數(shù)電課程設(shè)計(jì)7202424998

1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)：通信0804指導(dǎo)教師：劉雪冬 工作單位：信息工程學(xué)院題 目: 多功能數(shù)字鐘電路設(shè)計(jì)初始條件：模電數(shù)電等相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，能使用multisim等相關(guān)軟件要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說(shuō)明書(shū)撰寫等具體要求）1. 完成本題目的理論設(shè)計(jì)，相關(guān)參數(shù)符號(hào)設(shè)計(jì)目的2. 對(duì)理論設(shè)計(jì)方案進(jìn)行實(shí)物測(cè)試或仿真分析，并與理論結(jié)果進(jìn)行對(duì)比3. 完成不少于20頁(yè)的設(shè)計(jì)報(bào)告，詳細(xì)說(shuō)明理論設(shè)計(jì)過(guò)程以及測(cè)試/仿真分析結(jié)果時(shí)間安排：7.5： 理論設(shè)計(jì)7.67.7：安裝調(diào)試或仿真7.8： 撰寫報(bào)告7.9： 答辯指導(dǎo)教師簽名：2010年 7月 9日系主任簽名： 2010

2、年 7 月 9 日目 錄摘 要4Abstract51 數(shù)字鐘功能要求61.1基本功能61.2擴(kuò)展功能62電路設(shè)計(jì)方案72.1 多功能數(shù)字鐘組成框圖72.2設(shè)計(jì)思路72.3完整電路圖及工作原理73單位電路設(shè)計(jì)方案93.1振蕩器93.1.1晶體振蕩器93.1.2多諧振蕩器103.2分頻器113.3秒、分、時(shí)計(jì)時(shí)器電路設(shè)計(jì)133.3.1 60進(jìn)制計(jì)數(shù)器133.3.2 24進(jìn)制計(jì)數(shù)器153.4譯碼顯示電路163.5校時(shí)電路174仿真結(jié)果及遇到的問(wèn)題194.1仿真調(diào)試方法及結(jié)果194.2仿真時(shí)遇到的問(wèn)題及影響因素194.2.1 Multisim10中仿真時(shí)間步長(zhǎng)與真實(shí)時(shí)間的不一致性194.2.2 Mul

3、tisim10中仿真時(shí)間步長(zhǎng)與數(shù)碼顯示管的類型有關(guān)195 心得體會(huì)216 參考文獻(xiàn)22附錄：元件清單23多功能數(shù)字鐘電路設(shè)計(jì)摘要所謂數(shù)字鐘，是指利用電子電路構(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)，時(shí)間校準(zhǔn)等功能。因此，數(shù)字鐘的應(yīng)用十分廣泛。通過(guò)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)字鐘。設(shè)計(jì)過(guò)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，畫出完整電路圖，進(jìn)行仿真調(diào)試，在改進(jìn)之后做成實(shí)物。關(guān)鍵詞：數(shù)字鐘 m

4、ultisim 仿真 設(shè)計(jì)方案AbstractSo-called digital clock, refers to the use of the electronic circuits. Relative mechanical clock, digital clock can realize accurate timing and display, and, second, to accurately time convenient to adjust. On this basis, also can achieve on time, time, etc. Therefore, the dig

5、ital clock used widely. Through this course design principle, the master clock to design simple digital clock.Design process using system design method, the first task analysis, system and overall design requirements, and then dividing subsystems, and the detailed design, make sure each functional s

6、ubsystems of internal circuit, paint, complete circuit simulation testing, after improvement made in object.Keywords:digital clock multisim simulation Design scheme1 數(shù)字鐘功能要求1.1基本功能（1） 準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，以數(shù)字形式顯示時(shí)，分，秒的時(shí)間（2） 小時(shí)的計(jì)時(shí)要求24進(jìn)制或12進(jìn)制，分秒為60進(jìn)制（3） 可校正時(shí)間1.2擴(kuò)展功能 （1）定時(shí)控制 （2）仿廣播電臺(tái)正點(diǎn)報(bào)時(shí) （3）報(bào)整點(diǎn)時(shí)數(shù) （4）觸摸報(bào)整點(diǎn)時(shí)數(shù)2電路設(shè)計(jì)方案2.1

7、多功能數(shù)字鐘組成框圖 圖1 多功能數(shù)字鐘系統(tǒng)組成框圖2.2設(shè)計(jì)思路根據(jù)數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)思路，可以將它分為七個(gè)單元電路：秒脈沖電路，計(jì)時(shí)電路，譯碼電路，顯示電路，調(diào)時(shí)調(diào)分控制電路，整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路，清零控制電路。它們之間的連接關(guān)系見(jiàn)原理方框圖。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，再利用三個(gè)74LS90分頻使輸出信號(hào)頻率為1Hz，即構(gòu)成了秒脈沖發(fā)生器。用兩片74LS90級(jí)聯(lián)構(gòu)成60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，用來(lái)計(jì)“秒”，其CP輸入為秒脈沖；另兩片74LS90級(jí)聯(lián)構(gòu)成60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，用來(lái)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)；還有兩片74LS90級(jí)聯(lián)構(gòu)成24

8、進(jìn)制計(jì)數(shù)器，用來(lái)計(jì)“時(shí)”，其CP輸入為“分”變0時(shí)產(chǎn)生的一個(gè)下降沿信號(hào)。這樣六片74LS90實(shí)現(xiàn)了數(shù)字鐘的計(jì)時(shí)功能。它們的輸出用六片數(shù)碼管顯示，之間接六片74LS48譯碼器構(gòu)成顯示驅(qū)動(dòng)電路。再用與非門設(shè)計(jì)使用開(kāi)關(guān)來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)位脈沖和校時(shí)脈沖的輸入以達(dá)到校時(shí)的目的。2.3完整電路圖及工作原理 完整電路圖如圖2 圖2 多功能數(shù)字鐘電路圖工作原理：振蕩器產(chǎn)生的穩(wěn)定高頻脈沖信號(hào)，作為數(shù)字鐘的時(shí)間基準(zhǔn)，再經(jīng)分頻器輸出標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖。秒計(jì)時(shí)器記滿60后向分計(jì)時(shí)器進(jìn)位，分計(jì)時(shí)器記滿60后向時(shí)計(jì)時(shí)器進(jìn)位，時(shí)計(jì)時(shí)器按24進(jìn)制計(jì)數(shù)。計(jì)時(shí)器輸出經(jīng)譯碼器送顯示器。計(jì)時(shí)出現(xiàn)差錯(cuò)時(shí)可用校時(shí)校分進(jìn)行調(diào)整。擴(kuò)展電路必須在主體電路正常

9、運(yùn)行情況下才能進(jìn)行功能擴(kuò)展。由于條件有限，所以只進(jìn)行了主體電路的設(shè)計(jì)與制作。3單位電路設(shè)計(jì)方案3.1振蕩器振蕩器是數(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)字鐘的準(zhǔn)確程度，通常選用石英晶體構(gòu)成振蕩器電路。一般來(lái)說(shuō)，振蕩器的頻率越高，計(jì)時(shí)精度越高。3.1.1晶體振蕩器下圖為電子手表集成電路（5C702）中的晶體振蕩器電路，在精度要求不高的條件下，可以采用由邏輯門與RC組成的時(shí)鐘源振蕩器或由集成電路定時(shí)器555與RC組成的多諧振蕩器。本設(shè)計(jì)采用的是555構(gòu)成的多諧振蕩器，設(shè)計(jì)振蕩頻率為1Hz。 圖3 晶體振蕩器3.1.2多諧振蕩器如果精度要求不高，則可采用由集成邏輯門與R，C組成的時(shí)鐘源振

10、蕩器或由集成電路定時(shí)器555與R，C組成的多諧振蕩器。 本設(shè)計(jì)由于不需較高精度及實(shí)際問(wèn)題，故采用555定時(shí)器組成的多諧振蕩器，輸出信號(hào)為1KHz。圖4 555定時(shí)器振蕩器由555定時(shí)器構(gòu)成。在555定時(shí)器的外部接適當(dāng)?shù)碾娮韬碗娙菰?gòu)成多諧振蕩器，再選擇元件參數(shù)使其發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)。555定時(shí)器的功能主要由上、下兩個(gè)比較器1、2的工作狀況決定。比較器的參考電壓由分壓器提供,在電源與地端之間加上電壓,且控制端懸空,則上比較器1的反相端“-”加上的參考電壓為2/3,下比較器2的同相端“+”加上的參考電壓為1/3。若觸發(fā)端 的輸入電壓21/3,下比較器2輸出為“1”電平,觸發(fā)器的輸入端接受“1”信號(hào),

11、可使觸發(fā)器輸出端為“1”,從而使整個(gè)555電路輸出為“1”;若閾值端的輸入電壓62/3,上比較器1輸出為“1”電平,觸發(fā)器的輸入端接受“1”信號(hào),可使觸發(fā)器輸出端為“0”,從而使整個(gè)555電路輸出為“0”?？刂齐妷憾送饧与妷嚎筛淖儍蓚€(gè)比較器的參考電壓,不用時(shí),通常將它通過(guò)電容(0.01左右)接地。放電管1的輸出端為集電極開(kāi)路輸出,其集電極最大電流可達(dá)50,因此,具有較大的帶灌電流負(fù)載能力。若復(fù)位端 加低電平或接地,可使電路強(qiáng)制復(fù)位,不管555電路原處于什么狀態(tài),均可使它的輸出為“0”電平。只要在555定時(shí)器電路外部配上兩個(gè)電阻及兩個(gè)電容元件,并將某些引腳相連,就可方便地構(gòu)成多諧振蕩器。 由55

12、5定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器如圖5圖5 多諧振蕩器3.2分頻器分頻器的功能主要有兩個(gè)：一是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)；二是提供擴(kuò)展電路所需的信號(hào)，如仿電臺(tái)報(bào)時(shí)用的1kHz的高頻信號(hào)和500Hz的低頻信號(hào)等。設(shè)計(jì)時(shí)采用3片中規(guī)模集成電路計(jì)數(shù)器74LS90完成電路設(shè)計(jì)。每片計(jì)數(shù)器為十分頻，三片級(jí)聯(lián)則可將1KHz的信號(hào)分頻為1Hz第一片QA輸出500Hz，第二片QD輸出10Hz，第三片QD輸出1Hz。圖6 分頻器設(shè)計(jì)時(shí)使用的74LS90計(jì)數(shù)器功能如下：集成異步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS90它是二-五-十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，、若將Qa與CKB相連從CKA輸入計(jì)數(shù)脈沖其輸出Qd、Qc、Qb、Qa便成為8421碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)器；若將

13、Qd與CKA相連，從CKB輸入計(jì)數(shù)脈沖其輸出Qd、Qc、QbQa便成為5421碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。74LS90具有異步清零和異步置九功能。當(dāng)R0全是高電平，R9至少有一個(gè)為低電平時(shí)，實(shí)現(xiàn)異步清零。當(dāng)R0至少有一個(gè)低電平，R9全是高電平時(shí)，實(shí)現(xiàn)異步置九。當(dāng)R0、R9為低電平時(shí)，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能。 如圖7為74LS90構(gòu)成的8421BCD碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，圖8為5421BCD碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。圖7 8421碼十進(jìn)制圖8 5421碼十進(jìn)制輸入輸出R01 R02 R91 R92 CP1 CP2Qd Qc Qb QA功能H H L ×××H H × L××

14、L × H H××× L H H××L L L LL L L LH L L HH L L H異步清0異步清0異步置9異步置9× L × L×× L L ××L ×× L×L × L × QD 二進(jìn)制五進(jìn)制 8421BCD 5421BCD計(jì)計(jì)數(shù)表1 74LS90功能表3.3秒、分、時(shí)計(jì)時(shí)器電路設(shè)計(jì)3.3.1 60進(jìn)制計(jì)數(shù)器（1） 選用74LS92做十位計(jì)數(shù)器，74LS90做個(gè)位計(jì)數(shù)器，再將它們級(jí)聯(lián)組成模數(shù)為60的計(jì)數(shù)器。如圖9圖

15、9 60進(jìn)制計(jì)數(shù)器（2） 選用兩片74LS90級(jí)聯(lián)做成60進(jìn)制計(jì)數(shù)器。通過(guò)74LS90的S01和S02端同時(shí)為1時(shí)置0的特性，將兩片的S01和S02分別與高位片的QB,QC相連，以達(dá)到60進(jìn)位的目的。如圖10圖10 74LS90構(gòu)成的60進(jìn)制計(jì)數(shù)器3.3.2 24進(jìn)制計(jì)數(shù)器（1） 用74LS161級(jí)聯(lián)制成24進(jìn)制計(jì)數(shù)器圖11 74LS161構(gòu)成的24進(jìn)制計(jì)數(shù)器（2） 用74LS90級(jí)聯(lián)制成24進(jìn)制計(jì)數(shù)器由74LS90構(gòu)成的二十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，將兩片74LS90設(shè)置為十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，個(gè)位計(jì)數(shù)狀態(tài)為Qd Qc Qb Qa = 0100十位計(jì)數(shù)狀態(tài)為Qd Qc Qb Qa = 0010時(shí)，要求計(jì)數(shù)器歸零。

16、通過(guò)把個(gè)位Qc、十位Qb相與后的信號(hào)送到個(gè)位、十位計(jì)數(shù)器的清零端，使計(jì)數(shù)器清零，從而構(gòu)成24進(jìn)制計(jì)數(shù)器。如圖12.圖12 74LS90構(gòu)成的24進(jìn)制計(jì)數(shù)器由于實(shí)際設(shè)計(jì)問(wèn)題，故時(shí)分秒計(jì)時(shí)器都采用相同的74LS90構(gòu)成的計(jì)數(shù)器，這樣在設(shè)計(jì)和購(gòu)買元件時(shí)都較方便。3.4譯碼顯示電路圖12 譯碼顯示電路譯碼電路的功能是將秒、分、時(shí)計(jì)數(shù)器的輸出代碼進(jìn)行翻譯，變成相應(yīng)的數(shù)字。用與驅(qū)動(dòng)LED七段數(shù)碼管的譯碼器常用的有74LS48。74LS48是BCD-7段譯碼器/驅(qū)動(dòng)器，輸出高電平有效，專用于驅(qū)動(dòng)LED七段共陰極顯示數(shù)碼管。若將秒、分、時(shí)計(jì)數(shù)器的每位輸出分別送到相應(yīng)七段譯嗎管的輸入端，便可以進(jìn)行不同數(shù)字的顯示

17、。在譯碼管輸出與數(shù)碼管之間串聯(lián)電阻R作為限流電阻。如圖123.5校時(shí)電路(1)校時(shí)電路是數(shù)字鐘不可缺少的部分，每當(dāng)數(shù)字鐘與實(shí)際時(shí)間不符時(shí)，需要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間進(jìn)行校時(shí)。K1、K2分別是時(shí)校正、分校正開(kāi)關(guān)。不校正時(shí)，K1、K2開(kāi)關(guān)是閉和的。當(dāng)校正時(shí)位時(shí)，需要把K1開(kāi)關(guān)打開(kāi)，然后用手撥動(dòng)K3開(kāi)關(guān)，來(lái)回?fù)軇?dòng)一次，就能使時(shí)位增加1，根據(jù)需要去撥動(dòng)開(kāi)關(guān)的次數(shù)，校正完畢后把K1開(kāi)關(guān)閉上。校正分位時(shí)和校正時(shí)位的方法一樣。其電路圖如下:圖13 校正電路(2) J1,J2分別為時(shí)分的校準(zhǔn)開(kāi)關(guān)，當(dāng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)CP端由低位片的進(jìn)位脈沖控制，此時(shí)正常計(jì)數(shù)；當(dāng)開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)CP端由1Hz的校時(shí)脈沖控制，此時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)。電容可以起到

18、防抖動(dòng)的作用，設(shè)計(jì)時(shí)采用了這個(gè)校時(shí)電路。如圖14圖14 校準(zhǔn)電路4仿真結(jié)果及遇到的問(wèn)題4.1仿真調(diào)試方法及結(jié)果（1） 將校時(shí)電路的開(kāi)關(guān)J1,J2都打開(kāi)。數(shù)字鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)，分秒為60進(jìn)1，時(shí)為24進(jìn)1，當(dāng)分秒計(jì)數(shù)為60時(shí)立刻清零，當(dāng)時(shí)計(jì)數(shù)為24時(shí)立刻清零。（2） 當(dāng)J1打開(kāi)，J2關(guān)閉時(shí)，分的進(jìn)位由校準(zhǔn)脈沖控制，每秒進(jìn)1而不受秒的進(jìn)位影響，時(shí)的進(jìn)位由分控制，當(dāng)分記滿60時(shí)進(jìn)1，時(shí)的計(jì)數(shù)加1。（3） 當(dāng)J1關(guān)閉，J2打開(kāi)時(shí)，時(shí)的進(jìn)位由校準(zhǔn)脈沖控制，每秒進(jìn)1而不受分的進(jìn)位影響，分的進(jìn)位由秒控制，當(dāng)秒記滿60時(shí)進(jìn)1，分的計(jì)數(shù)加1。（4） 當(dāng)J1,J2都關(guān)閉時(shí)，分的進(jìn)位由校準(zhǔn)脈沖控制，每秒進(jìn)1而不受秒的進(jìn)位

19、影響，時(shí)的進(jìn)位由校準(zhǔn)脈沖控制，每秒進(jìn)1而不受分的進(jìn)位影響。4.2仿真時(shí)遇到的問(wèn)題及影響因素4.2.1 Multisim10中仿真時(shí)間步長(zhǎng)與真實(shí)時(shí)間的不一致性用Multisim10仿真一個(gè)數(shù)字頻率計(jì)數(shù)器，單個(gè)模塊仿真很順利，無(wú)論是計(jì)數(shù)部分還是秒脈沖發(fā)生電路都正常工作，但最后連起來(lái)仿真的時(shí)候就出現(xiàn)不同，由于要測(cè)量1s內(nèi)的輸入信號(hào)的頻率，按道理說(shuō)如果輸入信號(hào)是100Hz的話，應(yīng)該在1s后在數(shù)碼管顯示出"100”的字樣。 然而，Multisim不知道是出于什么樣的考慮，如果信號(hào)頻率調(diào)高的話，它會(huì)自動(dòng)延長(zhǎng)軟件環(huán)境中的時(shí)間，于是，現(xiàn)實(shí)中的1s在軟件中居然才是ms級(jí)的時(shí)間。要在Multisim中模

20、擬1s的波形的話，要等上20min的時(shí)間才可以。而且輸入波形的頻率越高，仿真1s所需的時(shí)間還會(huì)更長(zhǎng)4.2.2 Multisim10中仿真時(shí)間步長(zhǎng)與數(shù)碼顯示管的類型有關(guān)如果將我使用的七段顯示數(shù)碼管去除的話，仿真速度明顯加快，數(shù)碼管類型的選取也直接影響仿真的快慢。 于是，設(shè)計(jì)時(shí)把庫(kù)中的幾種類型的數(shù)碼管都拿出來(lái)試驗(yàn)一下，最終發(fā)現(xiàn)，加cd4511的七段顯示數(shù)碼管SEVEN_SEG_COM處理信號(hào)的速度最慢，換成四段帶譯碼的顯示數(shù)碼管DCD_HEX之后仿真速度提升了8倍左右，而換成相似的DCD_HEX_DIG之后，速度更快，可以提升10倍左右。這樣就容易仿真測(cè)量較高頻率的輸入信號(hào)。實(shí)驗(yàn)表明，200Hz的

21、信號(hào)僅需現(xiàn)實(shí)中的20s左右就可以仿真完成了。 下面是接不同類型數(shù)碼管的仿真步長(zhǎng)時(shí)間對(duì)比：圖15 用加cd4511的七段顯示數(shù)碼管SEVEN_SEG_COM，在現(xiàn)實(shí)中20s內(nèi)的仿真計(jì)數(shù)值圖16 用四段帶譯碼的顯示數(shù)碼管DCD_HEX，在相同的輸入脈沖條件下，20s內(nèi)的仿真計(jì)數(shù)值由此可見(jiàn)，不同的數(shù)碼管會(huì)對(duì)multisim10中仿真所需的時(shí)間產(chǎn)生很大的影響，允許的情況下，還是用四段帶譯碼的顯示數(shù)碼管DCD_HEX比較有利于我們的仿真輸出。另外，如果電路中沒(méi)有數(shù)碼管的話，要加快仿真時(shí)間可以添加一個(gè)信號(hào)源(不用接入主電路)；其頻率設(shè)到想要的步長(zhǎng)時(shí)間的倒數(shù)即可，同時(shí)配合Multisim10中交互仿真設(shè)置中的初始時(shí)間步長(zhǎng)的設(shè)置就可以對(duì)不同的輸入頻率均可達(dá)到便于觀察的仿真速度。5 心得體會(huì) 課程設(shè)計(jì)是一個(gè)很好的動(dòng)手實(shí)踐機(jī)會(huì)，既可以幫助我們加深對(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(guò)程中可能用到我們沒(méi)學(xué)過(guò)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。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，我要聯(lián)系所有的以學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)出電路，并分析所有的可能設(shè)計(jì)之間的差異性，各自的優(yōu)