電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)-----數(shù)字時(shí)鐘

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　數(shù)字鐘是一個(gè)將“ 時(shí)”，“分”，“秒”顯示于人的視覺器官的計(jì)時(shí)裝置。它的計(jì)時(shí)周期為24小時(shí)，顯示滿刻度為23時(shí)59分59秒。一個(gè)基本的數(shù)字鐘電路主要由秒信號(hào)發(fā)生器、“時(shí)、分、秒、”計(jì)數(shù)器、譯碼器及顯示器組成。由于采用純數(shù)字硬件設(shè)計(jì)制作，與傳統(tǒng)的機(jī)械表相比，它具有走時(shí)準(zhǔn)，顯示直觀，無機(jī)械傳動(dòng)裝置等特點(diǎn)。</p>

2、;<p>　　本設(shè)計(jì)中的數(shù)字時(shí)鐘采用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)對(duì)“時(shí)” 、“分”、“秒”的顯示和調(diào)整。通過采用各種集成數(shù)字芯片搭建電路來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。具體用到了555震蕩器，74LS90及與非，異或等門集成芯片等。該電路具有計(jì)時(shí)和校時(shí)的功能。</p><p>　　在對(duì)整個(gè)模塊進(jìn)行分析和畫出總體電路圖后，對(duì)各模塊進(jìn)行仿真并記錄仿真所觀察到的結(jié)果。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)證明該設(shè)計(jì)電路基本

3、上能夠符合設(shè)計(jì)要求！</p><p>　　關(guān)鍵詞 振蕩器、  計(jì)數(shù)器 、譯碼顯示器、Multisim2001</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　第一節(jié) 系統(tǒng)概述--------------------------------------------------------------------

4、---3</p><p>　　1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路與總體方案------------------------------------------------------3</p><p>　　第二節(jié) 單元電路設(shè)計(jì)與分析-------------------------------------------------- 4</p><p>　　2.1 振蕩器---

5、---------------------------------------------------------------------------4</p><p>　　2.2 分頻器------------------------------------------------------------------------------6</p><p>　　2.3 計(jì)數(shù)器-----

6、-------------------------------------------------------------------------6</p><p>　　2.4 顯示器------------------------------------------------------------------------------8</p><p>　　2.5 校時(shí)電路------

7、---------------------------------------------------------------------9</p><p>　　第三節(jié) 電路的總體設(shè)計(jì)與調(diào)試--------------------------------------------10</p><p>　　第四節(jié) 設(shè)計(jì)總結(jié)----------------------------------

8、---------------------------------12</p><p>　　附錄----------------------------------------------------------------------------------------------13</p><p>　　參考文獻(xiàn)-------------------------------------

9、-------------------------------------------------17</p><p><b>　　第一節(jié) 系統(tǒng)概述</b></p><p>　　數(shù)字電子鐘是由多塊數(shù)字集成電路構(gòu)成的，其中有振蕩器，分頻器，校時(shí)電路，計(jì)數(shù)器，譯碼器和顯示器六部分組成。振蕩器和分頻器組成標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)發(fā)生器，不同進(jìn)制的計(jì)數(shù)器產(chǎn)生計(jì)數(shù)，譯碼器和顯示器進(jìn)

10、行顯示，通過校時(shí)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)，分的校準(zhǔn)。</p><p>　　1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路與總體方案</p><p>　　數(shù)字時(shí)鐘基本原理的邏輯框圖如下所示：</p><p>　　由上圖可以看出，振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過分頻器作為產(chǎn)生秒脈沖，秒脈沖送入計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)結(jié)果經(jīng)過“時(shí)”、“分”、“秒”，譯碼器，顯示器顯示時(shí)間。其中振蕩器和分頻器組成標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)發(fā)生器，由不同進(jìn)制的計(jì)

11、數(shù)器，譯碼器和顯示電路組成計(jì)時(shí)系統(tǒng)。秒信號(hào)送入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，把累計(jì)的結(jié)果以“時(shí)”，“分”、“秒”的數(shù)字顯示出來?！皶r(shí)”顯示由二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器，譯碼器，顯示器構(gòu)成；“分”、“秒”顯示分別由六十進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，譯碼器，顯示器構(gòu)成；校時(shí)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)，分的校準(zhǔn)。</p><p>　　第二節(jié) 單元電路設(shè)計(jì)與分析</p><p>　　由圖1的系統(tǒng)圖知其由振蕩器、分頻器、計(jì)數(shù)器、譯碼器、

12、60;顯示器、校正電路組成。</p><p><b>　　振蕩器</b></p><p><b>　　2.1.1</b></p><p>　　秒發(fā)生電路---振蕩器是計(jì)時(shí)器的核心，振蕩器的穩(wěn)定度和頻率的精確度決定了計(jì)時(shí)器的準(zhǔn)確度。一般來說，振蕩器的頻率越高，計(jì)時(shí)精度就越高，但耗電量將越大。所以，在設(shè)計(jì)電路時(shí)要根據(jù)需要而設(shè)計(jì)

13、出最佳電路。</p><p>　　在本設(shè)計(jì)中，采用的是精度不高的，由集成電路555與RC組成的多諧振蕩器。其具體電路如下圖2所示；</p><p>　　接通電源后，電容C1被充電，vC上升，當(dāng)vC上升到大于2/3VCC時(shí)，觸發(fā)器被復(fù)位，放電管T導(dǎo)通，此時(shí)v0為低電平，電容C1通過R2和T放電，使vC下降。當(dāng)vC下降到小于1/3VCC時(shí)，觸發(fā)器被置位，v0翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器C1放電結(jié)束,所

14、需的時(shí)間為 ：         </p><p>　　當(dāng)C1放電結(jié)束時(shí)，T截止，VCC將通過R1、R2向電容器C1充電，vC由1/3VCC上升到2/3VCC所需的時(shí)為：</p><p>　　當(dāng)vC上升到2/3VCC時(shí)，觸發(fā)器又被復(fù)位發(fā)生翻轉(zhuǎn)，如此周而復(fù)始，在輸出端就得到一個(gè)周期性的

15、方波，其頻率為     </p><p><b>　　。 </b></p><p>　　本設(shè)計(jì)中，由電路圖和f的公式可以算出，微調(diào)R3=60k左右，其輸出的頻率為f=1000Hz.</p><p><b>　　2.1.2</b></p><p>　　振蕩器，除

16、了可以由上一節(jié)介紹的除外，如果對(duì)精度有較高要求的話，還可以用石英晶體構(gòu)成的振蕩器，這里簡(jiǎn)單介紹一下：</p><p><b>　　如下電路圖3所示；</b></p><p>　　電路振蕩頻率為100KHz，把石英晶體串接在由非門2，3組成的振蕩反饋電路中，非門4是振蕩器整形緩沖級(jí)。憑借與石英晶體串聯(lián)的微調(diào)電容，可以對(duì)振蕩器的頻率作微量的調(diào)節(jié)。</p>&

17、lt;p><b>　　2 .2 分頻器</b></p><p>　　分頻器的功能主要有兩個(gè)：一個(gè)是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)；二是提供功能擴(kuò)展電路所需要的信號(hào)，如仿電臺(tái)報(bào)時(shí)用的1000Hz的高音頻信號(hào)和500Hz的低音頻信號(hào)等。</p><p>　　本設(shè)計(jì)中，由于振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)頻率太高，要得到標(biāo)準(zhǔn)的秒信號(hào)，就需要對(duì)所得的信號(hào)進(jìn)行分頻。這里所采用的分頻電路是由3個(gè)總規(guī)模

18、計(jì)數(shù)器74LS90來構(gòu)成的3級(jí)1/10分頻。</p><p>　　其電路圖如下圖4所示:</p><p><b>　　圖4</b></p><p>　　從圖4可以看出，由振蕩器的1000Hz高頻信號(hào)從U1的14端輸入，經(jīng)過3片74LS90的三級(jí)1/10分頻，就能從U3的11端輸出得到標(biāo)準(zhǔn)的秒脈沖信號(hào)。相應(yīng)的如果輸入的是100KHz時(shí)，就需要5片

19、進(jìn)行5級(jí)分頻，電路圖畫法和上圖4一樣，同理依次類推。</p><p><b>　　2.3計(jì)數(shù)器</b></p><p>　　由圖1的方框圖可以清楚的看到，顯示“時(shí)”、“分”、“秒”需要6片中規(guī)模計(jì)數(shù)器；其中“秒”、“分”各為60進(jìn)制計(jì)數(shù)，“時(shí)”為24進(jìn)制計(jì)數(shù)。在本設(shè)計(jì)中均用74LS90來實(shí)現(xiàn)：</p><p>　　2.3.1 六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器&l

20、t;/p><p>　　“秒”計(jì)數(shù)器電路與“分”計(jì)數(shù)器電路都是六十進(jìn)制，它由一級(jí)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器和一級(jí)六進(jìn)制計(jì)數(shù)器連接構(gòu)成，如圖5所示，是采用兩片中規(guī)模集成電路74LS90串接起來構(gòu)成的“秒”，“分”計(jì)數(shù)器。</p><p><b>　　圖5</b></p><p>　　由圖5可知，U1是十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，U1的QD作為十進(jìn)制的進(jìn)位信號(hào)，74LS90N計(jì)數(shù)器

21、是十進(jìn)制異步計(jì)數(shù)器，用反饋清零法來實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制計(jì)數(shù)，U2和與非門組成六進(jìn)制計(jì)數(shù)。74LS90N是在CP信號(hào)的下降沿觸發(fā)下進(jìn)行計(jì)數(shù)，U2的QA和QC相與0101的下降沿，作為“分（時(shí)）”計(jì)數(shù)器的輸入信號(hào)。U2的輸出0110高電平1分別送到計(jì)數(shù)器的R01、R02端清零，74LS90N內(nèi)部的R01、R02與非后清零而使計(jì)數(shù)器歸零，完成六進(jìn)制計(jì)數(shù)。由此可見，U1和U2串接實(shí)現(xiàn)了六十進(jìn)制計(jì)數(shù)。</p><p>　　2.3.2

22、 二十進(jìn)制計(jì)數(shù)器</p><p>　　“時(shí)”計(jì)數(shù)為24進(jìn)制的，在本設(shè)計(jì)中24進(jìn)制的計(jì)數(shù)電路也是由兩個(gè)74LS90組成的二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)電路，如圖6所示。</p><p><b>　　圖6</b></p><p>　　由圖6看出，當(dāng)“時(shí)”個(gè)位U4計(jì)數(shù)器輸入端A（14腳）來到第10觸發(fā)信號(hào)時(shí)，U4計(jì)數(shù)器清零，進(jìn)位端QD向U3“時(shí)”十位計(jì)數(shù)器輸入進(jìn)位信

23、號(hào)，當(dāng)?shù)?4個(gè)“時(shí)”（來自“分”計(jì)數(shù)器輸出的進(jìn)位信號(hào)脈沖到達(dá)時(shí)U3計(jì)數(shù)器的狀態(tài)位“0100”，U4計(jì)數(shù)器的狀態(tài)為“0010”，此時(shí)“時(shí)”個(gè)位計(jì)數(shù)器的QC,和“時(shí)”十位計(jì)數(shù)器的QB輸出都為“1”，相與后為“1”。把它們分別送入U(xiǎn)3和U4計(jì)數(shù)器的清零端R01和R02，通過74LS90N內(nèi)部的與非后清零，計(jì)數(shù)器復(fù)零，從而完成二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)。</p><p><b>　　2.4顯示器</b><

24、/p><p>　　用七段發(fā)光二極管來顯示譯碼器輸出的數(shù)字，顯示器有兩種：共陰極和共陽極顯示器。74LS48譯碼器譯碼的是高電平，所以對(duì)應(yīng)的顯示器應(yīng)為共陰極顯示器。在本設(shè)計(jì)中用的是解碼七段排列顯示器，即包含譯碼器的七段顯示器。其圖形管腳如下圖7所示：</p><p><b>　　圖7</b></p><p>　　U2是一個(gè)解碼七段排列顯示器，由1、2

25、、3、4腳輸入二進(jìn)制數(shù)，就可顯示數(shù)字；</p><p>　　而U3是個(gè)譯碼器，和未解碼的七段顯示管U1也可以構(gòu)成顯示器，連接如上面所示。</p><p><b>　　2.5較時(shí)電路</b></p><p>　　當(dāng)剛接通電源或計(jì)時(shí)出現(xiàn)誤時(shí)，都需要對(duì)時(shí)間進(jìn)行校正。校正電路如下圖8所示：</p><p><b>　　

26、圖8</b></p><p>　　第三章 電路的總體設(shè)計(jì)與調(diào)試</p><p>　　由第二章介紹的電路各個(gè)部分的子電路構(gòu)成的各個(gè)部分的功能，再由第一章的數(shù)字時(shí)鐘的系統(tǒng)原理框圖，可以清楚的知道了總體的電路情況。下面圖9（下一頁）就時(shí)本設(shè)計(jì)的總體電路：</p><p>　　由圖9可以看出和清楚的整個(gè)數(shù)字時(shí)鐘的總體工作原理和整個(gè)工作過程：</p>

27、<p>　　由555和RC構(gòu)成的振蕩器產(chǎn)生的1000Hz的高頻信號(hào)經(jīng)過由3片74LS90構(gòu)成的1/1000分頻的分頻器后得到標(biāo)準(zhǔn)的秒脈沖信號(hào)，進(jìn)入60進(jìn)制的“秒”計(jì)時(shí)，“秒”的分位進(jìn)入60進(jìn)制的“分”計(jì)時(shí)，最后，由分的“時(shí)”進(jìn)位進(jìn)入24進(jìn)制的“時(shí)”計(jì)時(shí)。</p><p>　　在電路中，還有由門電路和開關(guān)構(gòu)成的校時(shí)電路對(duì)電路的“時(shí)”，“分”進(jìn)行校時(shí)，得到正確的時(shí)間。</p><p&g

28、t;　　圖2-圖7各個(gè)部分功能的電路和圖9的總體數(shù)字時(shí)鐘的電路均在電子電路計(jì)算機(jī)仿真軟件Multisim2001中進(jìn)行調(diào)試和仿真二得到的。</p><p><b>　　第四節(jié) 設(shè)計(jì)總結(jié)</b></p><p>　　通過本次設(shè)計(jì)，使我對(duì)已學(xué)過的電路、數(shù)電、模電等電子技術(shù)的知識(shí)有了更深一步的了解，鍛煉和培養(yǎng)了自己利用已學(xué)知識(shí)來分析和解決實(shí)際問題的能力。對(duì)自己以后的學(xué)習(xí)和工

29、作有很大的幫助。</p><p>　　剛開始做這個(gè)設(shè)計(jì)的時(shí)候感覺自己什么都不知道怎么下手，腦子里比較浮躁和零亂。但通過一段時(shí)間的努力，通過重溫?cái)?shù)電，模電等電子技術(shù)的書籍，還有通過查看相關(guān)的設(shè)計(jì)技術(shù)以及一些參考文獻(xiàn)，再加之在老師的指導(dǎo)和周圍同學(xué)的幫助下，使我對(duì)自己的本設(shè)計(jì)有了熟練的掌握。</p><p>　　在整個(gè)的設(shè)計(jì)過程中我充滿了激情和用心。記得在電子電工實(shí)習(xí)的時(shí)候，也是用滿腔的熱情來完

30、成各項(xiàng)實(shí)習(xí)任務(wù)，并在每項(xiàng)實(shí)習(xí)項(xiàng)目中都達(dá)到了優(yōu)秀的成績(jī)。 所以，我相信自己的實(shí)際動(dòng)手能力，并一向的加強(qiáng)自己在這方面的努力。在這次的電子技術(shù)設(shè)計(jì)中亦是如此，用自己的雙手和滿腔的熱情來完成各個(gè)環(huán)節(jié)，不斷的在圖書管查看相關(guān)資料和期刊文獻(xiàn)，特別在Internt上也收收獲了很多新鮮的東西。這次設(shè)計(jì)更讓我熟悉了一些常用集成邏輯電路和其相應(yīng)芯片的使用。</p><p>　　雖然，在本設(shè)計(jì)中所用的方案不是最好的，但我想其中的原理是

31、最基本的；雖然其中可能出現(xiàn)的誤差會(huì)計(jì)較大些，但是是最經(jīng)濟(jì)的和實(shí)用的，我想在下去的一段時(shí)間里，我會(huì)將其的實(shí)物在一個(gè)PLC板實(shí)現(xiàn)出來，當(dāng)然也有可能做成一個(gè)成型的數(shù)字時(shí)鐘哦.</p><p>　　最后，我要衷心的感謝唐老師給了我一次實(shí)踐的機(jī)會(huì)，讓我更加深刻地了解和認(rèn)識(shí)到了自己的優(yōu)點(diǎn)和不足，通過這個(gè)課程設(shè)計(jì)我發(fā)現(xiàn)了我好多知識(shí)都不熟悉甚至有的東西我根本就不知道，這讓我感到了要學(xué)習(xí)的東西還有很多很多。因此使我更堅(jiān)定了在以后的

32、學(xué)習(xí)中要扎實(shí)好基礎(chǔ)，闊廣知識(shí)面。</p><p>　　附錄 部分芯片功能參數(shù)表</p><p>　　5.1.1 74LS90</p><p>　　74LS90的引腳圖如下圖10所示</p><p><b>　　圖10</b></p><p>　　74LS90的功能表</p>&l

33、t;p>　　5.1.2 74LS48</p><p>　　74LS48的引腳圖如下圖11所示：</p><p>　　74LS48的功能表：</p><p>　　5.1.3 555</p><p>　　555定時(shí)器（又稱時(shí)基電路）是一個(gè)模擬與數(shù)字混合型的集成電路。555定時(shí)器是一種應(yīng)用極為廣泛的中規(guī)模集成電路。該電路使用靈活、方

34、便，只需外接少量的阻容元件就可以構(gòu)成單穩(wěn)、多諧和施密特觸發(fā)器。因而廣泛用于信號(hào)的產(chǎn)生、變換、控制與檢測(cè)。    目前生產(chǎn)的定時(shí)器有雙極型和CMOS兩種類型，其型號(hào)分別有NE555(或5G555)和C7555等多種。它們的結(jié)構(gòu)及工作原理基本相同。通常，雙極型定時(shí)器具有較大的驅(qū)動(dòng)能力，而CMOS定時(shí)器具有低功耗、輸入阻抗高等優(yōu)點(diǎn)。555定時(shí)器工作的電源電壓很寬，并可承受較大的負(fù)載電流。雙極型定時(shí)器電

35、源電壓范圍為5～16V，最大負(fù)載電流可達(dá)200mA；CMOS定時(shí)器電源電壓范圍為3～18V，最大負(fù)載電流在4mA以下。</p><p>　　555的引腳圖如下圖12：</p><p><b>　　圖12</b></p><p>　　555的內(nèi)部電路和功能：</p><p><b>　　圖13</b>

36、;</p><p>　　上面圖13 是555定時(shí)器內(nèi)部組成框圖。它主要由兩個(gè)高精度電壓比較器A1、A2，一個(gè)RS觸發(fā)器，一個(gè)放電三極管和三個(gè)5KΩ電阻的分壓器而構(gòu)成。</p><p>　　它的各個(gè)引腳功能如下：</p><p>　　1腳：外接電源負(fù)端VSS或接地，一般情況下接地。</p><p>　　8腳：外接電源VCC，雙極型時(shí)基電路VCC

37、的范圍是4.5 ~ 16V，CMOS型時(shí)基電路VCC的范圍為3 ~ 18V。一般用5V。</p><p><b>　　3腳：輸出端Vo</b></p><p><b>　　2腳：低觸發(fā)端</b></p><p><b>　　6腳：TH高觸發(fā)端</b></p><p>　　4腳：

38、是直接清零端。當(dāng)端接低電平，則時(shí)基電路不工作，此時(shí)不論、TH處于何電平，時(shí)基電路輸出為“0”，該端不用時(shí)應(yīng)接高電平。</p><p>　　5腳：VC為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內(nèi)部?jī)蓚€(gè)比較器的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)該端不用時(shí)，應(yīng)將該端串入一只0.01μF電容接地，以防引入干擾。</p><p>　　7腳：放電端。該端與放電管集電極相連，用做定時(shí)器時(shí)電容的放電。</p><

39、;p>　　在1腳接地，5腳未外接電壓，兩個(gè)比較器A1、A2基準(zhǔn)電壓分別為的情況下，其功能如下表：</p><p>　　555定時(shí)器的功能表</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　?。?）康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)(第五版).北京：高等教育出版社;2005.</p><p>　?。?）閻石．?dāng)?shù)字電

40、子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）. 北京：高等教育出版社,2005.</p><p>　　(3)黃智偉.電子電路計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)與分析.北京：電子工業(yè)出版社,2006.</p><p>　?。?）呂思忠 施齊云.數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì).哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社；2001.</p><p>　?。?）毛期儉等；數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用.北京；人民郵電出版社；2005 .&l