电子技术课程设计报告-数字电子时钟的设计.doc

数字电子时钟的设计课 程 设 计设计名称 数字电子时钟的设计 .全套设计加扣3012250582 学年学期 2013-2014（上） 课程名称 电子技术课程设计 专业年级 电气112班 姓 名 学 号 提交日期 2013年1月5日 成 绩 指导教师 水利与建筑工程学院 目 录摘要.11 引言.22 设计任务与要求.32.1 设计任务.32.2 设计要求.3 2.3 题目评析.33 方案比较与论证.43.1 各种方案比较与选择.43.2 方案论证.84 系统硬件设计.94.1 系统的总体设计.94.2 单元电路设计.104.2.1 晶体振荡电路.104.2.2 分频器电路.114.2.3 进制计数器.11 4.3 电路原理图.145 部分元器件介绍.145.1 十进制同步加法计数器74160N.145.2 555定时器.165.3 LED显示器.176 系统仿真.186.1 仿真原理图.186.2 仿真结果.187 系统的调试组装.197.1 PCB原理图.197.2 PCB板图.208 结论.20参考文献.21附录.22致谢.25数字电子时钟的设计 摘 要：基于数字电路芯片对时钟脉冲的计数原理，设计出一种简易的数字电子时钟计数器。主干电路系统由秒信号发生器、“时、分、秒”计数器、显示器、整点报时电路组成。秒信号产生器是整个系统的时基信号，它直接决定计时系统的精度，这里用多谐振荡器加分频器来实现。将标准秒信号送入“秒计数器”，“秒计数器”采用60进制计数器，每累计60秒发出一个“分脉冲”信号，该信号将作为“分计数器”的时钟脉冲。“分计数器”也采用60进制计数器，每累计60分钟，发出一个“时脉冲”信号，该信号将被送到“时计数器”。“时计数器”采用24进制计时器，可实现对一天24小时的累计。译码显示电路将“时”、“分”、“秒”计数器的输出状态送到七段显示译码器译码，通过七位LED七段显示器显示出来。整点报时电路时根据计时系统的输出状态产生一脉冲信号，然后去触发一音频发生器实现报时。利用Multisim软件做出了电路原理图并对所设计电路进行了仿真，仿真结果验证了设计的正确性。同时，采用Protel 99SE软件做出了所设计电路的PCB（印刷电路板）板图。关键字：数字时钟；振荡器；分频器；译码显示器；Multisim仿真；PCB板图26数字电子时钟的设计1 引言中国是世界上最早发明计时仪器的国家。有史料记载，汉武帝太初年间（纪元前104-101年）由落下闳创造了我国最早的表示天体运行的仪器浑天仪。东汉时期（公元130年）张衡创造了水运浑天仪，为世界上最早的以水为动力的观测天象的机械计时器，是世界机械天文钟的先驱。盛唐时代，公元725年张遂（又称一行）和梁令瓒等人创制了水运浑天铜仪，它不但能演示天球和日、月的运动，而且立了两个木人，按时击鼓，按时打钟。第一个机械钟的灵魂擒纵器用于计时器，这是中国科学家对人类计时科学的伟大贡献。它比十四世纪欧洲出现的机械钟先行了六个世纪。第一只石英钟出现在二十世纪二十年代，从三十年代开始得到了推广，从六十年代开始，由于应用半导体技术，成功地解决了制造日用石英钟问题，石英电子技术在计时领域得到了广泛的应用。并取代机械钟做了更精确的时间标准。早在1880年，法国人皮埃尔居里和保罗雅克居里就发现了石英晶体有压电的特性，这是制造钟表“心脏”的良好材料。科学家以石英晶体制成的振荡计时器和电子钟组合制成了石英钟。经过测试，一只高精度的石英钟表，每年的误差仅为3-5秒。1942年，著名的英国格林尼治天文台也开始采用了石英钟作为计时工具。在许多场合，它还经常被列为频率的基本标准，用于日常测量与检测。大约在 1970 年前后，石英钟表开始进入市场，风靡全球。随着科学的进步，精密的电子元件不断涌现，石英钟表也开始变得小巧精致，它既是实用品，也是装饰品。它为人们的生活提供方便，更为人们的生活增添了新的色彩。 在现行情况下根据简单实用强的、走时准确进行设计。而实验证明，钟表的振荡部分采用石英晶体作为时基信号源时，走时更精确、调整更方便。钟是一种计时的器具，它的出现开拓了时间计量的新里程。提起时钟大家都很熟悉，它是给我们指明时间的一种计时器，并且我们每天都要用到它。二十世纪八十年代中国的钟表业经历了一场翻天覆地的大转折。其表现在三个方面：(1)从生产机械表转为石英电子表；(2)曾占据中国消费市场四十多年的大型国有企业突然被刚刚冒起的“组业”所取代，钟表生产中心转向中国南方沿海一带；(3)中国钟表业发展从以机芯为龙头改为以手表外观件为龙头。这场转折以迅雷不及掩耳的速度，冲击着传统的中国钟表工业。中国的钟表业从技术简单、零件少的石英钟机芯制造入手。最初石英钟机芯全靠从日本、德国进口，1989年开始完全自己生产，包括模具的制造加工。近十余年，逐渐提高机芯质量的稳定性，同时转向对手表机芯研制与开发。目前石英钟表机芯生产主要在福建省福州、广东东莞；机械钟表机芯在上海、山东等地。现在我国的电子业发展非常快速，电子业的发展有利于钟表业的发展。在中国钟表发展史上，国产机芯研制的失败已经成为过去，“组装业”作为新兴钟表工业的起步阶段也已成为过去，一支新的充满智慧的钟表精英在成长。在科技高速发展的今天，钟表业运用当今材料工业、电子工业和其他领域的最新技术，一定会生产出代表中国科学水平的产品。科学技术的发展迫切要求钟表业提高制造技术水平中不断创新，培育出拥有自主知识产权的品牌。数字钟被广泛用于个人家庭,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,使得高精度数字钟的运用超过老式钟表, 钟表的数字化给人们的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，诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。2 设计任务与要求2.1 设计任务1(1)设计一个有“时”、“分”、“秒”（24小时59分59秒）显示，且有校时功能的电子钟；(2)用中小规模集成电路组成电子钟，并在实验箱上进行组装、调试；(3)画出框图和逻辑电路图，写出设计、实验总结报告；(4)整点报时。在59分51秒、53秒、55秒、57秒输出500Hz音频信号，在59分59秒时输出1000Hz信号，音频持续1s，在1000Hz音频结束时刻为整点。2.2 设计思路(1)根据电路特点，用层次设计概念，将此设计任务分成若干模块，规定每一模块的功能和各模块之间的接口，同时加深层次化设计概念；(2)软件的元件管理深层含义，以及模块元件之间的连接概念，对于不同目录下的同一设计，如何融合；(3)适配划分前后的仿真内容有何不同概念，仿真信号对象有何不同，有更深一步了解；(4)按适配划分后的引脚锁定，同相关功能模块硬件电路的接口连线；2.3 题目评析本次课程设计的主要内容为数字电子时钟的设计。一个基本的数字钟电路主要由译码显示器、“时”，“分”，“秒”计数器、报时电路和振荡器组成。用555定时器制作的多谐振荡器，信号发生器，脉冲芯片等方式都可以作为脉冲信号源；用74160N组成分频电路，将输出信号分别送入由六片74160N构成的进制计数器，连接到LED数码管上。本次设计的重点就是各个模块的设计(多谐振荡器、信号发生器、分频电路、译码器显示电路)以及电路原理图的搭建。由于这些芯片都是初次接触，因此对于这些芯片功能的学习是必不可少的，这也是设计成功的基础。本次设计的难点就在于电路仿真上，最重要的一点就是要如何保证LED数码管上数字跳变的频率和实际的频率相同，在设计过程中，可能会遇到这种情况：根据频率要求，理论分析计算出电路中各个元件的参数，将参数设定好之后，在仿真过程中，实际输出秒脉冲的频率可能和现实中的秒频率存在差别，这也就造成所设计的时钟无法和实际中的准确时间保持一致。数字电子时钟的研究有很大价值。数字时钟已成为人们日常生活中必不可少的必需品、广泛用于个人家庭及办公室等公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来有极大的方便。数字钟是一种用数字显示秒、分、时的计时装置，与传统的机械钟相比，由于数字集成电路技术的发展和采用了先进的石英技术、使数字时钟具有走时准确、性能稳定、携带方便、显示直观、无机械传动装置等优点，因而得到了广泛的应用：小到人们日常生活中的电子手表，大到车站、码头、机场等公共场所的大型数显电子钟，它还用于计时、自动报时及自动控制等各个领域。3 方案比较与论证3.1 各种方案比较与选择方案一：基于单片机的电子时钟设计1. 设计思路利用单片机的内部定时中断产生时钟信号送到液晶LCD1602显示。电子时钟的功能可以由按键进行切换，按键可以定时，启动，时钟加减调节等.(1)单片机的选择2选择一：采用51系列单片机外围电路51单片机采用低功耗、高性能CMOS8位微控制器-AT89S52,使用Flash存储器，片上Flash允许程序存储器在系统可编程、亦适于常规编程器。在单芯片上、拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash、使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。选择二：采用AVR单片机AVR单片机硬件结构采取8位机与16位机的折中策略，即采用局部寄存器存堆(32个寄存器文件)和单体高速输入/输出的方案(即输入捕获寄存器、输出比较匹配寄存器及相应控制逻辑)。提高了指令执行速度(1Mips/MHz)，克服了瓶颈现象，增强了功能；同时又减少了对外设管理的开销，相对简化了硬件结构，降低了成本。故AVR单片机在软/硬件开销、速度、性能和成本诸多方面取得了优化平衡，是高性价比的单片机。 选择三：采用msp430系列单片机MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（源操作数寻址、目的操作数寻址）、简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。可供选择的单片机比较：由于我们只需要完成简单的时钟实验，51单片机完全满足我们的需要，而且51单片机价格实惠，性价比高，编程容易，故选择51单片机作为主控芯片。(2)显示模块选择选择一：LED数码管采用数码管显示的电路能在低电压、小电流条件下驱动发光，能与CMOS、TTL电路兼容。LED数码管成本低，发光响应时间极短，高频特性好，单色性好，亮度高，体积小，重量轻，抗冲击性能好，使用寿命在10万小时以上，甚至可达100万小时。选择二：1602液晶31602液晶显示屏显示（LCD）具有功耗低、体积小的优点，内部含有国标简体中文字库的点阵图形液晶显示模块。利用该模块灵活的接口方式和简单方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面，并且在硬件方面无需驱动模块。可供选择的显示器比较：如果需要制作硬件的话，需要手动焊接电路，链接数码管，由于电路比较复杂，需要外接驱动芯片，LCD1602液晶数码管连线比较方便，出于这一点考虑，选择LCD1602液晶数码管.(3)时钟模块选择一：采用单片机内部定时器51系列单片机有两个16位可编程的定时/计数器：定时/计数器T0和定时/计数器T1，每个定时/计数器即可以对系统时钟计数实现，也可以对外部信号计数实现，每个定时器都有多种工作方式，每个定时/计数器定时计数时间到时产生溢出，使相应的溢出位置位，溢出课通过查询或中断方式处理。选择二：采用时钟芯片DS13024DS1302是DALLAs公司推出的涓流充电时钟芯片，内含有一个实时时钟日历和31个字节静态RAM，通过简单的串行接口与单片机进行通信，实时日历电路提供秒、分、时、日、日期、月、年信息DS1302与单片机之间能简单的采用同步串行方式进行通信，仅用的RES复位、I/O数据线、SCLK串行时钟3个口线。可供选择的时钟模块比较：由于上述两种方案均比较简单，但是出于成本和程序设计原因选择单片机内部自带的定时器作为时钟源的产生。2. 总体框图按键电路晶振电路复位电路主控芯片显示电路 图3.1 基于单片机的电子时钟设计总体框图 3.工作原理开始启动定时器LCD显示时间按键按下时间调整时定时器清零重新计数定时时间到否是是否图3.2 基于单片机的电子时钟设计原理图方案二：基于脉冲信号源和时分秒计数器的数字电子时钟设计1. 设计思路用脉冲信号源产生一定频率的脉冲信号送入分频电路，从分频电路输出的秒脉冲信号送入译码器显示电路，然后将译码器输出连接到LED数码管上。(1) 脉冲信号源用555定时器制作的多谐振荡器，信号发生器，脉冲芯片等方式都可以作为脉冲信号源，在此我选择的是多谐振荡器，主要考虑的是它的易于制作和很好的稳定性。(2) 时分秒计数器时分秒计数器的选择同样有多种，74160N和74161N都是不错的选择，74160N和 74LS161, 74LS190和74LS191等等也都可以，考虑到其简单易用选择74160N作为本次设计的时分秒计数器。(3) 译码显示器DCD_HEX或7448加上SEVEN_SEG_COM_K等也是多种方案，这里我选择的是DCD_HEX。2. 总体框图时显示器分显示器秒显示器校时电路24进制计数器整点报时60进制计数器秒脉冲60进制计数器图3.3 基于脉冲信号源和时分秒计数器的数字电子时钟设计总体框图3.工作原理译码器译码器译码器时计数器分计数器秒计数器校时电路振荡器分频器图3.4 基于脉冲信号源和时分秒计数器的数字电子时钟设计原理图振荡器产生的信号经过分频器作为产生秒脉冲，秒脉冲送入计数器，计数结果经过“时”、“分”、“秒”，译码器，显示器显示时间。其中振荡器和分频器组成标准秒脉冲信号发生器，由不同进制的计数器，译码器和显示电路组成计时系统。秒信号送入计数器进行计数，把累计的结果以“时”，“分”、“秒”的数字显示出来。“时”显示由二十四进制计数器，译码器，显示器构成；“分”、“秒”显示分别由六十进制的计数器，译码器，显示器构成；校时电路实现对时，分时校准。3.2 方案证论基于单片机的电子时钟设计存在如下缺陷：1时间显示可能不是非常的精确，因为单片机在正常运行时靠晶振带动，而用晶振进行的定时可能会有非常微小的误差，如果要进行精确时间的测量的话可以使用DS1302等一系列时钟芯片。2刚开始的时候液晶上面可能由于对比度调节不正确导致未出现任何现象，可能会花很长时间在排除其他错误，若制作PCB的话可以考虑LED数码管。3LCD显示屏是一个反复优化的过程。期间可能会出现闪屏，显示过快而出现乱码，字符出现的位置不正确等等问题，都需要一步一步调试并解决。4定时器设计的时候可能会由于某些寄存器未定义导致不能正确的进行定时。5. 该电子时钟在运行中存在一定的误差。由于采用的计时方案是软件计时，在当电子时钟运行时间1s时，又得要去执行中断程序，这个过程需要一定的时间，于是就会产生误差。针对这种设计思路，存在困难较多：一方面，由于没有单片机知识和技术基础，在短时间内想要突破这个障碍十分困难；另一方面，使用单片机进行数字时钟的设计需要编写程序，以及一系列的程序调试，相对于基于脉冲信号源和时分秒计数器的数字电子时钟设计方案，该方案需要学习的内容较多，因此，本设计采用方案二-基于脉冲信号源和时分秒计数器的数字电子时钟设计.4 系统硬件设计4.1 系统的总体设计4.1.1 设计思想要想构成数字钟，首先应选择一个脉冲源能自动地产生稳定的标准时间脉冲信号。而脉冲源产生的脉冲信号地频率较高，因此，需要进行分频，使得高频脉冲信号变成适合于计时的低频脉冲信号，即“秒脉冲信号”（频率为1Hz）。经过分频器输出的秒脉冲信号到计数器中进行计数。由于计时的规律是：60秒=1分，60分=1小时，24小时=1天，就需要分别设计60进制，24进制计数器，并发出驱动信号。各计数器输出信号经译码器、驱动器到数字显示器，是“时”、“分”、“秒”得以数字显示出来。4.1.2 设计步骤 (1)首先，由555定时器组成一个多谐振荡器经分频电路得到1HZ的秒脉冲，秒脉冲发生器的输出端接到每个计数器的时钟输入端。(2)数字钟的分、秒计数部分均为六十进制计数器（显示0059），采用两片74160N来实现。个位为十进制，十位为六进制，当个位计数到9时，再来一个脉冲变成0，同时产生一个进位信号，给十位提供一个脉冲，使十位计数加1。而数字钟的时计数部分为二十四进制计数器（显示0023），也是采用两片74160N实现。当开始计数时，个位按十进制计数，当计到23时，这时再来一个脉冲，回到“零”。所以，这里必须使个位既能完成十进制计数，又能在高低位满足“23”这一数字后，十计数器清0，图中采用了十位的2和个位的3相“与非”后再清0。当秒计数器计到59时，再来一个脉冲变成00，同时产生一个进位信号给分计数器的CLK输入端；当分计数器计到59时，再来一个脉冲变成00，同时产生一个进位信号给时计数器的CP输入端；当时计数器计到23时，再来一个脉冲变成00。(3)当计数器在每次计到整点时，可采用译码电路来输出一高电平，经过一系列门电路驱动驱动蜂鸣器鸣叫，完成整点报时。4.2 单元电路的设计4.2.1 晶体振荡器电路石英晶体振荡器的特点是振荡频率准确、电路结构简单、频率易调整。它还具有压电效应，在晶体某一方向加一电场，则在与此垂直的方向产生机械振动，有了机械振动，就会在相应的垂直面上产生电场，从而机械振动和电场互为因果，这种循环过程一直持续到晶体的机械强度限止时，才达到最后稳定。这用压电谐振的频率即为晶体振荡器的固有频率。一般来说，振荡器的频率越高，计时精度越高，但耗电量将增大。如果精度要求不高也可以采用由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器。根据理论知识，运用555定时器与电阻电容组合设计多谐振荡器的振荡器的周期为1秒，即周期T=1，根据理论知识得，多谐振荡器周期的计算公式为,多谐振荡器频率的计算公式为：，占空比的计算公式为：,通过以上公式计算多谐振荡器的周期频率的大小跟外接电阻的阻值。运用555定时器设计多谐振荡器，由555定时器的参数特性可知，当电源电压为5V时，在100mA的输出电流下输出电压的典型值为3.3V，所以取VCC=5V时可以满足对输出周期为一秒的脉冲信号的要求。令占空比，计算得，求得。考虑到理论计算得出的频率与实际跳变的频率有差异，为了保证LED显示器上跳变的频率与实际保持一致，这里取，。设计电路如图4.1所示。图4.1 晶体振荡器电路4.2.2 分频器电路分频器的功能主要有两个：一个是产生标准秒脉冲信号；二是提供功能扩展电路所需要的信号，如仿电台报时用的1000Hz的高音频信号和500Hz的低音频信号等。本设计中，由于振荡器产生的信号频率太高，要得到标准的秒信号，就需要对所得的信号进行分频。这里所采用的分频电路是由74160N组成的10进制计数器。则输出端的频率则是将原来的10Hz分成1Hz的频率输出，实现分频效果。其电路图如下图4.2所示:图4.2 分频器电路4.2.3 时间计数器电路4.2.3.1 六十进制计数器秒”计数器电路与“分”计数器电路都是六十进制，它由一级十进制计数器和一级六进制计数器连接构成，如图4.3所示，是采用两片中规模集成电路74160N串接起来构成的“秒”，“分”计数器。由分频器来的秒脉冲信号，首先送到“秒”计数器进行累加计数，秒计数器应完成一分钟之内秒数目的累加，并达到60秒时产生一个进位信号。图4.3 六十进制计数器电路由图4.3可知，U11是十进制计数器，U11的RCO作为十进制的进位信号，74160N计数器是十进制同步加法计数器，用反馈清零法来实现十进制计数，U120和与非门组成六进制计数。74160N是在CLK信号的下降沿触发下进行计数，当计数到5时，U120的QC和QA(此时QD QC QB QA=0101,即十进制的5)相与得1，作为与非门的输入信号，将与非门得输出0送入U120的置数端LOAD端(低电平有效)。U120的输入端DBCA(0000)将被直接送入输出端QD QC QB QA，完成六进制计数。由此可见，U11和U120串接实现了六十进制计数。4.2.3.2 二十四进制计数器“时”计数为24进制的，在本设计中24进制的计数电路也是由两个74160N组成的二十四进制计数电路，如图4.4所示。图4.4 二十四进制计数器电路由图4.4看出，当“时”个位U15计数器输入端CLK来到第10触发信号时，U15计数器清零，并同时向“时”十位U16计数器输入CLK脉冲信号，当第23个“时”（来自“分”计数器输出的进位信号脉冲）到达时，U15计数器的状态位(QD QC QB QA)“0011”(即十进制3)，U16计数器的状态为“0010”(即十进制2)，此时“时”个位计数器的QB和QA,相与后为“1”,经过一级与非门之后，将输出信号送入U15计数器的LOAD端；“时”十位计数器的QB端输出为1，经过一级非门之后，将输出信号送入U16计数器的LOAD端，此时LOAD端的信号有效，将“0000”送入计数器，计数器复零，从而完成二十四进制计数。4.2.3.3 数码管用七段发光二极管来显示译码器输出的数字，显示器有两种：共阴极和共阳极显示器。数码管通常有发光二极管（LED）数码管和液晶（LCD）数码管5，本设计提供的为LED数码管DCD_HEX，其已内含译码器功能，所以不用再另加译码器。译码器译出的是高电平，所以对应的显示器应为共阴极显示器。在本设计中用的是解码七段排列显示器，即包含译码器的七段显示器。其图形管脚如下图4.5所示。图4.5 数码管电路U1是一个解码七段排列显示器，由1、2、3、4脚输入二进制数，就可显示数字。4.2.3.4 扬声器6扬声器电路是由蜂鸣器和电源组成的，如图4.6所示，当计时达到整点时，“时”计数器输出一个脉冲信号驱动蜂鸣器鸣叫，实现整点报时功能。该扬声器的额定频率为200Hz，额定电压为3V，额定电流为0.05A。图4.6 扬声器电路4.3 电路原理图电路原理图见附录1。5 部分元器件介绍5.1 十进制同步加法计数器74160N74160N7为十进制同步加法计数器，逻辑功能描述如下：由逻辑图与功能表知，在CT74160N中LOAD(低电平有效)为预置数控制端，D-A为数据输入端，RCO为进位输出端，CLR(低电平有效)为异步置零端，QA-QD位数据输出端，ENP和ENT为工作状态控制端。当CLR=0时所有触发器将同时被置零，而且置零操作不受其他输入端状态的影响。当CLR=1、LOAD=0时，电路工作在预置数状态。这时门G16-G19的输出始终是1，所以FF0-FF1输入端J、K的状态由D-A的状态决定。当CLR=LOAD=1而EP=0、ET=1时，由于这时门G16-G19的输出均为0，亦即FF0-FF3均处在J=K=0的状态，所以CP信号到达时它们保持原来的状态不变。同时RCO的状态也得到保持。如果ET=0、则EP不论为何状态，计数器的状态也保持不变，但这时进位输出RCO等于0。当CLR=LOAD=ENP=ENT=1时，电路工作在计数状态。从电路的0000状态开始连续输入16个计数脉冲时，电路将从1111的状态返回0000的状态，RCO端从高电平跳变至低电平。利用RCO端输出的高电平或下降沿作为进位输出信号。逻辑功能表如下：表5.1 74160N逻辑功能CLKCLRLOADEP ET工作状态0 置零10 预置数110 1保持11 0保持（但RCO=0）111 1计数74160N的逻辑符号：5.2 555定时器555定时器8（又称时基电路）是一个模拟与数字混合型的集成电路。555定时器是一种应用极为广泛的中规模集成电路，该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器，因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。 目前生产的定时器有双极型和CMOS两种类型，其型号分别有NE555(或5G555)和C7555等多种。它们的结构及工作原理基本相同。通常，双极型定时器具有较大的驱动能力，而CMOS定时器具有低功耗、输入阻抗高等优点。555定时器工作的电源电压很宽，并可承受较大的负载电流。双极型定时器电源电压范围为516V，最大负载电流可达200mA；CMOS定时器电源电压范围为318V，最大负载电流在4mA以下。555的引脚图如下图5.2：图5.2 555定时器芯片555的内部电路和功能：图5.3 555定时器内部电路结构上面图5.3是555定时器内部组成框图。它主要由两个高精度电压比较器A1、A2，一个RS触发器，一个放电三极管和三个5K电阻的分压器而构成。它的各个引脚功能如下：1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。8脚：外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5 16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3 18V。一般用5V。3脚：输出端Vo2脚：低触发端6脚：TH高触发端4脚：是直接清零端。当端接低电平，则时基电路不工作，此时不论、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。5脚：VC为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01F电容接地，以防引入干扰。7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器A1、A2基准电压分别为的情况下，其功能如表：表5.2 555定时器逻辑功能表清零端高触发端TH低触发端Qn+1放电管T功能00导通直接清零10导通置011截止置11Qn不变保持5.3 LED显示屏 LED是发光二极管Light Emitting Diode的英文缩写。LED显示屏9是由发光二极管排列组成的一显示器件。它采用低电压扫描驱动，具有：耗电少、使用寿命长、成本低、亮度高、故障少、视角大、可视距离远、规格品种全等特点。目前LED显示屏作为新一代的信息传播媒体，已经成为城市信息现代化建设的标志，图形显示图5.4所示。 图5.4 LED显示屏此LED为一个解码七段排列显示器，内部含有译码电路，无需额外添加译码器，使用比较方便，只需将四位二进制数送入LED显示器的四个输入端即可显示不同的数字。6 系统仿真6.1 仿真原理图电路的仿真原理图见附录1。6.2 仿真结果下图为仿真结果，仿真开始时，多谐振荡器产生50Hz的正弦脉冲信号，然后经过分频器后其输出的频率变为1Hz。计数器接收到脉冲信号后开始计数，计数结果显示在数码管上。当分秒计数器达到59分59秒，然后再来一个脉冲信号时扬声器开始发声，也就是整点报时。信号发生器的输出信号-LED显示计时:图6.1给出了所设计电路的仿真结果，根据图6.1可以看出，该电路可以实现计时功能。 图6.1 LED显示计时7 系统的调试组装7.1 PCB原理图图7.1给出了所设计电路的PCB10原理图，其中原理图中的所有芯片和基本门电路均是自己制作，即PCB原理图中所需要的元件已经制作成元件库，可以随时使用，比较方便。图7.1 PCB原理图7.2 PCB板图设计电路的PCB板图见附录2，在制作PCB板图时，建立了一个PCB元件封装库，所有元件的封装完全是自己制作。8 结论基于数字电路芯片的计数功能，采用555定时器、74160N同步十进制计数器以及必要的门电路完成了对数字电子时钟的设计，该设计相对于采用单片机技术而言，思路清晰，设计简单，原理清晰易懂。Multisim仿真电路验证了该设计方案的正确性，同时利用PCB技术实现了印刷电路板的制作。这种电路设计具有一定的特点，一方面，设计步骤比较简单，既能保证在有限的时间内完成课程设计，又可以将完整的PCB技术应用到设计中，不仅学习了Multisim软件，还对PCB技术有了一定的了解和学习；另一方面，虽然设计比较简单，但是该设计所覆盖的知识面并不比相对较为复杂的设计方案少。该方案仍然存在一些不足之处，其中最大的问题就是，无法保持所涉及电路的频率和实际使用的时钟的频率保持一致，本文所设计的时钟在时间上相比实际的时钟有一定的延迟，这个问题目前还没有得到很好的解决。同时，本次设计的缺陷在于，无法让时钟从某个时间开始计时，也就是无法调节时钟的计时起点，对于这一点可以加入一些必要的门电路，设定计时起点对应的时钟脉冲，然后将这些脉冲信号送入到同步十进制计数器74160N的置数端LOAD端，就可以实现对计时起点的设定。参考文献1 彭介华主编. 电子技术课程设计指导. 高等教育出版社，20082 李广第编. 单片机基础第1版北京：北京航空航天大学出版社，19993 高吉祥主编. 电