数字钟的设计 微电子技术专业毕业论文

毕业设计说明书（论文）设计（论文）题目数字钟的设计专业班级学号姓名指导教师四川信息职业技术学院毕业设计任务书学生姓名江敏学号0865011班级微电081专业微电子技术设计题目数字钟的设计指导教师姓名职称工作单位及所从事专业联系方式备注罗凌讲师/工程师四川信息职业技术学院电子工程系/电子技术应计内容运用电子技术知识、技能设计一个数字电子钟。功能要求如下1由555电路产生1HZ标准秒信号；2秒、分为0059六十进制计数器；3时为0012十二进制计数器；4可整点报时。要求完成选择各单元电路结构并阐述工作原理，正确选择电路元件与设备，给出元件明系表，并使用PROTEUS进行仿真。进度安排第24周查找资料，选择参考方案；第56周确定方案；第710周查找资料；第1113周进行单元电路的设计，整机电路整机与分析；第14周整理报告，确定初稿；第15周检查定稿；第1617周答辩。主要参考文献、资料写清楚参考文献名称、作者、出版单位1唐程山数字电子技术第四版，人民邮电出版社，2005年2康华光电子技术基础第五版，高等教育出版社，2002年3中国集成电路大全编委会TTL集成电路北京国防工业出版社，1985年4王宪伟电子技术实验与毕业设计清华大学出版社，2006年5康华光电子技术基础（第五版）数字部分高教出版社，2006年6朱定华电子技术基础毕业设计华中科技大学出版社，2009年10月7朱定华现代数字电路与逻辑设计清华大学出版社北京交通大学出版社，2005年审批意见教研室负责人年月日备注任务书由指导教师填写，一式二份。其中学生一份，指导教师一份。目录摘要1第1章绪论211设计背景212设计目的213设计要求2第2章设计原理及其框图421数字电子钟的逻辑框图422数字钟的工作原理4第3章系统单元电路设计531555定时器时钟脉冲产生电路532时间计数器电路633译码驱动电路834数码管显示电路935基本RS触发器校正电路1036整点报时电路1137系统电路原理图1238系统电路工作原理13第4章数字电子钟的仿真与调试1441PROTEUS介绍1442PROTEUS对本实验的仿真1443数字钟调试1544仿真电路图15总结16致谢17参考文献18附录1元件明细表19摘要本次设计使用的是555振荡电路提供时钟时间基准信号。与晶振电路相比使用芯片少，结构简单明了。数字钟实际上是一个对标准频率（1HZ）进行计数的计数电路，时间计数电路由秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器及时个位和时十位计数器电路构成，其中秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器为60进制计数器，而根据设计要求，时个位和时十位计数器为12进制计数器。时间以12个小时为周期，显示时、分、秒，有校时功能，可以分别对时及分进行单独校时，使其校正到标准时间；计时过程具有报时功能，当时间到达整点前10秒进行蜂鸣报时；为了保证校正信号的稳定及准确采用RS触发消振校正电路提供校正基准信号。关键词数字钟；译码器；数码管；计数器；第1章绪论11设计背景集成电路有体积小、功耗小、功能多等优点，因此在许多电子设备中被广泛使用。数字电子钟采用数字电路实现对时、分、秒数字显示的计时装置，它具有显示时、分、秒的功能，本设计采用时序电路制成的数码管显示的数字电子钟，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且比机械装置具有更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。电子钟是人们日常生活中常用的计时工具，而数字式电子钟它具有走时准确、稳定性能好和使用方便等的特点。具有快速校准时、分、秒的功能。广泛用于个人家庭、车站、码头办公室等公共场所，成为人们日常生活中不可少的必需品，由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用，使得数字钟的精度，运用超过老式钟表，钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。数字集成电路技术的发展和采用了先进的石英技术，使数字钟具有走时准确、性能稳定、携带方便等优点，它还用于计时、自动报时及自动控制等各个领域。本次设计以数字电子为主，分别对1HZ时钟信号源、秒计时显示、分计时显示、小时计时显示、整点报时及校时电路进行设计，然后将它们组合，来完成时、分、秒的显示并且有整点报时和走时校准的功能。并通过本次设计加深对数字电子技术的理解以及更熟练使用计数器、触发器和各种逻辑门电路的能力。电路主要使用集成计数器，例如74LS390、CD4511译码集成电路，LED数码管及各种门电路和基本的触发器等，电路使用5号电池供电，很适合在日常生活中使用。因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。12设计目的熟悉集成电路的引脚安排掌握各芯片的逻辑功能及使用方法了解面包板结构及其接线方法了解数字钟的组成及工作原理熟悉数字钟的设计与制作。13设计要求时间以12小时为一个周期；显示时、分、秒；有校时功能，可以分别对时及分进行单独校时，使其校正到标准时间；计时过程具有报时功能，当时间到达整点前10秒进行蜂鸣报时；为了保证计时的稳定及准确须本次设计使用的是555振荡电路来实现的时钟脉冲。第2章设计原理及其框图21数字电子钟的逻辑框图数字电子钟的逻辑框图如图2122数字钟的工作原理数字钟实际上是由振荡电路来产生一个标准频率（1HZ）时钟脉冲，再对其进行计数的计数电路。由于计数的起始时间不可能与标准时间（如北京时间）一致，故需要在电路上加一个校时电路，同时到达整点前10秒报时。图21数字电子钟的逻辑框图译码器显示器显示器显示器译码器12进制时计数器60进制分计数器译码器60进制秒计数器报时电路振荡器校正电路第3章系统单元电路设计31555定时器时钟脉冲产生电路数字钟1HZ时间信号必须做到准确稳定，一般时钟是以晶体振荡器电路给数字钟提供一个频率稳定准确的32768Z的方波信号。不管是指针式的电子钟还是数字显示的电子钟都使用了晶体振荡器电路。但是晶体振荡器电路复杂，而且晶振容易毁坏，还要运用分频器才能实现秒脉冲。而555定时器电路简单，只需要555定时器和电阻电容就能产生秒脉冲，元器件使用少、电路图结构清晰简单。因此本次设计本次设计使用的是555振荡电路来实现的时钟脉冲。555振荡器内部结构如图31所示。图31555振荡器内部结构用555定时器组成多谐振荡器电路如图32所示。R3、R4和C2为外接定时元器件，高、低电平触发输入端相连并接到定时电容C2上，R3和R4的节点与放电端相连，电压控制端不用，通常接001UF电容。接通电源后，VCC通过R3、R4对电容C2充电，UC上升。开始时UC2/3VCC时，高电平触发端TH2/3VCC,低电平触发端TR1/3VCC,定时器复位，Q0，放电管饱和导通，C2通过R3经VT放电，UC下降。当UC1/3VCC时又回到高电平触发端TH2/3VCC，低电平出发端TR1/3VCC，定时器又置位，Q1，放电管截止，C2停止放电而重新开始充电。如此反复，形成矩形脉冲。多谐振荡器的振荡周期T为TTW1TW207（R3R4）C207R3C207R42R3C2图32多谐振荡器电路32时间计数器电路时间计数单元有时计数、分计数和秒计数等几个部分。时间计数电路由秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器及时个位和时十位计数器电路构成，其中秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器为60进制计数器，其输出为两位8421BCD码形式；而根据设计要求，时个位和时十位计数器为12进制计数器，其输出也为8421BCD码。一般采用10进制计数器74HC390来实现时间计数单元的计数功能。为减少器件使用数量，可选74HC390，其引脚图和内部逻辑框图如图33所示。该器件为双2510异步计数器，并且每一计数器均提供一个异步清零端（高电平有效）。CKAQACKBQBQCQDCR25图3374HC390引脚图和内部逻辑框图秒个位计数单元为10进制计数器，无需进制转换，只需将Q0与CPB（下降沿有效）相连即可。CPA（下降没效）与1HZ秒输入信号相连，Q3可作为向上的进位信号与十位计数单元的CPA相连，电路在秒脉冲的作用下数码管从09显示，如图34。图3474390十进制计数器电路秒十位计数单元为6进制计数器，需要进制转换。将10进制计数器转换为6进制计数器的电路连接方法如图35所示，其中Q2可作为向上的进位信号与分个位的计数单元的CPA相连，电路在秒脉冲的作用下数码管从06显示。图3510进制6进制计数器转换电路分个位和分十位计数单元电路结构分别与秒个位和秒十位计数单元完全相同，只不过分个位计数单元的Q3作为向上的进位信号应与分十位计数单元的CPA相连，分十位计数单元的Q2作为向上的进位信号应与时个位计数单元的CPA相连。时个位计数单元电路结构仍与秒或个位计数单元相同，但是要求，整个时计数单元应为12进制计数器，不是10的整数倍，因此需将个位和十位计数单元合并为一个整体才能进行12进制转换。利用2片74HC390和与门实现12进制计数功能的电路如图36所示。图3612进制计数器电路33译码驱动电路译码驱动电路将计数器输出的8421BCD码转换为数码管需要的逻辑状态，并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。计数器实现了对时间的累计以8421BCD码形式输出，选用显示译码电路将计数器的输出数码转换为数码显示器件所需要的输出逻辑和一定的电流，选用CD4511作为显示译码电路。译码驱动引脚图及显示单元如图37。图37译码驱动引脚图及显示单元34数码管显示电路数码管由译码驱动电路提供电流，并显示出译码驱动电路输出的数码。数码管通常有发光二极管（LED）数码管和液晶（LCD）数码管，本设计使用的为LED数码管，如图38。图38多位数码管LED数码有共阳和共阴两种，把些LED发光二极管的正极接到一块（一般拼成一个8字加一个小数点）而作为一个引脚，就叫共阳的，相反的，就叫共阴的，那么应用时这个脚就分别的接VCC和GND。再把多个这样的8字装在一起就成了多位的数码管了。找公共共阴和公共共阳首先，我们找个电源（3到5伏）和1个1K（几百的也欧的也行）的电阻，VCC串接个电阻后和GND接在任意2个脚上，组合有很多，但总有一个LED会发光的找到一个就够了。然后用GND不动，VCC（串电阻）逐个碰剩下的脚，如果有多个LED（一般是8个）亮，那它就是共阴的了。相反用VCC不动，GND逐个碰剩下的脚，如果有多个LED（一般是8个）亮，那它就是共阳的了。（相应的图形如图39，310所示）图39共阴极二极管图310共阳极二极管35基本RS触发器校正电路基本RS触发器属于电频直接控制方式，即输入信号直接可控制触发器的输出端的状态。这种无抖动开关又称为逻辑开关。当重新接通电源或走时出现误差时都需要对时间进行校正。通常，校正时间的方法是首先截断正常的计数通路，然后再进行人工出触发计数或将频率较高的方波信号加到需要校正的计数单元的输入端，校正好后，再转入正常计时状态即可。根据要求，数字钟应具有分校正和时校正功能，因此，应截断分个位和时个位的直接计数通路，并采用正常计时信号与校正信号可以随时切换的电路接入其中。根据要求，数字钟应具备有分校正和时校正功能，因此，应截断分个位和时个位的直接计数通路，并采用正常计数和和校正信号可以随时切换的电路接入其中，而且在校时和校分时不能相互影响。图311所示为本次设计的校正电路。校正信号实际上就是通过开关的开和闭合接通电源或地形成下降沿脉冲。在机械开关按动过程中，一般都存在弹簧片接触抖动而使电压或电流波形产生“毛刺”，这些“毛刺”持续时间大约几十毫秒，人眼不易察觉。但是这种现象在数字系统中会造成电路误动作，是绝对不允许的。为了克服这种现象，可在电源和输出端之间接入一个基本RS触发器，构成防抖动开关电路，如图311所示。假设开关的初始位置在5端，则3端输出为0；在开关由5端扳到1端过程中，基本RS触发器保持，3端仍为0；当开关扳到1端时，1端的电位由于抖动而产生“毛刺”。但此时由于5端已经为高电平，1端一旦出现低电平，3端就会翻转为1即使1点出现高电平也不会改变触发器的状态，所以3端的波形不会出现“毛刺”。因此也实现了无抖动校正电路。图311校正电路图36整点报时电路一般时钟都应具备整点报时电路功能，即在时间出现整点前数秒内，数字钟会自动报时，以示提醒。其作用方式是发出连续的或有节奏的音频声波，较复杂的也可以是实时语音提示。根据要求，电路应在整点前10秒钟内开始整点报时，即当时间在59分50秒到59分59秒期间时，报时电路报时控制信号。报时电路选74HC30，选蜂鸣器为电声器件。74HC30引脚图如图312。蜂鸣器接通电源就会发出连续的响声，再把74HC30的3端与秒脉冲信号相连，就形成了间隙的蜂鸣声。整点报时电路如图313。图31274HC30引脚图如图图313整点报时电路图37系统电路原理图利用两个六十进制和一个十二进制连接成一个时、分、秒都会进位的电路总图，如图314。图314系统电路原理图38系统电路工作原理1脉冲进位开关同时打到自动位置由555多谐振荡器电路得到1HZ的秒脉冲，输入到秒个位74LS390芯片的CP0端，通过相应地译码器CD4511显示计数。当秒计数器达到“60”时，通过与门74LS08自动清零重新计数并向分计数器个位74LS290的CP0端进位。分计数器达到“60”时，通过与门74LS08自动清零并向时计数器个位74LS290的CP0端进位，时计数器通过相应地译码器显示数字。当时计数器计到“12”时，清零端自动清零。完成12小时的计时。在计时的过程中，当分计到“59”分时，而等到秒计数到“50”秒时，然后通过74HC30相“与”后1S标准秒信号去控制喇叭鸣叫，到10秒时，鸣叫结束，完成整点报时。2开关分进位开关打到手动位置时按一次按钮开关，电路产生一个单次脉冲，对分进行校正。同理，当开关时进位开关打到手动位置时，是进行的时校正。第4章数字电子钟的仿真与调试41PROTEUS介绍PROTEUS软件引入到数字电子技术设计型教学中，为我们学生提供了一个大胆思维、充分发挥创造性的实验环境。PROTEUS软件的设计试验区好像一块“面包板”，在上面可以建立各种电路进行仿真实验。与其他电路仿真软件相比，具有界面直观、操作方便等优点。它改变了一般电路仿真软件输入电路必须采用文本方式的不便，创建电路的元器件和测试仪器等均可直接从屏幕上器件库和仪器库中直接选取。该软件的特点1仿真的手段和实际相符，仪器和元器件的选用和实际情形非常相似。可以通过对电路的仿真，既掌握电路的性能，又熟悉仪器的正确的使用方法。2有齐全丰富和可扩充的元器件库。提供了数千种元器件供选用，不仅提供了元器件的理想值，而且有的元器件还提供了实际厂家的元器件模型。3具有完整的混合模拟与数字信号模拟的功能。可任意地在系统中集成数字及模拟元器件，会自动地进行信号转换。测试具有即时的显示功能。42PROTEUS对本实验的仿真PROTEUS对于本设计的仿真步骤如下1打开PROTEUS软件。2单击COMPONENT（元件）按钮,然后单击P，弹出元件选择对话框PICKDEVICES3为了快速查找元件，直接在搜索框中输入要查找的元件名称，可以不用输入全称，只需输入开头几个字母就可以筛选出所需的元件。4在PICKDEVICES对话框内输入74LS再在里面查找选择74LS390，再点击OK，74LS290元件就放在PICKDEVICES内，要用元件时直接点击PICKDEVICES内的74LS290，再在PROTEUS界面上点击就会出现该元器件。5同上面的操作再选出设计所需的所有元器件。6根据原理图放置元器件，调整元器件位置再连线并完成仿真原理图。43数字钟调试调试步骤如下1点击开始打开电源。2将脉冲进位开关打到自动进位端。3检查振荡电路是否产生秒脉冲。4检查数码管是否正常显示时、分、秒；并与其他正常时间相比较是否正常；再检查时、分、秒进制是否正常。5将脉冲进位开关打到手动端，检查校正电路是否正常校时。6将时间调到59分50秒，检查报时电路是否产生蜂鸣，并在10后停止蜂鸣。44仿真电路图仿真电路图如图41所示。如图41仿真电路图总结本次设计使用的是555振荡电路提供时钟时间基准信号。与晶振电路相比使用芯片少，结构简单明了。数字钟实际上是一个对标准频率（1HZ）进行计数的计数电路，时间计数电路由秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器及时个位和时十位计数器电路构成，其中秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器为60进制计数器，而根据设计要求，时个位和时十位计数器为12进制计数器。时间以12个小时为周期，显示时、分、秒，有校时功能，可以分别对时及分进行单独校时，使其校正到标准时间；计时过程具有报时功能，当时间到达整点前10秒进行蜂鸣报时；为了保证校正信号的稳定及准确采用RS触发消振校正电路提供校正基准信号。通过这次毕业设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。毕业设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程回顾此次毕业设计，感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在短短的两个星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。在摸索该如何设计程序使之实现所需功能的过程中,特别有意义,培养了我的设计思维,增加了实际操作能力在让我体会到了设计的艰辛的同时,更让我体会到成功的喜悦和快乐。生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。通过此次设计，我才真正领略到“艰苦奋斗”这一词的真正含义，我才意识到老一辈电子设计为我们的社会付出。我想说，设计确实有些辛苦，但苦中也有乐，在如今单一的理论学习中，很少有机会能有实践的机会，但我们可以，确实很累，但当看到自己所做的成果时，心中也不免产生兴奋，这也是一份成就一份收获致谢光阴似箭，转眼大学三年学习生涯即将结束。两个月的设计指导学习，我得到了指导老师罗凌老师的真诚教诲和同学们的热情帮助。值此离别之际，向曾经给予我帮助的老师、学员和朋友表示最衷心的感谢首先我要感谢我们的熊建云书记、李怀蒲主任和导师朱清溢老师，大学三年来他们在