數(shù)字電子電路課程設計數(shù)字鐘

1、指導老師：學生姓名：學 號：專 業(yè)：電子信息工程班 級：系 別：電氣工程與自動化學院設計時間：2007.1.15 目 錄 一. 概述1二. 設計要求和任務1三. 設計原理及方框圖1四. 各部分電路的設計及實現(xiàn)2五. 總體電路圖設計6六. 安裝與調(diào)試6七. 主要實驗器材8八. 收獲與體會9九. 參考文獻9數(shù)字鐘電路的設計一、 概述數(shù)字鐘已成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢缮俚谋匦杵?，給人們的生活，學習，工作帶來極大的方便。本文介紹的數(shù)字鐘是一種利用數(shù)字電路來顯示時、分、秒的裝置，與傳統(tǒng)的機械鐘相比，它具有走時準確，性能穩(wěn)定，顯示直觀，無機械傳動裝置等特點。此外，本數(shù)字鐘還具有整電報時、定時響鬧功能。二、 設

2、計要求和任務1、 設計的數(shù)字鐘以數(shù)字形式顯示時、分、秒的時間，小時計時為“12翻1” 。2、 當電路出現(xiàn)走時誤差時，電路具有校時功能。要求手動快校時、快校分或慢校時、慢校分。 3、 要求電路具有整點報時功能，報時聲響為四低一高，最后一響正好為整點。4、 要求電路具有定時響鬧功能。三、 設計原理及方框圖數(shù)字鐘實際上是一個對標準頻率進行計數(shù)的計數(shù)電路，由于計數(shù)的起始時間不可能與標準時間（如北京時間）一致，故需要在電路上加一個校時電路，同時標準的1kHZ時間信號必須做到準確穩(wěn)定。構成方框圖如下：時顯示器秒顯示器分顯示器時譯碼器定時控制電路秒譯碼器整點報時電路分譯碼器時計數(shù)器秒計數(shù)器分計數(shù)器校時電路分

3、頻器震蕩器圖1由圖可見：本數(shù)字鐘電路主要由震蕩器、分頻器、校時電路、時分秒計數(shù)器、譯碼顯示器及整點報時電路、定時控制電路構成。它們的工作原理是：由震蕩器產(chǎn)生的高頻脈沖信號作為數(shù)字鐘的時間基準，再經(jīng)過分頻器輸出標準“秒脈沖”送入秒計數(shù)器，秒計數(shù)器采用60進制計數(shù)器，每累計60秒發(fā)出一個“分脈沖”信號，該信號作為分計數(shù)器的脈沖信號，分計數(shù)器也采用60進制計數(shù)器，每累計60分鐘發(fā)出一個“時脈沖”信號，該信號將被送到時計數(shù)器，時計數(shù)器采用12進制計數(shù)器。譯碼顯示電路將時、分、秒計數(shù)器的輸出狀態(tài)送到七段譯碼顯示器，通過六位LED七段顯示器顯示出來。校時電路用來對時、分顯示數(shù)字進行調(diào)整；整點報時電路則根據(jù)

4、計時系統(tǒng)的輸出狀態(tài)產(chǎn)生一脈沖信號，然后去觸發(fā)音頻發(fā)生器實現(xiàn)報時；定時控制電路由指定時刻發(fā)出的信號，驅(qū)動音響電路。四、 各部分電路的設計及實現(xiàn)1震蕩器電路震蕩器電路是數(shù)字鐘的核心，主要用來產(chǎn)生時間標準信號，數(shù)字鐘的精度，主要取決于時間標準信號的頻率及穩(wěn)定度。一般來說，震蕩器的頻率越高，計時精度越高。通常采用石英晶體震蕩器經(jīng)過分頻得到這一信號，也可采用由門電路或555定時器構成的多諧震蕩器作為時間標準信號源。本設計方案采用的是集成電路定時器555與RC組成的多諧震蕩器，如下圖所示： 圖2接通電源后，電容C1被充電，Vc1上升，當Vc1上升到2/3Vcc時，觸發(fā)器被復位，同時放電BJTT導通，此時V

5、o為低電平，電容C1通過R和T放電，使Vc1下降。當Vc1下降到1/3Vcc時，觸發(fā)器又被復位，Vo翻轉(zhuǎn)為高電平，電容C1放電所需要的時間為：t1=RC1ln2=0.7RC1 當C1放電結(jié)束是，T截止，Vcc將通過R1，R2向電容器C1沖電，Vcc由1/3Vcc上升到2/3Vcc所需要的時間為：t2=(R1+R2)C1ln2=0.7(R1+R2)C1當Vc上升到2/3Vcc是，觸發(fā)器又發(fā)生翻轉(zhuǎn)。如此周而復始，在輸出端就得到一個周期性的方波，其頻率為： f=1/(t1=t2)=1.43/(R1+R2)C1這里設震蕩頻率f=1KHz。2分頻器的設計由于震蕩器輸出的頻率很高，所以需一定級數(shù)的分頻電路

6、。本設計方案中的分頻器主要功能有兩個：一是產(chǎn)生標準“秒”信號，二是提供整點報時電路所需要的1KHz的高音信號和500Hz的低音信號。這里選用三片中規(guī)模集成電路計數(shù)器74LS90即可滿足上述功能，因三片級聯(lián)則可獲得所需頻率信號，即第一片的Q0輸出頻率為500Hz，第二片的Q3輸出頻率為10Hz，第三片的Q3輸出頻率為1Hz。具體電路圖見總圖部分。3計數(shù)器的設計有了時間標準“秒”信號后，就可以根據(jù)設計要求設定時、分、秒計數(shù)器：分和秒計數(shù)器都采用60進制計數(shù)器，計數(shù)規(guī)律均為00，01，02-58，59，00，01-，因此個位均選用十進制計數(shù)器74LS90，十位均選用十二分頻計數(shù)器74LS92，再將它

7、們級聯(lián)則可組成60進制計數(shù)器。十進制計數(shù)器是一個“12翻1”的特殊計數(shù)器，即當數(shù)字鐘運行到12時59分59秒時，秒的個位計數(shù)器再輸入一個秒脈沖，數(shù)字鐘自動顯示為01時00分00秒，實現(xiàn)日常生活規(guī)律，所以時個位選用一片四位二進制同步可逆計數(shù)器74LS191，十位選用雙上升沿D觸發(fā)器74LS74，再加上適當?shù)呐c非門和異或門級聯(lián)則可滿足要求。具體電路圖見總圖部分。4譯碼顯示電路譯碼和數(shù)碼顯示電路是將數(shù)字鐘和計時狀態(tài)直觀清晰地放映出來，被人們的視覺器官所接受，它的任務就是將計數(shù)器輸出的8421BCD碼譯成數(shù)碼器顯示所需要的高低電平。這里所選用的譯碼器就是常用的BCD譯碼/驅(qū)動器74LS48，其中A1、

8、A2、A3、A4與計數(shù)器的四個輸出端按設計要求相連或接地，a、b、c、d、e、f、g則與七段數(shù)碼顯示器對應端相連。具體電路圖見總圖部分。 5校時電路校時電路是在剛接通電源或鐘表走時出現(xiàn)誤差時進行時間校準，本電路只對分和秒進行校準。校時電路要求各種校準必須互不影響，即在小時校正時不影響分和秒的正常計數(shù)；在分校正是不影響小時和秒的正常計數(shù)。校時方式有“快校時”和“慢校時”兩種，“快校時”是通過開關控制，使計數(shù)器對1Hz的校時脈沖計數(shù)，“慢校時”是手動產(chǎn)生單脈沖作為校時脈沖。具體電路如下圖所示：其中S1為?！胺帧庇玫目刂崎_關，S2為校“時”用的控制開關，校時脈沖采用分頻器輸出的1Hz脈沖，當S1或S

9、2分別為“0”時可進行“快校時”。如果校時脈沖由單次脈沖產(chǎn)生器提供，則可進行“慢校時”圖36整點報時電路 整點報時電路的功能是要求每當數(shù)字鐘計時到整點（或快到整點）時發(fā)出音響，通常按照四聲低音一聲高音的順序發(fā)出間斷聲響，以最后一聲高音結(jié)束的時刻為整點時刻。設四聲低音（約500Hz）分別發(fā)生在59分51秒、53秒、55秒、57秒，最后一聲高音（約1KHz）發(fā)生在59秒，它們的持續(xù)時間為1s。由此可見，報時時分和秒個位計數(shù)器的狀態(tài)是不變的為59分，秒十位計數(shù)器的狀態(tài)為:（QdQcQbQa）ds2=0101亦不變，只有秒個位計數(shù)器Qds1的狀態(tài)可用來控制1KHz和500Hz的音頻。下表列出了秒計數(shù)器

10、的狀態(tài)： 表1：秒個位計數(shù)器的時態(tài)CP(秒)Q3S1Q2S1Q1S1Q0S1功能500000 510 001鳴低音520010停530011鳴低音 540 000停 550101鳴低音 560110停 570111鳴低音 581000停 591001鳴高音 000000停由表可得：當 Q3S1=“0”時為500Hz輸入音響；當Q3S1=“1”時1KHz輸入音響。由此可設計如下電路圖：圖4只有當分十位的Q2M2Q0M2=11,分個位的Q3M1Q0M1=11,秒十位的Q2S2Q0S2=11，秒個位的Q0S1=1時音響電路才能工作7定時控制電路 有時需要數(shù)字鐘在規(guī)定的時刻發(fā)出信號并驅(qū)動音響電路進行“

11、鬧時”，這就要求時間準確，即信號的開始時刻與持續(xù)時間必須滿足規(guī)定的要求。如要求上午7時59分發(fā)出鬧時信號，持續(xù)時間為1分鐘。 因為7時59分對應數(shù)字鐘的時個位計數(shù)器的狀態(tài)為(Q3Q2Q1Q0)H1=0111，分十位計數(shù)器的狀態(tài)為(Q3Q2Q1Q0)M2=0101，分個位計數(shù)器的狀態(tài)為(Q3Q2Q1Q0)M1=1001。若將上述計數(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59分響，持續(xù)1分鐘后（即8點時）停響。所以鬧時控制信號Z的表達式為： 式中，M為上午的信號輸出，要求M=1。如果用與非門實現(xiàn)上式所表示的邏輯功能，則可以將Z進行布爾代數(shù)變換，即實現(xiàn)上式的邏

12、輯電路如圖所示，其中74LS20為4輸入二與非門，74LS03為集電極開路（OC門）的四-2輸入與非門。 圖5由圖可見上午7點59分時,音響電路的晶體管導通,則揚聲器發(fā)出1kHz的聲音。持續(xù)1分鐘到8點整晶體管因輸入端為“0”而截止,電路停鬧。 五、總體電路圖設計根據(jù)設計原理方框圖將各部分電路連接起來則構成了總體電路圖，如下頁圖所示：六、安裝與調(diào)試 由數(shù)字鐘系統(tǒng)的原理方框圖按照信號的流向分級安裝，逐級級聯(lián)，級聯(lián)時如果出現(xiàn)時序配合不同步，或尖峰脈沖干擾，引起邏輯混亂，可以增加多級邏輯門來延時。如果顯示字符變化很快，模糊不清，可能是由于電源電流的跳變引起的，可在集成電路器件的電源端Vcc加退耦濾波

13、電容，通常用幾十微法的大電容與0.01mF的小電容相并聯(lián)。經(jīng)過聯(lián)調(diào)并糾正設計方案中的錯誤和不足之處后，再測試電路的邏輯功能是否滿足設計要求。 七、主要實驗器材四-2輸入與非門 74LS00 4片； 四-2輸入與非門（OC） 74LS03 2片；雙四輸入與非門 74LS20 2片； BCD-七段顯示譯碼器 74LS48 6片；雙上升沿D觸發(fā)器 74LS74 1片； 十進制計數(shù)器 74LS90 5片；十二分頻計數(shù)器 74LS92 2片；四位二進制可逆計數(shù)器 74LS191 1片；數(shù)碼顯示器 BS202 6個； 集成電路定時器 555 1片。 計數(shù)顯示及校時電路 整點報時電路鬧時電路八、收獲與體會“

14、電子技術課程設計”是電子技術課程的實踐性教學環(huán)節(jié)，是對我學習電子技術的綜合性訓練。我是專生本過來的學生,在我以前的學校我們根本就沒有這樣的課,所以我非常珍惜這次做課程設計的機會.我做的是數(shù)字鐘的設計，然而，要完成一個課題的設計要涉及到許多方面的知識。通過上網(wǎng)查詢和查閱相關書籍資料，讓我知道了大量關于數(shù)字鐘設計的知識，同時又重新將從前學過的知識復習了一遍，做到對各個集成塊的引腳功能和工作原理都很清晰。從而讓我更深一步掌握了時序邏輯電路的功能，學會了做課程設計的一般步驟。首先我制定出自己的設計方案，其次詳細設計每一部分的電路，最后再根據(jù)原理方框圖連接電路。這不僅培養(yǎng)了我獨立分析和解決實際問題的能力，同時也為以后的電路設計打好了基礎。在這次的設計中，讓我認識到自己在學習理論知識中的不足。特別是555定時器那塊知識，我學的不太好，張宇華張老師教我們的數(shù)字電路，他講的很好，我真后悔沒下大功夫?qū)W。所以在以后的學習中我會吸取這次的教訓，認真對待每一個知識點