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1、 基于数字电子的数字时钟设计有闹钟功能 Pleasure Group Office【T985AB-B866SYT-B182C-BS682T-STT18】课 程 设 计 报 告 指导教师：职称:2015年 7 月 22 日学生姓名:孙铭阳 学 号：学 院:电气工程学院 班 级:电自 1321 题 目:数字时钟设计 目录 创新部分.1 0 第一章 设计内容及要求 设计目的 使学生对电子的一些相关知识有感性认识，加深电类有关课程的理论知识；掌握电子元件的焊接、电气元件的安装、连线等基本技能，培养学生阅读电气原理图和电子线路图的能力。并在生产实践中，激发学生动手、动脑、勇于创新的积极性，培养学生严谨、
2、认真、踏实、勤奋的学习精神和工作作风，为后续专业课程的学习打下坚实的基础。设计内容和要求(1)稳定的显示时、分、秒。（要求24 小时为一个计时周期）(2)当电路发生走时误差时，要求电路有校时功能。(3）电路有整点报时功能。报时声响为四低一高，最后一响高音正好为整点。创新部分（1）闹钟功能 第二章 系统总体设计方案 数字时钟的组成 数字电子钟的电路由秒脉冲发生器、分秒计数器、74LS90（二五十进制加法计数器）、74LS85（比较器）、时间译码及控制门，555 定时器，七段数码管等构成。原理分析 它由多谐振荡器、分频器、计数器、译码器、显示器、报时电路、校时电路 和闹钟电路组成。多谐振荡器产生的
3、信号经过分频器作为秒脉冲，秒脉冲送入计数器计数，计数结果通过“时”、“分”、“秒”译码器显示时间。分频器能将多谐振荡器产生的1kHZ的脉冲分为500HZ和 1HZ。基本逻辑功能框图 图 1 数字时钟基本逻辑功能框图 第三章 器件选择 555 集成定时器 555 集成定时器由五个部分组成：1、基本 RS 触发器：由两个“与非”门组成 2、比较器：C1、C2 是两个电压比较器 3、分压器：阻值均为5 千欧的电阻串联起来构成分压器，为比较器C1 和 C2 提供参考电压。4、晶体管开卷和输出缓冲器：晶体管 VT 构成开关，其状态受Q端控制。输出缓冲器就是接在输出端的反相器 G3，其作用是提高定时器的带
4、负载能力和隔离负载对定时器的影响。555 芯片内部结构图如下：图 2 555 芯片内部结构图 其逻辑功能表如下：表 1 555 定时器功能表 阈值输入（UI1）触发输入（UI2)复位（RD)输出（U0)放电管 VT 0 0 导通 2/3VCC 2/3VCC 1/3VCC 1 0 导通 1/3VCC 1 不变 不变 其引脚图如下：图 3 555 定时器引脚图 逻辑符号如下：图 4 555 逻辑符号图 74LS160 74LS160 为十进制同步加法计数器 逻辑功能描述如下：由逻辑图与功能表知，在 CT74LS160 中 LD 为预置数控制端，D0-D3 为数据输入端，C 为进位输出端，Rd 为异
5、步置零端，Q0-Q3 位数据输出端，EP 和 ET 为1&COTHTR+VCCuOD5k5k5kC1C2G1G2G3T+2658437RQQ 工作状态控制端。当 Rd=0 时所有触发器将同时被置零，而且置零操作不受其他输入端状态的影响。当 Rd=1、LD=0 时，电路工作在预置数状态。这时门 G16-G19 的输出始终是 1，所以 FF0-FF1 输入端 J、K 的状态由 D0-D3 的状态决定。当 RC=LD=1 而EP=0、ET=1 时，由于这时门 G16-G19 的输出均为 0，亦即 FF0-FF3 均处在J=K=0的状态，所以CP 信号到达时它们保持原来的状态不变。同时 C 的状态也得
6、到保持。如果 ET=0、则 EP 不论为何状态，计数器的状态也保持不变，但这时进位输出 C 等于 0。当 RC=LD=EP=ET=1 时，电路工作在计数状态。从电路的0000 状态开始连续输入 10 个计数脉冲时，电路将从 1001 的状态返回 0000 的状态，C 端从高电平跳变至低电平。利用 C 端输出的高电平或下降沿作为进位输出信号。逻辑功能表如下：表 2 74LS160 逻辑功能表 其引脚图如下：图 5 74LS160 引脚图 逻辑功能示意图如下：图 6 74LS160 逻辑功能示意图 CP EP ET 工作状态 0 置零 1 0 预置数 1 1 0 1 保持 1 1 0 保持（但C=
7、0）1 1 1 1 计数 LED 显示屏 LED 是发光二极管 Light Emitting Diode的英文缩写。LED 显示屏是由发光二极管排列组成的一显示器件。它采用低电压扫描驱动，具有：耗电少、使用寿命长、成本低、亮度高、故障少、视角大、可视距离远、规格品种全等特点。目前 LED 显示屏作为新一代的信息传播媒体，已经成为城市信息现代化建设的标志。管脚分别接输出段的、图形显示如下图所示：图 7 LED 图形显示图 4 位十进制同步可逆计数器 74LS90 74LS90 是异步二五十进制加法计数器，它既可以作二进制加法计数器，又可以作五进制和十进制加法计数器。通过不同的连接方式，74LS9
8、0 可以实现四种不同的逻辑功能；而且还可借助 R0(1)、R0(2)对计数器清零，借助 S9(1)、S9(2)将计数器置 9。其具体功能详述如下：(1)计数脉冲从 CP1 输入，QA 作为输出端，为二进制计数器。(2)计数脉冲从 CP2 输入，QDQCQB 作为输出端，为异步五进制加法计数器。(3)若将 CP2 和 QA 相连，计数脉冲由 CP1 输入，QD、QC、QB、QA 作为输出端，则构成异步 8421 码十进制加法计数器。(4)若将 CP1 与 QD 相连，计数脉冲由 CP2 输入，QA、QD、QC、QB 作为输出端，则构成异步 5421 码十进制加法计数器。(5)清零、置 9 功能。
9、异步清零 当 R0(1)、R0(2)均为“1”；S9(1)、S9(2)中有“0”时，实现异步清零功能，即 QDQCQBQA0000。置 9 功能 当 S9(1)、S9(2)均为“1”；R0(1)、R0(2)中有“0”时，实现置 9 功能，即 QDQCQBQA1001。其功能表如下：表 3 74LS90 功能表 其引脚图如下：图 8 74LS90 引脚图 其逻辑功能示意图：图 9 74LS90 逻辑功能示意图 4 位数值比较器 74LS85 集成 74LS85 是 4 位数值比较器 可以用来比较两个 4 位二进制数 A（A3A2A1A0)和 B(B3B2B1B0)之间的大小。其比较原理如下：两个
10、4 位二进制的比较是从 A 的最高位 A3 和 B 的最高位B3 开始，自高到低的逐位比较。只有在高位相等时才需要比较低位。若高位不相等，则两个数的比较结果直接由高位比较结果决定。其功能表如下：表 4 74LS85 逻辑功能表 其引脚图为：图 10 74LS85 引脚图 其逻辑功能示意图为：图 11 74LS85 逻辑功能示意图 第四章 数字时钟的电路设计 时钟振荡电路 555 多谐振荡器产生 1KHz 多谐振荡器是一种能够产生矩形波动的自激振荡器，也称矩形波发生器。“多谐”指矩形波中除了基波成分外，还含有丰富的高次谐波成分。多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态。在工作时，电路的状态在这两个暂稳
11、态之间自动地交替变换，由此产生矩形波脉冲信号，常用作脉冲信号源及时序电路中的时钟信号。因此，在此我们使用 555 定时器构成的多谐振荡器来产生 1KHz 的矩形脉冲信号。时钟信号发生电路 图 12 555 构成的多谐振荡器 图 13 多谐振荡器工作波形图 用 555 定时器构成的多谐振荡器电路如图 12 所示：图中电容 C、电阻 R1和 R2 作为振荡器的定时元件，决定着输出矩形波的正、负脉冲的宽度。定时器的触发器输入端和阀值输入端与电容相连；集电极开路输出端接 R1、R2 相连处，用以控制电容C 的充、放电。电路接通电源的瞬间，由于电容C 来不及充电 Vc=0v，所以 555 定时器状态为
12、1，输出 Vo 为高电平。同时，集电极输出端对地断开，电源 Vcc 对电容 C充电，电路进入暂稳态，此后，电路周而复始地产生周期性的输出脉冲。多谐 振荡器两个暂稳态的维持时间取决于 RC 充放电回路的参数。暂稳态的维持时间，即输出 Vo 的正向脉冲宽度 T1（R1+R2）C；暂稳态的维持时间，即输出 Vo 的负向脉冲宽度 T2。因此，振荡周期 T=T1+T2=(R1+R2)C,振荡频率 f=1/T。正向脉冲宽度 T1 与振荡周期 T 之比称矩形波的占空比 D，由上述条件可得 D=（R1+R2）/（R1+2R2），若使R2R1，则D1/2，即输出信号为正负向脉冲宽度相等的矩形波（方波）时钟振荡电
13、路的 Multisim 仿真 图 14 时钟振荡仿真电路 图 15 555 多谐振荡产生 1kHz 仿真波形图 分频器电路 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1KHz 的高音频信号和 500KHz 的低音频信号等。因此，可以选用3 片我们较熟悉的中规模集成电路计数器 74LS90 可以完成上述功能。因每片为 1/10 分频，3 片级联则可获得所需要的频率信号，即第 1 片 QA 端输出频率为 500Hz,第 2 片 QD 输出为 10Hz，第 3 片的 QD 端输出1Hz。其分频器电路为：图 16 分频器电路图 500HZ 波形为
14、：图 17 500HZ 波形图 1HZ 波形为：图 18 1HZ 波形图 秒脉冲发生器电路 秒脉冲发生器为六十进制秒计数器。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。组合起来就构成六十进制计数 器，如图 所示六十进制计数器。六进制采用的是反馈清零法范围为 05，当第六个脉冲到来的瞬间清零，构成六进制计数器。秒脉冲发生器电路如下：图 19 秒脉冲发生器电路 分脉冲发生器电路 分脉冲发生器的设计为一60进制的计数器，由2片74LS160 和1片74LS00组成，分计时电路的计数周期为60秒。触发信号由秒脉冲信号发生器提供，当计数值为59时，下一次触发信号输入时
15、，向前进位并对计数值清零同时开始下一个计数周期。分脉冲发生器电路如下：图20 分脉冲发生器电路 时脉冲发生器电路 在数字电子时钟中，时计时时钟周期都为24h，当触发信号输入时，计数器计数 1，累计到 23 后，下一秒开始清零并向前进位，当计数值达到23 时，下一个触发信号输入时，计数器清零同时开始进入下一个计数周期。时脉冲发生器电路如下：图 21 时脉冲发生器电路 校时电路 数字钟应具有分校正和时校正功能，因此，应截断分个位和时个位的直接计数通路，并采用正常计时信号与校正信号可以随时切换的电路接入其中。下面以分校时电路说明其原理。当开关断开时，秒十位进位脉冲和高电平经与非门输出为秒十位进位脉冲
16、取反，校时脉冲和开关的另一端低电平经与非门输出为高电平，高电平和秒十位进位脉冲的取反脉冲经过与非门输出为秒十位进位脉冲，即进入分个位计数器脉冲为秒十位进位脉冲，为正常计时状态。当开关闭合时，秒脉冲进位脉冲和低电平经过与非门为高电平，校时脉冲和高电平经过与非门输出为校时脉冲的取反，高电平和校时脉冲的取反经过与非门输出为校时脉冲，即进入分个位计数器脉冲为校时脉冲，进入校时状态。时校时电路原理同分校时电路，此处不在介绍。器件选择方面，与非门可选 74LS00，在实际应用中须对开关的状态进行消除抖动处理，需加 2 个的电容。校时电路如下：图 22 校时电路 整点报时电路 实验要求为报时声响为四低一高，
17、最后一响高音正好为整点。前4 次为低音 500Hz，最后一声为高音 1000Hz。其主要原理如下：4 声低音（约 500Hz）分别 在 59 分 51 秒、53 秒、55 秒及 57 秒，最后一声高音（约 1000Hz）发生在 59 秒，它们的持续时间为1 秒。59 分用二进制码表示为（0101 1001），51 秒（0101 0001），53 秒（0101 0011），55 秒（0101 0101），57 秒（0101 0111），59 秒（0101 1001）。当时间为 59 分 51 秒时，（分十位 QC,分十位 QA,分个位 QD,分个位 QA）=(1 1 1 1)，则反相器 U7A
18、输出为高电平，（秒十位QA,秒十位 QC,秒个位QA)=(1 1 1),则反相器 U8A 输出为高电平；秒个位QD=0，则 U4A 输出为高电 平，U5A 输出为 500HZ 波的反向波，则 U6A 输出频率为 500HZ 波，高电平和500HZ 波经过 U3A 和 U10A 输出频率为 500HZ 的波，从而使蜂鸣器工作，为低音。53 秒、55 秒、57 秒与 51 秒时原理相同，不再重诉。当时间为 59 分 59 秒时，（分十位 QC,分十位 QA,分个位 QD,分个位 QA）=(1 1 1 1），则反相器 U7A 输出为高电平，（秒十位 QA,秒十位 QC,秒个位QA)=(1 1 1),
19、则反相器 U8A 输出为高电平；秒个位 QD=1，则 U4A 输出为 1kHZ波的反相波，U5A 输出为高电平，则 U6A 输出频率为 1KHZ 的波，高电平和 1KHZ的波经过 U10A 输出频率为 1kHZ 的波，从而使蜂鸣器工作，为高音。其电路图为：图 23 整点报时电路 报时时脉冲波形为：图 24 报时时脉冲波形图（1）图 25 报时时脉冲波形图（2）闹钟功能电路 由 6 片 74LS85 数据选择芯片串联，分别将时分秒的各个输出端按照从上到下接到每个 85 芯片的 B3B2B1B0 端，然后将 85 芯片各个 A3A2A1A0 接到一个双向开关，开关的另为两端分别接到高电平上与地线上
20、。当这样接入时，如果我们需要设定闹铃，就用85 芯片连接的开关进行置数，当计时模块的输出端输出的数据与我们置入的数据相同就会从第一块85 芯片的 OAEQB 端口输出一个高电平，将这个高电平与蜂鸣器相连就会在那个时刻产生蜂鸣。达到闹钟的功能。电路图为：图 26 闹钟功能电路图 闹钟工作时的波形为：图 27 闹钟工作时的波形图 数字时钟总仿真电路图 图 28 数字时钟总仿真电路图 第五章 心得体会 关于数字时钟的心得体会 通过对软件 Multisim 的学习和使用，进一步加深了对数字电路的认识。在仿真过程中遇到许多困难，但通过自己的努力和同学的帮助都一一克服了。首先，在设计秒，分脉冲时钟电路是应
21、用两片 74LS160 级联应用置数法设计一个60 进制计数器，秒进位给分时，当显示 59 秒时，立即变为 1 分钟，冥冥之中少了一秒，后来经过比较清零法和置数法的不同，此处使用清零法比较妥当，试验结果为59 秒后下一个脉冲到来时才变成1 分钟。调试时有的器件在理论上可行，但在实际运行中就无法看到效果，所以得换不少器件，有时无法找出错误便更换器件重新接线以使电路正常运行。在设计时脉冲发生器电路时，多设计了一个小时，后来经队友指出改正。同时，在最后仿真时，数字时钟电路所加的脉冲信号为 1HZ 脉冲信号，结果仿真结果反应很慢，后把频率加大为 50HZ，并且在交互仿真设置中改变了部分初值，这才在短时
22、间内就能看到全部结果。这次课程设计是一次难得的锻炼机会，让我们能够充分利用所学过的理论知识还有自己的想象的能力，另外还让我们学习查找资料的方法，以及自己处理分析电路，设计电路的能力。我相信是对我的一个很好的提高。理论与实践 相结合才能更好理解学习的知识，这次的课程设计让我懂得了它们在实际中的用途，还有我们身边的很多数字钟电路，这些都是我们自己可以实现的，以前那些神秘的东西在不断的学习过程中变得不再那么神秘，我相信，以后还有更多的谜底被揭开。通过这次课程设计，我还更加深了理论知识的学习。这次的设计电路我用到了计数器、比较器等器件，通过自己分析和设计更好地运用了它们，而且还学会了它们更多的功能，可
23、以利用不同的接法设计出各种各样不同的电路出来。总之，通过这次对数字时钟的设计与仿真，为以后的电路设计打下良好的基础，一些经验和教训，将成为宝贵的学习财富。关于收音机的焊接与调试心得体会 焊接收音机的主要目的就是锻炼我们的动手能力，掌握手工电烙铁的焊接技术，能够独立的完成简单电子产品的安装与焊接。并且让我们熟悉电子产品的安装工艺的生产流程，印制电路板设计的步骤和方法，能够根据电路原理图，元器件实物。了解常用电子器件的类别、型号、规格、性能及其使用范围。能够正确识别和选用常用的电子器件，了解电子产品的焊接、调试与维修方法。所有的元件都由我自己独立焊接完成。在焊接前，一定要看清电阻阻值的大小，看清电
24、容、三极管的极性。在焊接过程中，要注意的是焊接得温度和时间，焊接时间短、温度低，有可能使焊点融化不充分，焊点粗糙容易造成虚焊。而焊接时间过长，温度过高，则会使元件过热，容易损坏，还容易将印刷电路板烫坏，或者造成焊接短路现象。焊锡要用一点点下去，电烙铁要在锡水熔化后产生光亮就拿开，这样就能焊出光亮圆滑的焊点了。一旦焊错，要小心地用烙铁加热后取下重焊。拨下的动作要轻，如果安装孔堵塞，要边加热，边 用针通开。上螺丝、螺母时用力要合适，不可用力太大，否则容易损坏收音机外壳。在焊接时，我先焊接电阻，接下来焊比较大的器件（因为电容耐热性不好），再焊接瓷片电容（由于瓷片电容不分正、负极，所以焊接同电阻）。然
25、后是三极管，焊接时注意三极管的极性，管脚要放入相应位置。电解电容在装配时也要注意极性，防止接反，最后就是其他固定位置元件。焊接完电路板的电子元件后，就要处理电源同电路板的连接，将电源槽安装在收音机外壳的对应位置，用焊锡焊接导线在接线柱上。将电源的正负极焊接在电路板对应位置，只要导线不容易扭曲而产生干扰就行了。接下来就是安装电池，调试收音机了。因为前期安装焊接时谨慎小心，所以安装完电池后，旋转按钮，就可以调节出台了，而且能调出四五个电台，调试基本成功。此外，在实习过程中一定要冷静，保持清醒的头脑，出现错误要去冷静的分析到底是哪里出现了错误，分析出错误后找出解决方案并改正。第六章 参考文献【1】郭锁利.基于 Multisim9的电子系统设计、仿真与综合应用，人民邮电出版社【2】王连英.基于 Multisim10的电子仿真，北京邮电大学出版社【3】周常森.电子电路计算机仿真技术，山东科技出版社【4】彭介华.电子技术课程设计指导，高等教育出版社【5】蔡忠法.电子技术试验与课程设计，山东科技出版社【6】阎石.数字电子技术基本教程，清华大学出版社 【7】王义军.韩学军.数字电子技术基础（第二版）