数字电路课程设计多功能数字钟.docx

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数字电路课程设计多功能数字钟

{

学号：

课程设计

】

题目

多功能数字钟的设计制作

学院

专业

通信工程

班级

$

姓名

指导教师

2010年7月2日

}

课程设计任务书

学生姓名：

专业班级：

指导教师：

工作单位：

信息工程学院

（

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进制计数。

③有七段数码显示功能，能显示时、分、秒计时的结果。

④设计提供连续触发脉冲的脉冲信号发生器，

⑤具有校时单元，整点报时单元。

⑥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22~23日，查阅相关资料，学习设计原理。

2、2010年6月24~25日，方案选择和电路设计仿真。

3、2010年6月26~28日，电路调试和设计说明书撰写。

4、2010年7月1日上交课程设计成果及报告，同时进行答辩。

指导教师签名：

年月日

】

系主任（或责任教师）签名：

年月日

>

》

1.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（TexasInstruments）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。

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。

工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。

Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。

通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。

|

EDA就是“ElectronicDesignAutomation”的缩写技术已经在电子设计领域得到广泛应用。

发达国家目前已经基本上不存在电子产品的手工设计。

一台电子产品的设计过程，从概念的确立，到包括电路原理、PCB版图、单片机程序、机内结构、FPGA的构建及仿真、外观界面、热稳定分析、电磁兼容分析在内的物理级设计，再到PCB钻孔图、自动贴片、焊膏漏印、元器件清单、总装配图等生产所需资料等等全部在计算机上完成。

EDA技术借助计算机存储量大、运行速度快的特点，可对设计方案进行人工难以完成的模拟评估、设计检验、设计优化和数据处理等工作。

EDA已经成为集成电路、印制电路板、电子整机系统设计的主要技术手段。

美国NI公司（美国国家仪器公司）的Multisim9软件就是这方面很好的一个工具。

而且Multisim9计算机仿真与虚拟仪器技术（LABVIEW8）（也是美国NI公司的）可以很好的解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一老大难问题。

学员可以很好地、很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来。

并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。

极大地提高了学员的学习热情和积极性。

真正的做到了变被动学习为主动学习。

这些在教学活动中已经得到了很好的体现。

还有很重要的一点就是：

计算机仿真与虚拟仪器对教员的教学也是一个很好的提高和促进。

概述　　●通过直观的电路图捕捉环境,轻松设计电路　　●通过交互式SPICE仿真,迅速了解电路行为　　●借助高级电路分析,理解基本设计特征　　●通过一个工具链,无缝地集成电路设计和虚拟测试　　●通过改进、整合设计流程,减少建模错误并缩短上市时间

直观的捕捉和功能强大的仿真：

NIMultisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。

凭借NIMultisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。

借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。

与NILabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。

3.总体方案的设计与实现

数字钟的原理框图

￥

数字钟实际上是一个对标准频率（1HZ）进行计数的计数电路。

由于计数的起始时间不可能与标准时间（如北京时间）一致，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。

数字钟的原理框图如图1.

各模块功能分析

、

晶体振荡器

晶体振荡器是构成数字式时钟的核心，它保证了时钟的走时准确及稳定。

图2所示电路通过ＣＭＯＳ非门构成的输出为方波的数字式晶体振荡电路，这个电路中，ＣＭＯＳ非门Ｕ１与晶体、电容和电阻构成晶体振荡器电路，Ｕ２实现整形功能，将振荡器输出的近似于正弦波的波形转换为较理想的方波。

输出反馈电 阻Ｒ１为非门提供偏置，使电路工作于放大区域，即非门的功能近似于一个高增益的反相放大器。

电容Ｃ１、Ｃ２与晶体构成一个谐振型网络，完成对振荡频率的控制功能，同时提供了一个１８０度相移，从而和非门构成一个正反馈网络，实现了振荡器的功能。

由于晶体具有较高的频率稳定性及准确性，从而保证了输出频率的稳定和准确。

晶体XTAL的频率选为32768HZ。

该元件专为数字钟电路而设计，其频率较低，有利于减少分频器级数。

从有关手册中，可查得C1、C2分别为20pF，和200PF当要求频率准确度和稳定度更高时，还可接入校正电容并采取温度补偿措施。

由于CMOS电路的输入阻抗极高，因此反馈电阻R1可选为20MΩ。

较高的反馈电阻有利于提高振荡频率的稳定性。

晶体振荡器电路如图. 

图晶体振荡器

分频器电路

通常，数字钟的晶体振荡器输出频率较高，为了得到１Ｈz的秒信号输入，需要对振荡器的输出信号进行分频。

通常实现分频器的电路是计数器电路，一般采用多级2进制计数器来实现。

例如，将32767Ｈz的振荡信号分频为１ＨZ的分频倍数为32767（2１５），即实现该分频功能的计数器相当于１5极2进制计数器。

本实验中采用CD4060来构成分频电路。

CD4060在数字集成电路中可实现的分频次数最高，而且CD4060还包含振荡电路所需的非门，使用更为方便。

CD4060计数为最高为１4级2进制计数器，可以将32767ＨZ的信号分频为2ＨZ，而经过74LS90可以将它分为1HZ的信号。

如图3所示，可以直接实现振荡和分频的功能。

（1）集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器:

?

如果精度要求不高也可以采用集成逻辑门与RC组成的时钟振荡器或由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器。

这里设振荡频率为f=1Hz:

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500Hz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。

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8421BCD码。

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Ｑ0与CP1（下降沿有效）相连即可。

CP0（下降没效）与1HZ秒输入信号相连，Ｑ3可作为向上的进位信号与十位计数单元的CP1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Ｑ2可作为向上的进位信号与分个位的计数单元的CP0相连。

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，也是分个位计数单元的Ｑ3作为向上的进位信号应与分十位计数单元的CP0相连，分十位计数单元的Ｑ2作为向上的进位信号应与时个位计数单元的CP0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。

》

12进制计数器电路

60进制计数器电路

译码驱动及显示单元

计数器实现了对时间的累计以8421BCD码形式输出，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。

>

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。

校时电路

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74HC30，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。

整点报时电路

]

4.电路的安装与调试

在完成了理论设计的基础上，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（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Internet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）

图

（1）

图

（2）

：

图（3）

图（4）

&

图（5）

6.元件清单

74LS集成块

6块

>

电阻

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、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。

—

（1）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。

（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、EPROM、E2PROM、RAM、可编程逻辑阵列PAL、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20～50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

各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作逐一比较，并考虑各种元器件的来源，最后敲定一种可行的方案。

　　3．设计各子系统（或单元电路）

　　将总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，然后逐个进行设计。

　　每一子系统一般均能归结为组合电路与时序电路两大类，这些电路的设计方法在基础教材中已作详细论述，这里不另说明。

在设计时，应尽可能选用合适的现成电路，芯片的选用应优先使用中、大规模电路，这样做不仅能简化设计，而且有利于提高系统的可靠性。

若需选用小规模电路，则先分清设计的电路是属于组合电路还是时序电路，然后按不同方法分别作具体设计。

!

　4．设计控制思路

控制电路的功能诸如系统清零、复位、安排各子系统的时序先后及启动停止等，在整个系统中起核心和控制作用。

设计时最好画出时序图，根据控制电路的任务和时序关系反复构思电路，选用合适的器件，使且达到功能要求。

　5．组成系统

　各部分子系统设计完成后，要绘制总系统原理图。

在一定幅面的图纸上合理布局，通常是喧信号的流向，采用左进右出的规律摆布各部分电路，并标出必要的说明。

　　6．安装调试，反复修改，直至完善。

　　7．总结设计。

8.参考文献

1.?

2.《电子线路设计.实验.测试》谢自美主编华中科技大学出版社

2006

3.《电工学—电子技术》秦曾煌主编高等教育出版社2004

3.《数字电子技术基础》杨颂华冯毛官等编著西安电子科技大学出版社2005

4.《电工电子技术实验教程》章继涛韦友春主编北京理工大学出版社2007

5.《EDA技术实验与课程设计》曹昕燕等编著北京清华大学出版社2006

6.《电工电子实验教程》陈明义主编中南大学出版社2002

}

课程设计成绩评定表

姓名

性别

专业、班级

<

课程设计题目：

课程设计答辩或质疑记录：

成绩评定依据：

最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

年月日