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1、1.绪论1.1 设计背景及意义随着科技的发展与进步，数字电子技术得到广泛的发展和应用。现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力的推动了社会生产力的法阵和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。数字时钟已成为人们日常生活中不可少的必需品，广泛用于公共领域和办公场所。由于数字电子产品的体积小、携带方便、功耗小、性能比较稳定精准等优点，因此在市场上受到人们的青睐。电子时钟是是人们日常生活中常用的计时工具，而数字电子钟又有其体积小、重量轻、走势准确、结构简单、耗能小等优点而在生活中被广泛应用，因此本次设计就用数字集成电路和一些简单的逻辑门电路来设计一个
2、数字式电子钟，使其完成时间的显示功能。数字式电子时钟采用数字电路实现对“时” 、 “分” 、 “秒”数字显示的计时装置。具有时间显示、走时准确、显示直观、精准、稳定等优点，电路装置十分小巧，安装使用也方便，同时在日常生活中，它以其小巧、价格低廉，走时精度高，使用方便，便于操作而受到广大消费者的喜爱。1.2 设计内容及要求通过一个学期的数字电子技术基础的学习运用所学知识来设 计电子时钟以做到实践运用，要求使用集成块制作出具有显示时、 分、秒的数字电子钟。数字电子钟的功能要求：以数字形式显示时、分、秒的时间，小 时设计要求为 24 进制，分和秒设计要求为 60 进制。用三块面包板 分别设计出时、分
3、、秒，并运用已有知识把三块面包板完成级联。2 总体设计方案2.1 原理分析1、石英晶体多谐振荡器能产生标准脉冲。利用石英晶体多谐振荡器产生 1 HZ 标准脉冲；2、 “秒电路” 、 “分电路”均为 00-59 的六十进制计数、译码、显示电路；3、 “时电路”为 00-23 的二十四进制计数、译码、显示电路。2.2 系统框图数字电子钟的电路组成方框图如图 2.1 所示。它包括秒发生器电路、计数电路、译码显示电路、校时电路等四个部分组成。其中发生器电路、校时电路、二部分尤为重要。由秒发生器电路产生周期为一秒的方波，然后与校时电路共同控制计数电路，正常计时的时候，由秒发生器电路触发计数电路计数。再通
4、过译码器驱动数码管显示时间。当数码管显示时间与标准时间有偏差时，打开校时电路，进行调节。如图 2.23、硬件电路设计3.1 秒脉冲电路设计脉冲发生器是数字钟的核心部分，它的精度和稳定度决定了数字钟的质量。我们通过 555 定时器产生秒脉冲。秒信号发生电路由集成电路 555 定时器与 RC 组成的多谐振荡器构成。如图 3.1 所示，输出脉冲周期根据：可得我们所用组件得到的输121212(2)ln20.7(2)TTTRR CRR C出周期大约为 1.05s，可用作时钟的秒脉冲发生器3.2 计数电路设计图 2.2 数字电子钟框图3.2.1 分秒计数电路设计分秒计数器都是采用 74LS-4511B 芯
5、片、74LS-4518 芯片和74LS-08 芯片构成的十进制和六进制加法计数器来实现分秒计数器的六十进制计数，74LS-4511B 是一种 4 位十进制加法计数器，通过引脚 6 和 74LS-4518 引脚 14 回馈 74LS-4518 引脚 2 触发置数可构成一个十进制加法计数器，74LS-4518 是一种双 D 二十进制触发器，对 74LS-4518 引脚 4、5 和引脚 7 回馈置数可构成一个六进制加法计数器，十 进制端可通过进位来给六进制加法计数器提供脉冲，从而实现六十进制加法计数器。我们使用气的是七段共阴极数码管显示，并且每段串联一个 1k 的色环电阻对数码管进行保护，利用各芯片
6、的不同功能进项级联、回馈从而实现分秒的六十进制的电路系统。3.2.2 时计数电路设计时位计数器属于二十四进制，我们用的是两个 74LS-4511 芯片（a、b） ，一个 74LS-4518 芯片和 74LS-08 芯片组合构成。利用 4511（a）的脚 1 和 4511（B）的 2 脚过与门回馈 4518 的脚 7和脚 15 实现总体的 24 进制。3.3 译码及显示电路设计分段式显示器（LED 数码管，如图 3.3.1）由七条线段围成的8 字形，每一段包含一个发光二极管。外加正向电压时二极管导通，发出清晰地光。只要按规律控制各段发光二极管的亮、灭，就可以实现各种字形形成符号或字形。LED 数
7、码管有共阳极、共阴极之分。共阴极的使用较为普遍，原理图如图 3.3.2 所示。BCD 七段数码管的输入时一位 BCD 码（以 D、C、B、A 表示） ，输出是数码管各段的驱动信号（以 Fa-Fg 表示） ，也称 47 译码器。若用它驱动 共阴极数码管，则输出应为高电平有效，即输出为高 1 时，相应的显示段发光。根据组成 0-9 这十个字形的要求可以列出 8421BCD 七段译码器的真值表，见表 3.3.1（未用数码组省略） 。图 3.3.1 BCD 共阴极数码管 图 3.3.1BCD 共阴极数码管原理图4.软件仿真4.1 秒脉冲电路仿真时基电路我们是用 555 多谐振荡器组成，利用电容和电阻的
8、表 3.3.1 BCD 七段译码器真值表特性配合 555 多谐振荡器产生标准的 1 秒脉冲， 利用 protuse进行模拟仿真如图 4.1.1 所示；图 4.1.1 秒脉冲仿真4.2 计数电路仿真4.2.1 分秒计数电路仿真分计数显示电路与秒电路计数显示完全相同，用到的原件都是 74LS-4511 和 74LS-4518，另外还用到 08 芯片的一个与门，分秒计数电路仿真如图 4.2.1 所示A7B1C2D6LT3BI4LE/STB5QA13QB12QC11QD10QE9QF15QG14U1 4511A7B1C2D6LT3BI4LE/STB5QA13QB12QC11QD10QE9QF15QG1
9、4U2 4511CLK1E2MR7Q03Q14Q25Q36U3:A 4518CLK9E10MR15Q011Q112Q213Q314U3:B4 4518BAT2115V910 8U6:C 74LS08图 4.2.1 分秒计数电路仿真4.2.2 时计数电路仿真A7B1C2D6LT3BI4LE/STB5QA13QB12QC11QD10QE9QF15QG14U14511A7B1C2D6LT3BI4LE/STB5QA13QB12QC11QD10QE9QF15QG14U24511CLK1E2MR7Q03Q14Q25Q36U3:A4518CLK9E10MR15Q011Q112Q213Q314U3:B4518
10、BAT15V12 3U5:A74LS08图 4.2.2 时显示器电路仿真图时计数电路的设计我们用的是两个 74LS-4511B（a、b）芯片和一个双 D 触发器 74LS-4518 芯片，另外利用 74LS-00 芯片的与非门进行反馈，使显示器的十位端为二十四进制，时显示器的个位端为十进制计数，并且利用芯片 74LS-4511（b）的脚 6 与芯片74LS-4518 的脚 2 进行级联，将其到达 9 跳 0 时产生的下降沿作为时显示器十位端的触发脉冲进行计数。同理利用其由 4 跳 0 和十位端的显示 2 时共同回馈，从而实现各位能够由 0 跳至 9 跳0，再由 0 跳至 9 跳 0，最后由 9
11、 跳 0 至 4 跳 0。显示器的十位端为二进制计数。我们利用芯片 74LS-4511（a）的输入端脚 1 和脚 2 配合使用与非门回馈到芯片 74LS-4518 的脚 7 产生高电平，从而实现显示器的十位是二进制计数。时显示器电路仿真图如图 4.2.2 二十四进制计数器。4.3 译码及显示电路仿真这里我们用芯片 74LS-4511B 进行译码显示，译码电路如图4.3.1 所示，显示电路仿真如图 4.3.2 所示。图 4.3.1 译码电路仿真图图 4.3.2 显示仿真图4.4 总体电路仿真电子时钟的总体系统仿真我们是把分秒电路仿真系统级联后，再与电子钟的时电路级联后进行仿真。其电路原理图和仿真
12、如图 4.4.1 和图 4.4.2 所示：A7B1C2D6LT3BI4LE/STB5QA13QB12QC11QD10QE9QF15QG14U1 4511A7B1C2D6LT3BI4LE/STB5QA13QB12QC11QD10QE9QF15QG14U2 4511CLK1E2MR7Q03Q14Q25Q36U3:A 4518CLK9E10MR15Q011Q112Q213Q314U3:B4 4518BAT2115V910 8U6:C 74LS08A7B1C2D6LT3BI4LE/STB5QA13QB12QC11QD10QE9QF15QG14U1 4511A7B1C2D6LT3BI4LE/STB5QA
13、13QB12QC11QD10QE9QF15QG14U2 4511CLK1E2MR7Q03Q14Q25Q36U3:A 4518CLK9E10MR15Q011Q112Q213Q314U3:B4 4518BAT2115V910 8U6:C 74LS08A7B1C2D6LT3BI4LE/STB5QA13QB12QC11QD10QE9QF15QG14U11 4511A7B1C2D6LT3BI4LE/STB5QA13QB12QC11QD10QE9QF15QG14U21 4511CLK1E2MR7Q03Q14Q25Q36U3:A1 4518CLK9E10MR15Q011Q112Q213Q314U3:B1 4
14、518BAT11 5V12 3U5:A11 74LS08图 4.4.1 电子时钟原理图图 4.4.2 电子时钟总体仿真图5 硬件调试5.1 分计数器电路调试分计数器电路的硬件连接是在面包板上连接实现的，图5.1.1 是硬件连接图，图 5.1.2 是硬件调试图。图 5.1.1 分计数器硬件的连线图 5.1.2 分计数器硬件的调试5.2 秒计数电路调试由于秒与分的硬件连线完全相同，此处省略了秒计数器的连线图，只附有硬件调试图，如图 5.2.1 所示。图 5.2 秒显示器的硬件调试5.3 时计数电路调试图 5.3 时显示器的硬件调试5.4 整体调试图 5.4 电子钟硬件整体调试总结在本次课程设计过程
15、中，不仅仅体会到数字电子技术的乐趣，更多的是这门学科给我们带来的知识和认知。在这次设计中我也得到了很多体会，在设计中因为不够认真导致在排线过程中出现许多错误，在调试中因为元器件的损坏也为课程设计带来了诸多问题。但是通过自己的亲身设计，熟悉了如 74LS-4518、74LS-4511、74LS08 等芯片的结构及掌握了 74LS-4518、74LS-4511、74LS08 等芯片的工作原理和其具体的使用方法。也锻炼了自己独立思考问题的能力和通过查看相关资料来解决问题的习惯。虽然这是一次简单的课程设计，但通过这次课程设计我们了解了课程设计的一般步骤，和设计中应该注意的问题。我们学习了数字电子电路和
16、模拟电子电路，对电子技术有了一些初步了解，但那都是一些理论的东西。通过这次数字电子钟的课程设计，我才把学到的东西与实践相结合。从中对我学的知识有了更进一步的理解。在此次的数字钟设计过程中，更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和具体的使用方法。也锻炼了自己独立思考问题的能力和通过查看相关资料来解决问题的习惯。虽然这只是一次简单的课程设计，但通过这次的课程设计我们了解了课程设计的一般步骤，和设计中应该注意的问题。设计本身并不是有很重要的意义，而是对待问题时的态度和处理事情的能力。设计的过程，设计的思想和设计电路中的每一个环节，电路中的各个部分的功能是如何实现的。各个芯片能够完成什么样的功能，使用芯片时应该注意哪些要点。同一个电路可以用哪些芯片实现，各个芯片实现同一个功能的区别。在这次设计过程中，我也对 proteus、word、画图等软件有了更进一步的了解，这使我在以后的学习过程中更加得心应手。实验中，借助仿真软件，不仅可以把课堂中所学到的知识，直接加以运用，而且还可以把各个分离的知识点组合为一个整体。使自己在专业知识和动手能力上有了很大的提
