数电课程设计7202424998

1、课程设计任务书学生姓名： 专业班级：通信0804指导教师：刘雪冬 工作单位：信息工程学院题 目: 多功能数字钟电路设计初始条件：模电数电等相关基础知识，能使用multisim等相关软件要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1. 完成本题目的理论设计，相关参数符号设计目的2. 对理论设计方案进行实物测试或仿真分析，并与理论结果进行对比3. 完成不少于20页的设计报告，详细说明理论设计过程以及测试/仿真分析结果时间安排：7.5： 理论设计7.67.7：安装调试或仿真7.8： 撰写报告7.9： 答辩指导教师签名：2010年 7月 9日系主任签名： 2010

2、年 7 月 9 日目 录摘 要4Abstract51 数字钟功能要求61.1基本功能61.2扩展功能62电路设计方案72.1 多功能数字钟组成框图72.2设计思路72.3完整电路图及工作原理73单位电路设计方案93.1振荡器93.1.1晶体振荡器93.1.2多谐振荡器103.2分频器113.3秒、分、时计时器电路设计133.3.1 60进制计数器133.3.2 24进制计数器153.4译码显示电路163.5校时电路174仿真结果及遇到的问题194.1仿真调试方法及结果194.2仿真时遇到的问题及影响因素194.2.1 Multisim10中仿真时间步长与真实时间的不一致性194.2.2 Mul

3、tisim10中仿真时间步长与数码显示管的类型有关195 心得体会216 参考文献22附录：元件清单23多功能数字钟电路设计摘要所谓数字钟，是指利用电子电路构成的计时器。相对机械钟而言，数字钟能实现准确计时，并显示时，分，秒，而且可以方便，准确的对时间进行调节。在此基础上，还可以实现整点报时，时间校准等功能。因此，数字钟的应用十分广泛。通过这次的课程设计掌握数字钟的原理，学会设计简单的数字钟。设计过程采用系统设计的方法，先分析任务，得到系统和要求，然后进行总体设计，划分子系统，然后进行详细设计，确定各个功能子系统中的内部电路，画出完整电路图，进行仿真调试，在改进之后做成实物。关键词：数字钟 m

4、ultisim 仿真 设计方案AbstractSo-called digital clock, refers to the use of the electronic circuits. Relative mechanical clock, digital clock can realize accurate timing and display, and, second, to accurately time convenient to adjust. On this basis, also can achieve on time, time, etc. Therefore, the dig

5、ital clock used widely. Through this course design principle, the master clock to design simple digital clock.Design process using system design method, the first task analysis, system and overall design requirements, and then dividing subsystems, and the detailed design, make sure each functional s

6、ubsystems of internal circuit, paint, complete circuit simulation testing, after improvement made in object.Keywords:digital clock multisim simulation Design scheme1 数字钟功能要求1.1基本功能（1） 准确计时，以数字形式显示时，分，秒的时间（2） 小时的计时要求24进制或12进制，分秒为60进制（3） 可校正时间1.2扩展功能 （1）定时控制 （2）仿广播电台正点报时 （3）报整点时数 （4）触摸报整点时数2电路设计方案2.1

7、多功能数字钟组成框图 图1 多功能数字钟系统组成框图2.2设计思路根据数字钟的设计思路，可以将它分为七个单元电路：秒脉冲电路，计时电路，译码电路，显示电路，调时调分控制电路，整点报时电路，清零控制电路。它们之间的连接关系见原理方框图。利用555定时器构成多谐振荡器，调整其电阻和电容大小，使其输出信号频率为1KHz，再利用三个74LS90分频使输出信号频率为1Hz，即构成了秒脉冲发生器。用两片74LS90级联构成60进制计数器，用来计“秒”，其CP输入为秒脉冲；另两片74LS90级联构成60进制计数器，用来计“分”，其CP输入为“秒”变为0时产生的一个下降沿信号；还有两片74LS90级联构成24

8、进制计数器，用来计“时”，其CP输入为“分”变0时产生的一个下降沿信号。这样六片74LS90实现了数字钟的计时功能。它们的输出用六片数码管显示，之间接六片74LS48译码器构成显示驱动电路。再用与非门设计使用开关来调节进位脉冲和校时脉冲的输入以达到校时的目的。2.3完整电路图及工作原理 完整电路图如图2 图2 多功能数字钟电路图工作原理：振荡器产生的稳定高频脉冲信号，作为数字钟的时间基准，再经分频器输出标准秒脉冲。秒计时器记满60后向分计时器进位，分计时器记满60后向时计时器进位，时计时器按24进制计数。计时器输出经译码器送显示器。计时出现差错时可用校时校分进行调整。扩展电路必须在主体电路正常

9、运行情况下才能进行功能扩展。由于条件有限，所以只进行了主体电路的设计与制作。3单位电路设计方案3.1振荡器振荡器是数字钟的核心。振荡器的稳定度及频率的精确度决定了数字钟的准确程度，通常选用石英晶体构成振荡器电路。一般来说，振荡器的频率越高，计时精度越高。3.1.1晶体振荡器下图为电子手表集成电路（5C702）中的晶体振荡器电路，在精度要求不高的条件下，可以采用由逻辑门与RC组成的时钟源振荡器或由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器。本设计采用的是555构成的多谐振荡器，设计振荡频率为1Hz。 图3 晶体振荡器3.1.2多谐振荡器如果精度要求不高，则可采用由集成逻辑门与R，C组成的时钟源振

10、荡器或由集成电路定时器555与R，C组成的多谐振荡器。 本设计由于不需较高精度及实际问题，故采用555定时器组成的多谐振荡器，输出信号为1KHz。图4 555定时器振荡器由555定时器构成。在555定时器的外部接适当的电阻和电容元件构成多谐振荡器，再选择元件参数使其发出标准秒信号。555定时器的功能主要由上、下两个比较器1、2的工作状况决定。比较器的参考电压由分压器提供,在电源与地端之间加上电压,且控制端悬空,则上比较器1的反相端“-”加上的参考电压为2/3,下比较器2的同相端“+”加上的参考电压为1/3。若触发端 的输入电压21/3,下比较器2输出为“1”电平,触发器的输入端接受“1”信号,

11、可使触发器输出端为“1”,从而使整个555电路输出为“1”;若阈值端的输入电压62/3,上比较器1输出为“1”电平,触发器的输入端接受“1”信号,可使触发器输出端为“0”,从而使整个555电路输出为“0”。控制电压端外加电压可改变两个比较器的参考电压,不用时,通常将它通过电容(0.01左右)接地。放电管1的输出端为集电极开路输出,其集电极最大电流可达50,因此,具有较大的带灌电流负载能力。若复位端 加低电平或接地,可使电路强制复位,不管555电路原处于什么状态,均可使它的输出为“0”电平。只要在555定时器电路外部配上两个电阻及两个电容元件,并将某些引脚相连,就可方便地构成多谐振荡器。 由55

12、5定时器构成的多谐振荡器如图5图5 多谐振荡器3.2分频器分频器的功能主要有两个：一是产生标准秒脉冲信号；二是提供扩展电路所需的信号，如仿电台报时用的1kHz的高频信号和500Hz的低频信号等。设计时采用3片中规模集成电路计数器74LS90完成电路设计。每片计数器为十分频，三片级联则可将1KHz的信号分频为1Hz第一片QA输出500Hz，第二片QD输出10Hz，第三片QD输出1Hz。图6 分频器设计时使用的74LS90计数器功能如下：集成异步十进制计数器74LS90它是二-五-十进制计数器，、若将Qa与CKB相连从CKA输入计数脉冲其输出Qd、Qc、Qb、Qa便成为8421码十进制计数器；若将

13、Qd与CKA相连，从CKB输入计数脉冲其输出Qd、Qc、QbQa便成为5421码十进制计数器。74LS90具有异步清零和异步置九功能。当R0全是高电平，R9至少有一个为低电平时，实现异步清零。当R0至少有一个低电平，R9全是高电平时，实现异步置九。当R0、R9为低电平时，实现计数功能。 如图7为74LS90构成的8421BCD码十进制计数器，图8为5421BCD码十进制计数器。图7 8421码十进制图8 5421码十进制输入输出R01 R02 R91 R92 CP1 CP2Qd Qc Qb QA功能H H L ×××H H × L××

14、L × H H××× L H H××L L L LL L L LH L L HH L L H异步清0异步清0异步置9异步置9× L × L×× L L ××L ×× L×L × L × QD 二进制五进制 8421BCD 5421BCD计计数表1 74LS90功能表3.3秒、分、时计时器电路设计3.3.1 60进制计数器（1） 选用74LS92做十位计数器，74LS90做个位计数器，再将它们级联组成模数为60的计数器。如图9图

15、9 60进制计数器（2） 选用两片74LS90级联做成60进制计数器。通过74LS90的S01和S02端同时为1时置0的特性，将两片的S01和S02分别与高位片的QB,QC相连，以达到60进位的目的。如图10图10 74LS90构成的60进制计数器3.3.2 24进制计数器（1） 用74LS161级联制成24进制计数器图11 74LS161构成的24进制计数器（2） 用74LS90级联制成24进制计数器由74LS90构成的二十进制计数器，将两片74LS90设置为十进制计数器，个位计数状态为Qd Qc Qb Qa = 0100十位计数状态为Qd Qc Qb Qa = 0010时，要求计数器归零。

16、通过把个位Qc、十位Qb相与后的信号送到个位、十位计数器的清零端，使计数器清零，从而构成24进制计数器。如图12.图12 74LS90构成的24进制计数器由于实际设计问题，故时分秒计时器都采用相同的74LS90构成的计数器，这样在设计和购买元件时都较方便。3.4译码显示电路图12 译码显示电路译码电路的功能是将秒、分、时计数器的输出代码进行翻译，变成相应的数字。用与驱动LED七段数码管的译码器常用的有74LS48。74LS48是BCD-7段译码器/驱动器，输出高电平有效，专用于驱动LED七段共阴极显示数码管。若将秒、分、时计数器的每位输出分别送到相应七段译吗管的输入端，便可以进行不同数字的显示

17、。在译码管输出与数码管之间串联电阻R作为限流电阻。如图123.5校时电路(1)校时电路是数字钟不可缺少的部分，每当数字钟与实际时间不符时，需要根据标准时间进行校时。K1、K2分别是时校正、分校正开关。不校正时，K1、K2开关是闭和的。当校正时位时，需要把K1开关打开，然后用手拨动K3开关，来回拨动一次，就能使时位增加1，根据需要去拨动开关的次数，校正完毕后把K1开关闭上。校正分位时和校正时位的方法一样。其电路图如下:图13 校正电路(2) J1,J2分别为时分的校准开关，当开关打开时CP端由低位片的进位脉冲控制，此时正常计数；当开关关闭时CP端由1Hz的校时脉冲控制，此时进行校准。电容可以起到

18、防抖动的作用，设计时采用了这个校时电路。如图14图14 校准电路4仿真结果及遇到的问题4.1仿真调试方法及结果（1） 将校时电路的开关J1,J2都打开。数字钟进行计数，分秒为60进1，时为24进1，当分秒计数为60时立刻清零，当时计数为24时立刻清零。（2） 当J1打开，J2关闭时，分的进位由校准脉冲控制，每秒进1而不受秒的进位影响，时的进位由分控制，当分记满60时进1，时的计数加1。（3） 当J1关闭，J2打开时，时的进位由校准脉冲控制，每秒进1而不受分的进位影响，分的进位由秒控制，当秒记满60时进1，分的计数加1。（4） 当J1,J2都关闭时，分的进位由校准脉冲控制，每秒进1而不受秒的进位

19、影响，时的进位由校准脉冲控制，每秒进1而不受分的进位影响。4.2仿真时遇到的问题及影响因素4.2.1 Multisim10中仿真时间步长与真实时间的不一致性用Multisim10仿真一个数字频率计数器，单个模块仿真很顺利，无论是计数部分还是秒脉冲发生电路都正常工作，但最后连起来仿真的时候就出现不同，由于要测量1s内的输入信号的频率，按道理说如果输入信号是100Hz的话，应该在1s后在数码管显示出"100”的字样。 然而，Multisim不知道是出于什么样的考虑，如果信号频率调高的话，它会自动延长软件环境中的时间，于是，现实中的1s在软件中居然才是ms级的时间。要在Multisim中模

20、拟1s的波形的话，要等上20min的时间才可以。而且输入波形的频率越高，仿真1s所需的时间还会更长4.2.2 Multisim10中仿真时间步长与数码显示管的类型有关如果将我使用的七段显示数码管去除的话，仿真速度明显加快，数码管类型的选取也直接影响仿真的快慢。 于是，设计时把库中的几种类型的数码管都拿出来试验一下，最终发现，加cd4511的七段显示数码管SEVEN_SEG_COM处理信号的速度最慢，换成四段带译码的显示数码管DCD_HEX之后仿真速度提升了8倍左右，而换成相似的DCD_HEX_DIG之后，速度更快，可以提升10倍左右。这样就容易仿真测量较高频率的输入信号。实验表明，200Hz的

21、信号仅需现实中的20s左右就可以仿真完成了。 下面是接不同类型数码管的仿真步长时间对比：图15 用加cd4511的七段显示数码管SEVEN_SEG_COM，在现实中20s内的仿真计数值图16 用四段带译码的显示数码管DCD_HEX，在相同的输入脉冲条件下，20s内的仿真计数值由此可见，不同的数码管会对multisim10中仿真所需的时间产生很大的影响，允许的情况下，还是用四段带译码的显示数码管DCD_HEX比较有利于我们的仿真输出。另外，如果电路中没有数码管的话，要加快仿真时间可以添加一个信号源(不用接入主电路)；其频率设到想要的步长时间的倒数即可，同时配合Multisim10中交互仿真设置中的初始时间步长的设置就可以对不同的输入频率均可达到便于观察的仿真速度。5 心得体会 课程设计是一个很好的动手实践机会，既可以帮助我们加深对所学知识的理解，又能提高我们运用知识，联系实际，动手实践的能力。而且在设计过程中可能用到我们没学过的知识，需要我们去查阅资料获取相关信息，这又提高了我们查找信息和学习新知识的能力。在设计电路时，我要联系所有的以学知识，设计出电路，并分析所有的可能设计之间的差异性，各自的优