1、電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)數(shù)字電子時(shí)鐘學(xué) 院：計(jì)算機(jī)學(xué)院專業(yè)：電子信息科學(xué)技術(shù) 成員：姚俊 2012142219曹勤2012142216指導(dǎo)教師 ：陳明一、題目要求：設(shè)計(jì)一個(gè)能校準(zhǔn)時(shí)、分的數(shù)字電子時(shí)鐘，要求： (1)時(shí)鐘的“時(shí)”“分”、“秒”要求各用兩位顯示；（2）顯示采用六只LED數(shù)碼管分別顯示時(shí)分秒；（3）時(shí)間的小時(shí)、分鐘可手動(dòng)調(diào)整；（4）采用+5V電源供電。二、設(shè)計(jì)原理1、由石英晶體多諧振蕩器或555定時(shí)器和分頻器產(chǎn)生1HZ標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖。2、“秒”、“分”電路均為0059的六十進(jìn)制計(jì)數(shù)、譯碼、數(shù)碼管顯示電路； 3、“時(shí)電路”為0023的二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)、譯碼、顯示電路；4、由與非門(mén)控制電路來(lái)校正“時(shí)”

2、、“分”電路。 （圖2.1）三、設(shè)計(jì)思路 根據(jù)題目，我們可以分析出：數(shù)字電子鐘是由多塊數(shù)字集成電路構(gòu)成的，其中有振蕩器，分頻器，校時(shí)電路，計(jì)數(shù)器，譯碼器和顯示器六部分組成。振蕩器和分頻器組成標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)發(fā)生器，不同進(jìn)制的計(jì)數(shù)器產(chǎn)生計(jì)數(shù)，譯碼器和顯示器進(jìn)行顯示，通過(guò)校時(shí)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)，分的校準(zhǔn)。1.秒脈沖發(fā)生信號(hào)：振蕩器又包括由集成電路555與RC組成的多諧振蕩器，用石英晶體構(gòu)成的振蕩器，兩種方案如下圖所示：（1）由555定時(shí)器與RC構(gòu)成的多諧振蕩器， 由頻率計(jì)算公式可知： （公式1）R3為可調(diào)電位器，調(diào)節(jié)R3可使輸出的頻率為1khz。電路如下圖所示： （圖3.1）產(chǎn)生的波形如下圖所示： （圖3.2

3、）（圖3.3）綜上所述，一般來(lái)說(shuō)，振蕩器的頻率越高，計(jì)時(shí)的精度就越高。因?yàn)楸倦娐穼?duì)精度沒(méi)有較高的要求，因此，我們選用由集成電路555與RC組成的多諧振蕩器。2、分頻電路（1）利用來(lái)實(shí)現(xiàn)分頻，74LS90為中規(guī)模TTL集成計(jì)數(shù)器，可實(shí)現(xiàn)二分頻、五分頻和十分頻等功能，它由一個(gè)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器和一個(gè)五進(jìn)制計(jì)數(shù)器構(gòu)成。電路圖如下所示：（圖3.4）以上的兩個(gè)7490N構(gòu)成了25分頻電路將三個(gè)74ls90級(jí)聯(lián)即可實(shí)現(xiàn)=1000分頻。其中脈沖發(fā)生信號(hào)從第一個(gè)74ls90的14端口進(jìn)入，從最后的計(jì)數(shù)器11端口輸出的即為1hz的方波信號(hào)。（2）也可利用十進(jìn)制計(jì)數(shù)74160來(lái)分頻，或者是二進(jìn)制計(jì)數(shù)器74ls161來(lái)分

4、頻，原理都是把計(jì)數(shù)器利用反饋清零或反饋置數(shù)接成十進(jìn)制，然后級(jí)聯(lián)即可。3、計(jì)時(shí)電路模塊：將其分為“時(shí)”，“分”，“秒”三個(gè)分模塊，然后將其級(jí)聯(lián)起來(lái)便可達(dá)到要求。電路圖如下：（1）“時(shí)”模塊：（3.5）利用74ls08與門(mén)反饋均接到兩個(gè)計(jì)數(shù)器的置零端、，74ls90為同步清零，則應(yīng)74ls08接成“24”來(lái)實(shí)現(xiàn)二十四進(jìn)制。（2）“分”模塊：（3.6）同樣利用74ls08同步清零法來(lái)實(shí)現(xiàn)六十進(jìn)制。（3）同分鐘一樣的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)“秒”模塊。5、校正電路模塊數(shù)字鐘啟動(dòng)后,每當(dāng)數(shù)字鐘顯示與實(shí)際時(shí)間不符時(shí),需要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間進(jìn)行校時(shí)。校“秒”時(shí)，采用等待校時(shí)。校“分”、“時(shí)”的原理比較簡(jiǎn)單， 采用加速校時(shí)。對(duì)校

5、時(shí)電路的要求是 :1）在小時(shí)校正時(shí)不影響分鐘和秒的正常計(jì)數(shù) 。2）在分校正時(shí)不影響秒和小時(shí)的正常計(jì)數(shù) 。 工作情況為：不校正時(shí)，J1和J2都閉合，正常計(jì)時(shí)。校正時(shí)位時(shí)， J2斷開(kāi)，J3往下打，輸入快速脈沖自動(dòng)校時(shí)；校正分位時(shí)，J1斷開(kāi)，J3上打，輸入快速脈沖自動(dòng)校時(shí)。校正秒位時(shí)，J9往左打，輸入快速脈沖自動(dòng)校時(shí)。6、報(bào)時(shí)模塊根據(jù)要求，報(bào)時(shí)時(shí)間為第50、52、54、56、58、00秒，因此首先將分鐘的59與秒鐘50、52、54、56、58相與（信號(hào)1），秒鐘個(gè)位連接參照卡洛圖如下：1001100100001000從卡諾圖可得出，要是輸出的0,2,4,6,8為有效信號(hào)，L=AD+BCD=(A+D)

6、+(B+C+D)連接如全圖所示。然后再讓時(shí)針的進(jìn)位信號(hào)與L相或，記得到標(biāo)準(zhǔn)蜂鳴器電路輸入信號(hào)（NPN基極信號(hào)）。四總體方案 本電路是以555定時(shí)器組成多諧振蕩器作為頻率發(fā)生器，多諧振蕩器產(chǎn)生1000HZ的振蕩波，經(jīng)過(guò)分頻器分頻，分解成1HZ的脈沖波，隨后經(jīng)過(guò)秒計(jì)數(shù)器，秒計(jì)時(shí)器是60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到60時(shí)產(chǎn)生進(jìn)位脈沖，到分計(jì)數(shù)器。分計(jì)數(shù)器也是60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，當(dāng)分計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到60時(shí)，再次產(chǎn)生更高一級(jí)的進(jìn)位脈沖，脈沖送到時(shí)計(jì)數(shù)器，實(shí)現(xiàn)了分向時(shí)的進(jìn)位。當(dāng)需要進(jìn)行校時(shí)時(shí)，打開(kāi)對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)，進(jìn)行對(duì)應(yīng)位置上的校時(shí)，此時(shí)計(jì)數(shù)進(jìn)位脈沖無(wú)效。而計(jì)數(shù)器的工作是通過(guò)外接時(shí)鐘脈沖CP的作用下,秒的個(gè)位加法計(jì)數(shù)器

7、開(kāi)始記數(shù)，通過(guò)譯碼器和數(shù)碼顯示管顯示數(shù)字即計(jì)數(shù)器。當(dāng)經(jīng)過(guò)10個(gè)脈沖信號(hào)后，秒個(gè)位計(jì)數(shù)器完成一次循環(huán)，秒十位計(jì)數(shù)器的CP與秒個(gè)位計(jì)數(shù)器的CP同步,秒十位開(kāi)始計(jì)數(shù)，秒十位計(jì)數(shù)器工作1次，通過(guò)譯碼器和數(shù)碼顯示管，秒十位數(shù)字加1。當(dāng)經(jīng)過(guò)60個(gè)脈沖信號(hào)，秒部分電路完成一個(gè)周期，分鐘個(gè)位計(jì)數(shù)器的CP通過(guò)秒十位計(jì)數(shù)器的Q2Q1與非得到脈沖，分鐘個(gè)位計(jì)數(shù)器工作一次，通過(guò)譯碼器和數(shù)碼顯示管，分鐘的個(gè)位數(shù)字加1。分部分的工作方式與秒部分電路完全相同。當(dāng)經(jīng)過(guò)3600個(gè)脈沖信號(hào)，分鐘部分電路完成一個(gè)周期，小時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)器的CP通過(guò)分十位計(jì)數(shù)器的Q2Q1與非得到脈沖，小時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)器工作一次，通過(guò)譯碼器和數(shù)碼顯示管，小時(shí)的

8、個(gè)位數(shù)字加1。當(dāng)小時(shí)個(gè)位部分完成一個(gè)周期，小時(shí)十位計(jì)數(shù)器的CP與小時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)器的CP同步,小時(shí)十位開(kāi)始計(jì)數(shù)，小時(shí)十位計(jì)數(shù)器工作1次，通過(guò)譯碼器和數(shù)碼顯示管，小時(shí)的十位數(shù)字加1。當(dāng)小時(shí)十位部分計(jì)數(shù)到2同時(shí)小時(shí)的個(gè)位部分計(jì)數(shù)到4，小時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)器的清零端和十位計(jì)數(shù)器的清零端通過(guò)小時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)器的Q2和小時(shí)十位計(jì)數(shù)器的Q1與非得到信號(hào)，小時(shí)部分清零，從而完成了1次24小時(shí)計(jì)時(shí)。五具體實(shí)現(xiàn)由圖我們可以看出，振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)分頻器作為產(chǎn)生秒脈沖，秒脈沖送入計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)結(jié)果經(jīng)過(guò)“時(shí)”、“分”、“秒”，譯碼器，顯示器顯示時(shí)間。其中振蕩器和分頻器組成標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)發(fā)生器，由不同進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，譯碼器和顯示電路組

9、成計(jì)時(shí)系統(tǒng)。秒信號(hào)送入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，把累計(jì)的結(jié)果以“時(shí)”、“分”、“秒”的數(shù)字顯示出來(lái)。“時(shí)”顯示由二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器，譯碼器，顯示器構(gòu)成；“分”、“秒”顯示分別由六十進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，譯碼器，顯示器構(gòu)成；校時(shí)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)，分的校準(zhǔn)。六各部分定性說(shuō)明以及定量計(jì)算1.振蕩器秒發(fā)生電路-振蕩器是計(jì)時(shí)器的核心，振蕩器的穩(wěn)定度和頻率的精確度決定了計(jì)時(shí)器的準(zhǔn)確度。一般來(lái)說(shuō)，振蕩器的頻率越高，計(jì)時(shí)精度就越高，但耗電量將越大。所以，在設(shè)計(jì)電路時(shí)要根據(jù)需要而設(shè)計(jì)出最佳電路。在此設(shè)計(jì)中，我采用的是精度不高的，由集成電路555與RC組成的多諧振蕩器。555定時(shí)器是一個(gè)模擬與數(shù)字混合型的集成電路。555定時(shí)器是一種應(yīng)用

10、極為廣泛的中規(guī)模集成電路。該電路使用靈活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以構(gòu)成單穩(wěn)、多諧和施密特觸發(fā)器。因而廣泛用于信號(hào)的產(chǎn)生、變換、控制與檢測(cè)。 目前生產(chǎn)的定時(shí)器有雙極型和CMOS兩種類型，其型號(hào)分別有NE555(或5G555)和C7555等多種。它們的結(jié)構(gòu)及工作原理基本相同。通常，雙極型定時(shí)器具有較大的驅(qū)動(dòng)能力，而CMOS定時(shí)器具有低功耗、輸入阻抗高等優(yōu)點(diǎn)。555定時(shí)器工作的電源電壓很寬，并可承受較大的負(fù)載電流。雙極型定時(shí)器電源電壓范圍為516V，最大負(fù)載電流可達(dá)200mA；CMOS定時(shí)器電源電壓范圍為318V，最大負(fù)載電流在4mA以下。左面圖 是555定時(shí)器內(nèi)部組成框圖。它主要由兩個(gè)高

11、精度電壓比較器C1、C2，一個(gè)RS觸發(fā)器，一個(gè)放電三極管和三個(gè)5K電阻的分壓器而構(gòu)成。（圖4.1）它的各個(gè)引腳功能如下：1腳：外接電源負(fù)端VSS或接地，一般情況下接地。8腳：外接電源VCC，雙極型時(shí)基電路VCC的范圍是4.5 16V，CMOS型時(shí)基電路VCC的范圍為3 18V。一般用5V。3腳：輸出端Vo2腳： 低觸發(fā)端6腳：TH高觸發(fā)端4腳： 是直接清零端。當(dāng) 端接低電平，則時(shí)基電路不工作，此時(shí)不論 、TH處于何電平，時(shí)基電路輸出為“0”，該端不用時(shí)應(yīng)接高電平。5腳：VC為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內(nèi)部?jī)蓚€(gè)比較器的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)該端不用時(shí)，應(yīng)將該端串入一只0.01F電容接地，以防引入

12、干擾。7腳：放電端。該端與放電管集電極相連，用做定時(shí)器時(shí)電容的放電。在1腳接地，5腳未外接電壓，兩個(gè)比較器A1、A2基準(zhǔn)電壓分別為 的情況下，其功能如下表：輸入in輸出outVTD任意任意00導(dǎo)通>>10導(dǎo)通<<11截止<>1不變不變（表4.1） 由圖1可知，接通電源后，電容C1被充電，vC上升，當(dāng)vC上升到大于2/3VCC時(shí)，觸發(fā)器被復(fù)位，放電管T導(dǎo)通，此時(shí)v0為低電平，電容C1通過(guò)R2和T放電，使vC下降。當(dāng)vC下降到小于1/3VCC時(shí)，觸發(fā)器被置位，v0翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器C1放電結(jié)束；當(dāng)C1放電結(jié)束時(shí)，T截止，VCC將通過(guò)R1、R2向電容器C1充電；

13、當(dāng)vC上升到2/3VCC時(shí)，觸發(fā)器又被復(fù)位發(fā)生翻轉(zhuǎn)，如此周而復(fù)始，在輸出端就得到一個(gè)周期性的方波，其周期為 ： 。 本設(shè)計(jì)中，由電路圖可知R1和C的值，然后再根據(jù)調(diào)節(jié)R2的值可使得T=1s。2.分頻器分頻器的功能主要有兩個(gè)：一個(gè)是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)；二是提供功能擴(kuò)展電路所需要的信號(hào)，如仿電臺(tái)報(bào)時(shí)用的1kHz的高音頻信號(hào)和500Hz的低音頻信號(hào)等。本設(shè)計(jì)中，由于振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)頻率太高，要得到標(biāo)準(zhǔn)的秒信號(hào)，就需要對(duì)所得的信號(hào)進(jìn)行分頻。這里所采用的分頻電路是由3個(gè)總規(guī)模計(jì)數(shù)器74LS90來(lái)構(gòu)成的3級(jí)1/10分頻。74LS90的引腳圖及其功能圖如下圖所示： 74ls90引腳圖： （圖4.2） 74l

14、s90真值表：（表4.2）輸入量輸出量R01R02R91R92Q3Q2Q1Q01101000011100000不定不定111001至少一個(gè)為0至少一個(gè)為0計(jì)數(shù)十分頻時(shí)：輸入接A，B與相連，從輸出；五分頻時(shí)：輸入接A，B與相連，從輸出；二分頻時(shí)：輸入接A，B與相連，從輸出。（注：一般芯片的NC引腳在應(yīng)用中必須懸空，不允許接任何外圍。因?yàn)镹C腳,可能是懸空的腳，也可能是用于測(cè)試的腳。）3、計(jì)數(shù)器本設(shè)計(jì)所采用的是十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74SL90，根據(jù)時(shí)分秒各個(gè)部分的的不同功能，設(shè)計(jì)成不同進(jìn)制的計(jì)數(shù)器。秒的個(gè)位，需要10進(jìn)制計(jì)數(shù)器，十位需6進(jìn)制計(jì)數(shù)器（計(jì)數(shù)到59時(shí)清零并進(jìn)位），秒部分設(shè)計(jì)與分鐘的設(shè)計(jì)完全相同；

15、時(shí)部分的設(shè)計(jì)為當(dāng)時(shí)鐘計(jì)數(shù)到24時(shí)，使計(jì)數(shù)器的小時(shí)部分清零，從而實(shí)現(xiàn)整體循環(huán)計(jì)時(shí)的功能。計(jì)數(shù)部分：利用74LS90芯片和74LS08芯片組成的計(jì)數(shù)器，它們采用異步連接，利用外接標(biāo)準(zhǔn)1Hz脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。顯示部分： 將六片74LS90的Q0Q1Q2Q3腳分別接到CD4511上的輸入上，根據(jù)脈沖的個(gè)數(shù)顯示時(shí)間。秒信號(hào)經(jīng)過(guò)計(jì)數(shù)器之后分別得到顯示電路，以便實(shí)現(xiàn)用數(shù)字顯示時(shí)、分、秒的要求，計(jì)時(shí)電路共分三部分：計(jì)秒、計(jì)分和計(jì)時(shí)。其中，計(jì)秒和計(jì)分都是60進(jìn)制，而計(jì)時(shí)為24進(jìn)制，可以采用兩個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS90實(shí)現(xiàn)24進(jìn)制、60進(jìn)制計(jì)數(shù)器。（1）六十進(jìn)制計(jì)數(shù)由分頻器來(lái)的秒脈沖信號(hào)，首先送到“秒”計(jì)數(shù)器進(jìn)行

16、累加計(jì)數(shù)，秒計(jì)數(shù)器應(yīng)完成一分鐘之內(nèi)秒數(shù)目的累加，并達(dá)到60秒時(shí)產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)位信號(hào)，所以，選用2片74LS160和一片74LS00組成六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，采用反饋歸零的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)六十進(jìn)制計(jì)數(shù)。其中，“秒”十位是六進(jìn)制，“秒”個(gè)位是十進(jìn)制。 秒的個(gè)位部分為逢十進(jìn)一，十位部分為逢六進(jìn)一，從而共同完成60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，當(dāng)計(jì)數(shù)到59時(shí)清零并重新開(kāi)始計(jì)數(shù)。個(gè)位實(shí)現(xiàn)10進(jìn)制計(jì)數(shù)和進(jìn)位功能，秒的十位在計(jì)數(shù)至0110時(shí)由與非門(mén)反饋清零實(shí)現(xiàn)6進(jìn)制。注：分鐘電路設(shè)計(jì)與秒電路完全相同。（2）二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器：選用2片74LS90和一片74LS08組成24進(jìn)制計(jì)數(shù)器，采用反饋歸零的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)24進(jìn)制計(jì)數(shù)。當(dāng)十位為0010且個(gè)位

17、為0100時(shí)利用74ls08與門(mén)使兩芯片異步清零。4.顯示器本實(shí)驗(yàn)采用七段顯示器5.校正時(shí)、分當(dāng)數(shù)字鐘走時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí)，需要校正時(shí)間。校時(shí)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)“時(shí)”“分”“秒”的校準(zhǔn)。在電路中設(shè)有正常計(jì)時(shí)和校對(duì)位置。本實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)“時(shí)”“分”的校對(duì)。6.電路整點(diǎn)報(bào)時(shí)。七實(shí)驗(yàn)仿真在電子電路計(jì)算機(jī)仿真軟件Multisim10.0中進(jìn)行調(diào)試和仿真數(shù)字電子鐘，得到的仿真電路圖如附二圖所示。由仿真電路實(shí)驗(yàn)知道了當(dāng)高頻信號(hào)經(jīng)過(guò)分頻器后得到標(biāo)準(zhǔn)的秒脈沖信號(hào)，進(jìn)入60進(jìn)制的“秒”計(jì)時(shí)，“秒”的分位進(jìn)入60進(jìn)制的“分”計(jì)時(shí)，最后，由分的“時(shí)”進(jìn)位進(jìn)入24進(jìn)制的“時(shí)”計(jì)時(shí)。再加上由門(mén)電路和開(kāi)關(guān)構(gòu)成的校時(shí)電路對(duì)電路的“時(shí)”，“分”進(jìn)行校時(shí)，從而