数字电子钟设计

课程设计论文题目名称电子时钟设计课程名称专业课程设计I学生姓名学号系、专业信息工程系、电子信息工程指导教师数字电子钟设计摘要数字电子钟一般由秒信号发生器、“时、分、秒”计数器、译码器及显示器、校时电路等组成。秒信号是整个系统的时基信号，它直接决定计时系统的精度，一般用石英晶体振荡器加分频器来实现，也可以用555振荡器，本设计用的就是555芯片。将秒信号送入秒计数器，它是六十进制计数器。每累计六十秒发出一个“分脉冲”信号，这个信号作为“分计数器”的时钟脉冲。“分计数器”也是六十进制计数器，它每累计六十分钟，发出一个“时脉冲”信号，此信号将被送到“时计数器”。“时计数器”采用二十四进制计数器，可以实现一天二十四小时的累计。译码显示电路将“时”、“分”、“秒”计数器的输出状态经七段显示译码器译码，通过六位LED显示器显示出来。校时电路是用来对“时”、“分”、“秒”显示数字进行校对调整的。本文通过对74LS47,74LS138,74LS160和555振荡芯片的基本原理和基本功能的介绍，结合数字电子钟的设计过程让我们对电子钟的设计有了清楚的认识。关键词数字钟，555振荡器，74LSL60，74LS47,74LS138，三态门。目录摘要1目录21基本工作原理及框图411设计目的412设计内容及要求413设计方案414电子时钟实现原理415电子时钟原理框图616具体电路实现72秒信号产生电路921555芯片简介922秒信号产生电路原理图93进制计数器电路103174LS160芯片简介103260进制计数器电路原理113324进制计数器电路原理144数码管显示电路154174LS47芯片简介1542显示电路实现165校时电路原理165174LS138芯片简介1652校时电路实现1753校时脉冲输入实现196电子时钟具体仿真实现1961计时仿真1962校时仿真21总结23参考文献241基本工作原理及框图11设计目的（1）课程设计目的是训练学生综合应用已学课程，如模拟电子技术、数字电子技术、通信电子线路等的基本知识，针对具体的应用，完成电子设计。（2）掌握电子应用系统的设计方法。（3）学习电子设计软件PROTEUS等的应用。（4）掌握数字电路系统的设计方法、装调技术及计数器的设计，使得学生将所掌握的电子技术理论知识与实际相结合，提高学生的动手设计能力和科研创新能力，更好的培养学生的学习兴趣。12设计内容及要求（1）设计一个有“时”，“分”，“秒”（23小时59分59秒）显示，且有校时功能的电子时钟。（2）在仿真软件中仿真。（3）画出框图和逻辑电路图，写出设计，实验总结报告。13设计方案数字电子钟由555振荡器、计数器、译码器显示器和校时电路组成。振荡器产生稳定的秒脉冲信号,作为数字钟的时间基准,然后经过输出标准秒脉冲到各个计数器。秒计数器满60后向分计数器进位,分计数器满60后向小时计数器进位,小时计数器按照“24翻1”规律计数。计数器的输出分别经译码器送显示器显示。计时出现误差时,可以用校时电路校时、校分、校秒。校时电路由一个计数器来接受外部信号用于选择功能，再通过翻译电路翻译成具体的校时控制。当选定好对那个数据进行校准时，再通过另外一个按钮来输入校时信号。14电子时钟实现原理电子时钟设计最重要是又有精确的秒信号的产生。本设计的电子时钟的秒信号脉冲的是有555振荡芯片产生，产生的脉冲信号连续两个相同边沿信号之间的间隔恰好是1S。秒钟到分钟，分钟到小时的进制都是60进制，那么就可以用同一种结构来解决，第一级计数器为十进制，第二级计数器为6进制，都是有74LS160芯片来实现。小时是24进制，由第一级一个4进制计数器，第二级一个2进制计数器实现。第一级计数器还必须在当第二级计数器没有到达2是能实现10进制，所以这里用了一个2输入的与门，一个输入时第二级74LS160的第二根线，及十进制的2输出的这根线，当这根线为高电平时，第一级的计数器就是能实现4进制。显示电路有6个74LS47来解析每个74LS160计数器的输出信号，在输出给6个7段数码管显示。校时电路通过一个74LS160芯片接收手动从外部按钮的输入脉冲信号来选择对那个时钟数字进行校准，接受的信号有74LS138解析后分别对应74LS138的6个输出端，每个输出端对应一个校时功能。默认是自动计时，当有外部输入时就停止计时，时钟显示静止，外部输入信号个数从16时，分别选择对秒钟的个位，秒钟的十位，分钟的个位，分钟的十位，小时的个位，小时的十位进行校准。当输入第7个信号时重新开始计时。在每一级计数器之间都有一个三态门，用来控制计数器之间的进位，这些三态门都由74LS138的Y0输出端来控制，Y0输出端是控制计时的输出端，当为低电平时计时，当为高电平时就校时，高电平输出到各个三态门控制其通断，来控制计数器之间在校时时的相互干扰。15电子时钟原理框图图11电子时钟原理框图16具体电路实现具体电路图的前半部分如图12所示。图12电子时钟实际电路图前部图具体电路后半部分如图13所示。图13电子时钟实际电路图后部图2秒信号产生电路21555芯片简介555芯片内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级。它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3555芯片功能表如下表21所示。表21555芯片功能表22秒信号产生电路原理图555芯片原理图如图21所示。图21555芯片实际连线图经仿真的到如图22所示的脉冲信号。图22555芯片输出脉冲波形图由图22中数据可知两个相同边沿之间的时间间隔是1秒。30进制计数器电路3174LS160芯片简介74LS160这种同步可预置十进计数器是由四个D型触发器和若干个门电路构成，内部有超前进位，具有计数、置数、禁止、直接（异步）清零等功能。对所有触发器同时加上时钟，使得当计数使能输入和内部门发出指令时输出变化彼此协调一致而实现同步工作。这种工作方式消除了非同步（脉冲时钟）计数器中常有的输出计数尖峰。缓冲时钟输入将在时钟输入上升沿触发四个触发器。它的功能表如表31所示表3174LS160功能表3260进制计数器电路原理电子表中秒钟到分钟，分钟到时钟都是60进制的。电子表显示是有两位数，一位显示十位数，是6进制的，一位显示个位数，是10进制的。所以从秒到分，从分到时都需要两块74LS160芯片。第一块10进制，输出到第二块6进制的脉冲输入端。每块芯片都从输出端连到7447芯片上，在从7447芯片连入7段数码管显示。秒计数器个位连接图如图31所示。图31秒计数器个位实际连接图由图31可知，74LS160预置数位0，且自动清零。秒计数器十位连接图如图32所示。图32秒计数器十位实际连接图由上图33可知，在74LS160芯片输出端将第1根线和第3根线接入一个3输入与门，此与门的第3根线接时钟信号。当芯片的输出为5是，时钟信号再来一个脉冲到第3根线，那么与门的输出就改变了，就向下一级芯片输出了一个脉冲。这就完成了一个6进制计数。分钟个位连接如图33所示。图33分钟个位实际连接图从上图33可以看出分钟个位计数器的原理和秒钟个位计数器的原理是一样的。分钟十位连接如图34所示。图34分钟十位实际连接图从上图34可以看出分钟十位计数器的原理和秒钟个位计数器的原理是一样的。3324进制计数器电路原理电子时钟的小时是24进制的，十位为二进制，个位为4进制的，而个位计数器还需要能显示0到9的数字。这都需要芯片的外围电路来控制了。小时计数器的个位连接如图35所示。图35小时个位实际连接图小时计数器的十位连接如图36所示。图36小时十位实际连接图要实现24进制，要将小时十位计数器的第2根线和小时个位计数器的第3根线接入一个2输入的与门，再连接小时个位和小时十位芯片的置零端。这样当计数器数到24是就两块芯片同时置零。当没有记数到24是小时个位计数器还可以输出0到9的显示。4数码管显示电路4174LS47芯片简介74LS47是输出低电平有效的七段字形译码器，它在这里与数码管配合使用。它的功能表如表41所示。表4174LS47功能表42显示电路实现数码管显示就用的是74LS47芯片把74LS160计数器上的输出的4个2进制数字翻译成能够在BCD7段数码管上显示的数字。74LS47和BCD7段数码管以及74LS160之间的连线如图41所示。图41数码管显示电路实际连接图5校时电路原理5174LS138芯片简介此芯片工作原理是当一个选通端（E1）为高电平，另两个选通端（/E2和/E3）为低电平时，可将地址端（A0、A1、A2）的二进制编码在Y0至Y7对应的输出端以低电平译出。它的功能表如表51所示。表5174LS138功能表52校时电路实现校时电路是有两个按钮，一个74LS160芯片,一个74LS138芯片，以及一些门器件实现的。通过一个74LS160芯片来选择校时的功能，选择是只需通过一个按钮开关输入脉冲即可。连线如图51所示。图52校时电路功能选择连接图选择的功能通过2进制数字形式通过74LS160的输出端输送给下一级的74LS138芯片。连线如图52所示。图52功能选择翻译电路连接图。74LS138芯片在把接受的2进制数字翻译成相应的输出，反应给对应的控制线，完成相应的控制。在本实验中74LS138把信号翻译成低电平输出，选择与接受的2进制数对应的10进制数大小相等的那个输出端输出低电平。当没有功能选择时，芯片默认Y0输出端位低电平，即运行计时功能。当选择Y1Y6中的其中一个是，即是选择对秒的个位，秒的十位，分钟的个位，分钟的十位，小时的个位，小时的十位进行校时。校时是有Y0将所有的ENP端置位低电平，有Y1Y6中的一个选择对那个数据进行校时，就将他置1。连线如图53所示。图53校时功能控制电路连线图这样就能对有Y1Y6其中一条选择的数字进行校准了。53校时脉冲输入实现手动脉冲输入实现如图54所示。图54校时脉冲控制电路图如图54所示开始时默认为是低电平，通过一个电阻与地连接来实现。高电平通过按下按钮来实现。6电子时钟具体仿真实现61计时仿真秒钟仿真时第一块74LS160通过接收555芯片的输出秒脉冲信号进行秒的个位的计时，秒的个位是十进制的，所以第一块74LS160芯片不需要设置清零，芯片会自动清零。每当达到是后就会输出一个脉冲发送给第二块74LS160芯片，第二块芯片是秒的个位，是六进制数，所以要设置反馈清零。当第二块74LS160芯片的输出端端口Q0和Q2为高电平时，当3输入U15A在接受到第一块74LS160芯片的一个高电平信号时，就反馈一个低电平信号给第二块74LS160芯片的清零端，进行清零操作。完成一个60秒计时。秒计时仿真如图61所示。图61秒钟校时仿真图分钟仿真原理和秒钟原理是一样的。分钟仿真如图62所示。图62分钟仿真电路图小时仿真和以上两种仿真有不同之处，因为这里的小时显示是24进制的，所以第一块74LS160芯片既要能显示09又要能在当小时的十位为2时在到计数到4是清零。所以有2输入与门U16A的一个输入端接小时十位计数芯片输出的第2端口Q1,另一个输入端接小时个位计数器的Q3，即当小时达到20小时及以上时，且小时个位达到4时，U16A输出低电平反馈给两块计数器清零。这就完成了一个24小时计时。小时仿真如图63所示。图63小时仿真电路图62校时仿真以对秒钟的个位进行校准为例。仿真图如图64所示。图64校时仿真电路图如图64所示U23D三态门关闭，时钟脉冲转由手动输入。U20的Y1输出端口输出低电平，U22D的三态门打开。秒钟的第一级计数器进入计时状态。U20的Y0输出端口输出高电平，使U22A,和U21D呈高阻状态，进而使另外5块计数器的ENP为低电平，进入非计时状态。总结这是一次常规的课程设计，从中不仅强化了我对过去所学知识的理解和掌握。而且也拓展了我在数字电子技术方面和电子仿真的知识，和对自己所学专业的认识。课程设计更是一个把所学知识应用于实践的过程，它对我动手能力的提高不言而