多功能数字钟设计与仿真

1、学号：课程设计题 目 学 院 专 业 班 级 姓 名 指导教师年 月曰18课程设计任务书学生姓名：专业班级：指导教师： 工作单位： 题 目：多功能数字钟的设计仿真与制作初始条件：利用集成译码器、计数器、定时器、数码管、脉冲发生器和必要的门电路 等数字器件实现系统设计。（也可以使用单片机系统设计实现）要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1课程设计工作量：1周内完成对多功能数字钟的设计、仿真、装配 与调试。2、技术要求：设计一个数字钟。要求用六位数码管显示时间，格式为 00: 00： 00。 具有60进制和12进制计数功能，秒、分为60进制计数，时为12进

2、 制计数。 有七段数码显示功能，能显示时、分、秒计时的结果。 设计提供连续触发脉冲的脉冲信号发生器， 具有校时单元，整点报时单元。 确定设计方案，按功能模块的划分选择元、器件和中小规模集成电 路，设计分电路，画出总体电路原理图，阐述基本原理。3、查阅至少5篇参考文献。按武汉理工大学课程设计工作规范要求撰写设计报告书。全文用 A4纸打印，图纸应符合绘图规范。时间安排：1、2010年_6月2223日，查阅相关资料，学习设计原理。2、2010年_6_月2425日，方案选择和电路设计仿真。3、2010年_6_月2628日， 电路调试和设计说明书撰写。4、2010年二月丄日上交课程设计成果及报告，同时进

3、行答辩指导教师签名:年月日系主任（或责任教师）签名:目 录1. 绪论42. Multisim 软件介绍53. 总体方案的设计与实现 73.1数字钟的原理框图73.2各模块功能分析 83.2.1晶体振荡器83.2.2分频器电路93.2.3时间计数单元113.2.4译码驱动及显示单元 123.2.5校时电源电路 133.2.6整点报时电路 144. 电路的安装与调试 155. 数字钟仿真图166. 元件清单197. 总结与心得体会208. 参考文献221.绪论计算机尤其是以微细加工技术支持的微型计算机技术飞速发展，其应用渗透到了各行各业。 以单片机、嵌入式处理器、数字信号处理器（DSP为核心的计算

4、机系统，以其软硬件可裁剪、 高度的实时性、高度的可靠性、功能齐全、低功耗、适应面广等诸多优点而得到极为广泛的 应用。目前计算机硬件技术向巨型化、微型化和单片机化三个方向告诉发展1。自1975年美国德州仪器公司（Texas Instruments ）第一块微型计算机芯片 TMS-1000问世以来，在短 短的20年间，单片机技术已发展成为计算机领域一个非常有前途的分之，它有自己的技术特征、规范和应用领域。单片机是自动控制系统的核心部件，主要用于工业控制、智能化仪器 仪表、家用电器中。它具有体积小、性能突出可靠性高（某些方面的性能指标大大优于通用 微机中央处理器）、价格低廉等一系列优点，应用领域不断

5、扩大，除了工业控制、智能化仪表、 通信、家用电器外，在智能化高档电子玩具产品中也大量采用单片机芯片作为核心控制部件， 已经渗入到人们工作和生活的各个角落，有力地推动了各行业的技术改造和产品的更新换代， 前景广阔。数字钟具备单片机最小系统的基本组成，对于我们了解单片机有很大的帮助。数 字钟是一种用数字电路技术实现时、分、的秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准 确性和直观性，且无机械装置，具有更长使用寿命，已得到广泛的使用。数字钟的设计方法 有许多种，例如,可用中小规模集成电路组成电子钟；也可以利用专用的电子钟芯片配以显示 电路及其所需要的外围电路组成电子钟；还可以利用单片机来实现电子钟等等

6、。这些方法都 各有其特点，其中利用单片机实现的电子钟具有编程灵活，并便于功能的扩展。2. Multisim软件介绍Multisim 是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以 Windows为基础的仿真工具，适 用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、 电路硬件描 述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。WTHADONAL 尸 INSTRUMENTSELCTHCN:CS V3-3kQDIS2423TRIGOUC3C4 -XSIOOnfc lOnF：:-GlIDf图 集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器(2 )分频器的设计：分频器的功能主要有两个：一产生标准秒脉冲信

7、号；二提供功能扩展所需要的信号，如仿电台报时用的 1KHz的高音频信号和500 Hz的低 音频信号；假设振荡器使用集成电路定时器 555与RC组成的多谐振荡器，振荡频率为1KHz, 则选用3片中规模集成电路计数器74LS90可以完成上述功能。因为每片为十分之一分频，3 片级联就可以实现所需要的频率信号， 即第一片的QA端输出频率为500Hz,第二片的QD输出 为100Hz,第三片的QD输出为1Hz。J,28：C：U15：: 74LS9CE -5 !Or-X0U17：74LS9C:U18：74 LSI I&饋Pi PC3.2.3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

8、元一般为24进制计数器 计数器，但是这里面的要求是12进制的。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8421BC阴。本实验采取了 74LS90用两块芯片进行级联来 产生60进制和24进制秒个位计数单元为10进制计数器，无需进制转换，只需将Q o与CR （下降沿有效）相连即可。CR （下降没效）与1HZ秒输入信号相连，Q 3可作为向上的进位 信号与十位计数单元的CR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进制计数器的电路连接，其中Q 2可作为向上的进位信号与分个位的计数单 元的CP相连。分个位和分十位计数单元电路结构

9、分别与秒个位和秒十位计数单元完全相同， 也是分个位计数单元的Q 3作为向上的进位信号应与分十位计数单元的 CP相连，分十位计数 单元的Q 2作为向上的进位信号应与时个位计数单元的 CP相连。60进制的连接如图4所示。 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，所以在两块74LS90构成的100进制中截取12,就得在12的时候进行异步清零。 12进制计数功能的电路如图所示。TDE NortU1： 74LU24_S90N D r047L5-114 74IJ31K60进制计数器电路324译码驱动及显示单元计数器实现了对时间的累计以8421BC阴形式输

10、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74LS47作为显示译码电路，选用74LS546八段共阳LED数码管作为显示单元电路，如图所示。 T1022QO O E1 fGk051024rurzJ-计数證伏态愛入325校时电源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

11、校正信号可以随时切换的电路接入其中。对校时的要求是：在小时校正时不影响分和秒的运行；在分校正是不影响小时和秒的正常运行。另外，校时还有快校时和慢校时两种，“快校时”是：通过开关控制，是计数器对1Hz的校时 脉冲计数；“慢校时”是手动产生单脉冲做校时脉冲。这里采用“快校时”方式的校时电路，如图所示，电路有74LS00和74LS04以及电阻，电容开关等组成。其中，J1为校分的控制开关，J2为校时的控制开关。校时电路采用分频电 路输出的1Hz的脉冲，当J1或J2分别为0的时候可以进行快校时，如果校时脉冲有单次脉冲产生器提供，则可以进行慢校时74LS04NR13.3VCCQ2,3 R 3 is?C21

12、0nF2TE校时电路3.2.6整点报时电路一般时钟都应具备整点报时电路功能，即在时间出现整点前数秒内，数字钟会自动报时，以示提醒。其作用方式是发出连续的或有节奏的音频声波，较复杂的也可以是实时语音提示。根据要求，电路应在整点前10秒钟内开始整点报时，即当时间在59分51秒到59分59秒期 间时，报时电路报时控制信号。报时电路选 74HC3Q作为选蜂鸣器为电声器件，选用CC4016 模拟开关作控制，使蜂鸣器可以一响一停。如图所示。VGCV VCU3674HC30D-20-4U38A /7404N37G2:10hF3&BUZZER:200 Hz:整点报时电路4. 电路的安装与调试在完成了理论设计的

13、基础上，进行对自己设计不大肯定的电路，利用软件Multisim进行模拟，根据成功与否再进行修正之后，开始电路的安装和调试。在拿到了工具的和器材之 后，首先对各元器件进行测试，检查是否芯片存在问题。在确认没有问题之后，就可以按照 布线方案来进行布线了。我的布线方案：首先安装驱动和计数模块。对译码驱动电路和计数 电路同时布线，但是，先只进行它的一个显示管和一块74LS48和一块74LS90 （秒的个位）安装，当验证产生的计数没有问题时，才尽一步对它进行扩展，安装秒的十位，分的个位和 十位，以及时的个位和十位，并进行检验，为什么不安装完驱动模块再进行计数模块的安装 呢？我认为这样可以方便我们的检验（

14、当然我的检验脉冲现在不一定是 1HZ的，所以我利用面包板上自带的脉冲输出），当装完了那么一个庞大的电路后，一旦哪里出错，进行检查 怎么说也是个难事。其次安装的是晶体振荡电路电路。按照理论设计和已经在Multisim 软件中验证过的电路进行安装，当然实际安装中有不可预见的问题可能发生，我才用示波器来 观察，果然，象设计和预料的那样，1HZ的脉冲波形出现。再次安装的模块是校时模块。接出如图的电路然后和计数模块相连接。在这个连接中，我们原来的设计的是采用单刀双制开 关，但是由于在实验室没有这样的开关，我们的设计只好稍微做下修改，这样的设计我觉得 在数字电子的设计中是常见的。一种典型的接法。最后要接的

15、是正点报时电路。这个部分是 我们平时没怎么实验和设计过的部分，说实际的，在做这个设计之前，心理真的没有底到底 蜂明器是怎么工作的，怎样去驱动它才能让它正常工作。第一个在我脑海里产生的利用555接一个电子琴电路，再加上模拟开关来选择高低声音，理论上设计没问题，也对它包有很大 的信心。但是在实习的过程中，在做这个人的时候，到中午了，于是我回来了，我想利用 In ternet搜索点对自己的设计有用的信息来，偶尔的一个蜂明的电路启发了我，那就是现在 如设计图纸中的那个报时电路。不过，先发现报时电路声音比较的低，于是我决定见效电阻 使声音合适。完成了布线的过程之后，就是一个综合的测试，由于在各个模块的安

16、装，布线 的认真和有条理性，综合测试，一次成功，本人认为较为不错！而且就整个实验来说由于设 计的原理时的态度的认真，严谨和对这次实习的重视，以及考虑问题的全面和方案的多样性， 使得装配，布线，和调试几乎没有什么大问题难倒我，一切都还比较的顺利和成功。5. 数字钟仿真图总体电路图：图（1）分频后输出的波形：图（2）仿真开始后，数码显示管的显示，可以清零：图（3）调用逻辑分析仪，在59分50秒时输出高电平，此时蜂鸣器响，持续十秒：图（4） 此时即将结束响铃：图（5）U24IK：D_HEBILUEKD_NEi_BLUEK D_HE-_BLKD_HE_BLUEl弋帥IJ：4-LS00Nr4LC4DF

17、F-TE&r4i$nrIIIr4d4H US|p4ltlC0NJLU17:741611mEu ii741EBIJU IDA74135011in心 F軌帥muU 14#8r册i忡IO I声岛44UTM：铀 IDJNDCDU21U22U23ra*U24DCD_HEX_BLUE图（3）10停止复位限定反向T1 土HT2出淅仪-KLA10000oaao时钟时钟船 I三设置外部 限E1厂/触发设置DCD_HEX_BLUET2-TL25.400m26.000m26.200m25.200m时间砂）25 600m25.300mg io斟散2附凱4亦9附除14Clsdr 血图（4）30DCD HEX BLaI

18、L II IDCD HEX BLUECD HEX BLlDCD HEX时间渺）27 300m2&.100m2S.3D0xn23.500 m23.700m1痔止T1创0000复位T20000反向T.-T1时钟幡 fT设置|外部限定1 c （设置限定r图（5）6. 元件清单74LS集成块6块电阻3.3k的四块，10k的一块共阴七段数码管6块电容10nF的3块，100nF的一块74LS90集成块6块蜂鸣器一块74LS00集成块4块示波器一.台74LS04集成块3块逻辑分析仪一.台7. 总结与心得体会数字电路系统设计一、数字电路系统的组成与类别1 数字系统的组成在电子技术领域里，用来对数字信号进行采集

19、、加工、传送、运算和处理的装置称为数 字系统。一个完整的数字系统往往包括输入电路、输出电路、控制电路、时基电路和若干子 系统等五个部分。各部分具有相对的独立性，在控制电路的协调和指挥下完成各自的功能， 其中控制电路是整个系统的核心。当然，并非每一个数字电路系统都能严格划分成五个组成 部分。输入电路输入电路的任务是将各种外部信号变换成数字电路能够接受和处理的数字信号。外部信号通常可分成模拟信号和开关信号两大类，如声、光、电、温度、湿度、压力及位移等物理 量属于模拟量，而开关的闭合与打开、管子的导通与截止、继电器的得电与失电等属于开关 量。这些信号都必须通过输入电路变换成数字电路能够接受的二进制数

20、。(2) 输出电路输出电路将经过数字电路运算和处理之后的数字信号变换成模拟信号或开关信号去推动 执行机构。当然，在输出电路和执行机构之间常常还需要设置功放电路，以提供负载所要求 的电压和电流值。(3) 子系统子系统是对二进制信号进行算术运算或逻辑运算以及信号传输等功能的电路，每个子系 统完成一项相对独立的任务，即某种局部的工作。子系统又常称为单元电路。(4) 控制电路控制电路将外部输入信号以及各子系统送来的信号进行综合、分析，发出控制命令去管 理输入、输出电路及各个子系统，使整个系统同步协调、有条不紊地工作。(5) 时基电路时基电路(短形波发生器)产生系统工作的同步时钟信号，使整个系统在时钟信

21、号的作用下一步一步地顺序完成各种操作。2 数字系统的类型(1) 在数字电路系统中，有的全是由硬件电路来完成全部任务，有的除硬件电路外，还 需要加上软件，即使用可编程器件，采用软硬结合的方法完成电路功能。后者的功能要比前 者强得多，而且能使硬件投资减少，使用灵活方便，是数字电路应用的一个重要方面。根据系统中有无可编程器件，数字系统可分为可编程和不可编程两大类。可编程器件最 典型的是微处理器，一片微处理器配上若干外围总片构成硬件电路，再加上相应的软件就可 以构成一个功能很强的应用系统，其优点是单纯的硬件电路无法比拟的。除微处理器之外， 如存贮器ROM EPROMPROM RAM可编程逻辑阵列PAL

22、通用可编程门阵列 GAL，以及各 种可编程接口电路，这些器件的功能均可以通过软件来设置。 一片GAL就能代替2050片小 规模集成芯片，而且可以使系统的可靠性大大提高，可见可编程芯片的功能之神奇，因而， 在当今的应用中倍受欢迎。(2) 由于微处理器在可编程器件中具有一定的特殊性，因而，根据系统中是否使用微处 理器，又可将数字系统分成有微处理器控制和无微处理器控制两大类。以微处理器为核心的 数字系统应用十分广泛，但本教材的设计课题均不涉及微处理器。(3) 根据数字电路系统所完成的任务性质还可将其分成数字测量系统、数字通信系统和 数字控制系统三大类，三者各有自己的特点。二、数字电路系统的设计步骤由于每个课题的设计任务各不相同，则设计的数字系统规模有大有小，电路的结构也有 繁有简。而课程设计中一般只能做规模不大的小系统，在应用中，小系统的设计是很有用处 的。而目，掌握了数字小系统的设计可以为更大规模的系统设计奠定基础。无论系统规模的 大小，其上计步骤是大体一致的。1 分析设计要求，明确性能指标具体做设计之前，必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等。分清楚要设计的 电路属于何种类型，输入信号如何获得，输出执行装置是什么，工作的电压、电流参数是多 少，主要性能指标如何等等。然后查找相关的各种资料，广开思路，构思出各种总体方案， 绘制结构框图。2 确定总体方案各种