数字时钟电路的设计.doc

成绩 课 程 设 计 说 明 书课程设计名称：电子技术课程设计题 目：数字时钟电路的设计学 院： 学 生 姓 名：专 业：电气工程与自动化学 号：指 导 教 师： 课程设计说明书数字时钟电路的设计摘 要：该数字时钟由中规模逻辑门电路构成，以振荡器，计数器和译码器为核心，由信号输入整形、计数、数据锁存和数据显示等功能模块组成。信号产生电路由多谐振荡器产生，主要芯片为555；计数电路是通过反馈置数的方法由74LS160构成；译码电路由74HC4511构成，对于计数器的输出信号进行译码控制七根二极管发光；显示电路由六组用七根二极管组成的数字构成，对74HC4511译码后输出的数字信息进行显示。该设计中采用了模块化设计方法，运用适当的振荡器和计数电路，完成了预期的结果，并且时间显示十分准确。最后经过仿真测试 ，表明该数字时钟可用。关键词：数字钟， 计数器，译码器，555振荡器， 时间显示Abstract：Thedigital clock,by thescale oflogic gatestothe oscillator,counter and decoderas the core,shaping,counting,data latchand datadisplay function moduleis composed of a signal input.Signal generating circuit generates a multivibrator,the main chip is555;counting circuitis through themethod of feedbackdata setcomposed of 74LS160; decoding circuitcomposed of 74HC4511,theoutput signal of the counterdecoding thecontrol of sevenlight-emitting diodes;display circuitis composed of six groupsof sevendiodesto displaydigital,digitalinformation74HC4511decodingoutput.Thedesign uses themodular design method,using theoscillatorand the counting circuitappropriate,achieves the expectedresults,and the timedisplay is veryaccurate.Finally,through thesimulationtest,show that the digital clockis available.Keyword：digital clock,counter,decoder,555 oscillator,time display目 录1前言11.1设计背景11.2设计目标11.3实施计划11.4必备条件12总体方案设计22.1方案比较22.1.1方案一22.1.2方案二22.1.3方案三32.2方案论证32.3方案选择43单元模块设计53.1各单元模块功能介绍及电路设计53.1.1电源电路模块设计53.1.2多谐振荡电路模块设计63.1.3计数单元模块设计73.1.4译码单元模块83.1.5数码显示单元103.1.6校准电路113.2主要器件的介绍113.2.174LS160器件介绍123.2.274LS14器件介绍124系统调试134.1调试环境134.2仿真调试134.2.1电源模块的调试134.2.2数码管共阴，共阳的检测154.2.3时钟电路的调试164.2.4计数电路的调试164.2.5多谐振荡器波形测试175系统功能、指标参数185.1系统能实现的功能185.2系统功能及指标参数分析186结论197总结与体会208谢辞219参考文献22附录23II1 前言时间是一个抽象的概念，看不见也摸不着。日常生活中，有很多的事情和工作要做，我们要如何合理的安排时间呢？这就要依靠的我们的计时仪器了。可见，时钟在日常生活中对我们有多么的重要，时钟的发明是多么有用的创造。数字时钟可广泛应用于生活中各种场所，给人们的生产和生活带来了极大的方便，而且数字时钟大大地扩展了钟表功能。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、自动开关路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启动等等。所以，数字时钟的研究及应用有很大的意义。1.1 设计背景人类最早发明记时方法的国家是中国。早在二千多年前的周代开始，中国就有了奎表、铜壶滴漏的记时、记更的方法。几千年来人们就是依照着这种记时的方法而生活。十八世纪末由瑞士钟表匠制成了世界上第一块手表。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。并取代机械钟作了更精确的时间标准。1.2 设计目标使用直流稳压电源，产生稳定频率（1Hz）的脉冲信号，输入信号为方波信号，数码管显示时间，具有校准、调时功能。1.3 实施计划由555多谐振荡器产生稳定的分频脉冲信号作为数字电子钟的时间基准，再经过分频器输出标准秒脉冲。秒计数器满60后向分计时器进位，分计数器慢60后向时计数器进位，时计数器按“24翻1”规律计数。计数器的输出分别由译码器译出后送显示器显示。当由于脉冲信号不稳定，可以利用校时电路校时，校分，校秒，在数字显示方面，本设计采用四段数码管显示，非常直观。1.4 必备条件多谐振荡器、计数器74LS160、74HC4511译码器、数据锁存、数码管2 总体方案设计通过查阅大量相关技术资料，并结合自己的实际知识，我主要提出了三种技术方案来实现系统功能。下面我将首先对这三种方案的组成框图和实现原理分别进行说明，并分析比较它们的特点，然后阐述我最终选择方案的原因2.1 方案比较2.1.1 方案一秒译码显示器分译码显示器时译码显示器555振荡器十进制秒计数器十进制分计数器十进制时计数器校分电路校时电路图2.1方案一原理框图方案一原理简述：利用555振荡器产生的稳定高频脉冲信号。在计数器方面采用计数器74LS160，方案选择的是静态显示。2.1.2 方案二秒译码显示器分译码显示器时译码显示器晶体振荡器器十进制秒计数器十进制分计数器十进制时计数器校分电路校时电路图2.2方案二原理图 方案二原理简述：利用晶体振荡器产生的稳定高频脉冲信号。在计数器方面采用计数器74LS161，方案选择的是静态显示。2.1.3 方案三数码管图2.3 方案三系统框图 方案三工作原理简述：采用单片机stc89C52，为主要控制芯片，89C52具有功耗低的特点。其内部资源较齐全，有定时器0，定时器1.以及方便操作的外部中断0和外部中断1.本方案旨在借用单片机的定时器，实现时间的记录。单片机不仅能完成计时，而且能实现外围器件的控制。 比如按键的读取，数码管显示的驱动。使得外部电路变得简单。2.2 方案论证设计方案一采用555构成多谐振荡器，震荡周期为T=(R1+2R2)*0.7。可以通过调节电阻的值和电容的值，改变震荡周期，当适当调节电阻和电容，就可以实现一秒的计时。再通过其他电路即可实现计时。但由于电容电阻受环境影响，所以误差较大。及时存在上诉误差，本次任然采用本方案。设计方案二采用石英晶体振荡器作为时钟源，采用分频电路将所得信号分频。得到1HZ的频率。实现一秒计数。设计方案三采用单片机的定时器中断，实现一秒的定时。并通过单片机实现数码管显示的驱动，其操作方便为本方案的优点。但由于本次设计要实现的功能，用数电只是足以，况且本方案花费比较大，故不采用此方案。2.3 方案选择经过上面三个方案的分析，第三个方案的可行性高，所以我选择第三个方案作为最后的设计方案。在设计开始前我先确定好我的总体方案，为验证我电路的正确性我将我设计的电路都先在Proteus ISIS上仿真。先分别验证各个模块的能否正确实现其功能，再将整个电路进行仿真解决模块和模块的接口问题，最后画出整个电路图。整个设计流程如图4所示：图4 设计规划流程3 单元模块设计本节主要介绍系统各单元模块的具体功能、电路结构、工作原理、以及各个单元模块之间的联接关系；同时本节也会对相关电路中的参数计算、元器件选择、以及核心器件进行必要说明。3.1 各单元模块功能介绍及电路设计本系统主要分为6个单元模块，它们分别是：电源电路模块设计、多谐振荡电路模块设计、计数单元模块设计、译码单元、数码显示单元、校准电路，各单元模块功能及相关电路的具体说明如下。3.1.1 电源电路模块设计图3.1 电源电路图 电路中使用的稳压器是可调式集成三端稳压器，常见集成稳压器有固定式三端稳压器与可调式三端稳压器。顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子象是普通的三极管，TO-220的标准封装，也有9013样子的TO-92封装。固定式的三端稳压器在有些场合使用不太方便。所以这里选用的是有LM317、LM337组成的正、负输出电压可调的稳压器。这类稳压器的稳定性高、内部电路有完善的保护措施，且使用方便。所以这里选择使用可调式稳压器。3.1.2 多谐振荡电路模块设计图3.2 555组成的多谐振荡电路用555定时器组成的多谐振荡器如图3.2所示。接通电源后，电容被充电，当上升到时，使为低电平，同时放电三极管T导通，此时电容C通过和T放电，下降。当下降到时，翻转为高电平。电容器C放电所需的时间为： （式3-1）当放电结束时，T截止，将通过R1、R2向电容器C充电，由上升到所需的时间为： （式3-2）当上升到时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。电路的振荡频率为： （式3-3）图3.3 震荡波形由于555定时器内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，用555定时器组成的多谐振荡器的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小，在电子电路中获得广泛应用。3.1.3 计数单元模块设计图3.4计数单元电路图74ls160 十进制同步计数器(异步清除)。160 的计数是同步的,靠 CP 同时加在四个触发器上而实现的. 当 CEP,CET 均为高电平时,在 CP 上升沿作用下 Q0-Q3 同时变化, 从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰.对于 54/74160,只有当 CP 为高电平时, CEP, 才允许由高至低电平的跳变。3.1.4 译码单元模块图3.5 译码单元电路译码电路使用的是74HC4511七段显示译码器，该译码器在输入为8421BCD时有效，输入为00001001，是十进制数译码器，用于驱动共阴极显示器，在该设计中用74HC4511译码器很合适。4511是一个用于驱动共阴极数码管的BCD码7段码译码器，特点：具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路，能提供较大的拉电流，可直接驱动数码管。图3.6 74HC4511管脚图74HC4511管脚功能介绍：LE：是锁存控制端，高电平时锁存状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。低电平时允许译码输出BL：消隐功能端，当BI=0时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处消隐于（即熄灭）状态，不显示数字。正常显示时，BI端应加高电平。LT ：lamptest,灯测试端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时（前提是BI=1），不管输入DCBA状态如何，译码输出全为1，七段均点亮，显示“8”。以检查数码管是否有故障。D0 D1 D2 D3 BCD码输入端，D0为最低位a b c d e f g：译码输出端，输出数码管的段码，输出为高电平1有效，可驱动共阴LED数码管。表3.1 74HC4511功能表表3.2 74HC4511功能表续3.1.5 数码显示单元图3.7 数码显示单元图发光二极管(LED)由特殊的半导体材料砷化镓、磷砷化镓等制成，可以单独使用，也可以组装成分段式或点阵式LED显示器件(半导体显示器)。分段式显示器(LED数码管)由7条线段围成8型，每一段包含一个发光二极管。外加正向电压时二极管导通，发出清晰的光。只要按规律控制各发光段的亮、灭，就可以显示字形或符号。 图3.5.1是共阴式LED数码管的原理图，图3.5.2是其表示符号。使用时，公共阴极接地，7个阳极ag由相应的BCD七段译码器来驱动(控制)。3.1.6 校准电路图3.8 校时电路当数字电子钟接通电源或者计时出现误差时，需要校正时间（或称校时）。校时是数字电子钟应具备的基本功能。一般电子手表都具有时、分、秒等校时功能。可以加时，亦可减时。按动红色点处的按钮即可校时。按下红色按钮，则向计数器强制输入一次计数脉冲，使译码器+1，数码管就+1，时钟向前调整一小时或一分钟。以此达到调时的功能。3.2 主要器件的介绍本系统中主要使用了如下一些功能器件：74LS160 、74LS00、 LED、 4511、 74LS14 、电阻。下面就这些器件的功能特点、主要参数和使用方法作相应说明。表3.3 器件表3.2.1 74LS160器件介绍用于快速计数的内部超前进位，用于n位级联的进位输出，同步可编程序，有置数控制线，二极管箝位输入，直接清零，同步计数。 表3-1 74LS160的参数表参数名称符号单位最小值典型值最大值电源电压V4.75V 5V5.25V输入高电平电压V2V2V输入低电平电压V0.8V时钟频率Hz0HZ25HZ输出短路电流IA-20A-100A工作温度T度-40度85度3.2.2 74LS14器件介绍74LS14是一个非门的6反相器芯片，1A-6A为输入端，1Y-6Y为输出端图3.9 74LS14引脚图4 系统调试本部分主要对电源、数码管、时钟电路、计数电路、555多谐振荡器进行了调试。4.1 调试环境Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。具有4大功能模块 智能原理图设计（ISIS）丰富的器件库超过27000种元器件，可方便地创建新元件；智能的器件搜索：通过模糊搜索可以快速定位所需要的器件；智能化的连线功能：自动连线功能使连接导线简单快捷，大大缩短绘图时间；支持总线结构：使用总线器件和总线布线使电路设计简明清晰；可输出高质量图纸。ProSPICE混合仿真：基于工业标准SPICE3F5，实现数字/模拟电路的混合仿真；超过27000个仿真器件：可以通过内部原型或使用厂家的SPICE文件自行设计仿真器件，Labcenter也在不断地发布新的仿真器件，还可导入第三方发布的仿真器件。 独特的单片机协同仿真功能，支持主流的CPU类型：如ARM7、8051/52、AVR、PIC10/12、PIC16、PIC18、PIC24、dsPIC33、HC11、等。实用的PCB设计平台 ，先进的自动布局/布线功能；支持器件的自动/人工布局；支持无网格自动布线或人工布线；支持引脚交换/门交换功能使PCB设计更为合理；完整的PCB设计功能；可以输出多种格式文件。原理图及PCB板绘制：Altium Designer 提供了唯一一款统一的应用方案，其综合电子产品一体化开发所需的所有必须技术和功能。Altium Designer 在单一设计环境中集成板级和FPGA系统设计、基于FPGA和分立处理器的嵌入式软件开发以及PCB版图设计、编辑和制造。并集成了现代设计数据管理功能,使得Altium Designer成为电子产品开发的完整解决方案一个既满足当前，也满足未来开发需求的解决方案。4.2 仿真调试4.2.1 电源模块的调试 图4.1 220V交流电源测试以及原件参数从电压表上数值可以看出，交流输出电压达到了220V。图4.2 直流稳压电源图4.3 直流稳压电源仿真波形图结论：当电网电压波动时时，变压器次级电压、整流电压与滤波电压均发生改变，但稳压电压依旧为5V，可知：当电网电压发生改变时，稳压器输出电源电压不变。4.2.2 数码管共阴，共阳的检测在proteus的仿真软件中将数码管的的a,b,c,d,e,f,g的任意一段或者几段置于高电平，数码管剩下的另一管脚置于低电平，如果数码管发亮且输出的字符是对应输入的字符的，那么此数码管为共阴数码管。如果数码管不亮，没有反应则说明数码管是共阳的数码管。 （a） (b) (c)(d)图4.4 数码管测试结论：在（a）图中，在数码管的公共端加上+5V电源，数码管不亮，而在图（b）中数码管的公共端加上GND低电平，数码管亮，说明该数码管时共阴极数码管；在图（c）和（d）中的8位BCD数码管上，加上高电平，则该部分数码管亮，说明该数码管需要高电平驱动。4.2.3 时钟电路的调试将晶体振荡器电路产生的信号脉冲通过proteus软件进行仿真。1将仿真的示波器记到晶体振荡电路的波形的输出端，在示波器上显示出波形信号的频率为32768HZ。2再将仿真的示波器接到经过CD4060分频器后的输出端，得到的输出波形信号的频率为2HZ。3最后将仿真里面的示波器接到二分频器后的输出端得到的信号波形的频率为1HZ即为整个设计需要的标准基信号。4.2.4 计数电路的调试在秒计数器上加入一个标准的1HZ脉冲信号，在proteus仿真软件上进行计数器的准确计数的调试。这部分主要调试的是“秒”计数器，“分”计数器的60进制得到调试，当“秒”或“分”的计数达到“59”时，“秒”或者“分”能够正确的清零并向前一计数器进位。其数码管的显示如图：图4.5 计数器电路4.2.5 多谐振荡器波形测试图4.6 多谐振荡器电路图图4.7 多谐振荡器波形图5 系统功能、指标参数5.1 系统能实现的功能本系统能够实现时分秒的计时，小时的计时为“12翻1”，分和秒的计时为60进制进位。此外还可以校正时间。调试结果如图所示：图 5.1 调试波形 5.2 系统功能及指标参数分析基信号的频率1电路供电+5v工作温度范围：0 70从仿真图波形得到=3，=2,f=10，而对555多谐振振荡器的实际计算值为=9.93，结果相差不多，所以调试结果正确。6 结论这次对数字电子钟的设计，完成了电子钟的计时、校时、调零等基本时钟功能的设计与仿真。最后电子钟能够准确的计时和达到了基本功能的完善，基本达到了预期的要求。通过对整个系统的调试，能够准确的以一秒为周期的在数码管上显示时间，并且二个按键也能准确的实现它们各自的功能，让人们能很好的调节时间。在设计中所采用的各个芯片都在运行很好的实现了它们各自在设计中的功能作用。整个设计的原理简单，可靠性能高，成本低，功能很容易实现，并且实现的效果也非常的良好，得到了比较理想的结果。7 总结与体会数字时钟可广泛应用于生活中各种场所，给人们的生产和生活带来了极大的方便，而且数字时钟大大地扩展了钟表功能。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、自动开关路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启动等等。所以，数字时钟的研究及应用有很大的意义。在设计过程中，出现了很多的问题，比如在各个器件的选择使用方面，经过了很多的选择和比较，最后才确定使用相对较满意的元件。这次设计有老师的指导，加上我们借阅书籍，收集资料，集体讨论等等，才把整个设计完成。但设计中还是有很多的地方存在问题。设计的过程中，我加深了对电子技术的进一步了解，对在书本上学习到的理论知识有了实践方面的了解，增强了理论与实践的联系的能力；也发现了很多很多自己的