数字电子钟毕业设计.doc

xxxxx 毕业论文 第 1 页 共 20 页 摘要 在 Multisim 环境中计数字时钟 包括单元电路和总体电路设计 单元电路分别为小时时模块 分钟计时模块 秒钟计时模块 整点译码电路 比较电路 时钟产生电路 校时 定时选择电路以及报警电路等 单元电路设计 完成后 将各单元电路进行封装连接得到总体电路 进行总体电路的仿真 调 试 最终完成数字时钟的设计 关键字 数字时钟设计 显示 时 分 秒 校时功能 定时功 能 整点报时 xxxxx 毕业论文 第 2 页 共 20 页 引言引言 数字时钟是一种用数字电路技术实现时 分 秒计时的装置 与机械式钟 相比具有更高的准确性和直观性 且无机械装置 具有更更长的使用寿命 节 省了电能 因此等到了广泛的使用 数字钟是一种典型的数字电路 包括了组 合逻辑电路和时序电路 通过设计加深了对数字电子技术的认识 我们此次设计数字钟是为了了解数字钟的原理 加深对我们所学知识的了 解和认识 以及知识迁移能力 而且通过数字钟的制作进一步的了解各种在制 作中用到的中小规模集成电路的作用及实用方法 且由于数字钟包括组合和时 序电路 通过它进一步学习与掌握各种组合逻辑电路与时序电路的原理与使用 方法 心以及各种电路之间的怎样联系起来的 xxxxx 毕业论文 第 3 页 共 20 页 目录目录 引言引言 2 1 数字时钟的设计要求数字时钟的设计要求 4 1 1 基本要求 4 1 2 发挥部分 4 2 设计原理及其框架图设计原理及其框架图 4 2 1 晶体振荡器电路 5 2 2 分频器电路 6 2 3 时间计数器电路 6 2 4 译码驱动电路及显示单元电路 8 2 5 数码管 8 3 单元电路设计单元电路设计 8 3 1 石英晶体振荡器 8 3 2 分频器 9 3 3 计数器 10 3 4 译码与显示电路 11 3 5 校时电路 11 3 6 整点报时电路 12 3 7 调试 12 3 8 系统操作方法 13 3 9 误差分析 13 3 10 元器件选择 13 4 绘制整机原理图绘制整机原理图 14 4 1 数字钟模拟仿真图 15 4 2 数字钟印刷版 15 结论结论 16 参考文献参考文献 17 致谢致谢 18 xxxxx 毕业论文 第 4 页 共 20 页 1 1 数字时钟的设计要求数字时钟的设计要求 1 1 基本要求 1 设计一个能直接显示时 分 秒的数字电子钟 小时可采用十二进制也 可采用二十四进制 2 设计校 时 校 分 控制电路 3 设计 24 小时整点报时控制电路 要求从 59 分 50 秒开始 每 2 秒响一 声 共响 5 次 每响一次声音持续 0 5 秒 1 2 发挥部分 1 整点报时 报时声响为四低一高 最后一响正好为整点 2 闹钟 自设定闹钟时间和闹钟持续时间 2 2 设计原理及其框架图设计原理及其框架图 数字钟实际上是一个对标准频率 1HZ 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 同时标准的1HZ时间信号必须做到准确稳定 通常使用石英晶体振荡器电路构成 数字钟 图1所示为数字钟的一般构成框图 它由石英晶体振荡器 分频器 计数器 译码显示器和校时电路组成 图 1 数字钟的组成框图 xxxxx 毕业论文 第 5 页 共 20 页 图 2 数字钟的原理框图 2 1 晶体振荡器电路 晶体器电路给数字钟提供一样频率稳定准确的 32798HZ 的方踊信号 它可 以保证数字钟的走确及稳定 不管是指针式电子钟还是数字显示电子都使用了 晶体器电路 一般输出为方波的式晶体器电路通常有两类 一类是用 TTL 门电 路构成 另一类是通过 CMOS 非门构成的电路 本次设计采用了后一种 如图所 示 由 CMOS 非门 U 与晶体 电容和电阻构成晶体振荡器电路 U2 实现整形功 能 将振荡器输出的近似于正弦波的波形救困转换为较理想的方波 输出反馈 电阻 R1 为非门提供偏置 使电路工作于广大区域 即非门的功能近似于一个高 增益的反相放大器 电容 C1 C2 与晶体构成一个谐振型网络 完成对振荡频率 的控制功能 同时提供了一个 180 度相称 从而和非门构成一个正反馈网络 实现了振荡器的功能 由于晶体具胡较高的频率稳定性及准确性 从而保证了 输出频率的稳定和准确 CMOS 晶体振荡器的图形如下 xxxxx 毕业论文 第 6 页 共 20 页 2 2 分频器电路 分频器电路将 32768 z 的高频方波信号经 32768 次分频后得到 1Hz 的方波信号供秒计数器进行计数 分频器实际上也就是计数器 2 3 时间计数器电路 一般采用十进制计数器如 74HC290 74HC390 等来实现时间计数器单元计数 功能 本次设计中我们采用的是 74LS163 期内部逻辑框图如右上图可知 其 为十门进制同步计数器 有一个异步置零端 低电平有次 U10 74LS163N QA 14 QB 13 QC 12 QD 11 RCO 15 A 3 B 4 C 5 D 6 ENP 7 ENT 10 LOAD 2 CLR 1 CLK 9 GND 8 VCC 16 秒个位计数单元为十进制计数器 需要对其进行转换 只需要将 Q1 和 Q4 与 CR 非相连即可 CP 高电平有效 与世 1HZ 秒输入信号相连 CO 是进位输出端 可作为向上的进位十位计数单元的 CP 相连 如下图所示 xxxxx 毕业论文 第 7 页 共 20 页 U3 74LS163N QA 14 QB 13 QC 12 QD 11 RCO 15 A 3 B 4 C 5 D 6 ENP 7 ENT 10 LOAD 2 CLR 1 CLK 9 GND 8 VCC 16 VCC 5V U4D 74HC00D 6V 秒的十位计数单元为六进制计数器 我们需要对它进行进制转换 将十六进制 计数器转换为六进制计数器 CO 是进位输出端 可作为向上的进位十位计数单 元的 CP 相连 如下图所示 U10 74LS163N QA 14 QB 13 QC 12 QD 11 RCO 15 A 3 B 4 C 5 D 6 ENP 7 ENT 10 LOAD 2 CLR 1 CLK 9 GND 8 VCC 16 VCC 5V U7C 74HC00D 6V 分个位和分十位的计数器单元电路结构分别与秒个位和秒十位计数器单元完全 相同 原理都是一样 CO 是进位输出端 可作为向上的进位十位计数单元的 CP 相连 如下图所示 U3 74LS163N QA 14 QB 13 QC 12 QD 11 RCO 15 A 3 B 4 C 5 D 6 ENP 7 ENT 10 LOAD 2 CLR 1 CLK 9 GND 8 VCC 16 U4 74LS163N QA 14 QB 13 QC 12 QD 11 RCO 15 A 3 B 4 C 5 D 6 ENP 7 ENT 10 LOAD 2 CLR 1 CLK 9 GND 8 VCC 16 VCC 5V VCC 5V U5C 74HC00D 6V U6D 74HC00D 6V xxxxx 毕业论文 第 8 页 共 20 页 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 元应为十二进制计数器 它的原理和上面的分位计数器都是相同的道理 如下 图所示 U3 74LS163N QA 14 QB 13 QC 12 QD 11 RCO 15 A 3 B 4 C 5 D 6 ENP 7 ENT 10 LOAD 2 CLR 1 CLK 9 GND 8 VCC 16 U4 74LS163N QA 14 QB 13 QC 12 QD 11 RCO 15 A 3 B 4 C 5 D 6 ENP 7 ENT 10 LOAD 2 CLR 1 CLK 9 GND 8 VCC 16 VCC 5V VCC 5V U5C 74HC00D 6V U6D 74HC00D 6V 2 4 译码驱动电路及显示单元电路 选择 CD4511 作为显示译码电路 选择 LED 数码管作为显示单元电路 由 CD4511 把输进来的二进制信号翻译成十进制数字 再由数码管显示出来 这里 的 LED 数码管是采用共阴的方法连接的 计数器实现了对时间的累计并以 8421BCD 码的形式输送到 CD4511 芯片 再 由 CD4511 芯片把 BCD 参天转变为十进制数码送到数码管中显示出来 2 5 数码管 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 提供的为 数码管 3 3 单元电路设计单元电路设计 3 1 石英晶体振荡器 石英晶体振荡器的特点是频率准确 电路结构简单 频率易调整 石英 晶体振荡电路如图 2 所示 采用反相器等元件构成 利用一个与非门自我反 馈使它工作在线性状态 然后利用石英晶体 JU 来控制振荡频率 电阻为反馈 元件 电容 C 防止寄生振荡 在输出端得到较稳定的 32768Hz 脉冲信号 xxxxx 毕业论文 第 9 页 共 20 页 R1 100k Rf 2M C1 100pF C2 100pF U2A 74S04D U2B 74S04D U4 CRYSTAL VIRTUAL 1 2 0 0 3 32768Hz个 个 个 个 个 个 4 图 3 石英晶体振荡电路 2 分频器 3 2 分频器 由于石英晶体振荡器产生较高的 32768Hz 的频率 而电子钟需要秒脉冲 可采用分频电路实现 具体电路如图 3 所示 先经过 3 次 十六分频 再经过 1 次八分频 最后得到秒脉冲信号 这里采用两片集成电路计数器 4520 作为分频器 每片集成了两组 4 位 二进制计数器 分为 1 16 分频器 进行级联则得到 8Hz 的脉冲信号 再 将第二片的另一组进行 1 8 分频 最后输出 1Hz 的秒脉冲给计数电路 U1A 4520BP 10V 2 四位二进制计数器 HEF4520BP 3 晶体振荡器 32768Hz 4 反相器 CC4049 5 与非门 CC4011 6 BCD 七段译码器 74LS47 xxxxx 毕业论文 第 14 页 共 20 页 7 共阳数码管 LED 8 电阻 电容若干 9 单刀双掷开关 4 4 绘制整机原理图绘制整机原理图 整个数字钟由时间计数电路 晶体振荡电路 校正电路 整点报时电路组 成 其中以校正电路代替时间计数电路中的时 分 秒之间的进位 当校时电 路处于正常输入信号时 时间计数电路正常计时 但当分校正时 其不会产生 向时进位 而分与时的校位是分开的 而校正电路也是一个独立的电路 电路 的信号输入由晶振电路产生 并输入各电路 xxxxx 毕业论文 第 15 页 共 20 页 U1 4511BD 5V DA 7 DB 1 DC 2 DD 6 OA 13 OD 10 OE 9 OF 15 OC 11 OB 12 OG 14 EL 5 BI 4 LT 3 U2 4511BD 5V DA 7 DB 1 DC 2 DD 6 OA 13 OD 10 OE 9 OF 15 OC 11 OB 12 OG 14 EL 5 BI 4 LT 3 U3 4511BD 5V DA 7 DB 1 DC 2 DD 6 OA 13 OD 10 OE 9 OF 15 OC 11 OB 12 OG 14 EL 5 BI 4 LT 3 U4 4511BD 5V DA 7 DB 1 DC 2 DD 6 OA 13 OD 10 OE 9 OF 15 OC 11 OB 12 OG 14 EL 5 BI 4 LT 3 U5 4511BD 5V DA 7 DB 1 DC 2 DD 6 OA 13 OD 10 OE 9 OF 15 OC 11 OB 12 OG 14 EL 5 BI 4 LT 3 U6 4511BD 5V DA 7 DB 1 DC 2 DD 6 OA 13 OD 10 OE 9 OF 15 OC 11 OB 12 OG 14 EL 5 BI 4 LT 3 U7 74LS163N QA 14 QB 13 QC 12 QD 11 RCO 15 A 3 B 4 C 5 D 6 ENP 7 ENT 10 LOAD 9 CLR 1 CLK 2 U8 74LS163N QA 14 QB 13 QC 12 QD 11 RCO 15 A 3 B 4 C 5 D 6 ENP 7 ENT 10 LOAD 9 CLR 1 CLK 2 U9 74LS163N QA 14 QB 13 QC 12 QD 11 RCO 15 A 3 B 4 C 5 D 6 ENP 7 ENT 10 LOAD 9 CLR 1 CLK 2 U10 74LS163N QA 14 QB 13 QC 12 QD 11 RCO 15 A 3 B 4 C 5 D 6 ENP 7 ENT 10 LOAD 9 CLR 1 CLK 2 U11 74LS163N QA 14 QB 13 QC 12 QD 11 RCO 15 A 3 B 4 C 5 D 6 ENP 7 ENT 10 LOAD 9 CLR 1 CLK 2 U12 74LS163N QA 14 QB 13 QC 12 QD 11 RCO 15 A 3 B 4 C 5 D 6 ENP 7 ENT 10 LOAD 9 CLR 1 CLK 2 U16 A B C D E F G CK U13 A B C D E F G CK U14 A B C D E F G CK U15 A B C D E F G CK U17 A B C D E F G CK U18 A B C D E F G CK U19A 74HC00D 6V U20A 74HC00D 6V U21A 74HC00D 6V U22A 74HC00D 6V U23A 74HC00D 6V U24A 74HC00D 6V U25A 74HC51D 6V 8 1 12 13 9 10 11 U27A 74HC00D 6V U28A 74HC00D 6V U29A 74HC00D 6V U30A 74HC00D 6V J2 0 5 sec 1 sec J3 0 5 sec 1 sec VCC 5V VCC 5V R1 1k R2 1k R3 1k R4 1k U25B 74HC51D 6V 6 2 3 4 5 U26A 74HC00D 6V U31A 74HC00D 6V 11 10 8 9 7 6 5 0 VCC 4 32 0 VCC 1121314151617 18192021222324 25262728293031 3233343536373839404142434445 46474849505152 VCC 5V VCC 5V VCC 5V VCC 5V VCC 5V VCC 5V VCC 5V VCC 5V VCC 5V VCC 5V VCC 5V VCC 5V 535556 VCC 0 5960 VCC 0 62 VCC 0 6667 VCC 0 6972 VCC 0 7475 0 VCC 54 VCC 77 5758 VCC 78 0 0 79 64 61 0VCC 80 VCC 0 68 81 0 76 73 82 0 83 VCCVCC 555 VIRTUAL Timer GND DIS OUTRST VCC THR CON TRI 100nF C 10nF Cf 5V Vs 86 Key A 10k R 54 R7 3 3k 84 0 R8 3 3k 89 90 U32 74LS90D QA 12 QB 9 QD 11 QC 8 INB 1 R91 6 R92 7 R01 2 INA 14 R02 3 U33 74LS90D QA 12 QB 9 QD 11 QC 8 INB 1 R91 6 R92 7 R01 2 INA 14 R02 3 U34 74LS90D QA 12 QB 9 QD 11 QC 8 INB 1 R91 6 R92 7 R01 2 INA 14 R02 3 1 85 87 88 91 92 93 0 X1 4V 0 5W U35 74HC30D 4V 95 VCC 5V VCC 5V VCC VCC 96 97 98 99 100 63 65 101 70 71 94 4 1 数字钟模拟仿真图 xxxxx 毕业论文 第 16 页 共 20 页 4 2 数字钟印刷版 结论结论 通过这次对数字钟的设计 让我受益非浅 首先深入的了解了设计电路的 程序 当我们接手一个课题或项目的时候 不是马上就动手搞 而是应该先进 行可行性论证 首先提出几套方案 然后对各个方案进行对比 即要在性能上 面比较 又要在是否经济合算上面对比 假如我们设计了一个性能很好的产品 但是其中的某个元器件却很难买到 或者价格很高 那么 我们就应该要考虑 xxxxx 毕业论文 第 17 页 共 20 页 是否采用这个设计的方案 最后找出最适合的设计方案 同时加深了对芯片的了解及其应用 将书本上面学到的知识和实际应用相 结合 我们回发现比如说一个加法计数器的基本功能是实现两个二进制数的加 法运算 但同时 我们也可以将它作为一个分频器来使用 对于芯片的使用 我们应该在了解它的各项功能的前提条件下 灵活巧妙地运用 具体的芯片资 料和图片我们通过查阅相关的书籍 在网上能够很方便的查找 通过这次学习 让我对各种电路都有了大概的了解 将平时所学理论知识 综合运用于实践中 参考文献参考文献 1 康华光 电子技术基础 数字部分 北京 高等教育出版社