電工電子綜合課程設計數(shù)字時鐘設計

1、學 號： 課 程 設 計題 目數(shù)字時鐘設計學 院自動化學院專 業(yè)自動化班 級姓 名指導教師年月日課程設計任務書學生姓名： 專業(yè)班級： 自動化 指導教師： 工作單位： 武漢理工大學 題 目: 數(shù)字時鐘設計 初始條件：1 運用所學的模擬電路和數(shù)字電路等知識；2 用到的元件：實驗板、電源、連接導線、74系列芯片、555芯片或微處理器等。要求完成的主要任務:1 設計一個有“時”，“分”，“秒”（23小時59分59秒）顯示且具有校時功能的電子鐘；2 擴展功能：整點報時即在某分某秒能輸出某一音頻信號；3 嚴格按照課程設計說明書要求撰寫課程設計說明書。時間安排： 第1天 下達課程設計任務書，根據(jù)任務書查找資

2、料；第24天 進行方案論證，軟件模擬仿真并確定設計方案； 第5天 提交電路圖，經(jīng)審查后領取元器件；第68天 組裝電路并調試，檢查錯誤并提出問題；第911天 結果分析整理，撰寫課程設計報告，驗收調試結果；第1214天 補充完成課程設計報告和答辯。指導教師簽名： 2012年 6月25日系主任（或責任教師）簽名： 2012年 6月25日目 錄引言 1 設計意義及要求11.1 設計意義11.2 設計要求22 方案設計32.1 設計思路32.2 方案設計52.2.1設計方案一電路圖52.2.2設計方案二電路圖 簡單說明62.3 方案比較73.193.2103.3113.4 123.5 譯碼及顯示電路15

3、4 調試與檢測 164.1 調試中故障及解決辦法 174.2 調試與運行結果 185 仿真操作步驟及使用說明 19結束語20參考文獻21附錄 電路圖23本科生課程設計成績評定表引言20世紀末，電子技術獲得了飛速的發(fā)展，在其推動下，現(xiàn)代電子產(chǎn)品幾乎滲透了社會的各個領域，有力地推動了社會生產(chǎn)力的發(fā)展和社會信息化程度的提高，同時也使現(xiàn)代電子產(chǎn)品性能進一步提高，產(chǎn)品更新?lián)Q代的節(jié)奏也越來越快。數(shù)字鐘已成為人們日常生活中：必不可少的必需品，廣泛用于個人家庭以及車站、碼頭、劇場、辦公室等公共場所，給人們的生活、學習、工作、娛樂帶來極大的方便。由于數(shù)字集成電路技術的發(fā)展和采用了先進的石英技術，使數(shù)字鐘具有走時

4、準確、性能穩(wěn)定、集成電路有體積小、功耗小、功能多、攜帶方便等優(yōu)點，因此在許多電子設備中被廣泛使用。電子鐘是人們日常生活中常用的計時工具，而數(shù)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(shù)字集成電路和一些簡單的邏輯門電路來設計一個數(shù)字式電子鐘，使其完成時間及星期的顯示功能。數(shù)字鐘已成為人們日常生活中不可少的必需品，給人們的生活，學習，工作帶來極大的方便。數(shù)字鐘的設計方法有許多種，例如,可用中小規(guī)模集成電路組成數(shù)字鐘，也還可以利用單片機來實現(xiàn)數(shù)字鐘等。這些方法都各有其特點，其中利用中小規(guī)模集成電路組建數(shù)字鐘，原理簡單，但由于集成電路集成度

5、有限，對于需要實現(xiàn)較多功能的電路設計比較復雜，對于制作者焊接和布線有較高的要求。用單片機實現(xiàn)的電子鐘具有結構簡單，并便于功能的擴展，但需要涉及到匯編以及C語言編寫程序，對設計者有較高的要求。本次設計為用中小規(guī)模集成電路組成數(shù)字鐘。本文介紹的數(shù)字鐘是一種利用數(shù)字電路來顯示時、分、秒的裝置，與傳統(tǒng)的機械鐘相比，它具有走時準確，性能穩(wěn)定，顯示直觀，無機械傳動裝一、設計意義及要求1.1 設計意義通過這次課程設計可以讓我們熟悉集成電路的引腳安排。掌握各芯片的邏輯功能及使用方法，了解數(shù)字鐘的組成及工作原理。1.2 設計要求設計一個有“時”，“分”，“秒”（23小時59分59秒）顯示且具有校時功能的電子鐘；

6、擴展功能：整點報時即在某分某秒能輸出某一音頻信號；二、方案設計2.1設計思路數(shù)字鐘要有計時報時和校時功能。脈沖信號是一般用555構成的振蕩器來產(chǎn)生。將標準秒脈沖信號送入“秒計數(shù)器”，該計數(shù)器采用60進制計數(shù)器，從0到59然后發(fā)出一個“分脈沖”信號，該信號將作為“分計數(shù)器”的時鐘脈沖?！胺钟嫈?shù)器”也采用60進制計數(shù)器，從0到59然后發(fā)出一個“時脈沖”信號，該信號將被送到“時計數(shù)器”?！皶r計數(shù)器”采用24進制計數(shù)器，從0到23。整點報時電路是根據(jù)計時系統(tǒng)的時脈沖加一個喇叭去實現(xiàn)報時。校時電路是來對“時、分、”顯示數(shù)字進行校對調整。可以采用邏輯門電路控制分和時的計數(shù)器脈沖輸入即可。數(shù)字鐘實際上是一個

7、對標準頻率進行計數(shù)的計數(shù)電路，由于計數(shù)的起始時間不可能與標準時間（如北京時間）一致，故需要在電路上加一個校時電路，同時標準的1HZ時間信號必須做到準確穩(wěn)定。構成方框圖如下：時顯示器秒顯示器分顯示器時譯碼器秒譯碼器分譯碼器時計數(shù)器秒計數(shù)器分計數(shù)器校時電路振蕩器圖1由圖可見：本數(shù)字鐘電路主要由震蕩器、校時電路、時分秒計數(shù)器、譯碼顯示器構成。它們的工作原理是：由震蕩器產(chǎn)生的高頻脈沖信號作為數(shù)字鐘的時間基準，送入秒計數(shù)器，秒計數(shù)器采用60進制計數(shù)器，每累計60秒發(fā)出一個“分脈沖”信號，該信號作為分計數(shù)器的脈沖信號，分計數(shù)器也采用60進制計數(shù)器，每累計60分鐘發(fā)出一個“時脈沖”信號，該信號將被送到時計數(shù)

8、器，時計數(shù)器采用12進制計數(shù)器。譯碼顯示電路將時、分、秒計數(shù)器的輸出狀態(tài)送到七段譯碼顯示器，通過六位LED七段顯示器顯示出來。校時電路用來對時、分顯示數(shù)字進行調整。2.2方案設計2.2.1設計方案一電路圖2.2.2設計方案二電路圖簡單說明方案一由于74ls161是4位二進制同步加法計數(shù)器，是上升沿觸發(fā)，所以十進制需要將Q1Q3與非接到清零端，六進制則需要把Q1Q2與非接到清零端。24進制則需要用一個與門接到清零端實現(xiàn)兩種命令的清零方式。然后加開關進行校時，每按下一次就是一個脈沖可以實現(xiàn)對電路的校時。然后在時脈沖的輸出端加一個喇叭就可以實現(xiàn)整點報時，每有一個整點脈沖信號就報時一次。2.3方案比較

9、方案一采用的是74ls161構成，然后利用與非門進行反饋調節(jié)實現(xiàn)60進制24進制，使用較多門電路。而方案二則是巧妙的利用了74ls90的功能表，74ls90是下降沿觸發(fā)，實現(xiàn)了60進制和24進制，相對于方案一要簡潔。，但是方案一的校時電路比較簡單，只需要直接在脈沖輸出端加一個開關就可以實現(xiàn)校時，而方案一需要考慮開關兩端的電位變化，需要加單刀雙擲開關來調節(jié)兩端的電位實現(xiàn)校時?？偟谋容^，方案二比方案一更簡潔。三、部分電路設計3.1秒脈沖信號發(fā)生器震蕩器電路是數(shù)字鐘的核心，主要用來產(chǎn)生時間標準信號，數(shù)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

10、石英晶體震蕩器經(jīng)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：秒脈沖發(fā)生器參考電路圖如下所示，由555集成定時器組成的多諧振蕩器。利用公式t=0.7(R5+2R6)C2 R5=0由f=1t=10.7*2R6C2=1Hz取R6=10k.則C1=71.5uf.3.2 秒、分、時計時器電路設計3.2.1 六十進制計數(shù)器圖1-3所示為74LS161構成的六十進制計數(shù)器，可以作為秒和分的計數(shù)單元。圖中U3的Q1、Q2與R0a、R0b相連，當輸出為“6” （0110）時，則反饋信號使得MR清“

11、0”，以實現(xiàn)六十進制。 圖1-3二十四進制計數(shù)器圖1-3所示為74LS90構成的六十進制計數(shù)器，可以作為秒和分的計數(shù)單元。圖中IC1的Q1、Q2與R0a、R0b相連，當輸出為“6” （0110）時，則反饋信號使得IC1清“0”，以實現(xiàn)六十進制。圖1-5是74LS90的功能表。圖1-6是其管腳圖。3.2.3 74ls161的引腳圖和功能表管腳圖介紹：時鐘CP和四個數(shù)據(jù)輸入端P0P3清零/MR使能CEP，CET置數(shù)PE數(shù)據(jù)輸出端Q0Q3以及進位輸出TC. (TC=Q0Q1Q2Q3CET)輸 入 輸 出 CR CPLD EPETD3 D2 D1 D0 Q3 Q2 Q1 Q0 0 0 0 0 0 1

12、0 d c b a d c b a 1 1 0 Q3 Q2 Q1 Q0 1 1 0 Q3 Q2 Q1 Q0 1 1 1 1 狀態(tài)碼加1 從74LS161功能表功能表中可以知道，當清零端CR=“0”，計數(shù)器輸出Q3、Q2、Q1、Q0立即為全“0”，這個時候為異步復位功能。當CR=“1”且LD=“0”時，在CP信號上升沿作用后，74LS161輸出端Q3、Q2、Q1、Q0的狀態(tài)分別與并行數(shù)據(jù)輸入端D3，D2，D1，D0的狀態(tài)一樣，為同步置數(shù)功能。而只有當CR=LD=EP=ET=“1”、CP脈沖上升沿作用后，計數(shù)器加1。74LS161還有一個進位輸出端CO，其邏輯關系是CO= Q0Q1Q2Q3CET。

13、合理應用計數(shù)器的清零功能和置數(shù)功能，一片74LS161可以組成16進制以下的任意進制分頻器。3.3譯碼顯示電路譯碼和數(shù)碼顯示電路是將數(shù)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(shù)器輸出的8421BCD碼譯成數(shù)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/驅動器74LS48，其中A1、A2、A3、A4與計數(shù)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(shù)碼顯示器對應端相連。具體電路圖見總圖部分。圖53.4 校時電路校時電路計劃為如下功能，以分校時為例由于分脈沖接的是Q1、Q2，而Q1、Q2在六進位制時不能同時為高電平。所

14、以與門之后始終輸出低電平。從而不斷的按壓開關可以產(chǎn)生脈沖實現(xiàn)校時功能。圖1-93.5整點報時電路當時脈沖來的時候，喇叭導通然后開始進行整點報時。四、調試與檢測4.1 調試中的故障及解決辦法數(shù)碼管不亮故障：數(shù)碼管沒有任何顯示，解決方法：由于是共陽極數(shù)碼管，所以應該接高電平而非低電平、4.1.2數(shù)碼管亂碼故障：顯示一堆亂碼，而且沒有0到9的變換。解決辦法：，首先用萬用表檢查74ls48的輸出，發(fā)現(xiàn)有個輸出端沒有變化導線是好的，說明芯片壞了。然后換了一個芯片。結果檢測每個輸出端都有變換卻發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管不能正常嫻熟數(shù)字，結果發(fā)現(xiàn)是班級買數(shù)碼管買錯了，74ls48要跟共陰極數(shù)碼管搭配使用結果買成共陽極了。換

15、成共陰極就能夠正常計數(shù)。4.1.3數(shù)碼管顯示不正常故障：數(shù)碼管無法正常計數(shù)解決辦法：進行分部檢查，發(fā)現(xiàn)問題出在74ls48這一塊，發(fā)現(xiàn)芯片沒問題。輸出信號沒問題導線沒問題但是就是得不出來結果。后來發(fā)現(xiàn)是面包板太舊了底部接觸不良松動了無法使用。而且我們需要插20多個芯片無法將芯片換個位置插。不得不換了一個面包板從新連接電路。4.1.4數(shù)碼管顯示差一段故障：數(shù)碼管顯示差一段解決辦法：進行分部檢查，問題出在74ls48這一塊，其他輸出端沒有問題就是某個輸出端出現(xiàn)故障，發(fā)現(xiàn)是導線斷了無法接通導致的，換了一根導線問題就得到了解決。4.1.4數(shù)碼管顯示無變化故障：數(shù)碼管顯示沒有隨時間的變化而變化。解決辦法

16、：進行分部檢查，發(fā)現(xiàn)555輸出的電平低電平達到了2V以上。致使沒有脈沖變化，換了一個555定時器后問題得到了解決。4.2 調試與運行結果4.2.1 組裝電路方法由于數(shù)字鐘電路比較復雜，接線非常多，而且所用芯片也比較多，因此，接線時應注意技巧：先把每個數(shù)碼管的譯碼電路和計數(shù)器電路接好，即分別接6個部分，把每個部分接成10進制的，當每個部分都正常計數(shù)時就開始級聯(lián)。級聯(lián)形成24進制和兩個60進制的三個部分組成的數(shù)字鐘時就開始接校時電路和整點報時電路。另外，一旦出現(xiàn)問題，可以只撤退一步開始檢查，分開模塊實驗。這樣才能較快校準地接好電路，而且便于解決遇到的問題。4.2.2 運行結果接通電源后，數(shù)字中開始

17、工作。秒個位以十進制循環(huán)計數(shù)，依次往十位進位，60秒往分鐘個位進1,60分鐘往小時進1.另外，23:59:59后歸零。當按一下開關時校時開關時，小時加一，按一下分校時開關加一。如果開關一直是斷開的。每次到達整點的時候，喇叭會發(fā)聲，。五、仿真操作步驟與使用說明5.1仿真操作步驟1、執(zhí)行電路；2、通過校時開關分校時和時校時調成59分，觀察揚聲器的現(xiàn)象。3、按下暫停鍵。按壓分校時、時校時開關。觀察校時的情況5.2使用說明把暫停開關彈起，把分校準，時校準壓下，數(shù)字鐘開始計時。校時有兩種方式，可以直接按壓時校時和分校時來實現(xiàn)校時，也可以先將時暫停開關壓下，使時鐘暫停。然后再按壓時校時和分校時來實現(xiàn)校時。

18、校時完畢后按下時校時分校時，彈起暫停鍵。結束語通過這次對數(shù)字鐘的設計與制作，讓我了解了設計電路的程序，也讓我了解了關于數(shù)字鐘的原理與設計理念，加強了我們動手、思考和解決問題的能力。在此次的數(shù)字鐘設計過程中,我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，鞏固和加強了課本知識。我做的是數(shù)字鐘的設計，然而，要完成一個課題的設計要涉及到許多方面的知識。通過上網(wǎng)查詢和查閱相關書籍資料，讓我知道了大量關于數(shù)字鐘設計的知識，同時又重新將從前學過的知識復習了一遍，做到對各個集成塊的引腳功能和工作原理都很清晰。從而讓我更深一步掌握了時序邏輯電路的功能，學會了做課程設計的一般步驟。設計也是一個團隊的任務，一起的工作需要相互幫