數(shù)字電子課程設(shè)計報告多功能電子鐘

1、數(shù)字電子課程設(shè)計報告多功能電子鐘一、設(shè)計題目 多功能數(shù)字電子鐘的設(shè)計二、設(shè)計要求1、有“時”、“ 分”、“ 秒”（23小時59分59秒）顯示且有校時功能。（設(shè)計秒脈沖發(fā)生器）；2、有整點報時功能。（選：上下午、日期、鬧鐘等）3、用中規(guī)模、小規(guī)模集成電路及模擬器件實現(xiàn)。4、供電方式: 5v直流電源三、設(shè)計任務(wù)1、畫出數(shù)字電子鐘的電路圖。2、用ewb進行功能仿真。3、撰寫課程設(shè)計說明書四、設(shè)計總體框圖和總電路圖 圖1 多功能數(shù)字電子鐘系統(tǒng)框圖圖2 總電路圖五、設(shè)計方案及論證主電路是由ttl集成電路功能部件和單元電路構(gòu)成。本方案主要功能特點：1、實現(xiàn)“時”、“ 分”、“ 秒”（23小時59分59秒）

2、顯示且有校時功能；2、自行設(shè)計的用555定時器組成的多諧振蕩器和分頻器組合的秒脈沖發(fā)生器，可以代替1hz方波信號源是電路正常運作；3、有星期的顯示功能，以及時鐘12/24進制的轉(zhuǎn)換，并能同步正常進位；4、實現(xiàn)整點報時功能。1、振蕩器的設(shè)計 振蕩器是數(shù)字電子鐘的核心部件。有以下兩種方案：方案一：選用石英晶體構(gòu)成的振蕩器電路 石英晶體振蕩器的精度較高，由于振蕩器的穩(wěn)定度及頻率的精確度決定了數(shù)字鐘的及時的準確程度，而且，通常情況下，震蕩器的頻率越高，計數(shù)精度越高，所以多數(shù)都采用石英晶體振蕩器，如：電子手表中的晶體振蕩器電路。方案二：555定時器構(gòu)成的振蕩器555定時器構(gòu)成的晶體振蕩器的精度不比石英晶

3、體振蕩器，不過考慮到555定時器在數(shù)字電子中有廣泛的應(yīng)用，而且本設(shè)計中不要求很高的精度，所以這里采用555定時器構(gòu)成多諧振蕩器，設(shè)置振蕩頻率為1khz。電路圖如下：圖3 555定時器接成的秒脈沖發(fā)生器555定時器頻率計算公式:添加公式 周期 t=1/f根據(jù)公式，設(shè)置r1=r2=4.77m ohm ，c=0.1uf 則f1hz,t1s2、分頻器設(shè)計分頻器的設(shè)計目的：產(chǎn)生等間距的頻率穩(wěn)定的標準秒脈沖信號。設(shè)計原理：由于由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器，雖然頻率達到要求，但初始時輸入信號從0v變?yōu)?/3vcc的過程中，對555定時器來說，它的邏輯值一直是0（低電平），此期間的周期與設(shè)計的1s的周期相差

4、較大，使得直接接入電路的秒脈沖發(fā)生器從數(shù)字2開始計時。如果提高555的振蕩頻率，則會使得首次觸發(fā)的周期和穩(wěn)定后的周期相差越來越小。如果我們在電路中設(shè)計分頻器，我們就需要將555定時器接成的多諧振蕩器的頻率重新設(shè)置，例如:將其輸出的頻率設(shè)置為1000hz，那么我們就需要三片74ls90級聯(lián)，并且每一片都接成是十分頻，經(jīng)過第一片74ls90后，輸出的頻率為100hz，第二片輸出的頻率為10hz，第三片輸出的頻率為1hz。如果振蕩器的頻率為10hz，那就只需要一片74ls90就可以了，然后將qd作為最后的輸出端口。分頻器原理：74ls90實際上是異步二-五-十進制加法計數(shù)器。通過不同的連接方式，能夠

5、實現(xiàn)多種功能。下圖是將74ls90連成十進制，達到十分頻的作用，把555構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生的10hz信號通過十次累加進位分為1hz的信號，而波形的占空比沒有發(fā)生變化，使得整個脈沖電路產(chǎn)生了相對標準的秒脈沖信號。下圖為連接方式：圖4 一片74ls90接成十分頻的分頻器圖5 由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生的1hz的波形圖圖6 由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生的10hz的波形圖圖7 接入十分頻分頻器后脈沖電路產(chǎn)生的波形圖 經(jīng)無數(shù)次試驗與調(diào)試，通過微調(diào)r1，r2和c的值，得到r2=r1=4.669m ohm,c=0.001uf,c=0.012uf,使得周期t=1.00007s，使誤差相對較小。

6、3、時分秒計數(shù)器設(shè)計 分秒計時器都是60進制的，個位都為十進制，十位為六進制，當十位為5并且個位為9的時候進位，當分和秒的時間都為“59”時，向小時個位進位。 時計數(shù)器的設(shè)計可以有兩種情況，一種是24小時制，另一種是12小時制。在此處采用的是24/12進制，從“00”顯示到“23/11”。(進制可調(diào))在此處采用的是74160進行設(shè)計：（1）秒鐘/分鐘計時電路的設(shè)計利用十進制計數(shù)器74160和帶譯碼器的七段顯示數(shù)碼管組成的數(shù)字時鐘電路。根據(jù)計數(shù)器74160的真值表，利用兩片74160組成同步60進制遞增計數(shù)器如圖： 圖8 分秒鐘計時電路圖其中個位計數(shù)器接成十進制形式。其中選擇qc，qb做反饋端，

7、經(jīng)與非門輸出控制清零端（clr），接成六十進制形式。個位與十位之間采用同步級聯(lián)復(fù)位的方式，將個位計數(shù)器的進位輸出端（rco）接至十位計數(shù)器的進位容許端（ent），完成個位對十位的進位控制。將個位計數(shù)器的rco端和十位計數(shù)器的qc和qa端經(jīng)過兩個與門由co端輸出，作為六十進制的輸出脈沖信號。當計數(shù)器狀態(tài)為59時。co端輸出高電平，在同步級聯(lián)方式下，容許高位計數(shù)器計數(shù)。電路創(chuàng)建完成后，用1hz方波信號作為脈沖源進行仿真。 （2）24/12進制計數(shù)器的設(shè)計 同樣利用兩個74160芯片、兩個譯碼與數(shù)碼顯示器連接成十二/二十四進制的時計數(shù)器，通過開關(guān)h對小時進行校對，開關(guān)w通過相應(yīng)與非門的連接控制十二進

8、制與二十四進制間的切換電路圖如下：圖9 時鐘計時電路圖選擇十位計數(shù)器的輸出端qb和個位計數(shù)器的輸出端qc通過與非門控制兩片計數(shù)器的清零端（clr），當計數(shù)器的輸出狀態(tài)為00100100時，立即譯碼反饋清零，實現(xiàn)24進制遞增計數(shù)；若選擇十位計數(shù)器的輸出端qa與個位計數(shù)器的輸出端qb經(jīng)與非門控制兩片計數(shù)器的清零端，當計數(shù)器的輸出狀態(tài)為00010010時，立即譯碼反饋清零，實現(xiàn)12進制遞增計數(shù)。敲擊【w】鍵控制12/24進制的轉(zhuǎn)換。 圖10 12/24進制轉(zhuǎn)換及進位裝置圖值得注意的是：當進行12和24進制轉(zhuǎn)換時，時鐘計時電路向星期計時電路的進位將發(fā)生變化。12進制時，應(yīng)當跳變循環(huán)兩次（24小時為一天

9、）進位一次，24進制時，跳變循環(huán)一次就進位一次。本設(shè)計采用74160設(shè)計的二進制計數(shù)器（圖中名為222的子電路），與12進制的進位支路相連，因為星期是從星期一開始計數(shù)，所以將二進制內(nèi)部的非門去掉，使七進制計數(shù)器的輸入從高電平開始跳變，顯示為1、2、3、4、5、6、0。另一支路接24進制的進位端，用同名為【w】的開關(guān)控制轉(zhuǎn)換。達到了進制與進位的同步切換。4、校時電路設(shè)計 當電子鐘計時出現(xiàn)誤差時，需要對電子鐘進行校時，因此校時是電子鐘比不可少的內(nèi)容之一。本設(shè)計是對秒鐘、分鐘、時鐘分別進行校時，分別通過s、m、h開關(guān)鍵進行控制，且互不影響。本設(shè)計使用過兩種校時電路方案：方案1：按照電子設(shè)計與仿真技術(shù)

10、（李忠波）中的設(shè)計將分和時的ent端通過加控制開關(guān)控制clk脈沖信號的輸入，實現(xiàn)分、時的校時。但是當顯示數(shù)字09時，校時出現(xiàn)錯誤，數(shù)字的十位開始從0到1跳變。初步分析原因，可能由于是同步級聯(lián)，當出現(xiàn)數(shù)字9時開始進位，使得十位計數(shù)器單獨跳變，呈現(xiàn)十進制計數(shù)器的功能。 圖11 方案一校時電路設(shè)計方案2：在方案1的基礎(chǔ)上，將計時子電路的enp端接高電平，使進位從clk中進入，然后將開關(guān)加在clk支路上，控制脈沖信號的有無，從而達到校時的目的。此時不會出現(xiàn)到數(shù)字09時的進位跳變。圖12 方案二校時電路設(shè)計5、整點報時電路 整點報時電路的功能是：每當電子鐘計時到整點時，小燈泡發(fā)光，并且蜂鳴器發(fā)出響聲。為

11、了簡化設(shè)計，蜂鳴器要用三極管放大驅(qū)動。與門的下端接分鐘的進位，上端接秒的進位，即：只有當分鐘和秒同時由59跳至00時報時。電路圖如下： 圖13 整點報時6、日期和星期設(shè)計（1）星期的設(shè)計： 同樣使用74160進行設(shè)計，將其接成是7進制的計數(shù)器，狀態(tài)從“0000”到“0110”，其中，數(shù)字“0”代表星期日，其余的以此排序。其中的space鍵控制星期的校時。 設(shè)計電路圖如下：圖14 星期電路圖（2）“日”、“月”、“年”的設(shè)計。 均是采用74160的設(shè)計，但設(shè)置的是日期是31進制，月份是12進制，年是10進制，其中日期的進制無法與實際的相符，實際有30、28天的情況。所以沒有接入主電路，只是作為改

12、進的參考。六、仿真過程與結(jié)論1、秒脈沖發(fā)生器 方案一：可直接使用方波信號源 這樣設(shè)計比較簡單，輸出的直接就可設(shè)為1hz，在仿真時，可以直接使用。在校時演示、進位演示中，可以任意改變其頻率，方便演示。 方案二：使用用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器與分頻器組成的脈沖源 這種設(shè)計可一將555定時器的輸出頻率設(shè)置為10hz，然后在設(shè)計一個十分頻的分頻器，將二者連接在一起。也可以將頻率設(shè)置的更高，然后將多片74ls90級聯(lián)在一起即可。仿真時的效果與方案一完全一樣。但不方便修改頻率進行演示。2、秒、分鐘、小時電路的仿真 秒和分顯示從“00”開始到“59”，向下一級電路進位，在分鐘和秒均為“59”時，整點報時

13、，小燈泡發(fā)光，理論上繼電器會發(fā)出響聲，但由于電腦原因沒有聽到。3、日期和星期電路的仿真 當小時為“23”，分和秒為“59”時，向“日”個位和星期同時進位，其中星期為7進制，顯示為“1”“0”，“0”代表是星期日；“日”顯示為“00”“31”，如果當前顯示為“31”下一次顯示為“01”。當“日”為“31”，時間為“23時59分59秒”時向月進位，不足之處在于沒有區(qū)分開“30”和“28”天的月份，這里需要手動校時。當“月”為“12”，“日”為“31”，時間為“23時59分59秒”時向年進位。4、校時電路的仿真如果電子表的時間有誤，可以按下響應(yīng)的開關(guān)，將其接到信號源上，并開始校時，當達到想要的值時，

14、再撥回開關(guān)。也可以用此來單獨檢驗各個計數(shù)器的進制是否正確。七、仿真過程中遇到的問題及解決方案問題1：555定時器接成的秒脈沖發(fā)生器的作為信號源接入電路，顯示從數(shù)字“2”開始。解決方案：將多諧震蕩器的頻率升高10倍，接入一個十分頻的分頻器。使得顯示數(shù)字從“0”開始。問題2：電子鐘走一會就會自動停下來原因：將秒脈沖發(fā)生器和方波信號發(fā)生器放到同一ebw文件中，這樣會影響到電子鐘的運行。解決方案：將秒脈沖發(fā)生器放與方波信號源分開使用，分別放進不同的ewb文件中。問題3：方案一的校時電路出現(xiàn)錯誤，無法設(shè)置數(shù)字09。解決方案：使用方案二的校時電路進行設(shè)計。問題4：在全電路仿真時，時鐘校時電路和時鐘電路的進

15、制之間存在相互的影響。12進制時，電路功能正常， 24進制時，必須使星期顯示從“1”開始（即先打到12進制再立即切換為24進制），方可對時鐘進行校準。此外，星期校準電路與時鐘電路之間也存在著影響。改進：可以考慮在星期的校準電路里加一個非門，使脈沖信號反相輸出，從而使星期的校準功能正常。目前尚未找到更有效的解決方案解決整個問題。問題5：仿真過程中，軟件顯示出錯，之后不能打開。原因：可能是電腦問題，也可能是軟件問題。八、元件清單表2 元件清單74160芯片8個7490芯片1個小燈泡1個七段數(shù)碼管7個與門5個繼電器1個4.669m電阻2個非門1個555定時器1個0.12u電容1個與非門5個開關(guān)6個0

16、.01u電容1個信號源1個5v電源3個（可并）九、改進方向1、日期的設(shè)計應(yīng)當將30天和28天的情況考慮在內(nèi)，并研究設(shè)計方案。2、設(shè)計鬧鐘電路。3、設(shè)計上下午。4、解決時鐘校時電路和時鐘電路進制之間的相互影響問題。十、課程設(shè)計心得在課程設(shè)計過程當中，體會最多的就是必須得細心耐心，思維要嚴密，并且要牢固的掌握所學(xué)的電子技術(shù)基礎(chǔ)知識。比如在做7進制計數(shù)器時，才發(fā)現(xiàn)所用的數(shù)碼管都有內(nèi)置的譯碼器這個問題，這說明從一開始對整個方案的設(shè)計就沒有明確思路，只是照書去做，也對電子元件的基礎(chǔ)知識沒有很好的掌握，才會犯這種低級錯誤。我們應(yīng)當有不輕言放棄和精益求精的精神，遇到問題后積極詢問或上網(wǎng)查閱相關(guān)知識，從而大膽

17、的提出自己的想法，而如果我們真的想設(shè)計出自己的東西來，是沒有一個確切的答案和你的想法是一致的，這樣我們就必須得有很好的基礎(chǔ)知識，熟悉功能表，無論是使用自己熟悉的芯片還是要重新選擇，你都必須得先了解它最基本的功能。還有一個重要的就是仿真軟件，這也是我們必須要學(xué)習(xí)的東西，對于每一個軟件的操作都有其技巧性，比如說快捷鍵，在此次設(shè)計中我開始的時候做的很慢，很多步驟都是重復(fù)的工作，浪費了不少時間。元件的分布和擺放也是有一定的學(xué)問的，設(shè)計一個電路，我們不是只要實現(xiàn)了功能就可以了，如何使電路圖美觀、便于修改，節(jié)省時間，如何使其他人可以在短時間內(nèi)看得懂，這都是需要研究的。比如我在電路圖中用了3個5v電源，就是為了使電路看起來更加清晰而不冗雜。在節(jié)省元件方面，如果是做實物的話則應(yīng)當予以考慮。