數(shù)字鐘的設(shè)計報告完整版

1、電子技術(shù)課程設(shè)計(數(shù)電部分）簡易數(shù)字鐘 DATE EEEE年O月二一二年十一月 基于EDA的簡易數(shù)字鐘設(shè)計TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc20826 第一章 設(shè)計背景與要求 PAGEREF _Toc20826 1 HYPERLINK l _Toc2498 一設(shè)計背景 PAGEREF _Toc2498 1 HYPERLINK l _Toc7728 二設(shè)計要求 PAGEREF _Toc7728 1 HYPERLINK l _Toc15014 第二章 系統(tǒng)概述 PAGEREF _Toc15014 1 HYPERLINK l _Toc24562 PAGEREF _Toc24

2、562 1 HYPERLINK l _Toc10296 PAGEREF _Toc10296 2 HYPERLINK l _Toc28245 第三章 單元電路設(shè)計與分析 PAGEREF _Toc28245 2 HYPERLINK l _Toc10465 PAGEREF _Toc10465 2 HYPERLINK l _Toc21891 PAGEREF _Toc21891 3 HYPERLINK l _Toc29184 (1)脈沖發(fā)生電路（分頻模塊） PAGEREF _Toc29184 3 HYPERLINK l _Toc20429 (2)60進制計數(shù)器模塊 PAGEREF _Toc20429 5

3、 HYPERLINK l _Toc3402 (3)24進制計數(shù)器模塊 PAGEREF _Toc3402 6 HYPERLINK l _Toc15898 (4)兩片60進制計數(shù)器和一片24進制計數(shù)器聯(lián)級構(gòu)成24小時電路 PAGEREF _Toc15898 8 HYPERLINK l _Toc26114 PAGEREF _Toc26114 9 HYPERLINK l _Toc7344 (1)4位顯示譯碼模塊 PAGEREF _Toc7344 9 HYPERLINK l _Toc5412 (2)整點報時電路原理及模塊設(shè)計 PAGEREF _Toc5412 12 HYPERLINK l _Toc799

4、8 (3)校正開關(guān)及脈沖按鍵消抖動處理模塊 PAGEREF _Toc7998 14 HYPERLINK l _Toc3002 (4)12小時制與24小時制的切換電路 PAGEREF _Toc3002 15 HYPERLINK l _Toc13916 第四章 電路的調(diào)試過程 PAGEREF _Toc13916 19 HYPERLINK l _Toc29929 PAGEREF _Toc29929 19 HYPERLINK l _Toc4564 PAGEREF _Toc4564 19 HYPERLINK l _Toc13706 4.3功能的測試方法、步驟，記錄的數(shù)據(jù) PAGEREF _Toc1370

5、6 19 HYPERLINK l _Toc3701 第五章 結(jié)束語 PAGEREF _Toc3701 20 HYPERLINK l _Toc23869 PAGEREF _Toc23869 20 HYPERLINK l _Toc13120 PAGEREF _Toc13120 20 HYPERLINK l _Toc15701 參考文獻： PAGEREF _Toc15701 21第一章 設(shè)計背景與要求一設(shè)計背景在公共場所，例如車站、碼頭，準確的時間顯得特別重要，否則很有可能給外出辦事即旅行袋來麻煩。數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術(shù)實現(xiàn)時、分、秒計時的裝置，與機械式時鐘相比具有更高的準確度和直觀性，且無機械

6、裝置，具有更長的使用壽命，因此得到了廣泛的使用。數(shù)字鐘是一種典型的數(shù)字電路，包括了組合邏輯電路和時序電路。二設(shè)計要求設(shè)計一個簡易數(shù)字鐘，具有整點報時和校時功能。（1）以四位LED數(shù)碼管顯示時、分，時為二十四進制。（2）時、分顯示數(shù)字之間以小數(shù)點間隔，小數(shù)點以1Hz頻率、50%占空比的亮、滅規(guī)律表示秒計時。（3）整點報時采用蜂鳴器實現(xiàn)。每當整點前控制蜂鳴器以低頻鳴響4次，響1s、停1s，直到整點前一秒以高頻響1s，整點時結(jié)束。（4）用兩個按鍵分別控制“校時”或“校分”。按下校時鍵時，是顯示值以023循環(huán)變化；按下“校分”鍵時，分顯示值以059循環(huán)變化，但不產(chǎn)生對時的進位。 第二章 系統(tǒng)概述數(shù)字計

7、時器基本功能是計時，因此首先需要獲得具有精確振蕩時間的脈振信號，以此作為計時電路的時序基礎(chǔ)，實驗中可以使用的振蕩頻率源為10MHZ，通過分頻獲得所需脈沖頻率（1Hz,1KHz,500Hz）。為產(chǎn)生秒位，設(shè)計一個模60計數(shù)器，對1HZ的脈沖進行秒計數(shù)，產(chǎn)生秒位；為產(chǎn)生分位，通過秒位的進位產(chǎn)生分計數(shù)脈沖，分位也由模60計數(shù)器構(gòu)成；為產(chǎn)生時位，用一個模24計數(shù)器對分位的進位脈沖進行計數(shù)。整個數(shù)字計時器的計數(shù)部分共包括六位：時十位、時個位、分十位、分個位、秒十位和秒個位。顯示功能是通過數(shù)選器、譯碼器、碼轉(zhuǎn)換器和7段顯示管實現(xiàn)的。因為實驗中只用一個譯碼顯示單元，7個7段碼（4個用于顯示時分）,小數(shù)點用于

8、顯示秒，所以通過74153選擇器和一個7448顯示譯碼器配合，根據(jù)計數(shù)器的信號進行數(shù)碼管的動態(tài)顯示。整點報時功能可以通過組合邏輯電路實現(xiàn)。當計數(shù)器的各位呈現(xiàn)特定的電平時，可以選通特定的與門和或門，將指定的頻率信號送入蜂鳴器中，實現(xiàn)在規(guī)定的時刻以指定頻率發(fā)音報時。校分校時功能由防抖動開關(guān)、邏輯門電路實現(xiàn)。其基本原理是通過邏輯門電路控制分計數(shù)器的計數(shù)脈沖，當校分校時開關(guān)斷開時，計數(shù)脈沖由低位計數(shù)器提供；當按下校分校時開通時，既可以手動觸發(fā)出發(fā)式開關(guān)給進位脈沖，也可以有恒定的10Hz脈沖提供恒定的進位信號，計數(shù)器在此脈沖驅(qū)動下可快速計數(shù)。為實現(xiàn)可靠調(diào)時，采用防抖動開關(guān)（由D觸發(fā)器實現(xiàn)）克服開關(guān)接通或

9、斷開過程中產(chǎn)生的一串脈沖式振動。清零功能是通過控制計數(shù)器清零端的電平高低來實現(xiàn)的。只需使清零開關(guān)按下時各計數(shù)器的清零端均可靠接入有效電平（本實驗中是低電平），而清零開關(guān)斷開時各清零端均接入無效電平即可。分頻模塊，60進制計數(shù)器模塊，24進制計數(shù)器模塊，4位顯示譯碼模塊，正點報時電路模塊，校正開關(guān)及脈沖按鍵消抖動處理模塊第三章 單元電路設(shè)計與分析（1）分頻模塊，設(shè)計一個7級倍率為10 的分頻電路，輸入頻率為10MHz，輸出頻率分別為1Hz、10Hz、100 Hz、1kHz、10kHz、100kHz、1MHz，7組占空比為50%的脈沖信號。（2）60進制計數(shù)器模塊，采用兩片74160級聯(lián)。（3）2

10、4進制計數(shù)器模塊，采用兩片74160級聯(lián)。（4）4位顯示譯碼模塊，由分頻器，計數(shù)器，數(shù)據(jù)選擇器，七段顯示譯碼，3-8線譯碼器構(gòu)成一個4位LED數(shù)碼顯示動態(tài)掃描控制電路。其中4位計數(shù)器用7490，數(shù)據(jù)選擇器用74153，七段顯示譯碼器部分采用AHDL硬件描述語言設(shè) 計。（5）正點報時電路模塊，該模塊采用與門和數(shù)據(jù)選擇器74153構(gòu)成（6）脈沖按鍵消抖動處理模塊，采用D觸發(fā)器實現(xiàn)消抖動，從而能夠比較精確地設(shè)定時間。基本計時電路子模塊的設(shè)計及工作原理分析(1)脈沖發(fā)生電路（分頻模塊）脈沖發(fā)生電路將實驗箱10MHz的頻率分頻成1Hz（供系統(tǒng)時鐘），10Hz（快速校分、校時）以及1KHz和500KHz（

11、供整點報時電路）。首先，設(shè)計一個十分頻電路，選用7490二五進制計數(shù)器，輸入CLKA，輸出QA為二進制計數(shù)器；輸入CLKB,輸出QD、QC、QB為五進制計數(shù)器。SET9A、SET9B為異步置9端，CLRA、CLRB為異步復位端，均為高電平有效。十分頻模塊內(nèi)部如圖所示：圖十分頻電路五進制的高位QD作為二進制計數(shù)器的脈沖輸入，QA是整塊十進制數(shù)的最高位，構(gòu)成5421BCD，QA輸出占空比為50%。7塊十分頻聯(lián)級構(gòu)成7級倍率為10的分頻器，可以得到實驗所需頻率。7級分頻模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：圖3.2.2 七級十分頻電路2分頻模塊將1KHz的脈沖降頻成500Hz，設(shè)計一塊4進制計數(shù)器圖3.2.3

12、4進制計數(shù)器這里只用到7490的五進制功能，QC、QB的計數(shù)循環(huán)為00、01、10、11，QD作為4進制計數(shù)器的復位信號，因為是異步復位，所以從QD、QC、QB（100）直接復位成QD、QC、QB（000）。(2)60進制計數(shù)器模塊模60計數(shù)器由兩個74160構(gòu)成，考慮用74160而不用74161的原因是74160為8421BCD方式計數(shù)，將計數(shù)信號送進7448后可以直接驅(qū)動數(shù)碼管顯示，而不像74161還要經(jīng)過碼轉(zhuǎn)換處理。另外，因為顯示秒和分時都要顯示十位和個位，所以兩個計數(shù)器構(gòu)成模60的時候要考慮到分別顯示的問題，即讓一個用于作為十位，一個作為個位。電路圖如下：下圖為六十進制計數(shù)器模塊的示意

13、圖圖3.2.4 六十進制計數(shù)器圖中，前一個74160為個位，后一個為十位，每當個位計數(shù)到1001時，由0變?yōu)?，將十位的置位，十位的74160計1，當十位的計數(shù)到5（0101），個位的計數(shù)到9（1001）時，正好是60，此時置位兩個計數(shù)器，重新由0開始，這樣就完成了模60計數(shù)。74160置位端低電平有效，因此將59時個位的,十位的,與非之后送給。在059之間時，=1，無效；59時，=0，計數(shù)器將被置位為0.模60封裝成模塊如下圖：說明：ST：使能端，高電平有效，使能無效不工作； CP：計數(shù)脈沖輸入； RD：清零輸入，低電平有效； CO：進位輸出端，進位輸出為0，正常輸出時狀態(tài)為1； 60L：個

14、位輸出，60L4、60L3、60L2、60L1； 60H：十位輸出，60H3、60H2、60H1。仿真波形：(3)24進制計數(shù)器模塊模24計數(shù)器原理同模60，個位為3，十位為2時置位為0，即將個位的，和十位的經(jīng)與非門接入。下圖為24進制計數(shù)器模塊示意圖圖3.2.5 二十四進制計數(shù)器模24封裝模塊圖如下： 模24計數(shù)器封裝圖說明：ST：使能端，高電平有效，使能無效不工作； CP：計數(shù)脈沖輸入； RD：清零輸入，低電平有效； CO：進位輸出端，進位輸出為0，正常輸出時狀態(tài)為1； 24L：個位輸出，24L4、24L3、24L2、24L1； 24H：十位輸出，24H2、24H1。仿真波形： 模24計數(shù)

15、器仿真波形圖(4)兩片60進制計數(shù)器和一片24進制計數(shù)器聯(lián)級構(gòu)成24小時電路24小時電路如下圖3.2.6 二十四小時電路24小時封裝模塊：設(shè)計及工作原理分析(1)4位顯示譯碼模塊顯示電路主要由數(shù)據(jù)選擇器74153、譯碼器74138、顯示譯碼器7448和兩位計數(shù)器7490設(shè)計為模4的循環(huán)計數(shù)器，其輸出既作為3片74153的控制端，又作為38譯碼器74138的控制端（DE1,DE2）。當計數(shù)器計數(shù)到某一個數(shù)值時，4片74153同時選取對應(yīng)位的輸入組成計時器某一位的BCD編碼，接入顯示譯碼器7448，與此同時根據(jù)計數(shù)器的數(shù)值，74138譯碼器也通過數(shù)碼管的使能端選擇對應(yīng)位有效，從而在實驗箱上顯現(xiàn)數(shù)據(jù)

16、。選擇掃描的頻率為1KHz,因為人眼的視覺停留，會感覺四個數(shù)碼管同時顯示。數(shù)選器的選擇信號有2位，所以要用一個模4循環(huán)計數(shù)器作為數(shù)選器的地址選擇端，供輪流選擇帶顯示的數(shù)據(jù)。兩位計數(shù)器由7490構(gòu)成。如下圖所示 圖3.3.1 7490構(gòu)成的兩位計數(shù)器2位計數(shù)器封裝：整個四位顯示譯碼模塊如圖所示：圖3.3.2 四位顯示譯碼器電路因為實驗要求只用一個顯示譯碼器7448，所以考慮用動態(tài)掃描顯示法進行數(shù)據(jù)顯示，即每次只顯示一位，按照一定的顯示時間間隔輪流顯示。每個顯示位均為四位二進制數(shù)，所以需要4片數(shù)選器，要顯示的位有時分4位（SH,SL,FH,FL）。秒點的顯示模塊為電路圖最上方。顯示電路封裝：(2)

17、整點報時電路原理及模塊設(shè)計 當計時到5953”, 5955”,5957”時，分別發(fā)出一聲頻率低的蜂鳴聲（500Hz）；當計時到5959”時，發(fā)出一聲較高的蜂鳴聲（1KHz）。需要在某時刻報時，就在時刻輸出信號1作為觸發(fā)信號，選通報時脈沖信號進行報時。5953”對應(yīng)的四個輸出分別為：0101，1001，0101, 0011；5955”對應(yīng)的四個輸出分別為：0101，1001，0101, 0101；5957”對應(yīng)的四個輸出分別為：0101，1001，0101, 0111；5959”對應(yīng)的四個輸出分別為：0101，1001，0101，1001；可見，報時功能選擇出的高電平輸出端的分十位，分個位，秒十

18、位均是相同的，即0101，1001，0101；但秒個位是不同的，對應(yīng)于0011,0101,0111,1001；但報時的頻率并不相同。FEN_L1,FEN_L4,FEN_H1,FEN_H3,MIAO_L1,MIAO_H1,MIAO_H3均為高電平時報時,MIAO_L4作為高低報時頻率的選通信號，為“1”時1KHz輸入，為“0”時500Hz輸入。整點報時電路如下： 圖3.3.3 整點報時電路蜂鳴器封裝模塊如下：(3)校正開關(guān)及脈沖按鍵消抖動處理模塊采用D觸發(fā)器實現(xiàn)消抖動，從而能夠精確地設(shè)定時間。校正狀態(tài)為10HZ的校正脈沖，如圖：圖3.3.4 校正時間電路當無校正輸入時，選通信號為BA（00)，C

19、O輸入，數(shù)字鐘正常運行；當進行分校正時，選通信號為BA（01)，C1輸入，秒進位1C1為10HZ校正信號，因為設(shè)計的數(shù)字鐘電路均為低電平進位有效，所以分進位2C1設(shè)為高電平，避免校分電路對時計數(shù)的脈沖影響；同理，進行時校正時，選通信號為BA（10），C2輸入，分進位2C2為10HZ校正信號，秒進位1C2設(shè)為高電平；校正電路封裝模塊：F為分校正脈沖輸入，S為時校正脈沖輸入；CP接1KHz，使消抖電路工作。 (4)12小時制與24小時制的切換電路日常生活中，數(shù)字鐘提供顯示上下午時間的功能，上午時間為00：00到11：59，下午時間為12：00到11：59，根據(jù)人們的日常習慣，12：00也歸為下午的

20、時間段。為了實現(xiàn)該功能，需在24小時電路中，將13：0023：59時間段的小時位減去12，產(chǎn)生12小時制的下午時間，用兩個LED燈的亮滅表示上午下午設(shè)計比較12點電路如下：圖3.3.6 比較12點電路用兩片數(shù)值比較器7485，對小時的高低位進行比較，左邊為低片位，右邊為高片位。小時的BCD碼從A端輸入，只有當高片位A1、A0及低片位A3、A2、A1、A0，大于B1、B0（01）及B3、B2、B1、B0（0010)即數(shù)字鐘大于12點時，高片輸出AGB0為“1”；因為12點也歸為下午，所以當時間大于等于12時，輸出L2為1，同時L1變?yōu)榱?，起到分別顯示上午和下午。高片輸出的AGB0信號作為下午時間

21、減12的使能信號。 由于20點與21點的特殊性，需要單獨設(shè)計20點比較電路和21點比較電路： 圖3.3.7 比較20點電路 圖3.3.8 比較21點電路設(shè)計減12電路：圖3.3.9 減12電路在8421BCD碼的前提下，為實現(xiàn)小時高位減一（-0001），低位減二（-0010），使用兩片四位加法器74283，高片加-0001的反碼1111，低片加-0010的反碼1110，高低片互不影響；20點和21點在減12的過程中有低位向高位的借位，不能與前面的加法電路相同，需單獨設(shè)計，這里采用高位減2，低位加8來實現(xiàn)，原理同前面的加法電路一樣；圖3.3.10 12小時制電路比較12電路的高片AGB0從15線

22、輸入，與24or12開關(guān)相與，共同組成12小時制輸出開關(guān)；22線和23線的輸入來自20點比較器、21點比較器的輸出信號，相或后與24or12開關(guān)相與，避免24小時制下的加法操作。以上為只有在12小時制下能獲得輸出的電路，至于輸出電路的設(shè)計用到三片74153選擇器，根據(jù)三片選擇器的選通信號BA的變換來選擇各個模塊輸出：BA（00)選擇24小時輸出；BA(01)選擇12小時制（不含8點，9點輸出）；BA（11）選擇12小時制8點、9點輸出；BA（10）無效通道，不會出現(xiàn)。第四章 電路的調(diào)試過程（1）在做二十四進制計數(shù)器時，打算采用第一片六進制，第二片四進制級聯(lián)而成，結(jié)果出現(xiàn)問題。（2）校正時分遇到

23、顯示數(shù)字快速跳動，無法精確校正時間。（3）在校正數(shù)字鐘的分時，時計數(shù)器有進位。（4）加入12小時制電路后的模塊出現(xiàn)20點和21點的錯誤顯示。及解決措施及效果（1）雖然也能夠計數(shù)實現(xiàn)二十四進制，但是不能與七段顯示譯碼器配合使用，給小時的高低位顯示帶來不便。改用兩片74160，低片可以從09，高片從02，而且當高為2，低片到3的話就都清零復位，這樣不僅實現(xiàn)了二十四進制計數(shù)器，而且能與七段顯示譯碼器配合使用，直觀的顯示數(shù)字。（2）分析解決:開始時，我們采用R-S鎖存器進行開關(guān)的的消顫處理，在實驗箱上進行模擬仿真時，隨著開關(guān)的撥動，數(shù)碼管顯示值跳動異常，且變化捉摸不定，鬧鈴設(shè)定值也因此變化，原因可能是

24、對于有高頻干擾的實驗系統(tǒng)，R-S鎖存器容易受到干擾，消顫效果并不理想。所以我們在查閱先關(guān)資料之后，發(fā)現(xiàn)在實際的數(shù)字電子系統(tǒng)中，比較普遍的是用D觸發(fā)器進行消顫。在選取好D觸發(fā)器的時鐘脈沖也即采樣頻率后，發(fā)現(xiàn)消顫效果較好。（3）在調(diào)試校正電路的時候，通過按鍵調(diào)整分，但是發(fā)現(xiàn)時計數(shù)器也會有進位產(chǎn)生，原因是調(diào)整分時，各計數(shù)器都按正常狀況在計數(shù)，未屏蔽來自分計數(shù)器的進位信號（低電平），所以會按正常情況產(chǎn)生進位。加上選擇器，把兩路信號分開，當調(diào)整分的時候，不對時計數(shù)器產(chǎn)生進位，這樣子就不會產(chǎn)生十進位了，解決了這個問題。（4）由于設(shè)計的計數(shù)器輸出均為8421BCD碼，在減12電路中無法適用于20點和21點（

25、有低位向高位的借位）。可以通過先對8421BCD碼進行譯碼操作，再減去12，之后再反譯碼成8421BCD碼；但是為了利用已經(jīng)設(shè)計好的在8421BCD碼前提下的減12電路，對20點和21點單獨設(shè)制減12電路，使高位減2，低位加8.4.3功能的測試方法、步驟，記錄的數(shù)據(jù)（1）簡易數(shù)字鐘的基本測試，將電路圖連好后，分析與綜合，仿真，編譯，下載到儀器上，表示秒的小數(shù)點按1Hz，占空比50%跳動，分從059計數(shù)，分過了59后，向時計數(shù)器進1。（2）時、分調(diào)整功能的測試，按分調(diào)整鍵，分按一定的頻率逐次加一，但是時顯示不變；按時調(diào)整鍵，時按一定的頻率逐次加一，但是分顯示不變。（3）整點點報時功能的測試，到了

26、整點，即59分51s，53s，55s，57s時蜂鳴器低頻率間斷性鳴響，59分59秒時，蜂鳴器高頻率鳴響一次。（4）能進行12小時，24小時進制切換，12小時制下整點報時，校正功能依然有效。第五章 結(jié)束語簡易數(shù)字鐘的設(shè)計中，主要運用了分頻器，六十進制計數(shù)器，二十四進制計數(shù)器，動態(tài)掃描顯示電路，選擇器，按鍵消抖以及門電路等數(shù)字電路方面的知識。可以在簡易數(shù)字鐘的基礎(chǔ)上加上24小時和12小時轉(zhuǎn)換功能，秒表功能，鬧鐘功能，這樣更能滿足人們的使用需求。秒表的設(shè)計可以參照數(shù)字鐘的基本設(shè)計理念，添加設(shè)計100分頻電路（兩片十進制器74160聯(lián)級），輸入100Hz的脈沖，輸出1Hz的脈沖接給秒。秒表的顯示電路可利用數(shù)字鐘的顯示電路，只要設(shè)計選通模塊