，則可以將Z進(jìn)展布爾代數(shù)變換，即1.2實(shí)現(xiàn)上式的邏輯電路如圖6所示，其中

17、74LS20位四輸入2與非門，74LS03為集電極開路OC門的2輸入4與非門，因OC門的輸出端可以進(jìn)展線與,使用時(shí)在它們的輸出端與電源+5V端之間應(yīng)接一電阻Rp,Rp的值通過計(jì)算，取RL=3.3k歐姆。如果控制1kHz高音和驅(qū)動(dòng)音響電路的兩級(jí)與非也采用OC門，則Pp的值應(yīng)重新計(jì)算。圖7 鬧時(shí)電路方案二利用數(shù)字電子技術(shù)根底中的所學(xué)過得知識(shí)，4片4位數(shù)值比擬器74LS85串聯(lián)比擬時(shí)、分的十位個(gè)位，當(dāng)時(shí)間到達(dá)與所定時(shí)的時(shí)間一樣時(shí)，即A=B時(shí)，輸出高電平，從而驅(qū)動(dòng)音響電路。綜上所述，方案二利用4片數(shù)值比擬器74LS85芯片串聯(lián)法時(shí)，可以很方便的定時(shí)。而且思路很簡(jiǎn)單，易實(shí)施。單元電路的設(shè)計(jì)譯碼及驅(qū)動(dòng)顯示

18、電路的設(shè)計(jì)：電路由數(shù)碼顯示管和譯碼器組成。譯碼器選擇CD4511，其中a b c d 為 BCD 碼輸入，a為最低位。LT為燈測(cè)試端，加高電平時(shí)，顯示器正常顯示，加低電平時(shí)，顯示器一直顯示數(shù)碼8，各筆段都被點(diǎn)亮，以檢查顯示器是否有故障。ag是 7 段輸出，可驅(qū)動(dòng)共陰LED數(shù)碼管。芯片引腳圖及功能表如圖：圖9 CD4511功能圖圖8 CD4511管腳圖電路由秒、分、時(shí)三局部單元電路構(gòu)成，全部采用兩塊74LS90芯片進(jìn)展級(jí)聯(lián)擴(kuò)展。利用異步清零法，得到秒和分六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器以及時(shí)二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器。芯片由下降沿觸發(fā)，通過反應(yīng)可實(shí)現(xiàn)清零狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)循環(huán)。芯片引腳圖以及功能表如下：圖11 74LS90管腳圖圖

19、10 74LS90功能圖時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)狀態(tài)起始時(shí)，由R01、R02直接進(jìn)入清零狀態(tài)，當(dāng)R91、R92均置0時(shí)，在CP脈沖信號(hào)作用下，電路開場(chǎng)進(jìn)入計(jì)數(shù)狀態(tài)。秒和分電路個(gè)位為十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，可09循環(huán)，當(dāng)個(gè)位循環(huán)一次，取其高位QD連接CPA，在下降沿作用下，實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制進(jìn)位操作。秒和分電路十位為六進(jìn)制計(jì)數(shù)器，可05循環(huán)。循環(huán)一次后利用下一狀態(tài)的暫態(tài)控制R01、R02使電路實(shí)現(xiàn)清零操作。時(shí)電路為二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)，利用同樣思路實(shí)現(xiàn)。將秒和分電路的十位QC端接下一電路的個(gè)位CPA端可實(shí)現(xiàn)電路之間的進(jìn)位操作。電路完成一次大循環(huán)，數(shù)碼管顯示23：59：59，時(shí)電路反應(yīng)控制R01、R02使?fàn)顟B(tài)回到起始00：00：0

20、0。時(shí)鐘電路原理圖如下：圖12時(shí)鐘電路時(shí)鐘脈沖電路的設(shè)計(jì)時(shí)鐘脈沖電路由LM555和74LS90芯片組成。下面分別是555的部邏輯圖、管腳圖和功能表。圖13 555內(nèi)部邏輯圖圖14 555管腳圖圖15 555功能表圖16 時(shí)鐘脈沖電路脈沖電路選擇由LM555組成的多諧振蕩器發(fā)出1Khz脈沖，再經(jīng)過由計(jì)數(shù)器74LS90組成的分頻器，分出1hz脈沖。電路如下：分頻器的功能主要有兩個(gè)：一是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)；二是提供功能擴(kuò)展電路所需的信號(hào)。分頻電路由3個(gè)74LS90計(jì)數(shù)器進(jìn)展三次分頻。7490是二五十進(jìn)制異步計(jì)數(shù)器，將計(jì)數(shù)器組合成為十進(jìn)制輸出計(jì)數(shù)器，只需將CP1與Q0接，以CP0做輸入，則Q3為十進(jìn)制

21、輸出。電路原理圖(如圖16)1khz脈沖由第一塊芯片的INA輸入，1hz脈沖由第三塊芯片的QD輸出。校時(shí)電路的設(shè)計(jì)當(dāng)數(shù)字鐘接通電源或者計(jì)時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí)，需要校正時(shí)間。校時(shí)是數(shù)字鐘應(yīng)具有的根本功能。對(duì)校時(shí)電路的要，在小時(shí)校正事不影響分和秒的正常計(jì)數(shù)；在分校正時(shí)不影響秒和小時(shí)的正常計(jì)數(shù)。校時(shí)電路由開關(guān)控制，使計(jì)數(shù)器對(duì)1Hz的校時(shí)脈沖計(jì)數(shù)。電路圖如下：圖17 校時(shí)電路其中，A端輸入1Hz標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖，D、E端分別接入分和秒電路的十位進(jìn)位脈沖，C、B接至?xí)r和分的個(gè)位計(jì)數(shù)器端。電路S2為校分用的控制開關(guān)，S1為校時(shí)用的控制開關(guān)。閉合開關(guān)進(jìn)展校時(shí)。鬧鐘電路的設(shè)計(jì)鬧鐘電路采用四個(gè)74LS85數(shù)據(jù)選擇芯片串聯(lián)。

22、數(shù)值比擬器就是對(duì)兩數(shù)A、B進(jìn)展比擬，以判斷其大小的邏輯電路。比擬結(jié)果有AB、AB、IAB和IA=B是它們的比擬結(jié)果。設(shè)置低位數(shù)比擬結(jié)果輸入端是為了能與其他數(shù)值比擬器連接，以便組成位數(shù)更多的數(shù)值比擬器。本電路將時(shí)和分電路的四個(gè)輸出端從高到低接到85芯片的A0A1A2A3，芯片的B0B1B2B3端接至四位撥碼開關(guān)。利用撥碼開關(guān)的四位上下電平輸入組成一個(gè)十六進(jìn)制的控制端。四個(gè)85芯片采用級(jí)聯(lián)形式，當(dāng)四個(gè)芯片的A=B端同時(shí)滿足時(shí)，最后一個(gè)芯片的A=B端輸出高電位。圖19 鬧鐘電路原理圖如下：報(bào)時(shí)電路的設(shè)計(jì)報(bào)時(shí)電路利用分秒電路的脈沖，將分電路十位的74LS90芯片QA、QC輸出端，個(gè)位的QA、QD輸出端

23、以及秒電路十位的QA、QC六個(gè)信號(hào)輸入端共同接入一個(gè)六位輸入與門。當(dāng)六個(gè)脈沖都為高電平時(shí)，與門輸出高電平，三極管導(dǎo)通，揚(yáng)聲器發(fā)聲。同時(shí)利用單刀雙擲開關(guān)可關(guān)閉報(bào)時(shí)功能。在仿真過程中使用六位輸入與門，實(shí)際操作中可利用二位輸入的與非門實(shí)現(xiàn)。電路圖如下：圖20 報(bào)時(shí)電路注：或門的另一端為鬧鐘電路的脈沖輸入仿真結(jié)果及分析仿真結(jié)果總電路仿真如下：圖21 總電路圖該電路圖實(shí)現(xiàn)了時(shí)以24進(jìn)制，分和秒以60進(jìn)制的準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，通過開關(guān)S1、S2分別實(shí)現(xiàn)時(shí)、分的校時(shí)。并且通過4片四位數(shù)值比擬器完成了可以任意定時(shí)的功能。以及完成了整點(diǎn)報(bào)時(shí)的功能。仿真結(jié)果分析時(shí)鐘脈沖仿真結(jié)果用示波器觀察555芯片組成的多諧振蕩器發(fā)出的脈

24、沖信號(hào)如圖：圖22 1kHz脈沖由仿真結(jié)果可知，555芯片組成的多諧振蕩器可穩(wěn)定得發(fā)出頻率為1Khz的方波脈沖。其可以提供擴(kuò)展電路所需要的信號(hào)。將此脈沖信號(hào)經(jīng)過分頻器分頻，脈沖信號(hào)波形如下：由于經(jīng)三次分頻的1Hz脈沖信號(hào)在仿真過程中由于時(shí)間過長不易采集，所以此處的波形為經(jīng)過兩次分頻后的頻率為10hz的脈沖信號(hào)圖23 10Hz脈沖時(shí)鐘電路和校時(shí)電路仿真將時(shí)鐘脈沖接入時(shí)鐘電路，對(duì)電路進(jìn)展仿真在實(shí)際仿真過程中選擇使用100hz脈沖減少仿真等待時(shí)間。仿真圖如下：圖24 時(shí)鐘仿真圖利用校時(shí)電路快速觀察時(shí)電路和分電路的進(jìn)位情況，仿真顯示分電路和秒電路在顯示59時(shí)下一狀態(tài)跳轉(zhuǎn)至00。時(shí)電路在顯示23時(shí)下一狀態(tài)跳轉(zhuǎn)至00，成功實(shí)現(xiàn)二十四進(jìn)制和六十進(jìn)制的進(jìn)位。閉合校時(shí)電路開關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)分電路和時(shí)電路以秒電路的頻率計(jì)時(shí)，校時(shí)電路成功。鬧鐘電路及報(bào)時(shí)電路仿真將鬧鐘電路的撥碼開關(guān)調(diào)成11：11狀態(tài)，用示波器觀察鬧鐘電路輸出波形，波形如下：圖25 鬧鐘仿真圖利用校時(shí)電路將分和時(shí)電路與秒電路以同一頻率計(jì)時(shí)以縮短仿真時(shí)間，可觀察到當(dāng)顯示11：11時(shí)，電路產(chǎn)生一個(gè)一分鐘的脈沖。鬧鐘響鈴一分鐘。用同樣的方法模擬整點(diǎn)報(bào)時(shí)的情況，利用校時(shí)電路加快分電路計(jì)時(shí)，仿真波形如下：圖 26整點(diǎn)報(bào)時(shí)仿真圖當(dāng)分秒電路顯示59：50，報(bào)時(shí)電路會(huì)產(chǎn)生一