數(shù)字電子鐘邏輯電路設(shè)計(jì)

數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)課題：數(shù)字電子鐘邏輯電路設(shè)計(jì)班級(jí)：電子科學(xué)與技術(shù)姓名：AAA同組：BBB學(xué)號(hào)：111400XXX指導(dǎo)老師：CCC設(shè)計(jì)時(shí)間：2016年12月26日~28日學(xué)院：物理與信息工程學(xué)院

摘要：數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)的裝置，與機(jī)械式時(shí)鐘相比具有更高的準(zhǔn)確性和直觀性，且無機(jī)械裝置，具有更更長的使用壽命，因此得到了廣泛的使用。諸如按時(shí)自動(dòng)打鈴，時(shí)間程序自動(dòng)控制，定時(shí)啟閉路燈，定時(shí)開關(guān)烘箱，通斷動(dòng)力設(shè)備，甚至各種定時(shí)電氣的的自動(dòng)啟用等。這些都是以數(shù)字時(shí)鐘作為時(shí)鐘源的。數(shù)字鐘從原理上講是一種典型的數(shù)字電路，其中包括了組合邏輯電路和時(shí)序電路。目前，數(shù)字鐘的功能越來越強(qiáng)，并且有多種專門的大規(guī)模集成電路可供選擇。經(jīng)過了數(shù)字電路設(shè)計(jì)這門課程的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，特別經(jīng)過了關(guān)于組合邏輯電路與時(shí)序邏輯電路部分的學(xué)習(xí)，我們已經(jīng)具備了設(shè)計(jì)小規(guī)模集成電路的能力，借由本次設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)，充分將所學(xué)的知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際中去。數(shù)字電子鐘是一種用數(shù)字顯示秒、分、時(shí)、日的計(jì)時(shí)裝置，與傳統(tǒng)的機(jī)械鐘相比，它具有走時(shí)準(zhǔn)確、顯示直觀、無機(jī)械傳動(dòng)裝置等優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛的應(yīng)用：小到人們?nèi)粘Ｉ钪械碾娮邮直?，大到車站、碼頭、機(jī)場(chǎng)等公共場(chǎng)所的大型數(shù)顯電子鐘。數(shù)字電子鐘的電路組成方框圖如圖3.3.1所示。圖3.3.1數(shù)字電子鐘框圖由圖3.3.1可見，數(shù)字電子鐘由以下幾部分組成：石英晶體振蕩器和分頻器組成的秒脈沖發(fā)生器；校時(shí)電路；六十進(jìn)制秒、分計(jì)數(shù)器及24進(jìn)制(或12進(jìn)制)計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器；以及秒、分、時(shí)的譯碼顯示部分等。

目錄TOC\o"1-4"\h\u一、前言： 11.設(shè)計(jì)目的： 12.指標(biāo)要求： 13.設(shè)計(jì)說明與思路提示： 14.設(shè)計(jì)內(nèi)容： 3二、總體方案設(shè)計(jì)： 41.方案比較： 42.方案論證: 53.方案選擇: 5三、單元模塊設(shè)計(jì)： 61.各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計(jì)： 62.電路參數(shù)的計(jì)算及元器件的選擇： 103.特殊器件的介紹： 104.各單元模塊的聯(lián)接： 13四、系統(tǒng)調(diào)試： 14五、設(shè)計(jì)總結(jié)： 151.設(shè)計(jì)的小結(jié)： 152.設(shè)計(jì)收獲體會(huì)： 163.對(duì)設(shè)計(jì)的進(jìn)一步完善提出意見或建議： 17參考文獻(xiàn)： 17附： 17一、前言：1.設(shè)計(jì)目的：用中小規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)一臺(tái)能顯示日、時(shí)、分秒的數(shù)字電子鐘。2.指標(biāo)要求：1．由晶振電路產(chǎn)生1Hz標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)。2．秒、分為00—59六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。3．時(shí)為00—23二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器。4．周顯示從1—日為七進(jìn)制計(jì)數(shù)器。5．可手動(dòng)校正：能分別進(jìn)行秒、分、時(shí)、日的校正。只要將開關(guān)置于手動(dòng)位置，可分別對(duì)秒，分、時(shí)、日進(jìn)行手動(dòng)脈沖輸入調(diào)整或連續(xù)脈沖輸入的校正。6．整點(diǎn)報(bào)時(shí)。整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路要求在每個(gè)整點(diǎn)前鳴叫五次低音(500Hz)，整點(diǎn)時(shí)再鳴叫一次高音(1000Hz)。3.設(shè)計(jì)說明與思路提示：根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求，對(duì)照數(shù)字電子鐘的框圖，可以分以下幾部分進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。1．秒脈沖發(fā)生器秒脈沖發(fā)生器是數(shù)字鐘的核心部分，它的精度和穩(wěn)定度決定了數(shù)字鐘的質(zhì)量，通常用晶體振蕩器發(fā)出的脈沖經(jīng)過整形、分頻獲得1Hz的秒脈沖。如晶振為32768Hz，通過15次二分頻后可獲得1Hz的脈沖輸出，電路圖如圖3.3.2所示。2．計(jì)數(shù)譯碼顯示秒、分、時(shí)、日分別為60、60、24和7進(jìn)制狀態(tài)表計(jì)數(shù)器。秒、分均為六十進(jìn)制，即顯示00～59，它們的個(gè)位為十進(jìn)制，十位為六進(jìn)制。時(shí)為二十四進(jìn)計(jì)數(shù)器，顯示為00～23，個(gè)位仍為十進(jìn)制，而十位為三進(jìn)制，但當(dāng)十進(jìn)位計(jì)到2，而個(gè)位計(jì)到4時(shí)清零，就為二十四進(jìn)制了。 圖3.3.2秒脈沖發(fā)生器周為七進(jìn)制數(shù)，按人們一般的概念一周的顯示為星期“日、1、2、3、4、5、6”，所以我們?cè)O(shè)計(jì)這七進(jìn)制計(jì)數(shù)器，應(yīng)根據(jù)譯碼顯示器的狀態(tài)表來進(jìn)行，如表3.3.1所示。表3.3.1狀態(tài)表Q4Q3Q2Q1顯示1000日000110010200113010040101501106按表3.3.1狀態(tài)表不難設(shè)計(jì)出“日”計(jì)數(shù)器的電路(日用數(shù)字8代)。所有計(jì)數(shù)器的譯碼顯示均采用BCD—七段譯碼器，顯示器采用共陰或共陽的顯示器。3．校正電路在剛剛開機(jī)接通電源時(shí)，由于日、秒、分、時(shí)為任意值，所以，需進(jìn)行調(diào)整。置開關(guān)在手動(dòng)位置，分別對(duì)時(shí)、分、秒、日進(jìn)行單獨(dú)計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)脈沖由單次脈沖或連續(xù)脈沖輸入。4．整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路當(dāng)時(shí)計(jì)數(shù)器在每次計(jì)到整點(diǎn)前六秒時(shí)，需要報(bào)時(shí)，這可用譯碼電路來解決。即當(dāng)分為59時(shí)，則秒在計(jì)數(shù)計(jì)到54時(shí)，輸出一延時(shí)高電平，直至秒計(jì)數(shù)器計(jì)到58時(shí)，結(jié)束這高電平脈沖去打開低音與門，使報(bào)時(shí)聲按500Hz頻率鳴叫5聲，而秒計(jì)到59時(shí)，則去驅(qū)動(dòng)高音lKHz頻率輸出而鳴叫1聲。

4.設(shè)計(jì)內(nèi)容：（1）進(jìn)行方案論證；

（2）設(shè)計(jì)電路；

（3）焊接，組裝、調(diào)試硬件，測(cè)試結(jié)果；

（5）撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，要求有電路圖、原理說明、電路所需元件清單、電路參數(shù)計(jì)算、元件選擇、測(cè)試結(jié)果分析等。

二、總體方案設(shè)計(jì)：1.方案比較：1、方案一如圖，可知此方案的電路的校時(shí)開關(guān)中，電路存在開關(guān)抖動(dòng)問題，使電路出現(xiàn)問題。

方案二

如圖，此方案加采用基本RS觸發(fā)器構(gòu)成開關(guān)消除抖動(dòng)電路。方案論證:雖然方案二具有更好的性能，能消除抖動(dòng)，由于時(shí)間和元器件的限制，方案一簡(jiǎn)單可行。3.方案選擇:選擇方案一。

單元模塊設(shè)計(jì)：各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計(jì)：1.1秒脈沖發(fā)生器要想構(gòu)成數(shù)字鐘，首先應(yīng)選擇一個(gè)脈沖源——能自動(dòng)地產(chǎn)生穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖信號(hào)。而脈沖源產(chǎn)生的脈沖信號(hào)的頻率較高，因此，需要進(jìn)行分頻，使高頻脈沖信號(hào)變成適合于計(jì)時(shí)的低頻脈沖信號(hào)，即“秒脈沖信號(hào)”（頻率為1HZ）。經(jīng)過分頻器輸出的秒脈沖信號(hào)到計(jì)數(shù)器中進(jìn)行計(jì)數(shù)。將標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)送入“秒計(jì)數(shù)器”，“秒計(jì)數(shù)器”采用60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，每累計(jì)60秒發(fā)一個(gè)“分脈沖”信號(hào)，該信號(hào)將作為“分計(jì)數(shù)器”的時(shí)鐘脈沖?！胺钟?jì)數(shù)器”也采用60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，每累計(jì)60分鐘，發(fā)出一個(gè)“時(shí)脈沖”信號(hào)，該信號(hào)將被送到“時(shí)計(jì)數(shù)器”?！皶r(shí)計(jì)數(shù)器”采用24進(jìn)制計(jì)時(shí)器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)一天24小時(shí)的累計(jì)。此時(shí)需要分別設(shè)計(jì)60進(jìn)制，24進(jìn)制計(jì)數(shù)器，各計(jì)數(shù)器輸出信號(hào)經(jīng)譯碼器到數(shù)字顯示器，使“時(shí)”、“分”、“秒”得以數(shù)字顯示出來。值得注意的是：任何計(jì)時(shí)裝置都有誤差，因此應(yīng)考慮校準(zhǔn)時(shí)間電路。校時(shí)電路一般采用手動(dòng)調(diào)整。手動(dòng)調(diào)整可利用手動(dòng)的節(jié)拍調(diào)準(zhǔn)顯示時(shí)間。CD4060由一振蕩器和14級(jí)二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器位組成，振蕩器的結(jié)構(gòu)可以是RC或晶振電路，CR為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器清零且振蕩器使用無效。所有的計(jì)數(shù)器位均為主從觸發(fā)器。在CP1(和CP0)的下降沿計(jì)數(shù)器以二進(jìn)制進(jìn)行計(jì)數(shù)。在時(shí)鐘脈沖線上使用斯密特觸發(fā)器對(duì)時(shí)鐘上升和下降時(shí)間無限制。原理圖：脈沖發(fā)生器是數(shù)字鐘的核心部分，它的精度和穩(wěn)定度決定了數(shù)字鐘的質(zhì)量，通常用晶體振蕩器發(fā)出的脈沖經(jīng)過整形、分頻獲得1Hz的秒脈沖。如晶振為32768Hz，通過15次二分頻后可獲得1Hz的脈沖輸出。1.2秒、分為00—59六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器如圖所示，00~59中9可將A0與A2接出后與非，然后接到Rd上，就能實(shí)現(xiàn)9之后清零。又由于清零時(shí)產(chǎn)生幾納秒的脈沖，所以可以利用這個(gè)脈沖接到下一端的CLK，使之進(jìn)位。00~59中5可將A1與A2接出后與非，然后接到Rd上，就能實(shí)現(xiàn)5之后清零。同理運(yùn)用清零脈沖實(shí)現(xiàn)進(jìn)位。由于分與秒原理一樣在此不再贅述。1.3星期、日為七進(jìn)制計(jì)數(shù)器和24進(jìn)制計(jì)數(shù)周為七進(jìn)制數(shù)，按人們一般的概念一周的顯示為星期“日、1、2、3、4、5、6”，所以我們?cè)O(shè)計(jì)這七進(jìn)制計(jì)數(shù)器，應(yīng)根據(jù)譯碼顯示器的狀態(tài)表來進(jìn)行，如圖所示。Q4Q3Q2Q1顯示1000日000110010200113010040101501106按表3.3.1狀態(tài)表不難設(shè)計(jì)出“日”計(jì)數(shù)器的電路(日用數(shù)字8代)。所有計(jì)數(shù)器的譯碼顯示均采用BCD—七段譯碼器，顯示器采用共陰或共陽的顯示器。原理圖：日為24進(jìn)制計(jì)數(shù)器，因?yàn)榇笥诹吮旧淼氖M(jìn)制，所以使用兩片74ls161，搭建的方法有置數(shù)和清零兩種，方式都一樣；當(dāng)?shù)谝黄?jì)數(shù)到十的時(shí)候再等來一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)位端會(huì)變?yōu)楦唠娖?，此端口接到第二片的時(shí)鐘信號(hào)端和本身的置數(shù)端或清零端，本身的置數(shù)端全部接地，然后第二片計(jì)一個(gè)數(shù)，第一片回到0繼續(xù)計(jì)數(shù)，直到第二片計(jì)數(shù)到2同時(shí)第一片計(jì)數(shù)到4的時(shí)候，通過在第一片外加的邏輯電路，每計(jì)數(shù)到4會(huì)譯出一個(gè)信號(hào)與上第二片的外加邏輯電路每到2譯出的信號(hào)，此信號(hào)就是計(jì)數(shù)到24的進(jìn)位信號(hào)，將此信號(hào)再接回兩片的清零或置數(shù)端即可。1.4校正電路同上圖，將分與秒的CLK接出，再給一個(gè)開關(guān)到連續(xù)脈沖或單次脈沖就能實(shí)現(xiàn)矯正電路的效果。1.5整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路如圖所示，因?yàn)樾枰?9分54~59秒報(bào)時(shí)，先取分鐘的59與秒的50。即將分50的C和A位，分9的D和A位，再取秒50的C和A位進(jìn)行與操作。這里考慮到需要的與非與非太多，所以實(shí)際電路中我們運(yùn)用了線與操作，即利用二極管與上拉電阻實(shí)現(xiàn)6與門的電路。54~58秒需要500Hz低音并且需要鳴叫5次，將所需的邏輯寫成真值表，并且進(jìn)行卡洛圖化簡(jiǎn)得到CD’+DC’B’A’，由于C’B’與秒9的DC’B’A相同，所以可以不接出來，其中圖上利用與非-與非的與非等于相或，從而實(shí)現(xiàn)無或門的操作。500Hz與1Hz相與而實(shí)現(xiàn)每半秒輸出500Hz的波形。最后與54~58秒相與，從而實(shí)現(xiàn)54~58秒中每半秒輸出500Hz的波形。59秒即將D與A位相與再與1KHz相與即可實(shí)現(xiàn)。最后將3個(gè)電路相與就能實(shí)現(xiàn)所需電路了。詳細(xì)與細(xì)節(jié)請(qǐng)自行分析，提示：可將500Hz與1KHz在圖紙中畫出，即畫出時(shí)序圖，再將它們進(jìn)行與非操作。由于芯片輸出的電流太小，所以需要三極管放大，現(xiàn)利用S8550PNP三級(jí)管，當(dāng)輸出為0時(shí)，蜂鳴器通過5V電壓與較大的電流，從而實(shí)現(xiàn)報(bào)時(shí)。如果輸出1為真可以加一個(gè)非門讓電路輸出0為真，從而驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。電路參數(shù)的計(jì)算及元器件的選擇：1．CD4511、74HC00H、74HC04H、74HC161及數(shù)碼管2．晶振：32768Hz3．電容：100uF／16V、22pF、3～22pF之間4．電阻：200Ω、10kΩ、22MΩ5．電位器：2.2kΩ或4.7kΩ6．三極管：85507．喇叭：1／4W，8Ω3.特殊器件的介紹：CD4511:A0~A3：二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸入端BI’：輸出消隱控制端LE：數(shù)據(jù)鎖定控制端LT’：燈測(cè)試端Ya~Yg：數(shù)據(jù)輸出端VDD：電源正VSS：接地?cái)?shù)碼管:74HC161:時(shí)鐘CLK和四個(gè)數(shù)據(jù)輸入端ABCD清零CLR’使能ENP，ENT置數(shù)LOAD’數(shù)據(jù)輸出端QA~QD以及進(jìn)位輸出RCO(RCO=QA·QB·QC·QD·ENT)74HC00H:74HC00是一款高速CMOS器件，74HC00引腳兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列。74HC00遵循JEDEC標(biāo)準(zhǔn)no.7A。

74HC00實(shí)現(xiàn)了2輸入與非門功能。74HC04H:74HC04是一款高速CMOS器件，74HC04引腳兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列。74HC04遵循JEDEC標(biāo)準(zhǔn)no.7A。

74HC04提供了6路反相緩沖器。CD4060引腳圖:CD4060內(nèi)部結(jié)構(gòu):4.各單元模塊的聯(lián)接：分模塊星期模塊時(shí)模塊分模塊星期模塊時(shí)模塊報(bào)時(shí)模塊秒模塊報(bào)時(shí)模塊秒模塊時(shí)鐘模塊時(shí)鐘模塊各單元電路確定以后，還要認(rèn)真仔細(xì)地考慮他們之間的級(jí)聯(lián)問題，如：電氣特性的相互匹配、信號(hào)耦合方式、時(shí)序配合，以及相互干擾等問題。1.電氣性能相互匹配問題關(guān)于單元電路之間電氣性能相互匹配的問題主要有：阻抗匹配、線性范圍匹配、負(fù)載能力匹配、高低電平匹配等。前兩個(gè)問題是模擬單元電路之間的匹配問題，最后一個(gè)問題是數(shù)字單元電路之間的匹配問題。而第三個(gè)問題(負(fù)載能力匹配)是兩種電路都必須考慮的問題。從提高放大倍數(shù)和負(fù)載能力考慮，希望后一級(jí)的輸入電阻要大,前一級(jí)的輸出電阻要小,但從改善頻率響應(yīng)角度考慮，則要求后一級(jí)的輸入電阻要小。2.時(shí)序配合單元電路之間信號(hào)作用的時(shí)序在數(shù)字系統(tǒng)中是非常重要的。哪個(gè)信號(hào)作用在前，哪個(gè)信號(hào)作用在后，以及作用時(shí)間長短等，都是根據(jù)系統(tǒng)正常工作的要求而決定的。換句話說，一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)有一個(gè)固定的時(shí)序。時(shí)序配合錯(cuò)亂，將導(dǎo)致系統(tǒng)工作失常。時(shí)序配合是一個(gè)十分復(fù)雜的問題，為確定每個(gè)系統(tǒng)所需的時(shí)序，必須對(duì)該系統(tǒng)中各個(gè)單元電路的信號(hào)關(guān)系進(jìn)行仔細(xì)的分析，畫出各信號(hào)的波形關(guān)系圖——時(shí)序圖，確定出保證系統(tǒng)正常工作下的信號(hào)時(shí)序，然后提出實(shí)現(xiàn)該時(shí)序的措施。這里因?yàn)槭菙?shù)字電路，又是比較簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，所以需要考慮的問題不多。四、系統(tǒng)調(diào)試：調(diào)試示波器，時(shí)鐘模塊是否能產(chǎn)生1Hz的矩形波。結(jié)果：如同所示，晶振產(chǎn)生完美的1Hz的矩形波，即周期為1s的脈沖，剛好使得秒模塊1s能夠進(jìn)一位。調(diào)試電子鐘，察看是否能夠正常運(yùn)行。結(jié)果：正常運(yùn)行。觀察校準(zhǔn)電路是否正常使用。結(jié)果：正常使用。觀察報(bào)時(shí)模塊是否運(yùn)行成功。結(jié)果：運(yùn)行成功。54~58秒500Hz低音響5次，59秒1KHz高音響1次。

五、設(shè)計(jì)總結(jié)：設(shè)計(jì)的小結(jié)：該實(shí)驗(yàn)成功地設(shè)計(jì)出了數(shù)字電子鐘，在和BBB的合作下，共同完成了整個(gè)課題。我首先制作了分秒模塊，測(cè)試運(yùn)行后，BBB同學(xué)就著手做時(shí)與星期模塊，以及時(shí)鐘模塊。這些都完成后，我們就忙著準(zhǔn)備考試?？纪甑囊惶焱砩?，我正考慮著怎么實(shí)現(xiàn)報(bào)時(shí)模塊，晚上上床之后，遙遠(yuǎn)給我發(fā)來了一份他的草稿，在他的提示下，我開始有了思路。閉上眼睡覺的時(shí)候，我已經(jīng)把電路圖畫在了腦子里了。第二天一大早，我就著手畫了電路圖，然而還是有點(diǎn)兒不對(duì)，在我的再三分析下，設(shè)計(jì)出了，54~58秒一直響，59秒變頻的時(shí)鐘。在課設(shè)開始前一天晚上，我們基本已經(jīng)完成，又想說準(zhǔn)備考試重要，便放棄了響5次這個(gè)要求。但在我上床的一剎那，我突然有一個(gè)點(diǎn)子，就激動(dòng)地下床，拼接電路，在我一點(diǎn)一點(diǎn)地改動(dòng)下，終于趕在課設(shè)第一天完成了整個(gè)要求。2.設(shè)計(jì)收獲體會(huì)：課設(shè)最好不要等到老師要求你開始做，你才開始做，不要拖。最好當(dāng)天開始著手做，這樣你就可以抓到空閑時(shí)間，學(xué)習(xí)累了，或想到什么好點(diǎn)子就可以開始做了。又有充裕的時(shí)間復(fù)習(xí)，做出又有一種喜悅感，而沒有緊張感。在最后一時(shí)刻設(shè)計(jì)出報(bào)時(shí)模塊是最高興地，并且沒有參考任何材料，是從0到1的過程，有獨(dú)門的創(chuàng)新性，可以說，沒有