數(shù)字鐘設計報告

1、數(shù)字電子鐘設計報告目錄一.設計任務和要求(1)二設計方案的選擇與論證(2)三電路設計計算與分析(5)四總結及心得(15)五附錄(16)六參考文獻(17)一.設計任務和要求1設計目的（1）掌握數(shù)字電子計時器的基本設計方法。（2）學會安裝與調試由分立器件與集成電路組成的多級電子電路小系統(tǒng)。2設計任務（1）設計一個具有“時”、“分”、“秒”的十進制數(shù)字顯示（“時”從00-23）的計時器；（2）用中、小規(guī)模的數(shù)字邏輯器件搭建電路；（3）具有“手動校時”和“自動校時”功能。 3、設計要求（1）合理的設計硬件電路，說明工作原理及設計過程，畫出相關的電路原理圖（運用Multisim電路仿真軟件）；（2）選擇

2、常用的電器元件（說明電器元件選擇的過程和依據）； (3) 對電路進行局部或整體仿真分析；（4）按照規(guī)范要求，按時提交課程設計報告（打印或手寫），并完成相應答辯。二.設計方案的選擇與論證2.1數(shù)字電子鐘的設計思路時鐘是生活中常見的物品，數(shù)字顯示的電子表人們也非常熟悉。電子表的顯示特點就是以“秒”為最基礎的單位以一定的節(jié)奏和規(guī)律進行計時，另外無論是什么計時器都會有校準時間的功能。能夠實現(xiàn)這些功能的電路，需要包括下面各部分內容。首先需要有脈沖源，能產生穩(wěn)定的時間脈沖信號，有多種方法可選，比較簡單的有兩種，一是用晶體振蕩器產生幾千赫茲的脈沖信號然后經分頻器變成1Hz的秒脈沖；二是用555定時器組成多諧

3、振蕩器直接輸出頻率為1Hz的脈沖信號，本設計采用第二種方法。脈沖源產生的秒脈沖要輸入到計數(shù)器中進行計數(shù)。時鐘計時的規(guī)律為60秒為1分鐘，60分為1小時，24小時為一天。小時計時有兩種方法，即12小時制和24小時制，我們設計的要求是00-23時即為24小時制。要想實現(xiàn)以上要求的計時，就需要將計數(shù)器分別設計成兩個60進制和一個24進制，各計數(shù)器輸出信號通過譯碼器和驅動器到數(shù)字顯示器，按照“時”、“分”、“秒”順序顯示出來。計時器會有誤差，就需要有校時電路來調整時間，校時電路一般分為自動校時和手動校時。自動校時可利用分頻器輸出的不同頻率的脈沖實現(xiàn)自動快速的調整，手動校時可利用手動發(fā)出單次脈沖實現(xiàn)時間

4、的校準。根據要求本次設計兩種方法都會用到。2.2數(shù)字電子鐘的結構框圖和工作原理數(shù)字電子鐘的結構框圖如圖2.1所示，電路分為四個部分，包括秒脈沖發(fā)生器、計數(shù)器、顯示器和校準電路。其中秒脈沖發(fā)生器是由一個555定時器和若干電阻電容組成的多諧振蕩器，用來發(fā)出頻率為1Hz的秒脈沖以驅動計數(shù)器計數(shù)；計數(shù)器包括一個60進制秒計數(shù)器、一個60進制分計數(shù)器和一個24進制時計數(shù)器，用來實現(xiàn)時、分、秒計時；顯示器包括七段數(shù)字顯示器和譯碼電路，用以顯示計數(shù)器輸出的信號，用Multisim軟件仿真時直接用四管腳的DCD_HEX做顯示器，省略譯碼電路；校準電路有兩部分，即校準小時和校準分鐘的部分，原理完全一樣，由若干與

5、非門、非門、電阻、電容組成，用按動開關的方法發(fā)出進位脈沖實現(xiàn)時和分的校準。顯示器顯示器顯示器譯碼器譯碼器譯碼器60進制計數(shù)器60進制計數(shù)器24進制計數(shù)器秒脈沖發(fā)生器校準電路2校準電路1圖2.1數(shù)字鐘的結構框圖下面大概介紹數(shù)字鐘電路的工作原理。接通電路后，秒脈沖發(fā)生器開始工作，多諧振蕩器是一種自激振蕩器，接通電源后不需要外加觸發(fā)信號就能夠自動產生矩形脈沖，本電路中的多諧振蕩器經計算可以發(fā)出頻率大約為1Hz的矩形脈沖。脈沖送入秒個位計數(shù)器后，秒個位計數(shù)器開始計數(shù)，計到第十個數(shù)時秒十位計一，秒計數(shù)器計到59后再進一位清零，同時分個位計數(shù)器計一，以此類推到23:59:59后再進一位全部清零，這樣就能實

6、現(xiàn)一天24小時，一小時60分鐘，一分鐘60秒的計時。計數(shù)器輸出的信號經過譯碼器輸入到顯示器中實現(xiàn)時間的顯示。電源剛接通時時分秒顯示器顯示的可能是任意數(shù)值，或者計時器會出現(xiàn)偏差，這時就需要校時，本電路采用了非常簡單的方法，當校準電路的開關接通時，進位信號的脈沖被屏蔽，同時給需要調整的計數(shù)器一個脈沖以實現(xiàn)校時。校準電路1和校準電路2的原理完全一樣，只是元件和操作上略有區(qū)別，前者實現(xiàn)的是自動校時后者實現(xiàn)的是手動校時。三.電路設計計算與分析上一部分內容簡單描述了一下數(shù)字鐘設計思路的產生過程以及電路的基本結構和原理，其中講到了本時鐘電路包括四大部分，秒脈沖發(fā)生器、計數(shù)器、顯示器和校準電路，接下來將會就各

7、部分的組成和原理做詳細的分析。3.1秒脈沖發(fā)生器秒信號電路是時鐘電路非常重要的一部分，它的精度決定了數(shù)字鐘的準度，通常使用晶體振蕩器發(fā)出脈沖經過分頻獲得1Hz的秒脈沖。本次設計采用的是多諧振蕩器。圖3.1 555定時器管腳圖如圖3.1所示為555定時器的管腳圖，555定時器由兩個比較器、SR鎖存器和集電極開路的放電三極管三部分組成，2和6管腳分別是兩個比較器的輸入端，4是置零輸入端，8接電源，1端接地，3是輸出端，用來接到秒個位的脈沖輸入端。由555定時器接成的多諧振蕩器如圖3.2所示，此電路可以為時鐘提供秒脈沖信號，也可為自動校時電路提供脈沖。接秒個位輸入端圖3.2多諧振蕩器根據所學數(shù)字電子

8、技術的知識，上圖中多諧振蕩器的振蕩周期為T=(R1+1/2R3)+2(R5+1/2R3)*C5*Ln2。由f=1/T可得振蕩頻率f=1/(R1+1/2R3)+2(R5+1/2R3)*C5*Ln2，電路中沒有使用分頻器，需要振蕩器直接產生1Hz的脈沖，經過計算R1=20k，R3=20K，R5=50K，C5=10uF時多諧振蕩器發(fā)出的脈沖頻率大約為1Hz。但是在仿真的過程中這樣的參數(shù)無法達到明顯的效果，這時減小容值或阻值可以提高頻率讓仿真效果好一些，比如把C5的值改為82nF可提高頻率，使仿真效果接近真實節(jié)奏。3.2計數(shù)器計數(shù)器在電路中也很重要，它保證了電路以時分秒的方式顯示時間。秒信號經過秒分時

9、計數(shù)器之后分別傳到顯示電路實現(xiàn)數(shù)字顯示時間，包括兩個60進制計數(shù)器和一個24進制計數(shù)器。3.2.1分秒計數(shù)器如圖3.3所示是一個60進制計數(shù)器，由兩片74LS90芯片組成，U9實現(xiàn)十進制，U10實現(xiàn)6進制。其中INA是脈沖信號接收端，與前一級輸出信號或者脈沖源相連，INB與本級輸出端QA相連。個位芯片R01、R02、R91、R92分別接地以實現(xiàn)十進制計數(shù)，十位芯片的R01、R02分別接本級芯片的QC和QB，R91、R92接地以實現(xiàn)六進制計數(shù)。圖中所示為計數(shù)器計到59時顯示器的狀態(tài)，再進一位計數(shù)器將會全部歸零重新計數(shù)。QA、QB、QC、QD代表四位二進制數(shù)分別接入譯碼器的四位輸入端以實現(xiàn)數(shù)字的顯

10、示。圖3.3 60進制計數(shù)器圖3.4分秒計數(shù)器如圖3.4電路是由兩級60進制計數(shù)器組成的分秒計數(shù)器，兩級計數(shù)器完全一樣，只要將U3與U2相連就可實現(xiàn)分秒計時，連接方法是將U3的INA端與U2的QC端相連。秒計數(shù)器走到59再進一位會給分個位一個進位脈沖，分個位計1，然后等待下一個進位脈沖直到60個。圖中顯示的是59分59秒的狀態(tài)，再進一位計數(shù)器又將全部清零重新計數(shù)。分秒計數(shù)器全部清零的同時，分十位也將給時個位一個進位脈沖，使時計數(shù)器向前計數(shù)，下面將介紹時計數(shù)器的原理。3.2.2時計數(shù)器時計數(shù)器也是由兩片74LS90組成的，其原理與分秒計數(shù)器相似，只是實現(xiàn)的進制數(shù)不一樣。圖3.5 24進制計數(shù)器（

11、時計數(shù)器）如圖3.5是一個由兩片74LS90組成的24進制計數(shù)器，因為要實現(xiàn)24進制計數(shù)所以與60進制計數(shù)器接法有些不同，但是只需改變個別管腳的連接。INA腳依然是脈沖信號接收端，時計數(shù)器不需要輸入秒脈沖輸入所以INA直接與前一級的輸出端相連，U10的INA與U9的QD相連，U9的INA與分十位的輸出端QC相連。INB還是與本級輸出端QA相連。R91和R92依然接地，時十位的R01同時與時個位的R02和本級輸出端的QB連接，十個位的R01同時與時十位的R02和本級輸出端QC相連接。QA、QB、QC、QD還是與譯碼器的四個輸入端相連。24進制計數(shù)器并不能十位二進制，個位四進制，那樣只能計八個數(shù)就

12、清零了，而是十位計到0010同時個位計到0100的情況下清零，這樣就計滿了24個數(shù)。圖3.5所示的電路實現(xiàn)了這樣的功能，個位計到9后再進一位會給十位一個進位脈沖，十位計1。當十位已經是2，個位已經計到3時（如圖3.5），分十位再給一個進位脈沖時，時計數(shù)器將會清零。最后的總電路圖3.8中，計數(shù)器已經計到了23:59:59，多諧振蕩器再給一個脈沖，同時秒個位會給秒十位一個進位脈沖，以此類推最后分十位會給時計數(shù)器一個進位脈沖，就像多米諾骨牌一樣，整個計數(shù)器將會全部歸零重新從00：00：00開始計數(shù)，這樣就完成了24小時的計時。3.3顯示器顯示器的作用就是讓我們能夠直觀的看到數(shù)字鐘的計時情況，在3.2

13、中有好幾個圖中出現(xiàn)了顯示器的身影。本次設計中使用的顯示器是模擬的四管腳顯示器DCD_HEX，省略了譯碼器的部分，實際上DCD_HEX顯示器是七段數(shù)字顯示器和譯碼器的合成元件。圖3.6七段數(shù)字顯示器與譯碼器DCD_HEX不是一個實際的元件型號，不能對號進行具體分析，但是其內部結構和功能與圖3.6所示電路相似，可以做大概分析。圖中所示電路是一個共陰極七段顯示器與譯碼器組成的顯示器。圖中譯碼器為74LS48，其輸出管腳ABCDEFG分別對應與七段顯示器的管腳相連，輸入管腳ABCD與編碼器即計數(shù)器的輸出端根據電路情況從低位到高位連接，從而實現(xiàn)對時鐘計數(shù)器的譯碼和顯示。3.4校準電路校準電路也是時鐘電路

14、中不可缺少的部分，電源剛接通時顯示的數(shù)字可能是任意值或者時鐘會有誤差，這時需要校準電路進行調節(jié)。接VCC接個位脈沖接收端接十位進位脈沖圖3.7（a）時校準電路接秒脈沖圖3.7（b）分校準電路圖3.7所示為時鐘電路的校準電路，a是時校準電路，b是分校準電路，兩電路的原理和功能完全一樣，元件略有差別。其原理就是利用組合門電路和RC振蕩電路，在屏蔽前級十位的進位信號的同時,向后級個位的接受脈沖端INA發(fā)出單次或者連續(xù)的脈沖，使得分和時計數(shù)器直接向前計數(shù)，從而實現(xiàn)時間的校準。連接電路時原本直接連接的前級進位脈沖端和后級接受脈沖端被校準電路隔開但不是真的隔開，開關J2和S1斷開時校準電路不工作。圖3.7

15、（a）中的U23接的是穩(wěn)定電源，用的是按鈕式開關J2，一按一開松手即關，接通J2后U21可向時個位脈沖接收端發(fā)出單次脈沖，實現(xiàn)手動校時；圖3.7（b）中的U19接的是多諧振蕩器的輸出端，開關是普通開關S1，接通S1后多諧振蕩器通過U18向分個位脈沖接收端發(fā)出連續(xù)脈沖，實現(xiàn)自動校時。到此整個時鐘電路的原理全部介紹完畢，下一頁的圖3.8就是這次設計的總電路圖。 圖3.8數(shù)字鐘原理四總結及心得這次課程設計的目的是掌握數(shù)字電子計時器的基本設計方法，學會安裝與調試由分立器件與集成電路組成的多級電子電路小系統(tǒng)，實際上就是對學過的課程的小小的演練，不做不知道一做嚇一跳。雖然過去沒做過，但是這些課程設計的題目

16、乍一看并不難，只要掌握所學數(shù)電知識的內容就可以做出來。但是事情當然沒有那么簡單，首先第一步就遇到了困難，方案如何形成。如何才能實現(xiàn)計時，設計任務要求以時分秒計時，與我掌握的常識是一致的，但是關于怎么設計簡直就是一頭霧水。任務要求實現(xiàn)手動校時和自動校時功能，怎么實現(xiàn)，沒有一點頭緒。通過查閱圖書館和網上的資料，看看別人是怎么做的，終于對數(shù)字鐘的大致結構有了一點了解，甚至這時候才知道一種功能需要一個完整的電路來實現(xiàn)，這時才能開始后面更加艱巨的步驟。從不了解到了解一點是一道坎兒，從了解一點到能夠動手做又是一道坎兒，從動手做到做出一點成果又是一道坎兒，從出一點成果到最后做成功更是一個非常艱巨的過程。這次

17、課程設計從各方面都是對一個人的考驗，不管是用仿真軟件設計電路還是寫設計報告，考驗的不只是對專業(yè)基礎課的掌握情況，更是一個人的耐心、毅力和時間支配能力。專業(yè)課學藝不精，我為此交了大量學費，在設計的過程中遇到了更多的困難，教訓十分深刻，在這種情況下關于耐心和毅力的考驗也更加巨大。即便如此，我在設計的過程中還是感受到了樂趣，課程設計是一件比上課有趣的事情，因為這種形式讓學生轉被動為主動，不再被動接受知識的灌輸，而是為達到一個目標親自想方案實現(xiàn)想法，親自想辦法解決問題，人的主觀能動性被調動起來。做課題需要用到一些軟件，主要就是Multisim和Word，設計電路和撰寫報告時對元件布局和文字排版都有一定要求，所以一個設計做完，對于這些軟件的特性和用法都會有更進一步的熟悉。因為是第一次做設計，所以最后做出來的東西只是在別人走過的路上再走一遍，幾乎沒有自己的想法，即便如此，起碼整個過程都是自己親手做的，每一個字都是自己親手打的。馬克思說量變引起質變，這個設計的過程就是一個量的積累，通過這樣的實踐我的能力雖然沒有達到質的飛躍但是絕對得到了鍛煉