十二小时电子钟.doc

十二小时电子钟 1 课程设计说明书课程设计说明书 课程设计名称 课程设计名称 数字逻辑数字逻辑 课程设计题目 课程设计题目 十二小时电子钟十二小时电子钟 学学 院院 名名 称 称 信息工程学院信息工程学院 专业 专业 计算机科学与技术计算机科学与技术 班级 班级 xxxxxx 学号 学号 xxxxxx 姓名 姓名 xxxxxx 评分 评分 教师 教师 2020 1212 年年 x x 月月 x x 日日 十二小时电子钟 2 数字逻辑 课课程程设设计计任任务务书书 2020 1111 2020 1212 学年学年 第第 二二 学期学期 第第 1818 周 周 1919 周周 注 1 此表一组一表二份 课程设计小组组长一份 任课教师授课时自带一份备查 2 课程设计结束后与 课程设计小结 学生成绩单 一并交院教务存档 题目题目十二小时电子钟 内容及要求内容及要求 1 利用基本数字电路制作小时电子钟 要求显示时分秒 并能实现校 时和校分的功能 2 整点报时 非语音报时 定时功能 进度安排 进度安排 1 根据任务要求 查阅相关资料 完成设计的前期工作 两天 根据任务要求 查阅相关资料 完成设计的前期工作 两天 2 根据资料 进行方案设计并对比论证 完成参数计算 三天 根据资料 进行方案设计并对比论证 完成参数计算 三天 3 库房领取元器件 联接电路 完成电路调试 五天 库房领取元器件 联接电路 完成电路调试 五天 4 检查完毕后 撰写实验报告 检查完毕后 撰写实验报告 学生姓名 xxx xxx 指导时间 2012 6 11 到 2012 6 22 指导地点 E 楼 504 室 任务下达2012 年 6 月 11 日任务完成2012 年 6 月 22 日 考核方式1 评阅 2 答辩 3 实际操作 4 其它 指导教师xxx系 部 主任 十二小时电子钟 3 摘摘要要 这个设计主要以数字电路的基础理论 低频电子线路为指导 采用中 小规模的 集成器件 LM555 CD4060 74LS161 和 LS248 设计而成 该电路采用模块设计 分模块 安装 调试等方法设计而成 所选用的器件主要是中小规模的集成芯片 本产品由于 采用多片 74LS 系列的集成芯片组成 生产成本低等原因 使这个产品设计既容易实现 又不会浪费太多成本 产品由石英晶体振荡器产生频率可以调节的时钟脉冲信号 经十五分频得到秒信号 脉冲作为数字钟计数器的时钟信号 当到达整点前一秒时 电路通过一个蜂鸣器准时 报时 这个电路还可以通过手动 即过拨动开关来选择是否进行时间较准 关键词 电子钟 分频 计数 驱动 十二小时电子钟 4 目目 录录 前言前言 5 第第 1 1 章章 总电路初步设计总电路初步设计 6 1 1 设计内容以及要求 6 1 2 系统框图 6 1 3 设计方案 7 1 4 设计过程 7 第第 2 2 章章 电路详参设计电路详参设计 7 2 1 晶体振荡器电路 7 2 2 分频器电路 8 2 3 时间计数器电路 9 2 4 译码驱动电路 11 2 5 数码管 12 2 6 整点报时电路 13 第第 3 3 章章 测试及调试测试及调试 14 3 1 晶体振荡器电路的测试和调试 14 3 2 分频器电路的测试和调试 14 3 3 时间计数器电路的测试和调试 15 3 4 译码驱动电路的测试和调试 15 3 5 整点报时电路的测试和调试 17 结结 论论 17 参考文献参考文献 18 附附 录录 18 附录 总电路图 19 附录 II 元件清单 20 十二小时电子钟 5 前前 言言 基于十二小时电子钟在日常生活中的应用 能够了解生活中一些电子产品的工作 原理以及其制作过程 以便更好地了解生活 本实验采用的是十分简易的方法 使用 中 小规模的集成电子器件制作而成 十二小时电子钟 6 第第 1 章章 总电路初步设计总电路初步设计 1 11 1 设计内容以及要求设计内容以及要求 1 1 11 1 1 设计要求设计要求 1 1 基本要求 基本要求 利用基本数字电路制作小时电子钟 要求显示时分秒 并能实现校 时和校分的功能 2 2 提高要求 提高要求 计时过程具有报时功能 当时间到达整点进行蜂鸣报时 1 1 21 1 2 主要参考元器件主要参考元器件 LM555 CD4060 74LS161 74LS248 74LS74 1 21 2系统框图系统框图 图 1 1 所示为十二小时电子钟的原理框图 该电路由晶振 分频电路 74LS161 芯片构成的计数单元 74LS248 驱动电路 手动校时电路等主体模块构 成 时校 分校 秒校 12 进制计数器 60 进制计数器 60 进制计数器 译码电路 译码电路 译码电路 显示电路 显示电路 显示电路 分频器石英晶体振荡器 器 单次或连续脉冲 图 1 1 电路原理框图 十二小时电子钟 7 1 31 3 设计方案设计方案 根据设计要求可知 设计电路的核心部分是 74LS161 构成的计数器 设计围绕着怎 样使计数器正常工作 由于数字电子钟实验要求精度较高 因此想到的时用石英晶体 振荡器产生频率稳定的信号 再经分频 得到所需的秒信号作为 74LS161 的 CP 脉冲信 号 其次 电路产生的时钟秒信号也会有误差 我们要考虑的是 如何实现手动校时 经过考虑 我们选择通过双掷开关来实现 CP 信号的送入是手动还是自动 若开关打向 手动这边 则人为送入单次脉冲到 CP 若开关打向自动这边 则将电路产生的秒信号 送入 CP 然后 我们考虑的是如何产生上面提到的单次脉冲 我们采用的是用 RS 锁 存器来实现稳定的输出脉冲 最后 当电路将要到达整点时 通过对 174LS161 的输出 端进行处理 通过蜂鸣器进行整点报时 1 41 4 设计过程设计过程 在接到课题之后 首先按照设计课题要求查找资料 获取设计中可能应用到的知识 和数据信息 根据所查资料 进行数据的估算 画出了符合实验要求的基本原理图 对原理图各个部分电路进行仿真 并修改产生的错误 证实各部分电路的可行性 最 后对整个电路进行仿真和调试 证实所设计的基本原理图的可行性 第第 2 2 章章 电路设计电路设计 2 12 1 石英晶体振荡器电路石英晶体振荡器电路 晶体振荡器是构成数字式时钟的核心 它保证了时钟的走时准确及稳定 图 2 2 1 所示电路通过非门构成的输出为方波的数字式晶体振荡电路 这个电 路中 CMOS 非门 U1 与晶体 电容和电阻构成晶体振荡器电路 并实现整形功能 将振荡器输出的近似于正弦波的波形转换为较理想的方波 输出反馈电阻 R1 为非 门提供偏置 使电路工作于放大区域 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 十二小时电子钟 8 时提供了一个 180 度相移 从而和非门构成一个正反馈网络 实现了振荡器的功 能 由于晶体具有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 晶体 XTAL 的频率选为 32768HZ 该元件专为数字钟电路而设计 其频率较 低 有利于减少分频器级数 从有关手册中 可查得 C1 C2 均为 30pF 当要求频率准确度和稳定度更高 时 还可接入校正电容并采取温度补偿措施 由于 CMOS 电路的输入阻抗极高 因此反馈电阻 R1 可选为 22M 较高的 反馈电阻有利于提高振荡频率的稳定性 图 2 1 石英晶体振荡器 图 2 2 CD4060 内部结构图 2 22 2 分频器电路分频器电路 通常 数字钟的晶体振荡器输出频率较高 为了得到 1Hz 的秒信号输入 需 要对振荡器的输出信号进行分频 通常实现分频器的电路是计数器电路 一般采用多级 2 进制计数器来实现 例如 将 32768Hz 的振荡信号分频为 1Hz 的分频倍数为 32768 即实现该分频功 能的计数器相当于 15 极 2 进制计数器 本实验中采用 CD4060 来构成分频电路 CD4060 在数字集成电路中可实现的 分频次数最高 而且 CD4060 还包含振荡电路所需的非门 使用更为方便 CD4060 计数为 14 级 2 进制计数器 可以将 32768Hz 的信号分频为 2Hz 其 内部框图如图 2 2 2 所示 从图中可以看出 CD4060 的时钟输入端两个串接的非 十二小时电子钟 9 门 因此可以直接实现振荡和分频的功能 在 CD4060 的输出端再接一个 74LS74 可再进行二分频 从而得到 1S 的信号 以下为 CD4060 电阻及晶振连接成一个晶振 分频电路 CD4060 的输出端 3 脚得到的是 2Hz 的脉冲信号 图 2 3 晶振 分频电路 2 32 3 时间计数单元时间计数单元 时间计数单元有时计数 分计数和秒计数等几个部分 时计数单元一般为 12 进制计数器计数器 其输出为两位 8421BCD 码形式 分计数和 秒计数单元为 60 进制计数器 其输出也为 8421BCD 码 我们采用 16 进制计数器 74LS161 来实现时间计数单元的功能 74LS161 管脚图与真值表如下所示 U1 74LS161D 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 图 2 4 74LS161 管脚图 表 2 1 74LS161 功能表 输输 入入 输输 出出 CR CP CP LD EP EPETET D3 D2 D1 D0 Q3 Q2 Q1 Q0 0 0 0 0 0 1 0 d c b a d c b a 1 1 0 Q3 Q2 Q1 Q0 十二小时电子钟 10 1 1 0 Q3 Q2 Q1 Q0 1 1 1 1 状态码加状态码加 1 秒个位计数单元为 10 进制计数器 需将 74LS161 的 QD与 QA接入与非门的 输入脚 与非门的输出脚接 74LS161 的清零端 CR 秒十位计数单元为 6 进制计数器 需要进制转换 需将 QB与 QC 接入与非门 的输入脚 与非门的输出脚接 74LS161 的清零端 CR 将秒个位的 CR 接入秒十位的 CP 脚 这样 当秒个位计数单元完成一个计数 循环时 CR 变为低电平脉冲 使秒十位计一个数 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 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 图 2 5 由 74LS161 构成的六十进制计数器 十二小时电子钟 11 图 2 6 由 74L161 构成的 12 进制计数器 2 42 4 译码驱动电路译码驱动电路 电路分析 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 74LS248 作为显示译码电路 选用 LED 数码管作为显示单元电路 一个 74LS248 与一个 LED 数码管连接成一个驱动电路如下 数码管可以从 0 到计 数器计数范围内变化 十二小时电子钟 12 图 2 7 74LS248 驱动电路 2 52 5 手动校时电路手动校时电路 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 数字钟应具有时 分 秒校正功能 因此 应截断秒个位 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 图 2 8 所示即为带有基本 RS 触发器的校时电路 当开关打在图示中的位置时 其右边的两个与非门的上一个输出为高电平 下一个输出为低电平 则电路的最 终输出端输出的信号为正常输入信号 当要实现时间校准时 应将开关打向另一 面 则其右边的两个与非门上一个输出为高电平 下一个输出为低电平 则电路 的最终输出端输出的信号为手动输入信号 图 2 9 所示为分单元与时单元合起来的校时电路 十二小时电子钟 13 图 2 8 带有消抖动电路的校正电路 图 2 9 校时电路 在上面的两图中 正常信号指的是晶振经分频后产生的秒信号及计数器产生的清零 脉冲 校正信号指的是通过手动按键 产生所需的脉冲 然后将该校正信号加到上两图中 所示的校正信号输入端口 即完成了一个完整的校时电路 单次脉冲产生电路如下 十二小时电子钟 14 图 2 10 单次脉冲产生电路 该电路产生的波形如下 图 2 11 单次脉冲电路输出波形 2 62 6 整点报时电路整点报时电路 在时间出现整点前一数秒内 数字钟会自动报时 以示提醒 若要求简单 可选 为电路在 59 分 59 秒时报报警 选蜂鸣器为电声器件 当秒单元与分单元的输出显示 了 59 分 59 秒时 通过对输出端用与非门进行译码 再接的一个或非门的输出会为高 电平 使三极管导通 蜂鸣器即刻进行报警 该电路图如下 十二小时电子钟 15 图 2 12 整点报时电路 第第 3 3 章章 测试及调试测试及调试 3 13 1 分频分频 晶振电路的测试与调试晶振电路的测试与调试 电路图如图 2 3 所示 按图连接好电路 接通电源 U 5V 发现秒个位数码管数 字变化间隔太短 不是 1S 在检查该模块电路时未发现有错误 然后用手碰了碰晶 振 看是不是接触的问题 果然 在用手轻轻触碰了一下之后 数码管的数字变换 间隔正常 为 1S 然后我们断电 再重新接上电源 发现又不正常了 路转地很快 于是怀疑是否该换一个石英晶体 果然 在换了一个之后 数码管正常显示了 符 合设计要求 3 23 2 时间计数单元电路的测试与调试时间计数单元电路的测试与调试 电路图如图 2 5 2 6 所示 接通 5V 电源 秒计数单元 分计数单元的计数周期与 设计好的进制一致 分别是 60 进制 60 进制 12 进制 符合设计要求 十二小时电子钟 16 3 33 3 译码驱动及显示译码驱动及显示的测试与调试的测试与调试 电路模块如图 2 7 所示 由于数码管数字显示及计数周期均正常 说明 74LS248 与数码管的连接均正常 符合设计要求 3 43 4 手动校时电路的测试与调试手动校时电路的测试与调试 电路的初始设计并不是如图 2 10 那样用一个 555 芯片来稳定输出的单次脉冲 原 始模块电路如下 U2A 的输出端为所需单次脉冲波 当按如下原始图作为校时电路的单 次脉冲产生电路时 发现每按一次按键 数码管的数字显示并不是加 1 会加很多 因此 怀疑是该电路输出电压不稳定 但是它是一个史密特触发器构成的单次脉冲触 发器 本应该比较稳定 我们也不知道该如何解决 最后又去翻阅资料 发现 555 芯 片用稳定输出电压 整形的功能 于是把以前的电路改成如图 2 5 2 所示电路 焊接完 成后 接通电源 将拨动开关打到手动这一边 使电路的输入脉冲为手动单次脉冲 按动按键几下 结果数码管就跳动几下 这次的显示结果是按一下开关 数码管的显 示就加 1 显示正确 符合设计要求 图 3 1 原始单次脉冲产生电路 十二小时电子钟 17 3 53 5 整点报时电路的测试与调试整点报时电路的测试与调试 当电路正常计数以后 时钟走到 59 分 59 秒时 蜂鸣器发出报警 时间为 1S 然后 停息 与实验设计预想的一致 符合设计要求 结结 论论 接到的这个课题虽然电路图看起来很繁琐 但各个模块功能很清晰 通过对各 个功能模块的仔细分析和推敲 对计数器功能的灵活使用及手动单次脉冲的产生 方法都有了已经比较清楚的掌握了 本次实验的调试过程耗费了大量时间 首先是分计数单元向时进数单元的进 位有问题 在仔细检查完该块电路的接线无误后 把问题的原因转向于其它的电 路模块的不稳定而造成的干扰 然后是校时电路出现问题 手动拨动开关的拨动对数码管的数字显示会有影 响 在苦思冥