數(shù)電多功能電子時鐘課程設計

1、電子技術課程設計題目名稱 多功能電子時鐘設 一、設計題目：多功能數(shù)字鐘電路設計二、設計任務和要求： 1. 以十進制數(shù)字形式顯示時、分、秒的時間。 2.小時計數(shù)器的計時要求為“24翻1”，分鐘和秒的時間要求為60進位。 3. 能實現(xiàn)手動快速校時、校分； 4. 具有整點報時功能，報時聲響為四低一高，最后一響為整點。 5. 具有定制控制（定小時）的鬧鐘功能。 6. 畫出完整的電路原理圖三、題目分析或內(nèi)容摘要 數(shù)字鐘是一個簡單的時序組合邏輯電路，數(shù)字鐘的電路系統(tǒng)主要包括時間顯示，脈沖產(chǎn)生，報時，鬧鐘四部分。脈沖產(chǎn)生部分包括振蕩器、分頻器；時間顯示部分包括計數(shù)器、譯碼器、顯示器；報時和鬧鐘部分主要由門電

2、路構成，用來驅動蜂鳴器。與傳統(tǒng)的機械鐘相比，數(shù)字鐘具有走時準確，顯示直觀、無機械傳動裝置等優(yōu)點，因而得到了廣泛的應用。小到人們?nèi)粘Ｉ钪械碾娮邮直?，大到車站、碼頭、機場等公共場所的大型數(shù)顯電子鐘。四、整體構思或方案選擇：數(shù)字鐘電路系統(tǒng)由主體電路和擴展電路兩大部分組成。其中主體電路完成數(shù)字鐘的基本功能，擴展電路完成數(shù)字鐘的擴展功能：報時和定時功能。該數(shù)字鐘系統(tǒng)的工作原理是：振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)定的高頻脈沖信號,作為數(shù)字鐘的時間基準,然后經(jīng)過分頻器輸出標準秒脈沖。秒計數(shù)器滿60后向分計數(shù)器進位,分計數(shù)器滿60后向小時計數(shù)器進位,小時計數(shù)器按照“24翻1”規(guī)律計數(shù)。計數(shù)器的輸出分別經(jīng)譯碼器送顯示器顯示。計時

3、出現(xiàn)誤差時,可以用校時電路校時、校分。各擴展電路必須在主體電路正常運行的情況下才能進行功能擴展。另外，計時過程要具有報時功能，當時間到達整點前10秒開始，蜂鳴器1秒響1秒停地響5次。報時聲響為前四次低最后一高，最后一響為整點。最后設定鬧鈴功能，即可在整點設置鬧鈴。五具體實現(xiàn)：1.總體方框圖定時器 圖1.總體方框圖 2.工作原理 （1）振蕩器是數(shù)字鐘的核心。振蕩器的穩(wěn)定度及頻率的精確度決定了數(shù)字鐘計 時的準確程度。一般來說振蕩器的頻率越高，計時精度越高。 （2)分頻器電路：分頻器電路將32768HZ的高頻方波信號經(jīng)32768（）次分 頻后得到1Hz的方波信號供秒計數(shù)器進行計數(shù)。分頻器實際上也就是

4、計數(shù)器。(3)時間計數(shù)器電路：時間計數(shù)電路由秒個位和秒十位計數(shù)器、分個位和分十位 計數(shù)器及時個位和時十位計數(shù)器電路構成，其中秒個位和秒十位計數(shù)器、分個 位和分十位計數(shù)器為60進制計數(shù)器，而根據(jù)設計要求，時個位和時十位計數(shù)器 為24進制計數(shù)器。(4)譯碼驅動電路：譯碼驅動電路將計數(shù)器輸出的8421BCD碼轉換為數(shù)碼管需要 的邏輯狀態(tài)，并且為保證數(shù)碼管正常工作提供足夠的工作電流。 (5)整點報時電路：一般時鐘都應具備整點報時電路功能,即在時間出現(xiàn)整點前數(shù) 秒內(nèi),數(shù)字鐘會自動報時,以示提醒.其作用方式是發(fā)出連續(xù)的或有節(jié)奏的音頻聲 波,較復雜的也可以是實時語音提示。六、各部分定性說明以及定量計算：1振

5、蕩器振蕩器是數(shù)字鐘的核心。振蕩器的穩(wěn)定度及頻率的精確度決定了數(shù)字鐘計時的準確程度。一般來說振蕩器的頻率越高，計時精度越高。在這里選用555與RC組成的多諧振蕩器，產(chǎn)生頻率 f=1kHz的方波信號，則可設計出相應的電路，如圖2所示，其中RP可微調振蕩器的輸出頻率f。555由電阻分壓器、電壓比較器、基本R-S觸發(fā)器、放電三極管和輸出緩沖器5部分組成。555的功能如表1所示。多諧振蕩器電路的工作原理如下：接通電源的瞬間，電容C1上的電壓不能突變，故TH端的電壓小于2/3VCC，TR端的電壓小于1/3 VCC，輸出端OUT的狀態(tài)為1，放電三極管T截止，電源VCC經(jīng)過電阻對電容C充電，VC逐漸上升，電路

6、處在第一個暫穩(wěn)態(tài)。當電容上的電壓VC逐漸升高到2/3VCC時，由于TH端和TR端的電壓為2/3VCC，使輸出端OUT的狀態(tài)變?yōu)?，放電三極管T導通，電容C放電，VC逐漸下降，電路處在第二個暫穩(wěn)態(tài)。當電容上的電壓VC下降到1/3VCC時，使輸出端OUT的狀態(tài)從0變?yōu)?，放電三極管T截止，電源VCC再次經(jīng)過電阻對電容C充電，電路返回到第一個暫穩(wěn)態(tài)。如此周而復始地在兩個暫穩(wěn)態(tài)這間交替變換，便產(chǎn)生了所需要的矩形脈沖信號輸出。表1 555的功能表輸入輸出VTHVTROUT放電三極管Tdd0導通< VR1< VR21截止< VR1> VR2不變> VR1> VR20導通

7、2分頻器 通常，數(shù)字鐘的晶體振蕩器輸出頻率較高，為了得到1Hz的秒信號輸入，需要對振蕩器的輸出信號進行分頻。通常實現(xiàn)分頻器的電路是計數(shù)器電路，一般采用多級二進制計數(shù)器來實現(xiàn)。分頻器的功能是對振蕩器產(chǎn)生的方波信號進行分頻外理，一方面形成計時所需的標準秒脈沖信號，另一方面提供數(shù)字鐘功能擴充時所需的信號，如仿電臺報時用的1kHz的高音頻信號和500Hz的低音頻信號等。如圖3所示，選用3片中規(guī)模集成電路74LS90可構成分頻電路產(chǎn)生所需信號。如圖74LS90由四個觸發(fā)器組成，分為計數(shù)器和計數(shù)器。R9為異步置位端，R0為異步復位端，A、B為兩個時鐘輸入端，QA、QD為計數(shù)器狀態(tài)輸出端。圖中，每片為1/1

8、0分頻，第1片的QA端輸出頻率為500Hz的方波信號，QD端輸出頻率為100Hz的方波信號；第2片的QD端輸出頻率為10Hz的方波信號；第3片的QD端輸出頻率為1Hz的方波信號。 3.計數(shù)器秒信號經(jīng)秒計數(shù)器、分計數(shù)器、時計數(shù)器之后，分別得到“秒”個位、十位、“分”個位、十位以及“時”個位、十位的計時輸出信號，然后送至譯碼顯示電路，實現(xiàn)用數(shù)字顯示時、分、秒的要求?！懊搿焙汀胺帧庇嫈?shù)器應為六十進制，而“時”計數(shù)器應為二十四進制。采用10進制計數(shù)器74LS162來實現(xiàn)時間計數(shù)單元的計數(shù)功能，其為雙2-5-10異步計數(shù)器，并且每一計數(shù)器均有異步清零端。(1)“分”、“秒”六十進制計數(shù)器 “秒”計數(shù)器電

9、路與“分”計數(shù)器電路都是60進制，它由一級10進制計數(shù)器和一級6進制計數(shù)器連接構成。如圖4.所示由75LS162構成的60進制計數(shù)器。首先將兩片75LS162設置成十進制加法計數(shù)器，將兩片計數(shù)器并行進位則最大可實現(xiàn)100進制的計數(shù)器。現(xiàn)要設計一個60進制的計數(shù)器，可利用“反饋清零”的方法實現(xiàn)。當計數(shù)器輸出“2QD2QC2QB2QA、1QDQCQBQA=0110、0000”時，數(shù)字其計數(shù)規(guī)律為0001585900,通過門電路形成一置數(shù)脈沖，使計數(shù)器歸零。其具體連接圖如圖4所示?！胺帧庇嫈?shù)與“秒”計數(shù)器相同。（2）“時”二十四進制計數(shù)器 數(shù)字鐘的“時”計數(shù)器為模24的計數(shù)器，其計數(shù)規(guī)律為00012

10、2230，即當數(shù)字鐘運行到23時59分59秒時，在下一個秒脈沖作用下，數(shù)字鐘顯示00時00分00秒。同理，M=24<102,應選用2片74LS162，將其連接成模24計數(shù)器作為“時”計數(shù)器。74LS162串聯(lián)工作，計數(shù)脈沖輸入到低位計數(shù)器的時鐘輸入端，而低位計數(shù)器的狀態(tài)輸出最高位連接到高一位計數(shù)器的時鐘端。將計數(shù)器的狀態(tài)輸出反饋到清零端，十進制24轉換成二進制是 00100100，因此十位的RB與個位的RA、RB用一個與非門串聯(lián)起來，再將個位和十位的清零端連接到一起，脈沖連接到一起，即得到24進制計數(shù)器。其具體連接圖如圖5所示。4.數(shù)碼顯示電路 譯碼是編碼的相反過程，譯碼器是將輸入的二進

11、制代碼翻譯成相應的輸出信號以表示編碼時所賦予原意的電路。譯碼器是一個多輸入、多輸出的組合邏輯電路。它的工作是把給定的代碼進行“翻譯”，變成相應的狀態(tài)，使輸出通道中相應的一路有信號輸出。在電路中用的譯碼器是共陰極譯碼器74LS48，用74LS48把輸入的8421BCD碼ABCD譯成七段輸出a-g，再由七段數(shù)碼管顯示相應的數(shù)。通常譯碼器與顯示器是配套使用的，在這里選用共陰極發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器BS202和譯碼驅動器74LS48配套使用。 七段顯示譯碼器74LS48的輸出為高電平有效，即輸出為1時，對應字段點亮；輸出為0時對應字段熄滅。該譯碼器能夠驅動七段顯示器顯示16種字形。輸入A、B、C和D接收

12、4位二進制碼，輸出a、b、c、d、e、f和g分別驅動七段顯示器的a、b、c、d、e、f和g字段。5校時電路 數(shù)字種啟動后,每當數(shù)字鐘顯示與實際時間不符進,需要根據(jù)標準時間進行校時。?！懊搿睍r，采用等待校時。?！胺帧薄ⅰ皶r”的原理比較簡單，采用加速校時。對校時電路的要求是 :在小時校正時不影響分和秒的正常計數(shù) 。.在分校正時不影響秒和小時的正常計數(shù) 。 校準電路由74LS74 基本RS觸發(fā)器和“與”門組成，基本RS觸發(fā)器的功能是產(chǎn)生單脈沖，主要作用是起防抖動作用。未撥動開關K時，“與非”門G2的一個輸入端接地，基本RS觸發(fā)器處于“1”狀態(tài)，這是數(shù)字鐘正常工作，“分”進位脈沖能進入“分”計數(shù)器。撥

13、動開關K時，“與非”門G1的一個輸入端接地，于是基本RS觸發(fā)器轉為“0”狀態(tài)。秒狀態(tài)可以直接進入“分”計數(shù)器，而“分”進位脈沖被阻止進入，因而能較快地校準分計數(shù)器的計數(shù)值。校準后，將校正開關恢復原位，數(shù)字鐘繼續(xù)進行正常計時工作。6整點報時 本根據(jù)要求，電路應在整點前10秒鐘內(nèi)開始整點報時，即當時間在59分50秒到59分59秒期間時，報時電路報時控制信號。當時間在59分50秒到59分59秒期間時，分十位、分個位和秒十位均保持不變，分別為5、9和5，因此可將分計數(shù)器十位的QC和Q 個位的Q和Q及秒計數(shù)器十位的Q和Q相與，從而產(chǎn)生報時控制信號。選蜂鳴器為電聲器件，蜂鳴器是一種壓電電聲器件，當其兩端加

14、上一個直流電壓時就會發(fā)出鳴叫聲(500HZ)，且在59秒時鳴叫（1000HZ）。7定時控制定時控制電路要求數(shù)字鐘在規(guī)定的時刻驅動音響電路時行“鬧時”，要求時間準確，即信號的開始時間與持續(xù)時間必須滿足規(guī)定的要求。例如要求上午7點59分發(fā)出鬧時信號，持續(xù)時間為1分鐘。7點59分對應數(shù)字鐘的時十位計數(shù)器的狀態(tài)為（QDQCQBQA）H2=0000，時個位計數(shù)器的狀態(tài)為（QDQCQBQA）H1=0111，分十位計數(shù)器的狀態(tài)為（QDQCQBQA）M2=0101，分個位計數(shù)器的狀態(tài)為（QDQCQBQA）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

15、59分響，持續(xù)1分鐘，電路可由74LS00 、74LS03(OC) 、74LS20 芯片實現(xiàn)。 8、所用集成電路器件清單： 計數(shù)器74LS162 六只； 74LS90 3只； 74HC48 6只； 數(shù)字比較器74HC85 2只； 三極管74LS191 1只； 555定時器 1只；數(shù)碼顯示器BS202 6只， 74LS00 若干； 74LS03(OC) 若干； 74LS20 若干。七、整體電路圖八、設計收獲、體會和建議：本次數(shù)字鐘電路設計實驗還做到理論聯(lián)系實際，剛剛學過了數(shù)電這門課程，還沒完全弄懂某些門電路的原理和用途，在以前的實驗中對有些芯片接觸比較多，但是把芯片連成一個完整的電路就比較難了。

16、而此次課程設計恰恰提供了一個好機會，讓我學到了如何把芯片連接在一起實現(xiàn)模擬各功能，也讓我們從實踐中加深了對所學知識的理解。在此次的數(shù)字鐘設計過程中，更進一步地熟悉了芯片的結構及掌握了各芯片的工作原理和其具體的使用方法。這學期數(shù)電實驗課的最后一個實驗就是做的數(shù)字鐘，所以在計數(shù)模塊上面有以前的經(jīng)驗，但是實驗課的數(shù)字中比較簡單，要求也比較少，而這次增加了幾個比較難的要求，所以查閱了很多資料。設計技術模塊時候所用的芯片和實驗室用得芯片不一樣，但原理一樣。比起以前做的實驗，這次課程設計增加了校時、定時的功能，有一定的難度，但是通過查找資料和請教其他同學，問題也紛紛解決了。課程設計當中還用到了以前沒有用到過的芯片，如74LS20、74LS03。我覺得每次課程設計是一次難得的鍛煉機會，讓我們能夠充分利用所學過的理論知識還有自己的想象的能力，另外還讓我們學習查找資料的方法，以及自己處理分析電路，設計電路的能力。我相信是對我的一個很好的提高，補足平日理論學習后實踐方面的空白。通過這次課程設計，我又掌握了些元器件的性能。這次設計提高了我理論和實踐相結合的能力，增加了把理論用于實踐的興趣，同時也提高了我分析問題和解決問題的能力。沒有最好，只有更好。我相信通過這一次的課程設計之后，我以后會更加努力，用嚴謹?shù)目茖W態(tài)度去面對一切?？朔щy，戰(zhàn)勝自我，超越自我。上大學不只是學習課本知識，更重