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1、吉林建筑大学吉林建筑大学电气与计算机学院电气与计算机学院数字电子技术课程设计报告数字电子技术课程设计报告设计题目：设计题目： 多功能数字钟的电路设计多功能数字钟的电路设计 专业班级：专业班级： 自动化自动化 141 学生姓名：学生姓名： 学学 号：号： 指导教师：指导教师： 设计时间：设计时间： 2016.06.202016.07.01 教师评语：成绩 评阅教师 日期 多功能数字钟的电路设计报告一、设计任务及要求本课程设计的基本任务，通过指导学生循序渐进地独立完成数字电路 的设计任务，加深学生对理论知识的理解，有效地提高了学生的动手能力，独立分析问题、解决问题能力，协调能力和创造性思维能力。侧
2、重提高学生在数字电路应用方面的实践技能，树立严谨的科学作风，培养学生综合运用理论知识解决实际问题的能力。学生通过电路的设计、安装、调试、整理资料等环节，初步掌握工程设计方法和组织实践的基本技能，逐步熟悉开展科学实践的程序和方法。设计要求：1.时钟显示功能，能够以十进制显示“时”、“分”、“秒”。2.具有校时功能，可分别对“时”、“分”进行单独校时。3.能用硬件成功实现以上各功能。4.具有整点自动报时功能，整点前的 6s自动发出鸣叫声，步长 1s，每 1s鸣叫一次，前五响是低音，最后一响为高音。二、设计的作用、目的数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确
3、性和直观性，且无机械装置，具有更更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。数字钟从原理上讲是一种典型的数字电路，其中包括了组合逻辑电路和时序电路 。因此，我们此次设计与制做数字钟就是为了了解数字钟的原理，从而学会制作数字钟.而且通过数字钟的制作进一步的了解各种在制作中用到的中小规模集成电路的作用及实用方法.且由于数字钟包括组合逻辑电路和时叙电路.通过它可以进一步学习与掌握各种组合逻辑电路与时序电路的原理与使用方法。掌握数字钟的设计、组装与调试方法。熟悉集成电路的使用方法。三、设计过程1.方案设计与论证1.1 系统设计思路能按时钟功能进行小时、分钟、秒计时，能调时调分，能整点报时，使用 3 个 2
4、位数码管显示。 1.2 总体方案系统原理框图数字钟实际上是一个对标准频率（1HZ）进行计数的计数电路。由于计时 的过程中必然会产生一定的误差，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。通常使用石英晶体振荡器电路构成数字钟。图 1 所示为数字钟的一般构成框图。图 1 系统原理框图该系统的工作原理是：振荡器产生的稳定高频脉冲信号，作为数字钟的时间基准，再经过分频器输出标准秒脉冲。秒计数器计满 60 后向分计数器进位，分计数器计满 60 后向小时计数器，小时计数器采用 12 进制计数，并通过一 LED 来提示上下午。计数器的输出经译码器送显示器。计时出现误差时可以用
5、标准时电路进行校时、校分、校秒。扩展电路（整点报时系统）在主体电路正常运行的情况下才能进行扩展。1.3 振荡器电路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计时的准确程度。方案一：振荡器的频率越高，计时精度越高。通常选用石英晶体构成振荡器电路（如图 2）。石英晶体振荡器的作用是产生时间标准信号。因此，一般采用石英晶体振荡器经过分频得到这一时间脉冲信号。图 2 石英晶体振荡器图如果精度要求不高刚也可以采用由集成逻辑门与 R、C 组成的时钟源振荡器或由集成电路定时器 555 与 R、C 组成的多谐振荡器。方案二：由集成逻辑门与 RC 组成的时钟源振荡器。图 3 门电路组成的多谐
6、振荡器图石英晶体振荡电路:采用的 32768 晶体振荡电路,其频率为 32768Hz,然后再经过 15 分频电路可得到标准的 1Hz 的脉冲输出.R 的阻值,对于 TTL 门电路通常在 0.72K 之间;对于 CMOS 门则常在 10100M 之间。由门电路组成的多谐振荡器的振荡周期不仅与时间常数 RC 有关，而且还取决于门电路的阈值电压 VTH，由于 VTH容易受到温度、电源电压及干扰的影响，因此频率稳定性较差，只能用于对频率稳定性要求不高的场合。综上分析，选择方案一，用 555 组成的脉冲产生电路做为信号源，它工作稳定而且误差较小，在此课设中可以较好的满足要求。1.4 分频器电路分频器的功
7、能主要有两个：一是产生标准秒脉冲信号；二是提供功能扩展电路所需要的信号，如仿电台报时用的 1KHz 的高音频信号和 500KHz 的低音频信号等。因此，可以选用 3 片我们较熟悉的中规模集成电路计数器 74LS90 可以完成上述功能。因每片为 1/10 分频，3 片级联则可获得所需要的频率信号，即每 1 片 Q0 端输出频率为 500Hz,每 2 片 Q3 输出为 10Hz，每 3 片的 Q3 端输出1Hz。1.5 时间计数器电路一般采用 10 进制计数器来实现时间计数单元的计数功能。为减少器件使用数量，可选 74LS90，其内部逻辑框图如图 4 所示。该器件为双 2-5-10 异步计数器，并
8、且每一计数器均提供一个异步清零端（高电平有效）。图 4 74LS90 内部逻辑框图秒个位计数单元为 10 进制计数器，无需进制转换，只需将0与W（下降沿有效）相连即可。R（下降沿有效）与 1Hz 秒输入信号相连，可作为向上的进位信号与十位计数单元的R相连。秒十位计数单元为 6 进制计数器，需要进制转换,可以利用 74LS90 的有两个清零端的特点，在不用门电路的情况下实现 10 进制转 6 进制，具体电路见下面设计图。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。时计数单元电路是一个“12 翻 1”的特殊进制计数器，即当数字钟运行到12 时 59 分 59 秒，秒的个位计
9、数器再输入一个脉冲时，数字钟应自动显示 01时 00 分 00 秒，实现日常生活习惯用的计时规律。选用 74LS192 和 74LS74 实现。74LS192 实现时个位的十进制，74LS74 实现时十位的二进制，电路如图 8 所示。1.6 译码驱动及显示单元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。用于驱动 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，其输出是 OC 门输出且低电平有效，专用于驱动LED 七段共阴极显示数码管。如图 9 所示。若将“秒”、“分”、“时”计数器的每位输出分别接到相应七
10、段译码器的输入端，便可进行不同数字的显示。1.7 校时电路：方案一：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 5 所示为所设计的校时电路。图 5 方案一校正电路图方案二：方案二与方案一相比，在开关两边多了 0.01uf 的电容防抖动。图 6 方案二校正电路图通过比较可知，方案二比方案一多了防抖动的措施，稳定性更好，所以选择方案二，既能实
11、现防抖动功能，做出事物也更经济一些。1.8 整点自动报时功能的设计整点自动报时功能的电路的设计要求是：每当数字钟计时块要到正点时发出声响，通常按照 5 低音 1 高音的顺序发出声响，以最后一声高音结束的时刻为正点时刻。 自动正点报时的电路如图 7 所示。这里采用的都是 TTL 与非门，如果用其他器件，则报时电路还会简单一些。图 7 自动报时电路设 5 声低音（约 500Hz）分别发生在 59 分 54 秒，55 秒，56 秒，57 秒和 58 秒，最后一声高音（约 1KHz）发生在 59 分 59 秒，它们的持续时间均为 1 秒。如表 1 所示CP/sQ3s1Q2s1Q1s1Q0s1功能500
12、000510001520010530011540100鸣低音550101鸣低音560110鸣低音570111鸣低音581000鸣低音591001鸣高音001010停表 1 秒个位计数器的状态2.单元电路设计、参数计算和元器件的选择2.1 时间脉冲产生电路的设计图 8 产生 1Hz 时间脉冲的电路图555 构成振荡电路和 74LS90 构成分频电路。如图 8，555 输出 1KHz 的脉冲，三片 74LS90 级联分频即可得 500Hz 和 1Hz 信号。2.2 计数电路的设计秒、分计数器为 60 进制计数器。小时计数器为 12 进制计数器。实现这两种模数的计数器采用中规模集成计数器 74LS9
13、0，74LS192 和 74LS74。60 进制计数器的设计“秒”计数器电路与“分”计数器电路都是 60 进制，它由一级 10 进制计数器和一级 6 进制计数器连接构成。如图 9 所示由 74LS90 构成的 60 进制计数器。首先将两片 74LS90 设置成十进制加法计数器，将两片计数器并行进位则最大可实现 100 进制的计数器。现要设计一个 60 进制的计数器，可利用“反馈清零”的方法实现。因为 74LS90 有两个异步清零端 R0（1）他 R0（2），分别用十位端人 Q2 和 Q0 与他们相连，当计数器输出“2Q32Q22Q12Q0、1Q3Q2Q1Q0=0110、0000”时，通过门电路
14、形成一置数脉冲，使计数器归零，这样可以不用门电路实现 60 进制计数器。图 9 60 进制电路图12 进制计数器的设计同理，将 D 触发器的输出和 74LS192 的 Q1 和 Q0 输入到四输入的与非门，输出端输入到 D 触发器靖零 R 端和 74LS192 的置数端 PL，当个位计数状态为“Q3Q2Q1Q0=0011”，十位计数器状态为“Q=1”时，D 触发器归零，74LS192 计数器归一。计时器刚开始工作时时会显示“02”，图中开关用于清零，然后用手动调到“01”即可正常工作。图 10 12 进制计数器图2.3 译码及驱动显示电路译码电路的功能是将“秒”、“分”、“时”计数器的输出代码
15、进行翻译，变成相应的数字。用于驱动 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，其输出是 OC 门输出且高电平有效，专用于驱动LED 七段共阴极显示数码管。由 74LS48 和 LED 七段共阳数码管组成的一位数码显示电路如图 11 所示。若将“秒”、“分”、“时”计数器的每位输出分别接到相应七段译码器的输入端，便可进行不同数字的显示。图 11 译码及驱动显示电路图2.4 校时电路的设计校时电路用于调节时间。一个开关来实现此功能，由于机械开关在接通时会产生抖动现象，所以需要加一个去抖动电路，可以用 4013 芯片实现。电路如图 12， 图中，
16、去机械开关抖动电路输出信号与秒位进位信号加一个或门，作为分位的时钟信号。图 12 去抖动校时电路来自秒位的进位信号分位时钟信号分位时钟信号2.5 整点自动报时电路根据要求，电路应在整点前 6 秒钟内开始整点报时，即当时间在 59 分 54秒到 59 分 59 秒期间时，报时电路报时控制信号。当时间在 59 分 54 秒到 59分 59 秒期间时，分十位、分个位和秒十位均保持不变，分别为 5、9 和 5，因此可将分计数器十位的 Q和 Q 、个位的 Q和 Q及秒计数器十位的 Q和Q相与，从而产生报时控制信号。选蜂鸣器为电声器件，蜂鸣器是一种压电电声器件，当其两端加上一个直流电压时就会发出鸣叫声，两个输入端是极性的，其较长引脚应与高电位相连，图 13 的三极管时为了驱动蜂鸣器。图 13 报时电路图3.电路的安装与
