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1、课 程 设 计课程名称 _数字电路基础 _ _ 题目名称多功能数字时钟设计学生学院材料与能源专业班级 08 电子材料 1 班学号3108007435 学生姓名指导教师2010 年 6 月 20 日名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 13 页 - - - - - - - - - 多功能数字钟的电路设计一、设计任务与要求对时钟功能指标1）时钟显示功能，能够以十进制显示“时”、 “分” 、 “秒” 。2) 具有校准时、分的功能。3) 整点自动报时，在整点时，便自动发
2、出鸣叫声，时长1s。选做：1) 闹钟功能，可按设定的时间闹时。2) 日历显示功能。将时间的显示增加“年” 、 “月 ” 、 “日” 。对报告中的电路图要求1) 原理图中元件电气图形符号符合国家标准；2) 整体布局合理，注标规范、明确、美观，不产生歧义。3）列出完整的元件清单 (标号、型号及大小、封装形式、数量) 4）图纸幅面为 A4。5）流程图的符号采用国际标准。二、原理电路和程序设计1、方案一（所选）一个具有计时、 校时、报时、显示、闹钟等基本功能的数字钟主要由振荡器、分频器、计数器、译码器、显示器、校时电路、报时电路、闹钟等八部分组成。石英晶体振荡器产生的信号经过分频器得到秒脉冲，秒脉冲送
3、入计数器计数，计数结果通过“时”、 “分” 、 “秒”译码器译码，并通过显示器显示时间，闹钟计数器设定闹钟时间，当时钟时间跟闹钟时间一致时，闹钟响。数字钟的整机逻辑框图如下：闹钟电路整点报时名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 13 页 - - - - - - - - - 图 1 数字钟整体逻辑图方案二一个具有计时、校时、报时、显示等基本功能的数字钟主要由振荡器、分频器、计数器、译码器、显示器、校时电路、报时电路等七部分组成。较于第一中方案，没有译码器， 故难以
4、实现闹钟时同用一组数码管，且不用译码器对应的数码管是四个管脚的数码管， 可以省略好几块芯片， 也不用加限流电阻， 成本方面比较低。振荡器可以选择石英晶体， 也可用 555 定时器接成多谐振荡器， 但石英振荡比较非常稳定，符合时钟的要求。2、整体电路，见附录3、单元电路的设计1）振荡器石英晶体振荡器的特点是振荡频率准确、电路结构简单、频率易调整，它是电子钟的核心， 用它产生标准频率信号， 再由分频器分成秒时间脉冲。 用反相器与石英晶体构成的振荡电路如图2 所示。利用两个非门G1 和 G2 自我反馈，使它们工作在线形状态，然后利用石英晶体Z1来控制振荡频率。振荡器振荡频率的精度与稳定度基本上决定数
5、字钟的准确度,晶振频率越高，计时准确度越高。目前常见的石英晶振频率是3MHz时，则振荡器输出频率为3MHZ。G2G1R11KR21KC1 0.01 FZ1 4MHZC2 10pF图 2 石英晶体振荡电路名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 13 页 - - - - - - - - - 2）分频器时间标准信号的频率很高，要得到秒脉冲，需要分频电路。例如，振荡器输出 3MHZ信号，可通过计数器（ 74160）接成三进制进行3 分频变成 1MHZ，然后送到 10 分频
6、计数器 74LS160 （或 74LS90） ，经过 6 次 10 分频而获得 1HZ的方波信号。3）计数器整个计数器电路由秒计数器、分计数器、时计数器串接而成。秒计数器和分计数器各自由一个十进制计数器和一个六进制计数器串接组成，形成两个六十进制计数器。下面为六十进制计数器： （注：我用的是串行时钟，故60=6*10 就能分别为 6 进制和 10 进制计数。清 0 有两种方法，一为复位清0；二为置数清 0。我是采用置数来清 0， 故当运行至 0101时就有进位输出 1， 并将其信号输给 LOAD名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - -
7、 - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 13 页 - - - - - - - - - 端，等下个信号到来时，就置0，故消除了复位复 0 的方案中会出现的短暂0110的出现，并能将进位信号延续所需的一个计数时钟时间。达到了很好的效果。 故能实现 0101 时就有进位输出 1，等十位的下个计数时钟到来时，进位变为 0，故实现了同时造就了一个下降沿，作为计数时钟信号，实现了进位计数。图 3 60 进制时计数器可由两个十进制计数器并接并通过反馈（0100 1100）接成二十四制计数器。此处，我用的是并行输入时钟信号，第一片的进位来控制十位的使能端， 当运行到 0010/
8、0011时就有置位信号， 下个计数时钟到来时就变为 0000/0000，故实现了 24进制。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 13 页 - - - - - - - - - 图 4 24 进制4）译码器译码器由六片 74LS47D 组成，74LS47D 驱动器是与 8421BCD 编码计数器配合用的 7 段译码驱动器。一片74LS47D 驱动一只数码， 72LS47D 为了限制数码管的导通电流，在72LS247 的输出与数码管的输入端之间均应串有限流电阻。5）
9、显示器本系统用七段发光数码管来显示译码器输出的数字，发光数码管有两种：共阳极或共阴极。 74LS47D 驱动器是低电平输出，接共阳极数码管，中间要加限流电阻 100 欧200欧，数码管的工作电压为1.8V2.2V，工作电流为 1015m A。（电路图见图 3）6）校时电路刚接通电源或走时不准时，都需要进行时间的时分校准。实现校时电路的方法有很多，采用简单方便的方法。长按开关则连接计数脉冲，以达要求。另外，其脉冲的频率不是1Hz，而是大于 1Hz（这里取 3Hz） ，从而快速校时。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名
10、师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 13 页 - - - - - - - - - 图 5 校时电路7）报时电路当计数记到 59 分 59 秒的时候，下一脉冲来时就进位，输出进位信号，蜂鸣器（此为小灯泡显示）就响。由于分的进位信号是分的计数器计到0101 时就有输出，所以需要用一个D 类上升沿的触发器，等到下一个脉冲来的时候，刚好是输出报时信号，并持续1s 钟。图 6 正点报时电路8）闹钟部分电路闹钟电路中的计数器为另外一个计数器，专为闹钟计数而用，不过数码管可以用同一个。如何实现呢？我是用双向开关来控制译码器74LS47D：当开关接通哪部分，则那部分（闹钟部分或是时钟部分）
11、的计数器的计数情况。这样，既不影响时钟的正常计数， 又能实现闹钟的时间设定， 闹钟的脉冲与计数与校时电路的相似。另外，用数据比较器来实现时钟的时间与闹钟的时间相同时输出闹钟信号，持续 1 分钟。用四片 74LS45D 连接成 16位的数据比较器，进而比较时分的十位个位的每个管脚的状态是否相同，若相同，则有信号输出，否则就没有。用小灯泡显示闹钟响的时间。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 13 页 - - - - - - - - - 图 7 （双计数器的）闹钟部
12、分电路三、电路调试过程与结果石英振荡与分频图 8 石英晶体振荡波形图（ 1）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 13 页 - - - - - - - - - 图 9 石英晶体振荡波形图（ 2）六十进制波形如图所示， 10进制的波形是上面四个，从00001001(然后就进位 1)0000，完成了十进制。下面三个波形是六进制， 从000101 （然后进位 1） 000， 故 60=6*10的 60 进制运行正常。图 10 60 进制波形图名师资料总结 - - -精
13、品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 13 页 - - - - - - - - - 二十四进制波形如下图所示，个位在上，从00001001（进位 1）0000。十位在下从00000010（就有进位信号1）0000。运行至 0010/0011（即 23）时，然后就等下个计数脉冲的到来，就清0。波形正常。图 11 24 进制波形图四、元件清单芯片：计数器 74160：17 片译码器 74LS47：10 片共阳极数码管：6 片数据比较器 74LS85：4 片D 触发器： 74ALS74AM ：
14、1 片单刀双向开关：2 个二极管：2 个蜂鸣器：1 个非门（ 3V） ：6 个两脚与非门：3 个三脚与非门：2 个八脚与非门：1 个长空开关：4 个施密特触发器：4 个电阻： 22K 1 个100 欧：42 个石英晶体：（3M）1 个电容： （10np）2 个名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 13 页 - - - - - - - - - 五、总结和体会优点：在连接六进制、十进制、六十进制的进位及二十四进制的接法中，要求熟悉逻辑电路及其芯片各引脚的功能，那么
15、在电路出错时便能准确地找出错误所在并及时纠正了。区别6*10 的六十进制与 10*10 的一百进制转换成二十四进制的接法。六十进制中，我用异步时钟计数接法； 二十四进制中用同步时钟接法，两个我都用了置数端， 这样完美地实现显示数据和进为，而不像复位端， 会瞬间出现一个没用的数，如六进制中的6，二十四进制中 24。根据生活经验，自行想出了闹钟功能的实现：用一个闹钟计数器，同用一组数码管，闹钟持续响1 分钟等功能的实现。校时电路，简洁明了，实现快速校时。加入施密特触发器就可以消除毛刺。整点报时电路：结合自己设计的计数器，因为用到置数端，故其0101 时就有进位输出，用触发器解决了此问题。缺点：没有
16、做实物，故不清楚限流情况是否合适。还有自己设计的校时、报时、闹钟等功能的实现情况，理论上讲是完美的，但实际不知能不能实现。因为校时电路的电阻阻值未设定好。还有，蜂鸣器，仿真中没有，故不知如何使用，特别其信号频率的要求。年月日的功能没有实现，问题在：如何实现闰年的判断，并输出信号，从而控制 28 进制和 29 进制。至于 28 进制、 29 进制、 30 进制、 31 进制的转换与控制，用译码器即可实现1、3、5、7、8、10、12 月的 31 进制， 4、6、9、11 月的 30 进制。若是要实现周的计算与显示，这个功能就很容易实现，由小时出的24 进制输出信号，累加即可显示星期几。校时电路时
17、遇到的问题：按下开关，其连线接入脉冲出若有其他的接线，则不能实现校时计数。 解决，开始是用一个双向开关将校时电路分开即可。但此处用双向开关，必须要有电阻，不然就不能实现，不知其原理 。后来再改进用二极管，从而避免了其他信号的影响。在此次的数字钟设计过程中， 更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法。特别是加法计算器74160，译码器 74LS47D和气短数码管。在设计电路中，往往是先仿真后连接实物图，但有时候仿真和电路连接并不是完全一致的， 例如仿真的连接示意图中， 往往没有接高电平的16脚或 14 脚以及接低电平的 7 脚或 8 脚，因此在实际的电路连接中往往容易
18、遗漏。还有，仿真中不必注意太多限流的情况，但在实际中并非如此。此次的电路设计，虽没有做出实物，但从设计中，明白了很多数电的原理应用，时钟的计数原理， 如何实现用电信号来计数和显示的原理，大概可以估计计算机的运算原理。附录：1 参考文献：数字电路技术基础阎石版；2 电路全图：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 13 页 - - - - - - - - - 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 13 页 - - - - - - - - - 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 13 页 - - - - - - - - -