数字钟课程设计

1 课程题目 课程题目 数字钟 专专 业 业 电子信息科学与技术电子信息科学与技术 目录 封面 1 目录 2 数字钟的设计 3 一 设计目的 3 二 设计要求 3 三 设计所需的元器件 3 四 设计原理及构成 4 一 设计原理 4 二 设计 555 多谐振荡器秒信号 6 三 设计 60 进制 24 进制计数器 8 四 设计译码显示电路 10 五 设计校时电路 11 数字钟课程设计数字钟课程设计 2 五 课程设计总结 12 六 本次设计心的体会 13 数字钟的设计 一 设计目的 1 熟悉集成电路的引脚安排 2 掌握各芯片的逻辑功能及使用方法 3 了解数字钟的组成及工作原理 4 熟悉数字钟的设计与制作 二 设计要求 1 画出电路原理图 或仿真电路图 2 元器件及参数选择 3 电路仿真与调试 4 通过设计出精准的显示时 分 秒的数字钟 且可以校时 三 设计所需的元器件 元器件清单 型号功能备注 3 74LS00四个 2 输入与非门三片 7448BCD 七段显示译码器六片 74160同步十进制计数器六片 NE555产生时间延迟和多种脉冲信号一片 与门七个 电阻 50K 一个 47 463K 一个 LED 显示 器 六块 电键 两个 电容10uF 两个 四 设计原理及构成 一 设计原理 1 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 常使用多谐振荡器电路构成数字钟信号 图 3 所示为本次数字钟的 构成框图 4 2 数字电子钟由信号发生器 时 分 秒 计数器 译码器及显 示器 校时电路 整点报时电路等组成 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 一般用 555 构成的振荡 器加分频器来实现 将标准秒脉冲信号送入 秒计数器 该计数器 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 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 进制计数器 可以实现一天 24h 的累计 译 码显示电路将 时 分 秒 计数器的输出状态经七段显示译码器 译码 通过六位 LED 显示器显示出来 整点报时电路是根据计时系 统的输出状态产生一个脉冲信号 然后去触发音频发生器实现报时 校时电路是来对 时 分 秒 显示数字进行校对调整 5 3 数字钟的组成框图 时显示器 分显示器 秒显示器 时译码器 分译码器 秒译码器 时计数器分计数器秒计数器 振荡器秒脉冲 控制时间按钮 二 设计 555 多谐振荡器秒信号 秒脉冲信号发生器 秒脉冲信号发生器是数字电子钟的核心部分 它的精度和稳定 度决定了数字钟的质量 由振荡器与分频器组合产生秒脉冲信号 6 振荡器 通常用 555 定时器与 RC 构成的多谐振荡器 经过调整输出 1Hz 脉冲 1 多谐振荡器的工作原理 多谐振荡器是能产生矩形波的一种自激振荡器电路 由于矩形 波中除基波外还含有丰富的高次谐波 故称为多谐振荡器 多谐振 荡器没有稳态 只有两个暂稳态 在自身因素的作用下 电路就在 两个暂稳态之间来回转换 故又称它为无稳态电路 由 555 定时器构成的多谐振荡器如图所示 R1 R2和 C 是外接定时元件 电路中将高电平触发端 6 脚 和低 电平触发端 2 脚 并接后接到 R2 和 C 的连接处 将放电端 7 脚 接到 R1 R2的连接处 由于接通电源瞬间 电容 C 来不及充电 电 7 容器两端电压 Uc 为低电平 小于 1 3 Vcc 故高电平触发 端与 低电平触发端均为低电平 输出 Our 为高电平 放电管 VT 截止 这 时 电源经 R1 R2 对电容 C 充电 使 电压 Us 按指数规律上升 当 Us 上升到 2 3 Vcc 时 输出 Uo 为低电平 放电管 VT 导通 把 Uc 从 1 3 Vcc 上升到 2 3 Vcc 这段时间内电路的状态称为第 一暂稳态 其维持时间 TPH 的长短与电容的充电时间有关 充电时 间常数 T 充 R1 R2 C 由于放电管 VT 导通 电容 C 通过电阻 R2 和放电管放电 电路 进人第二暂稳态 其维持时间 TPL 的长短与电 容的放电时间有关 放电时间常数 T 放 R2C0 随着 C 的放电 Uc 下降 当 Uc 下降到 1 3 Vcc 时 输出 Uo 为高电平 放电管 VT 截止 Vcc 再次对 电容 c 充电 电路又翻转到第一暂稳态 不难理解 接通电源后 电 路就在两个暂稳态之间来回翻转 则输出可得矩形波 电路一旦 起振后 Uc 电压总是在 1 3 2 3 Vcc 之间变化 图 1 b 所示 为工作波形 三 设计 60 进制 24 进制计数器 本次设计利用 74160 来实现 60 进制和 24 进制 74160 是十进制 同步计数器 有置数功能 清除功能 可使计数或停止计数 有动 态进位输出功能 它具有异步清除端与同步清除端 不同的是 它 不受时钟脉冲控制 只要来有效电平 就立即清零 无需再等下一 个计数脉冲的有效沿到来 74160 是直接清零 异步清零端 MR 非为 低电平时 不管时钟端 CP 信号状态如何 都可以完成清零功能 8 74160 的预置是同步的 当置入控制器 PE 非为低电平时 在 CP 上 升沿作用下 输出端 Q0 Q3 数据端 P0 P3 一致 1 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 时计数单元采用 24 进制计数器计数 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 本次设计采用 10 进制计数器 74160 来实现时间计数单元的计数功能 1 秒个位计数单元为 10 进制计数器 无需进制转换 RCO 可作为 向上的进位信号与十位计数单元的 ENT ENP 相连即可 秒位计数单 元应输出 59 作为向上的进位信号与分个位计数单元的 ENT ENP 相 连 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 10 进制 6 进制计数器转换电路如图所示 2 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 RCO 作为向上的进位信号应 9 与分十位计数单元的 ENP ENT 相连 分位计数单元的应与秒位计数 单元同时输出 59 的信号作为向上的进位信号应与时个位计数单元的 ENT ENP 相连 3 时个位计数单元电路结构仍与秒或分个位计数单元相同 但是 要求 整个时计数单元应为 24 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 24 进制转换 利用 2 片 74160 实现 24 进制计数功能的电路如图所示 四 设计译码显示电路 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 7448 作为显示译码电路 选用 LED 数码管作为显 示单元电路 7448 除了有实现 7 段显示译码器基本功能的输入 DCBA 和输出 Ya Yg 端外 7448 还引入了灯测试输入端 LT 和动态灭零输入端 RBI 以及既有输入功能又有输出功能 10 的消隐输入 动态灭零输出 BI RBO 端 由 7448 真值表可获知 7448 所具有的逻辑功能 1 7 段译码功能 LT 1 RBI 1 在灯测试输入端 LT 和动态灭零输入端 RBI 都接无效电平时 输入 DCBA 经 7448 译码 输出高电平有效的 7 段字符显示器的驱动 信号 显示相应字符 除 DCBA 0000 外 RBI 也可以接低电平 见表 1 中 1 16 行 2 消隐功能 BI 0 此时 BI RBO 端作为输入端 该端输入低电平信号时 表 1 倒数第 3 行 无论 LT 和 RBI 输入什么电平信号 不管输入 DCBA 为什么状态 输出全为 0 7 段显示器熄灭 该功能主要用于多显示器的动态 显示 3 灯测试功能 LT 0 此时 BI RBO 端作为输出端 端输入低电平信号时 表 1 最后一行 与 及 DCBA 输入无关 输出全为 1 显示器 7 个字段都点亮 该 功能用于 7 段显示器测试 判别是否有损坏的字段 4 动态灭零功能 LT 1 RBI 1 此时 BI RBO 端也作为输出端 LT 端输入高电平信号 RBI 端输入 低电平信号 若此时 DCBA 0000 表 1 倒数第 2 行 输出全为 0 显示器熄灭 不显示这个零 DCBA 0 则对显示无影响 该 功能主要用于多个 7 段显示器同时显示时熄灭高位的零 五 设计校时电路 11 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 图所示即为的校时电路 由于 ENP ENT 端需高电平才能置数 故将 a b 端经过按键与高电 平相连 若按一次 m 按钮 则增加 1 小时 若按一次 n 按钮 则增 加 1 分钟 五 课程设计总结 设计过程中遇到的问题及其解决方法 在这次课程设计的整个过程中 我做了一次全面 较规范的设 计练习 全面地温习了以前所学过的知识 用理论联系实际并结合 12 数字电子技术解决实际问题 巩固 加深和扩展了有关组合逻辑电 路和时序逻辑电路方面的知识 利用此次课程设计还让自己对 protuse 的使用方法更加熟练 也使我们对分立元件的应用有了进 一步的认识 以前学习的时候觉得自己会应用了 可是到了设计电 路时才发现知识的匮乏 通过这次设计 使我增强了自身的动手能 力也是一方面 把以前书本上讲的或是没有讲的 通过一次课程设 计具体的实施 使自己真正得到锻炼 对于以后我们的发展与学习 来说 都可以看做是一个巨大的进步 前面还有很多需要我们去尝 试和探索 调试过程中 出现显示但却未正确显示的状况 后经检验发现是由 于 7SEG MPX1 CC 接成了共阳 所以未能正常显示 改为共阴 在设 计控制时 分按钮时只能是时间加而不能减 至今未找到解决的办 法 在 59 分进向时位进位的时候显示 12 在一次进位的时候又变 成了 0 后来经过思考及改进 原来必须满足 59 分 59 秒才能正常 的向时位进位 本次设计采用 74160 十进制计数器芯片和与和与非 门作为基础 利用函数信号发生器作为秒脉冲源 LED 数码显示器 进行时间的读取 电路结构相对简单 原理易懂 经过调试和仿真 能够达到预期的效果 六 本次设计心的体会 设计过程中 最初遇到的问题是对 protuse 软件的运用不是很 熟练 只能通过自己慢慢的摸索自学 终于能够运用它们了 设计 13 电路时 由于平时对数电知识的掌握不够 对需要的功能不知道用 什么器件去实现 只能查书和在网上搜索 不过这也帮助我们掌握 了不少知识 至于在 protuse 中仿真 还比较容易完成 花费的时 间不多就得到了正确的仿真结果 由于我的设计自己设计 没有及时参考一些好的方案 因此存 在很多不足 需要改进和能够改进的地方还有很多 例如没有采用 递减计数功能 使得视觉上不适应 电路结构相对简单但是连线较 为复杂等等 整个设计过程 虽然很累 要做的事情很多 很繁琐 但是从设 计制作过程中我也总结了一些经验 积累了知识 锻炼了动手能力 确实是学到了很多东西 在设计中我还学会了如何培养我们的创新 精神 从而不断地战胜自己 超越自己 创新可以是在原有的基础 上进行改进 使之功能不断的完善 成为自己的东西 总体来说 这次学习使我受益匪浅 在摸索如何设计该程序使之 实现所需功能的过程中 培养了我的设计思想 增加了实际操作能 力 在让我体会到设计艰辛的同时 更让我体会到成功的喜悦和快 乐 这次课程设计 虽然仅有短短 5 天 但是我多方面得到了提高 1 查阅参考书的独立思考的能力以及培养非常重要