數字邏輯 數字時鐘

1、武漢工程大學 計算機科學與工程學院綜合設計報告設計名稱： 信息硬件綜合設計 設計題目： 數字鐘的設計與實現 學生學號： 1205110204 專業(yè)班級： 12信技02班 學生姓名： 陳振 學生成績： 指導教師（職稱）： 陳艷（講師） 完成時間： 2014年5月6日至 2014年6月6日 武漢工程大學計算機科學與工程學院 制說明：1、報告中的第一、二、三項由指導教師在綜合設計開始前填寫并發(fā)給每個學生；四、五兩項（中英文摘要）由學生在完成綜合設計后填寫。2、學生成績由指導教師根據學生的設計情況給出各項分值及總評成績。3、指導教師評語一欄由指導教師就學生在整個設計期間的平時表現、設計完成情況、報告的

2、質量及答辯情況，給出客觀、全面的評價。4、所有學生必須參加綜合設計的答辯環(huán)節(jié)，凡不參加答辯者，其成績一律按不及格處理。答辯小組成員應由2人及以上教師組成。5、報告正文字數一般應不少于5000字，也可由指導教師根據本門綜合設計的情況另行規(guī)定。6、平時表現成績低于6分的學生，其綜合設計成績按不及格處理。7、此表格式為武漢工程大學計算機科學與工程學院提供的基本格式（適用于學院各類綜合設計），各教研室可根據本門綜合設計的特點及內容做適當的調整，并上報學院批準。答辯記錄表學生姓名： 陳振 學號： 1205110204 班級 12信技02班 答辯地點： 411機房 答辯內容記錄：答辯成績合計分值各項分值評

3、分標準實際得分合計得分備注2510在規(guī)定時間內能就所設計的內容進行闡述，言簡意明，重點突出，論點正確，條理清晰。15在規(guī)定時間內能準確、完整、流利地回答教師所提出的問題。答辯小組成員（簽字）： 年 月 日成績評定表學生姓名： 陳振 學號： 1205110204 班級： 12信技02班 類別合計分值各項分值評分標準 實際得分合計得分備注平時表現1010按時參加綜合設計，無曠課、遲到、早退、違反實驗室紀律等情況。完成情況3020按設計任務書的要求完成了全部任務，能完整演示其設計內容，符合要求。10能對其設計內容進行詳細、完整的介紹，并能就指導教師提出的問題進行正確的回答。報告質量3510報告文字通

4、順，內容翔實，論述充分、完整，立論正確，結構嚴謹合理；報告字數符合相關要求，工整規(guī)范，整齊劃一。5課題背景介紹清楚，綜述分析充分。5設計方案合理、可行，論證嚴謹，邏輯性強，具有說服力。5符號統一；圖表完備、符合規(guī)范要求。5能對整個設計過程進行全面的總結，得出有價值的結論或結果。5參考文獻數量在3篇以上，格式符合要求，在正文中正確引用。答辯情況2510在規(guī)定時間內能就所設計的內容進行闡述，言簡意明，重點突出，論點正確，條理清晰。15在規(guī)定時間內能準確、完整、流利地回答教師所提出的問題?？傇u成績： 分 補充說明： 指導教師： （簽字）日 期： 2014 年 6 月 5 日指導教師評語指導教師： （

5、簽字）日 期： 2014 年 6 月 5 日二、進度安排：第13周 選題， 查閱資料，初步確定設計方案。第14周 確定方案，芯片選型，軟件仿真，基本模塊搭建。第15周周三前 系統的測試，擴展電路的設計第15周周四、周五 系統總體測試?？偨Y交流，寫報告16周周一 答辯三、應收集資料及主要參考文獻：應收集的資料主要包括以下幾類：1） 數字邏輯相關教材1 王永軍、李景華等.數字邏輯與數字系統（第3版）電子工業(yè)出版社2 于淑萍.電子技術實踐.機械工業(yè)出版社3 白中英.數字邏輯與數字系統.科學出版社4 歐陽星明.數字邏輯.華中科技大學出版社2） 實用電路/芯片速查手冊或者相應芯片電子文檔。3） EDA工

6、具學習指導4） 相關設計的參考文章或者其它資料四、摘要：數字鐘是一種用數字電路技術實現時、分、秒計時的裝置，與機械式時鐘相比具有更高的準確性和直觀性，且無機械裝置，具有更更長的使用壽命，因此得到了廣泛的使用。數字鐘從原理上講是一種典型的數字電路，其中包括了組合邏輯電路和時序電路。因此，設計與制做數字鐘就是為了了解數字鐘的原理，從而學會制作數字鐘.而且通過數字鐘的制作進一步的了解在制作中用到的各種中小規(guī)模集成電路的作用及實用方法.且由于數字鐘包括組合邏輯電路和時序電路.通過它可以進一步學習與掌握各種組合邏輯電路與時序電路的原理與使用方法。關鍵字：數字電路；時序電路；機械式五、Abstract：D

7、igital clock is a digital circuit technology, minutes and seconds, timing devices, and mechanical clock, compared with higher accuracy and intuitive, and no mechanical devices, with more longer life, so it has been widely used.From the principle of digital clock is a kind of typical digital circuits

8、, including the assembly logic circuit and the sequential circuits.Therefore, the design and making of digital clock is to understand the principle, thus to make a digital clock. And through the digital clock make further understanding of used in the production of a variety of small and medium scale

9、 integrated circuit and practical method. And as the digital clock including combinational logic circuit and sequential circuit. Through its further study and master the various combinations of logic circuits and sequential circuits using the principle and method.分享到 翻譯結果重試抱歉，系統響應超時，請稍后再試· 支持中英

10、、中日在線互譯 · 支持網頁翻譯，在輸入框輸入網頁地址即可 · 提供一鍵清空、復制功能、支持雙語對照查看，使您體驗更加流暢Keywords: digital circuit; sequence circuit; mechanical武漢工程大學計算機科學與工程學院 綜合設計報告目錄摘 要1Abstract2第一章 課題背景和設計要求31.1課題背景31.2設計要求和指標3第二章 開發(fā)工具和環(huán)境42.1 開發(fā)環(huán)境簡介42.2 multisim軟件工作界面簡介4第三章 詳細設計63.1 數字時鐘的功能和器材需求63.2 數字時鐘的詳細設計6第四章 運行和測試164.1校準電路1

11、64.2 整點報時164.3定時17總 結19致 謝20參考文獻21武漢工程大學計算機科學與工程學院 綜合設計報告摘 要數字鐘是一種用數字電路技術實現時、分、秒計時的裝置，與機械式時鐘相比具有更高的準確性和直觀性，且無機械裝置，具有更更長的使用壽命，因此得到了廣泛的使用。數字鐘從原理上講是一種典型的數字電路，其中包括了組合邏輯電路和時序電路。因此，設計與制做數字鐘就是為了了解數字鐘的原理，從而學會制作數字鐘.而且通過數字鐘的制作進一步的了解在制作中用到的各種中小規(guī)模集成電路的作用及實用方法.且由于數字鐘包括組合邏輯電路和時序電路.通過它可以進一步學習與掌握各種組合邏輯電路與時序電路的原理與使用

12、方法。關鍵字：數字電路；時序電路；機械式21AbstractDigital clock is a digital circuit technology, minutes and seconds, timing devices, and mechanical clock, compared with higher accuracy and intuitive, and no mechanical devices, with more longer life, so it has been widely used.From the principle of digital clock is a k

13、ind of typical digital circuits, including the assembly logic circuit and the sequential circuits.Therefore, the design and making of digital clock is to understand the principle, thus to make a digital clock. And through the digital clock make further understanding of used in the production of a va

14、riety of small and medium scale integrated circuit and practical method. And as the digital clock including combinational logic circuit and sequential circuit. Through its further study and master the various combinations of logic circuits and sequential circuits using the principle and method.分享到 翻

15、譯結果重試抱歉，系統響應超時，請稍后再試支持中英、中日在線互譯 支持網頁翻譯，在輸入框輸入網頁地址即可 提供一鍵清空、復制功能、支持雙語對照查看，使您體驗更加流暢Keywords: digital circuit; sequence circuit; mechanical第一章 課題背景和設計要求1.1課題背景電子鐘是人們日常生活中常用的計時工具，而數字式電子鐘又有其體積小、重量輕、走時準確、結構簡單、耗電量少等優(yōu)點而在生活中被廣泛應用，因此本次設計就用數字集成電路和一些簡單的邏輯門電路來設計一個數字式電子鐘，使其完成時間及星期的顯示功能。 多功能數字鐘采用數字電路實現對“時”、“分

16、”、“秒”數字顯示的計時裝置。具有時間顯示、走時準確、顯示直觀、精度、穩(wěn)定等優(yōu)點。電路裝置十分小巧,安裝使用也方便。同時在日期中，它以其小巧，價格低廉，走時精度高，使用方便，功能多，便于集成化而受廣大消費的喜愛。 1.2設計要求和指標1.2.1設計要求（1）由晶振電路產生1HZ標準秒信號。（2）秒、分為00-59六十進制計數器。（3）時為00-23二十四進制計數器。（4）可手動校正：能分別進行秒、分、時的校正。只要將開關置于手動位置?？煞謩e對秒、分、時進行連續(xù)脈沖輸入調整。（5）整點報時。整點報時電路要求在每個整點時燈泡亮一分鐘。（6）定點報時。當設定的時間到時，燈泡亮一下。1.2.

17、2元器件（1）74290，74LS47，數碼顯示器BS202各6片。（2）74LS153 2片，74LS373 3片，555定時器 1片。（3）電阻若干，電容，開關若干個，probe燈泡2個，導線若干。第二章 開發(fā)工具和環(huán)境2.1 開發(fā)環(huán)境簡介NI Multisim軟件結合了直觀的捕捉和功能強大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對電路進行設計和驗證。憑借NI Multisim，您可以立即創(chuàng)建具有完整組件庫的電路圖，并利用工業(yè)標準SPICE模擬器模仿電路行為。借助專業(yè)的高級SPICE分析，您能在設計流程中提早對電路設計進行的迅速驗證，從而縮短建模循環(huán)。與NI LabEW和SignalExpress軟

18、件的集成，完善了具有強大技術的設計流程，從而能夠比較具有模擬數據的實現建模測量。2.2 multisim軟件工作界面簡介圖2-1 multisim工作界面界面由多個區(qū)域構成：菜單欄，各種工具欄，電路輸入窗口，狀態(tài)條，列表框等。通過對各部分的操作可以實現電路圖的輸入、編輯，并根據需要對電路進行相應的觀測和分析。用戶可以通過菜單或工具欄改變主窗口的視圖內容。菜單欄位于界面的上方，通過菜單可以對Multisim的所有功能進行操作。不難看出菜單中有一些與大多數Windows平臺上的應用軟件一致的功能選項，如File，Edit，View，Options，Help。此外，還有一些EDA軟件專用的選項，如P

19、lace，Simulation，Transfer以及Tool等。2.2.1 multisim工具欄Multisim 2001提供了多種工具欄，并以層次化的模式加以管理，用戶可以通過View菜單中的選項方便地將頂層的工具欄打開或關閉，再通過頂層工具欄中的按鈕來管理和控制下層的工具欄。通過工具欄，用戶可以方便直接地使用軟件的各項功能。頂層的工具欄有：Standard工具欄、Design工具欄、Zoom工具欄，Simulation工具欄。Standard工具欄包含了常見的文件操作和編輯操作，如下圖所示：Design工具欄作為設計工具欄是Multisim的核心工具欄，通過對該工作欄按鈕的操作可以完成對

20、電路從設計到分析的全部工作，其中的按鈕可以直接開關下層的工具欄：Component中的Multisim Master工具欄，Instrument工具欄。作為元器件（Component）工具欄中的一項，可以在Design工具欄中通過按鈕來開關Multisim Master工具欄。該工具欄有14個按鈕，每個每一個按鈕都對應一類元器件，其分類方式和Multisim元器件數據庫中的分類相對應，通過按鈕上圖標就可大致清楚該類元器件的類型。具體的內容可以從Multisim的在線文檔中獲取。這個工具欄作為元器件的頂層工具欄，每一個按鈕又可以開關下層的工具欄，下層工具欄是對該類元器件更細致的分類工具欄。以第一

21、個按鈕 為例。通過這個按鈕可以開關電源和信號源類的Sources工具欄如下圖所示：Instruments工具欄集中了Multisim為用戶提供的所有虛擬儀器儀表，用戶可以通過按鈕選擇自己需要的儀器對電路進行觀測。用戶可以通過Zoom工具欄方便地調整所編輯電路的視圖大小。Simulation工具欄可以控制電路仿真的開始、結束和暫停。第三章 詳細設計3.1 數字時鐘的功能和器材需求功能的需求如下：能夠有計時的基本功能，從00:00:00到23:59:59的每一個時間（以秒為最小單位計時）都能表示出來，而且計時的時間間隔也要的實際的一秒相等除了時鐘的基本功能外，還必須要有一些擴展的功能，例如需要定時

22、的功能，整點報時的功能，這也是一些基本的電子鐘的應該有的功能當電子鐘的時間不正確的時候還要具有矯正時間的功能器材的需求如下：由于使用的計時的功能我選用的是74ls90 2/5計數器 有時、分、秒需要兩片一共需要6片，要顯示時間就必須要有數碼管7SEG-BCD 6個要想驅動這些數碼管必須要譯碼芯片74ls47 6片；使用了定時的功能就需要將數據輸入其中，并且要將數據保存起來，以便定時器響應，這就需要使用鎖存器74ls373芯片2片（考需要沒有必要將時間定時精確到秒只需要到分鐘就可以了所以使用了2片）；要想校正時鐘肯定要將輸入脈沖切換到手動的脈沖，這就需要數據選擇器74ls153四選一的數據選擇器

23、。除了以上的器件之外還有一些必備的與門和同或門。3.2 數字時鐘的詳細設計3.2.1 計數器部分 在計數的部分使用的是74290芯片，74290的功能表如下圖2-1它的A引腳是脈沖輸入端，然后引腳QA是輸出端是一個二進制計數器，而B輸入引腳則是一個5進制的計數器，它的輸出是QB，QC，QD三個輸出，要實現十進制只需要將QA輸出接到B引腳的位置就可以實現十進制計數器。要實現時鐘技術就是一個60進制的和一個24進制的部分，其中60進制是兩個使部分級聯實現的是一個十進制的和一個六進制的部分級聯，十進制的是上面說過直接使用90芯片而他的進位信號是當計數器從9到1的時候要進位而且74ls90是下降沿觸發(fā)

24、的跳變而只有8和9的第4位為1而0的第4位為0所以可以直接使用第4位作為進位信號。六進制的計數器是當74ls90芯片到了6的時候就讓它置0（讓R0(1)和R0(2)引腳都為高電平下如圖2-2是74ls90的功能圖 而且這個置位的的時間Tw最大是只需要50ns而這個高電平會持續(xù)最少1s所以這個6不會顯示出來基本就是顯示0）而6的二進制位0110所以只需要第二三位取與操作就可以作為清零信號同時也為進位信號。所以六十進制的原理圖如下圖3-1（1）74290引腳圖與功能表如下：圖3-1 74290引腳圖表3-1 74290功能表（2）74Ls153引腳與功能表如下：圖3-2 74Ls153引腳圖表3-

25、2 74Ls153功能表74153里面有兩個地址碼共用的4選1數據選擇器。通過輸入不同的地址碼A1，A0，可以控制輸出Y選擇4個輸入數據D0D3中的一個。（3）74LS47是BCD-7段數碼管譯碼器/驅動器，74LS47的功能用于將BCD碼轉化成數碼塊中的數字,通過它解碼，可以直接把數字轉換為數碼管的顯示數字，從而簡化了程序，節(jié)約了單片機的IO開銷。因此是一個非常好的芯片！但是由于目前從節(jié)約成本的角度考慮，此類芯片已較少用，大部份情況下都是用動態(tài)掃描數碼管的形式來實現數碼管顯示。譯碼為編碼的逆過程。它將編碼時賦予代碼的含義“翻譯”過來。實現譯碼的邏輯電路成為譯碼器。譯碼器輸出與輸入代碼有唯一的

26、對應關系。74LS47是輸出低電平有效的七段字形譯碼器，它在這里與數碼管配合使用。 (3)74ls373是常用的地址鎖存器芯片，它實質是一個是帶三態(tài)緩沖輸出的8D觸發(fā)器，在單片機系統中為了擴展外部存儲器，通常需要一塊74ls373芯片.鎖存端LE 由高變低時，輸出端8 位信息被鎖存，直到LE 端再次有效。 當三態(tài)門使能信號OE為低電平時，三態(tài)門導通，允許Q0Q7輸出，OE為高電平時，輸出懸空。當74LS373用作地址鎖存器時，應使OE為低電平，此時鎖存使能端C為高電平時，輸出Q0Q7 狀態(tài)與輸入端D1D7狀態(tài)相同；當C發(fā)生負的跳變時，輸入端D0D7 數據鎖入Q0Q7。51單片機的ALE信號可以

27、直接與74LS373的C連接。圖3-3 六十進制 原理圖小時計數器是一個“23翻0”的特殊計數器，即當數字鐘運行到23時59分59秒時，秒的個位計數器再輸入一個秒脈沖，數字鐘自動顯示為00時00分00秒。通過兩個十進制計數器的級聯構成一個一百進制的計數器。然后通過輸出控制可得到二十四進制計數器。把第一個計數器的Qb和第二個計數器的Qc連接到兩個置零度端，并且兩個芯片的置零度端連接，這樣計數器到二十四時計數器就清零，就得到二十四進制計數器對于24進制的是有一個十進制的計數器（做位個位）和一個類似于三進制（做為十位）的級聯組成，當整個計數器的個位顯示4而十位顯示2的時候強制使得個位和十位同時清零這

28、樣就可以保證這個整體組成24進制的計數器。個位的十進制和上面的60進制的是一樣的，十位只需要計數0,1,2就可以所以只需要使用74ls90的5進制的那一塊，并且將十位的Qc和個位的Qc求與后將輸出接到個位和十位的74ls90芯片的R0(1),R0(2)清零端。實際的連接如下圖3-4二十四進制的原理圖：圖3-4二十四進制的原理圖將60進制的秒作為60十進制的分的脈沖信號，將60進制的分作為24進制的時的進位信號。如下圖所示：圖3-5 時分秒的整體電路圖3.2.2數字時鐘的擴展電路部分擴展電路部分主要實現的功能有以下的部分;時鐘時間的矯正時鐘定時的功能整點報時功能時間校正的電路主要的思想是將原來的

29、輸入的脈沖信號切換成手動的信號或者是使用更快的自動脈沖。這個切換的方式是使用數據分配器74ls153來實現。原理圖如下圖2-5 校正電路 SWMODE11 和SWMODE12是控制使用輸入信號的選擇具體功能如下表所示 而走時的使能信號如下表所示表3-3 分秒時校時的模式選擇SWMODE11SWMODE12作用00正常的走時模式01秒分時手動脈沖校時模式圖3-6 校正電路定時器所使用的基本原理就是先將所要定的時間用一個鎖存器保存起來，然后每次都將這保存的信號與時鐘現在的時間相與然后看結果是不是為零如果為零的話那么就啟動鬧鈴，由于定時沒必要將時間設置精確到秒所以只需要將時與分保存下來即可，而剛好鬧

30、鈴會一直響到下一分鐘然后停止。鎖存器使用的74ls373比較實用的是兩種方式一種是直接使用七個同或門然后將輸出的數據使用一個八位輸入與非門將七個同或輸出作為輸入然后輸出就是結果；第二種就是直接使用八位比較器來進行比較如下圖3-7。我采用的是使用同或門方式做分的定時使用比較器做時的定時，然后將分和時的定時輸出作異或運算，當時和分同時有效的時候就將啟動鬧鈴原理圖如下圖所示（由于直接使用輸出的信號作為鬧鈴的電源會拉低芯片的電壓，甚至不能驅動鬧鈴，所以使用一個三極管將輸出信號作為“開關”）。圖3-7 使用異或門加與非門的定時器圖3-8 鬧鈴的原理圖使用鎖存器的控制引腳來確定是輸入分還是時的定時時間74

31、ls373的功能表如下表2-3 將鎖存器的控制引腳交叉相接，并接到按鍵輸入。表3-4 鎖存器功能圖button1button2效果00正常模式01分定時輸入模式10時定時輸入模式11定時器禁止整點報時的原理是，使用幾個或非門，當中間分鐘都為00時，則剛好到整點，則燈泡亮一分鐘，如下圖所示。圖3-9 整點報時原理圖3.2.3 震蕩器電路 震蕩器電路是數字鐘的核心，主要用來產生時間標準信號，數字鐘的精度，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

32、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3-10 多諧震蕩器電路圖接通電源后，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Vo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翻轉為高電平，電容C1放電所需要的時間為： t1=RC1ln2=0.7R1C1當C1放電結束是，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

33、(2R1+R2)C1 當Vc上升到2/3Vcc是，觸發(fā)器又發(fā)生翻轉。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/(2R1+R2)C1 這里調整R1,R2,C，使震蕩頻率f=1Hz。3.2.4 譯碼顯示器電路譯碼和數碼顯示電路是將數字鐘和計時狀態(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器輸出的8421BCD碼譯成數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/CD4511。其中A1、A2、A3、A4與計數器的四個輸出端按設計要求相連或接地，a、b、c、d、e、f、g則與七段數碼顯示器對應端相連。圖3-11譯碼顯示器電路3.2.5整體的電路加上上面的計時電路和擴展電路部分整體的連接如下圖所示：圖3-12 整體電路第四章 運行和測試4.1校準電路（時間是從右向左看）校準