数字电路综合设计实验——数字钟.doc

数字电路综合设计实验数字钟1、 实验目的（1）学习数字电路系统的设计方法、装调技术及数字钟功能扩展电路的设计。（2）从实际电路角度出发，建立系统的概念，培养学生设计思想，动手能力，培养综合运用数字电路的能力。2、预习要求（1）预习石英晶体振荡器、分频器、计数器、译码器的工作原理，了解所给芯片的使用方法，掌握常用器件的外围电路，掌握60，24进制的电路接法。（2）根据指导书所示原理框图，在给定的元器件范围内，设计数字钟电路图，并标出集成芯片的型号和引脚号码（便于安装、调试）。3、实验任务 （1）给定的主要器件如下：CD4060 、74LS74、74LS153、74LS90、74LS390、CD4511、74LS85、74LS00、74LS08、74LS32、74LS04、74LS02、按键、电阻 （2）功能要求： 基本功能：以数字形式显示时、分、秒的时间，小时的计时要求为“24翻1”，分和秒的计时要求为60进位，校时功能，正点报时； 扩展功能：闹时功能；根据本实验指导，学生从上述芯片中自行选择来完成数字钟电路的设计与装调。4、实验电路的原理与设计（1）数字钟电路的组成数字钟的原理组成框图如图1所示。报时电路校时电路秒脉冲发生器秒计数器60进制秒译码器秒显示器分计数器60进制分译码器分显示器时计数器24进制时译码器时显示器图1 数字钟原理框图在图1中，秒脉冲发生器是数字钟的核心，它产生的秒信号输入秒计数器进行计数，当达到59时产生进位信号给分计数器，秒计数器复位的同时分计数器开始计时。当分计数器达到59时产生进位信号给时计数器，分计数器复位的同时时计数器开始计数。（2）数字钟主体电路的设计秒脉冲产生电路秒脉冲产生电路可由555电路产生，也可由石英晶体振荡电路产生。石英晶体振荡电路产生的频率精确度高，故在本实验中可选用14级二进制串行计数/分频器CD4060得到精确频率。欲得到1秒信号，还需要加入分频电路。14级二进制串行计数/分频器1HZ分频电路图2 秒脉冲产生电路计数器电路可用于计数的芯片很多，比如可预置的 4 位二进制同步计数器(74LS161)，可二/五分频十进制计数器(74LS90)，可预置BCD双时钟可逆计数器(74LS192)，双十进制计数器（74LS390）等，本实验中可选用上述芯片来进行计数。利用其典型应用电路即可。译码显示电路通过计数器所得的秒脉冲的个数为二进制代码，只有通过译码才能转化为十进制，才能通过LED数码管来进行直观观察。常用的译码芯片有BCD 码七段码译码器（CD4511），BCD-7段译码器/内部上拉输出驱动芯片(74LS48)。译码显示部分采用常用译码芯片构成典型应用电路即可。仿广播电台正点报时电路仿广播电台正点报时电路的功能要求是每当数字钟计时快到正点时发出声响，通常按照4低音1高音的顺序发出间断声响，以最后一声高音结束的时刻为正点时刻。要求4声低音（500HZ）分别发生在59分51秒、53秒、55秒、57秒，最后一声高音（1KHZ）发生在59分59秒，它们的持续时间均为1秒。分个位秒十位分十位门电路门电路驱动蜂鸣器报时信号门电路秒个位500HZ1KHZ 图3 报时电路框图分析蜂鸣器电路工作时的分、秒位数值，利用相关门电路完成正点报时功能。 校时电路 由于数字钟接通电源或者计时可能出现误差，这就需要校正时间。二种思路可供参考： I通过改变计数频率来校时。利用多路数据选择器，加上频率选择电路来控制计数器计数的频率，从而达到校时的目的。校时结束时，通过数据选择器选中1HZ频率，计数器正常工作。数据选择器多路频率信号频率选择电路计数器电路图4 校时电路一 II秒计数频率不改变，仍为1HZ计数。改变时、分的计数频率，校时脉冲采用1HZ脉冲，利用与非门组成的基本RS触发电路来防止按键抖动。RS触发器校时脉冲控制电路进位脉冲至计数器电路 图5 校时电路二（3）数字钟的扩展功能 闹时功能通过按键输入闹时时间，到达该时间时驱动音响电路“闹时”。利用按键通过双四位二进制计数器输入闹时时间，设定的时间信号输入数据比较器和正常走时的时间进行比较，当正常走时到达定时时间，比较器输出电平驱动音响电路工作。设定闹时预置时间代 码产 生电 路数据比较器电路驱动蜂鸣器计数器输出定时时间当前时间图6 闹时电路框图5、数字钟电路的安装与调试（1）数字钟电路的仿真 根据所给芯片，拟定设计方案。用Proteus软件绘制出该电路的原理图，对所设计的电路进行仿真实验。（2）数字钟电路安装按照实验前预先设计好的电路图连接电路，并检查接线是否正确。（3）数字钟电路的调试各部分功能调试：按照电路框图，从秒脉冲产生电路、计数器电路、译码显示电路、校时电路、报时电路逐一调试。在调试过程中，可利用实验室提供的仪器和设备，如用万用表测量连线的通断、用示波器观察信号产生电路的输出波形、频率是否正常等。系统联调：将整个电路连起来构成一个系统进行联调，看逻辑功能是否满足设计的要求。6、实验小结按照实验内容及步骤中的要求详细撰写设计与测试报告。其主要内容包括：I课题的任务及要求。II课题分析与方案选择。对课题认真分析，正确理解，明确设计思路。通过各种可实现的电路原理、特点分析，方案类比，选择最佳元器件来实现电路。III原理图绘制及仿真。用Proteus软件绘出电路原理图，详细标明各集成电路及元器