基于MUSTISM仿真的數(shù)字電子時(shí)鐘設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)

1、數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)課題：數(shù)字電子鐘學(xué) 院 機(jī)械工程學(xué)院 班 級(jí) 機(jī)電0912 成 績(jī) 指導(dǎo)老師 目 錄 引言（3）一. 設(shè)計(jì)意義和要求（4） 1.1設(shè)計(jì)意義（4） 1.2設(shè)計(jì)目的（4） 1.3設(shè)計(jì)要求（4）二. 方案設(shè)計(jì)（5） 2.1設(shè)計(jì)思路（5） 2.2 方案設(shè)計(jì) （5）三. 單元電路設(shè)計(jì)（8） 3.1 555多諧振蕩器（8） 3.2 秒脈沖發(fā)生電路（9） 3.3 秒和分計(jì)時(shí)電路 （9） 3.4 小時(shí)計(jì)時(shí)電路（11） 3.5顯示電路（12） 3.6校時(shí)電路（13） 3.7整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路 （14）四 調(diào)試與檢測(cè)（15）五總結(jié)與體會(huì)（16六參考文獻(xiàn)（17）七. 附錄（17）引言所謂數(shù)字鐘，是指利用電

2、子電路構(gòu)成的計(jì)時(shí)器。相對(duì)機(jī)械鐘而言，數(shù)字鐘能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，并顯示時(shí)，分，秒，而且可以方便，準(zhǔn)確的對(duì)時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)。在此基礎(chǔ)上，還可以實(shí)現(xiàn)整點(diǎn)報(bào)時(shí)的功能。因此，數(shù)字鐘的應(yīng)用十分廣泛。我們要通過這次的課程設(shè)計(jì)掌握數(shù)字鐘的原理，學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的數(shù)字時(shí)鐘。設(shè)計(jì)過程采用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法，先分析任務(wù)，得到系統(tǒng)和要求，然后進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，劃分子系統(tǒng)，然后進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，確定各個(gè)功能子系統(tǒng)中的內(nèi)部電路，最后按照原理圖構(gòu)成實(shí)物，進(jìn)行調(diào)試和改進(jìn)。一 設(shè)計(jì)意義及要求 1.1設(shè)計(jì)意義 (1). 了解數(shù)字鐘的原理和功能 (2)學(xué)會(huì)使用555定時(shí)器構(gòu)成脈沖發(fā)生器 (3)了解和掌握計(jì)數(shù)器，譯碼器和顯示器的工作原理和使用方法 (4).

3、 進(jìn)一步學(xué)習(xí)與掌握各種組合邏輯電路與時(shí)序電路的原理與使用方法，學(xué)會(huì)利用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)數(shù)字鐘的功能1.2設(shè)計(jì)目的 (1). 使學(xué)生進(jìn)一步掌握數(shù)字電子技術(shù)的理論知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生工程設(shè)計(jì)能力和綜合 分析問題、解決問題的能力； (2). 使學(xué)生基本掌握常用電子電路的一般設(shè)計(jì)方法，提高電子電路的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ?(3). 熟悉并學(xué)會(huì)選用電子元器件，為以后從事生產(chǎn)和科研工作打下一定的基礎(chǔ)。1.3設(shè)計(jì)要求(1). 設(shè)計(jì)一個(gè)準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，以數(shù)字顯示時(shí)，分，秒并能校正的時(shí)鐘。(2). 小時(shí)的計(jì)時(shí)要求為“12翻1”，分和秒要求為60進(jìn)制進(jìn)位。(3). 擴(kuò)展功能：具有整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能。 (4).定時(shí)控制。(5). 仿廣播電臺(tái)報(bào)

4、整點(diǎn)時(shí)數(shù)。(6）.觸摸整點(diǎn)報(bào)時(shí)。二、方案設(shè)計(jì)2.1 設(shè)計(jì)思路 利用555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器，調(diào)整其電阻和電容大小，使其輸出信號(hào)頻率為1khz，通過三個(gè)74ls90分頻即構(gòu)成了秒脈沖發(fā)生器產(chǎn)生1hz的脈沖。用74ls92和74ls90級(jí)聯(lián)構(gòu)成60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，用來計(jì)“秒”，其cp輸入為秒脈沖；另有74ls92和74ls90級(jí)聯(lián)構(gòu)成60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，用來計(jì)“分”，其cp輸入為“秒”變?yōu)?時(shí)產(chǎn)生的一個(gè)下降沿信號(hào)；另外用74ls191和74ls74來計(jì)“時(shí)”，即當(dāng)數(shù)字時(shí)鐘運(yùn)行到12時(shí)59分59 秒時(shí)，秒的個(gè)位計(jì)數(shù)器再輸入一個(gè)秒脈沖時(shí)，數(shù)字時(shí)鐘自動(dòng)顯示為01時(shí)00分00秒。它們的輸出用六片譯碼顯示的數(shù)碼管

5、顯示。對(duì)“時(shí)”，“分”的調(diào)節(jié)采用將原來使他們計(jì)時(shí)加“1” 的信號(hào)切換為可控脈沖信號(hào)的方法。報(bào)時(shí)電路由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器，三極管和蜂鳴器組成，這樣蜂鳴器輸出的音頻信號(hào)有高低變化。報(bào)時(shí)電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)要在報(bào)時(shí)時(shí)間段內(nèi)使振蕩器工作。2.2 方案設(shè)計(jì)根據(jù)數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)思路，可以將它分為六個(gè)單元電路：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。擴(kuò)展電路有四部分：定時(shí)控制，仿電臺(tái)報(bào)時(shí)，整點(diǎn)報(bào)時(shí)，觸摸整點(diǎn)報(bào)時(shí)。它們之間的連接關(guān)系見原理方框圖，如圖5.5.1所示：譯碼器譯碼器譯碼器時(shí)計(jì)數(shù)器分計(jì)數(shù)器秒計(jì)數(shù)器校時(shí)電路振蕩器分頻器系統(tǒng)方框 圖1 由原理方框圖可以看出，在整個(gè)數(shù)字鐘電路中，計(jì)時(shí)電

6、路是主體。它不僅是顯示電路的基礎(chǔ)，還要與分頻器，校時(shí)電路，譯碼電路配合來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。而數(shù)字鐘的準(zhǔn)確性則依賴于由多諧振蕩器構(gòu)成的秒脈沖源的準(zhǔn)確性，在連接實(shí)物時(shí)要將其輸出信號(hào)的頻率控制為1khz。由設(shè)計(jì)思路和原理方框圖得圖 圖2. 數(shù)字時(shí)鐘整體圖三、單元電路設(shè)計(jì)3.1 555多諧振蕩電路 如圖3，由555定時(shí)器和外接元件r1、r2、c構(gòu)成多諧振蕩器，腳2與腳6直接相連。電路沒有穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，電路亦不需要外接觸發(fā)信號(hào)，利用電源通過r1、r2向c充電，以及c通過r2向放電端dc放電，使電路產(chǎn)生振蕩。電容c在2/3vcc和1/3vcc之間充電和放電，從而在輸出端得到一系列的矩形波。555構(gòu)

7、成的多諧振蕩電路適當(dāng)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的阻值，可求得輸出信號(hào)的t約為1ms，則輸出信號(hào)頻率約為1khz。3.2 秒脈沖發(fā)生器由以上多諧振蕩器輸出的1ms脈沖通過三個(gè)74ls90進(jìn)行十進(jìn)制分頻經(jīng)第一片分頻后為500hz，經(jīng)第二片分頻后為10hz,經(jīng)第三片分頻后為1hz,即可得到1秒脈沖，如圖4所示。 圖4. 1秒脈沖發(fā)生器3.3 秒和分計(jì)時(shí)電路 由一片74ls90d和74ls92d構(gòu)成。74ls90為個(gè)位，74ls92為十位。將74ls90的輸出與7段數(shù)碼管相應(yīng)的管腳連接起來，將r01，r02，r91，r92接地,ixa接脈沖,ixb接qa。這樣數(shù)顯管就能正常顯示十進(jìn)制計(jì)數(shù)。90向92的進(jìn)位可以將9

8、0的qd接到92的ixb。而后，將92的ixa接到vcc(5v),r01，r02接地。并將92的qb,qc,qd分別于數(shù)顯管的a,b,c相連，數(shù)顯管的d端接地。在用一個(gè)74ls00將92的qd引出到清零端實(shí)現(xiàn)六進(jìn)制。如此，就實(shí)現(xiàn)了00-01-02-58-59-00的轉(zhuǎn)化。電路如圖5所示 圖5 秒和分計(jì)時(shí)電路3.4 小時(shí)計(jì)時(shí)電路 小時(shí)計(jì)數(shù)器是一個(gè)“12”翻“01”的特殊進(jìn)制計(jì)數(shù)器。當(dāng)數(shù)字時(shí)鐘運(yùn)行到12時(shí)59分59秒時(shí)，秒的個(gè)位再輸入一個(gè)脈沖時(shí)數(shù)字時(shí)鐘應(yīng)該顯示為01時(shí)00分00秒。其電路連接方式如圖6所示 圖6 小時(shí)計(jì)時(shí)電路3.5 譯碼和顯示電路 我所采用的譯碼和顯示器件為dcd_hex。此器件為

9、譯碼和顯示一體器件。此處只需按照相應(yīng)的引腳連接即可。只要將以上所做好的秒和分的計(jì)時(shí)電路，以及小時(shí)的計(jì)時(shí)電路，再加上數(shù)碼管的連接電路，所有的串接起來就構(gòu)成了譯碼的顯示電路。如圖7所示 圖7.顯示電路圖3.6校時(shí)電路 對(duì)校時(shí)電路的要求是，在小時(shí)校正時(shí)，不影響分和秒的正常計(jì)數(shù)；在分校正時(shí)，不影響秒和小時(shí)的正常計(jì)數(shù)。校時(shí)方式有“快校時(shí)”和“慢校時(shí)”兩種?？煨r(shí)是通過開關(guān)控制，使計(jì)數(shù)器對(duì)1hz的校時(shí)脈沖計(jì)數(shù)；慢校時(shí)是通過手動(dòng)產(chǎn)生單脈沖作為校時(shí)脈沖。圖8為校時(shí)，校分電路，其中s1為校分用的控制開關(guān)，s2為校時(shí)用的控制開關(guān)。他們的控制功能如表5.1.1所示。校對(duì)脈沖采用1hz脈沖，當(dāng)s1或s2分別為“0”時(shí)

10、，可以進(jìn)行“快校時(shí)”。 圖8. 校時(shí)電路 調(diào)時(shí)調(diào)分的原理是將“時(shí)”“分”計(jì)時(shí)電路原來所接的進(jìn)位信號(hào)切換為單脈沖，各通過一個(gè)單刀雙擲開關(guān)實(shí)現(xiàn)信號(hào)切換。單脈沖由一個(gè)帶彈簧的開關(guān)模擬，把它接在與電源相連的線路中，當(dāng)開關(guān)按下去時(shí)線路連通為高電平，彈起時(shí)線路斷開為低電平，開關(guān)一次按下和彈起就是一個(gè)下降沿脈沖，可以使計(jì)時(shí)器計(jì)數(shù)加1，這樣可以通過這個(gè)開關(guān)調(diào)時(shí)和調(diào)分。電路圖如圖9 所示 ： 圖9. 校時(shí)校分電路3.7 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路如圖10所示。它由一個(gè)多諧振蕩器，一個(gè)npn型三極管和一個(gè)揚(yáng)聲器組成，當(dāng)振蕩器工作時(shí)，三極管驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出震蕩音頻。但是這個(gè)振蕩器的4腳和vcc之間接了一個(gè)上拉電阻，那

11、么4腳處就不一定是高電平，當(dāng)它為低電平時(shí)振蕩器不工作，只有當(dāng)它為高電平時(shí)振蕩器才工作，那么只要找到合適的信號(hào)接到4腳，當(dāng)需要報(bào)時(shí)此信號(hào)為高電平，其他時(shí)間為低電平，就可以實(shí)現(xiàn)報(bào)時(shí)功能。我想把報(bào)時(shí)功能設(shè)置成整點(diǎn)前十秒蜂鳴器開始鳴叫，十秒后停止鳴叫即為整點(diǎn)。注意到某點(diǎn)59分50秒后的十秒鐘內(nèi)，“5”“9”“5”對(duì)應(yīng)的8421bcd碼為0101 1001 0101，將3塊芯片上對(duì)應(yīng)的輸出為“1”的輸出端相與輸出為高電平，把它接到振蕩器4腳上，在整點(diǎn)前十秒蜂鳴器會(huì)報(bào)時(shí)。在其它時(shí)間這六個(gè)輸出端不可能同時(shí)為“1”，即他們相與的輸出為低電平，振蕩器不會(huì)工作，不會(huì)報(bào)時(shí)。如此可以實(shí)現(xiàn)整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能。圖 10.報(bào)時(shí)電

12、路圖四、 調(diào)試與檢測(cè) 調(diào)試過程中遇到的問題主要是開關(guān)校時(shí)問題。當(dāng)把“時(shí)”，“分”原來所接的進(jìn)位信號(hào)切換為按鍵脈沖時(shí)，本想是作為一個(gè)控制開關(guān)來實(shí)現(xiàn)主這樣的功能，但是實(shí)際上在切換開關(guān)的過程中也會(huì)使時(shí)鐘進(jìn)位。這是因?yàn)樵诎鈩?dòng)開關(guān)的過程中產(chǎn)生了信號(hào)的高低電平轉(zhuǎn)換，進(jìn)而形成了進(jìn)位信號(hào)，導(dǎo)致當(dāng)調(diào)整好電路后扳回開關(guān)時(shí)繼續(xù)進(jìn)一。因此我對(duì)調(diào)時(shí)電路作了改進(jìn)，改為調(diào)節(jié)“時(shí)”，“分”時(shí)，將它們?cè)瓉硭拥倪M(jìn)位信號(hào)切換為秒脈沖信號(hào)，這個(gè)信號(hào)是比較穩(wěn)定的，避免了機(jī)械開關(guān)的抖動(dòng)問題。當(dāng)時(shí)間調(diào)好時(shí)，只要將cp信號(hào)切換回原來的進(jìn)位信號(hào)即可恢復(fù)正常計(jì)時(shí)。五、體會(huì)和總結(jié) 課程設(shè)計(jì)是我們運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，動(dòng)手實(shí)踐的一個(gè)很好的機(jī)會(huì)。它既可以幫

13、助我們加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，又能提高我們運(yùn)用知識(shí)，聯(lián)系實(shí)際，動(dòng)手實(shí)踐的能力。而且在設(shè)計(jì)過程中可能用到我們沒學(xué)過的知識(shí)，需要我們?nèi)ゲ殚嗁Y料獲取相關(guān)信息，這又提高了我們查找信息和學(xué)習(xí)新知識(shí)的能力。在實(shí)物的調(diào)試與檢測(cè)過程中，又會(huì)遇到許多意想不到的問題，需要我們?nèi)シ治鲈蚝徒鉀Q問題。有些現(xiàn)象能夠證明我們所學(xué)知識(shí)的正確性，有些現(xiàn)象有說明理論和現(xiàn)實(shí)是有差異的。在整個(gè)課程設(shè)計(jì)完后，總的感覺是：有收獲。以前上課都是上一些最基本的東西，而現(xiàn)在卻可以將以前學(xué)的東西作出有實(shí)際價(jià)值的東西。在這個(gè)過程中，我的確學(xué)得到很多在書本上學(xué)不到的東西，如：如何利用現(xiàn)有的元件組裝得到設(shè)計(jì)要求，如何找到錯(cuò)誤的原因，如何利用multi

14、sim仿真軟件來仿真電路圖等等。但也遇到了不少的挫折，有時(shí)遇到了一個(gè)錯(cuò)誤怎么找也找不到原因所在，找了老半天結(jié)果卻是芯片的管腳接錯(cuò)了，有時(shí)更是忘接電源了。在學(xué)習(xí)中的小問題在課堂上不可能犯，在動(dòng)手的過程中卻很有可能犯。特別是在接電路時(shí)，一不小心就會(huì)犯錯(cuò)，而且很不容易檢查出來。但現(xiàn)在回過頭來看，還是挺有成就感的。六參考文獻(xiàn)：1.李景宏，馬學(xué)文.電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教程.沈陽：東北大學(xué)出版社.20022.王永軍，李景華編著.數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng).北京：電子工業(yè)出版社，20023.高吉祥，易凡編著.電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì).北京：電子工業(yè)出版社，20024.陳大欽編著. 電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn). 北京：高等教育出版社，20005.李晶皎，李景宏，曹陽編著. 邏輯與數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京：清華大學(xué)出版社，20096.楊志忠編著.數(shù)字電子技術(shù)m .北京：高等教育出版社、2003、12七附錄 部分芯片功能參數(shù)表555555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