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1、铜陵学院 电气工程学院 数电课程设计 2012 2013 学年 第 2 学期 数字电子技术 课 程 设 计 报 告 题 目： 多功能数字时钟电路设计 专 业： 11级通信工程专业 班 级： 通信工程（1）班 姓 名： 吕成钢 马齐 李跃飞 刘斌 姜永永 李定 李拼搏 李国胜 指导教师： 周旭胜老师 电气工程学院 2013年6月6日 多功能数字钟电路设计 1设计目的与要求设计一个数字钟。准确地理解有关要求，独立完成系统设计，要求所设计的电路具有以下功能；（1）设计的数字钟能直接显示小时-分钟-秒钟，整点报时，在整点前五秒LED开始闪烁，过整点后停止闪烁；（2）当电路发生走时误差时，要求电路具有校
2、时功能，调整时间的恶按键用按键模块的S1、S2，S1调节小时，每按一下时钟增加一小时，S2调节分钟，每按一下分钟增加一分钟；（3）S3按键作为系统时钟回复，复位后全部显示00-00-00。2设计内容（1）画出电路原理图，正确使用逻辑关系；（2）确定元器件及元件参数；（3）进行电路模拟仿真；（4）打印输出。3编写设计报告写出设计的全过程，附上有关资料和图纸，有总结体会。目 录摘要 2第一章 引言 3 1.1数字电子时钟的背景3 1.2数字电子时钟的意义4 1.3数字电子时钟的应用5第二章 总体设计方案 6 2.1总体设图框图 6 2.2 设计思路 7第三章 设计原理分析 8 3.1秒脉冲产生电路
3、 8 3.2分频电路 10 3.3秒、分计数电路 10 3.4译码驱动及显示单元电路设计11 3.5 校时、复位电路设计12 3.6整点报时电路 13 3.7定时控制（整点前闪烁）电路 14 3.8译码显示电路15第四章 单元电路的设计 16 4.1 时间脉冲产生电路的设计17 4.2计数电路及显示电路的设计 18 4.3校时电路的设计19 4.4整点报时电路的设计 20 4.5定时控制电路的设计 20第五章 总电路仿真结果及分析21 5.1电路总图21 5.2电路总图仿真23 5.3 仿真结果分析25第六章 心得 26第七章 附录 27 7.1 参考文献 7.2 元器件列表 答辩记录及评分表
4、 29 摘 要 数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置,与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性,且无机械装置,具有更长的使用寿命,广泛用于个人家庭,车站, 码头,办公室等公共场所,成为人们日常生活中不可少的必需品。本系统进行了各单元的设计和总体调试，可以完成准确的完成计时、定时和仿电台报时功能。电路由多谐振荡器、分频器、计数器、译码显示器和校时电路以及定时电路组成。总体方案设计由主体电路和扩展电路两大部分组成。本电路具有走时精度高，稳定性好，使用方便，不需要经常进行调校等特点。关键词：555 定时器；多谐振荡器；分频器；计数器；数字钟 第一章 引言1.1数字电子钟的背景 在经济飞
5、速发展的今天，时间对我们来说非常重要，尤其是随着现代文明的进步，人们的时间观念越来越强，甚至有些工作人员用自己的工作时间的长短来衡量工作效率，这时数字钟就能够为我们的日常生活提供便利。它利用集成电路,时间准确,体积小,携带方便,而且有仿电台报时功能，具的提醒的作用，数字显示清晰直观。20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。 时间对人们来说总是那么宝贵，工作的忙碌性和繁杂性容易使人忘记当前的时间。忘记了要做的事情，当事情不是很重要的
6、时候，这种遗忘无伤大雅。但是，一旦重要事情，一时的耽误可能酿成大祸。数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。1.2数字电子钟的意义数字钟是采用数字电路实现对.时,分,秒.数字显示的计时装置,广泛用于个人家庭,车站, 码头办公室等公共场所,成为人们日常生活中不可少的必需品,由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,使得数字钟的精度,远远超过老式钟表, 钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制
7、、定时广播、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。1.3数字电子钟的应用 数字钟已成为人们日常生活中：必不可少的必需品，广泛用于个人家庭以及车站、码头、剧场、办公室等公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。由于数字集成电路技术的发展和采用了先进的石英技术，使数字钟具有走时准确、性能稳定、携带方便等优点，它还用于计时、自动报时及自动控制等各个领域。 第二章 总体设计方案2.1 总体设计框图本电路的设计由两部分完成，第一部分是主体电路完成多功能数字钟的主要功能；第
8、二部分是扩展电路完成多功能数字钟的仿电台报时功能。第一部分电路由震荡器，分频器，计数器，译码显示电路和校时电路构成。第二部分仿电台电路构成。具体方框图如图1所示。图2-1 总体方框图2.2 设计思路利用555定时器组成的多谐振荡器产生稳定度较高的高频方波信号，然后经分频电路，将高频方波分频为1HZ的秒脉冲波，输入到六十进制的秒计数器，秒计数器和分计数器都是有一个个位十进制十位六进制，当秒计数器的十位在清零时也向分六十进制的计数器个位发一个脉冲使分计数器加1，当分计数器的十位在清零时也同时向二十四进制计数器个位发一个脉冲，使其加1。将时，分，秒计数器的输出端分别接上译码器和显示器，最大显示值为2
9、3小时59分59秒，再输入一个秒脉冲后，显示复零。利用校准电路分别对时，分校准电路进行设计，另外又增加了仿电台报时电路。本电路的仿电台报时电路利用秒个位计数器的状态进在接收分计数器和秒计数器的信号后完成在整点的报时，报时时刻为59分51秒、53秒、55秒、57秒和59秒，在59秒时鸣一声高音其余均为低音。 第三章 设计原理分析3.1振荡器电路振荡器是数字钟的核心。振荡器的稳定度及频率的精确度决定了数字钟计时的准确程度。一般来说，振荡器的频率越高，计时精度越高。脉冲产生电路如图2所示，为了保证基准时间的准确，采用了555定时器组成的多谐振荡器，多谐振荡器的主频为1KHz，这里选用R1为2k,R2
10、为110k，R3为5.1K，C1为0.1F，C2为0.01F。 图 3-1 555与RC组成的多谐振荡器图 题目要求多谐振荡器的主频为1KHz，这里选用R1为2k,R2为110k，R3为5.1K，C1为0.1F，C2为0.01F。接通电源后，电容C被充电，当Vc上升到2/3Vcc时，使Vo为低电平，同时放电三极管T导通，此时电容C通过R2和T放电，Vc下降，Vc下降到1/3Vcc时，Vo翻转为高电平。电容器C放电所需的时间为tW2=0.7RBC当放电结束时，T截止，Vcc将通过R1、R2、R3向电容器C充电，Vc由1/3Vcc上升到2/3Vcc所需的时间为tW1=0.7(RA+RB)C,当Vc
11、上升到2/3Vcc时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波，其振荡频率为f=1/0.7(RA+2RB)C。3.2 分频电路 分频器的功能主要有两个：一是产生标准秒脉冲信号；二是提供功能扩展电路所需要的信号，如仿电台报时用的高音频信号和500HZ的低音频信号等。选用3片中规模集成电路计数器74LS90可以完成这一功能。因每片为1/10分频，三片级联则可获得所需的频率信号，即一片的Q0断输出频率为500HZ，第二片的Q3端输出为10HZ，第三片的Q3端输出为1HZ，74LS90分频电路如图3和74LS90功能表如表2所示。 图3-2 74LS90分频电路表
12、3-2 74LS90功能表输入输出MR1 MR2 MS1 MS2Q0 Q1 Q2 Q3 1 1 0 x 1 1 x xx x 1 1x 0 x 0 0 x 0 x 0 x x 0x 0 0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 Count Count Count Count 3.3 秒、分计数电路计数电路由十进制计数器74LS160构成,分、秒计数电路用74LS160构成的的60进制电路来实现；时计数电路用74LS160构成的24进制电路来实现。秒、分计数电路如图4所示，将两个计数器级联，接成一百进制的计数器。在此基础上，借助计数器的清零的功能，将芯片2、和芯片接至与门的输入端。
13、工作时，在第60个计数脉冲作用后，计数器输出为0110（十进制数60），芯片2、为1使与门输出高电平。它作用在（0）芯片和（1）芯片的清零端（高电平有效），使计数器立即返回到0000 0000状态。状态0110 1010仅在瞬间出现一下。这样就构成了60进制计数器。图3-3 秒、分计数电路3.4译码驱动及显示单元电路 译码电路的功能是将秒、分、时、计数器的输出代码进行翻译，变成相应的数字。用于驱动LED七段数码管的译码器常用的有74SL48。74LS48是BCD-7段译码器/驱动器，其输出是0C门输出且低电平有效，专用于LED七段共阳极显示数码管。若将秒、分、时计数器的每位输出分别接到相应的七
14、段译码器的输入端，便可进行不同数字的显示。3.5校时、复位电路74LS160引脚中的异步清零端为低电平有效，输入低电平时，计数器置于零，从而实现计数器的复位功能；74LS160引脚中的CET为高电平有效，输入高电平时，计数器处于技术状态，当给CET输入低电平时，计数器处于保持状态，从而实现计时电路的暂停功能；时器的CLK端单独连接时钟脉冲时，此时钟脉冲不受秒计时器的影响，能够独立工作，此时它能够独自控制分计时器的计时，而通过这种方式能够达到分计时器时间的选择，因此可以通过拨码开关来控制CLK端时钟脉冲的有无，从而来实现分计时电路的校时； 同样在时计时器中，通过拨码开关来控制时计时器的CLK端时
15、钟脉冲的有无，从而来实现时计时电路的校时。 图3-4 校时电路3.6整点报时电路报时电路的功能要求是，每当数字钟计数器快要到正点时发出声响，通常按照4低音1高音的顺序发出声响，最后一声高音结束的时刻为正点时刻，4声低音（100Hz）分别发生在59分51秒、53秒、55秒及57秒，最后一声高音（1KHz）发生在59分59秒，它们的持续时间均为1秒，秒个位计数器的状态具体仿电台报时功能表如表6所示。由表可知Q3在“0,500Hz输入音响；Q3在“1”时，1KHz输入音响只有当分十位的Q2Q0为“11”，分个位的Q3Q0为“11”，秒十位的Q2Q0为“11”及秒个位的Q0为“1”时，音响电路才能工作
16、。仿电台报时电路如图8所示。 表3-3仿电台报时电路功能表CKA(秒)Q3Q2Q1Q0功能5051525354555657585900000000001100000111100000110011000 0 1010101010鸣低音停鸣低音停鸣低音停鸣低音停鸣低音停图3-5 报时电路3.7定时控制（整点前闪烁）电路 555定时器可方便地构成单稳态触发器，多谐振荡器，施密特触发器等电路，闪光电路一般是利用多谐振荡器产生的脉冲信号控制而成。电路图如下： 图3-6 整点闪烁电路3.8 译码显示电路表3-4 74LS47真值表输入变量输出变量NOD C B A/a b c d e f g0123111
17、11XXX 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 01 1 0 0 0 0 01 1 0 1 1 0 11 1 1 1 0 0 145671111XXXX 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 10 1 1 0 0 1 11 0 1 1 0 1 10 0 1 1 1 1 00 0 0 1 1 1 18910111111XXXX 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 11 1 1 0 0 1 10 0 0 1 1 0 10 0 1
18、1 0 0 1121314151111XXXX 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 10 1 0 0 0 1 11 0 0 1 0 1 10 0 0 1 1 1 10 0 0 0 0 0 0BIRBILTX10X0X X X X X 0 0 0 0 X X X X 0 0 10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 01 1 1 1 1 1 174LS47是由与非门、输入缓冲器和7个与或非门组成的BCD-7段译码器、驱动器。引脚排列如图9所示。当其输出处于有效的低电平时，高的灌流电流的输出可直接驱动显示电路。74LS47的输出结构设计成能承受7
19、段显示所需的相当高的电压（5V）和大的电流（24mA）。这些都由集电极开路的输出的晶体管直接提供。BCD输入计数9以上的数，直接显示图案是鉴定输入条件的唯一符号。74LS47设有辅助电路，设有试灯输入信号端，灭零输入信号端/RBI和熄灭输入/灭零输出端/其逻辑功能如下：试灯输入信号端计数工作时处于“1”，状态，当=0时，无论输入任何数码，数码管的七段全亮；即此时可以利用端来测量数码管的好坏。RBI端当有灭零输入信号（/RBI=0），且输入数码为0000时，则数码管不显示任何数码（即全不亮）,但输入若为其他数码，数码管照常显示。/用同一端，有熄灭信号输入（=0）时，不管输入什么数码，七段的输出全
20、部熄灭，无显示。利用端可以加入一个同步脉冲，可使显示的数码管间歇的闪亮，灭零输出端，当=0时，且输入DCBA=0000时，从输出一个低电信号。在多位显示系统中，可以利用的信号，把数字前部和尾部多余的“0”熄灭，便于读去结果，有减少电源消耗。采用的LED数码管为共阳极的SEF105，它由7个LED二极管组成“8”字，另用一个LED作为“0”，所有LED的阳极连在一起，用“十”表示。 图3-7 数码管封装图第四章 单元电路的设计4.1时间脉冲产生电路的设计555构成振荡电路和74LS90构成分频电路。如图，555输出1KHz的脉冲，三片74LS90级联分频即可得500Hz和1Hz信号。555定时器
21、寻找图：(如下） 555定时器分频电路 图4-1时间脉冲产生电路 测试效果： 由图可见555振荡器已经输出了大小为1KHZ的频率，符合要求。 图4-2时间脉冲产生电路测试效果图 分频电路如图： 图4-3分频电路4.2计数电路及显示电路的设计 计数电路布局 图4-4计数电路及显示电路布局 图4-5 计数电路及显示电路图 图 4-6计数电路及显示电路仿真4.3校时电路的设计复位系统 图4-7 复位系统电路图复位仿真： 图4-8 复位电路仿真4.4整点报时电路的设计整点报时系统 图 4-9 整点报时系统电路图4.5定时控制电路的设计5秒闪烁电路（前）： 图4-10 a）定时控制电路5秒闪烁电路（后）
22、：此时LED灯变绿。 图4-10 b）定时控制电路第五章 总电路仿真结果及分析5.1电路总图备注：仿真过程中，发现1Hz控制的数码管显示太慢，故换频率为500Hz控制(截图如下） 图 5-1 电路总图5.2电路总图仿真 图 5-2 电路总图仿真5.3 仿真结果分析 由数字钟系统组成框图按照信号的流向分级安装，逐级级联，这里的每一级是指组成数字钟的各功能电路 级联时如果出现时序配合不同步，或尖峰脉冲干扰，引起逻辑混乱，可以增加多级逻辑门来延时经过联调并纠正设计方案中的错误和不足之处后，再测试电路的逻辑功能是否满足设计要求。最后画出满足设计要求的总体逻辑电路图，如图所示 。心得 本次课程设计的题目
23、是多功能数字时钟电路设计，要求整点闪烁、报时、时间调整等功能。本电路可以用来精确计时以及报时，而且采用的555组成多谐振荡电路所产生的时钟频率稳定且精度高，使用方便,不需要经常进行调校。本电路的定时电路可以准确的进行定时，在规定的时间准确报时，而且在整点时刻都将进行仿电台报时。本电路具有很方便的调校功能，能够很快的校对时钟，因此这个多功能数字钟可以很好的用来代替指针钟。它的不足之处就是电路稍有些复杂。 在本次的课程设计中通过自己找材料，分析，设计等。掌握了一些软件的操作方法。这为以后的学习做了铺垫。整个设计实现了从单一的理论学习到解决实际问题的转变。通过本次的课程设计，我最大的收获就是提高了自
24、身的动手能力。培养了我的寻求解决问题的能力和团队精神，也增强了我其他方面的能力。 通过这次实习，使我深刻的体会到了自己的知识的不足，以前的知识只是些很肤浅的东西，而且是很理论的，并且是理想化的。一旦在具体实践中应用起来时，问题就接踵而来，不知在具体的实践中该怎么应用理论上的知识。实际一个简单的电路，所要考虑的问题，所涉及的知识点要比考试的时候考虑的多。因此我在刚开始时毫无头绪，一筹莫展。在老师和同学们的帮助下，也在我自己查看诸多资料下，渐渐地我有了思绪，而且考虑的东西比较全面些。一个实际的电路，不仅要考虑它的前因后果，还要考虑什么电路实现什么功能。另外还要考虑它的可行性，实用性等等，以及元件的
25、选取和元件参数的确定。在这不断的分析和总结的过程中，渐渐的提高了我的分析能力和逻辑思维能力。 在设计中，我充分应用所学的知识，例如，集成74LS系列，三极管，正定时器555等器件的应用。这次实践使我受益匪浅，在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，特别有趣，培养了我的设计思维，增强了我的实际操作能力。在让我体会到设计电路艰辛的同时，更让我体会到了成功的喜悦。不仅如此，要完成一个课程设计，你必须要做好充足的思想准备，它并不是你能敷衍过关的，必须脚踏实地，自己构思好思路，一步步完成。其次和同学交流也是必须的，因为自己的思维毕竟是有限的。和同学交流能学到很多的东西，无论是知识还是思维方式方面等
26、等。面对问题我们不能畏惧，做任何事情，你想把它做好，在下定决心之后，就不要轻易放弃，无论遇到什么困难，都要相信自己一定能克服。 参考文献 【1】 康华光，电子技术基础：数字部分.4版.北京：高等教育出版社，2000【2】 郑家龙，集成电子技术基础教程，北京：高等教育出版社，2002【3】 路而红,专用集成电路设计与电子设计自动化.北京:清华大学出版社,2004【4】 阎石,数字电子技术基础.第五版.北京:高等教育出版社,2006.5【5】 王艳春,电子技术实验与EWB仿真.合肥:合肥工业大学出版社,2011【6】 数字电子技术【7】 Multi元器件列表：导线（若干），电阻（1K，5.1K.） 答辩记录及评分表： 课题名称多功能数字时钟电路设计答辩教师（职称） 周旭胜（讲师）答辩时间 20122013 学年第 2 学期 第15 周答辩记录 评 分 表学生姓名学号小组职务任务评分 李国胜1109131011组长 分配任务、写设计报 告、整理整体文件吕成刚1109131011组员 设计电路图马齐1109131011组员 设计电路图李跃飞1109131011组员 绘制电路图及仿真刘斌1109131011组员 绘制电路图及仿真姜永永1109131011组员 绘制电路图及仿真李定1109131011组员 写课程设计报告李拼搏1109131011组员 写课程设计报告 - 31 -