数字钟设计说明书1解析.docx
《数字钟设计说明书1解析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字钟设计说明书1解析.docx（25页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
数字钟设计说明书1解析
电子技术综合训练
设计报告
项目名称：
多功能数字钟设计与制作
班级：
自动化2班
学号：
13220217
姓名：
郭琦
指导教师：
李晓英
摘要
这次课程设计我的题目是多功能电子钟的设计与制作，为了实现电子钟的功能我们选用了石英晶体振荡器、24进制计时器、60进制计数器、显示器、译码器、TTL门电路组成的校时电路。
实现了秒脉冲发生电路；电子钟的时、分、秒显示与进位；校时电路。
选用74LS160计时，CD4511译码，LED数码显示管显示，74LS00、74LS08、74LS32、74LS04实现校时，晶振发生2HZ脉冲。
关键字：
数字钟显示校时译码
摘要·······························II
第一章设计任务和要求·······················1
1.1设计任务···························1
1.2设计要求···························1
第二章系统设计··························2
2.1系统设计方案·························2
2.2系统构思及其工作原理·····················2
第3章元器件的选择························3
3.1CD4511显示译码器······················3
3.2晶体振荡器··························6
3.374LS160十进制计数器·····················8
3.474HC04六反相器························9
3.574LS20P2-4输入与非门·····················10
3.674HC084-2输入与门······················12
3.774HC004-2与非门·······················13
第4章单元电路设计························15
4.1“时”、“分”、“秒”发生电路················15
4.2“分”、“秒”之间显示“：
”电路················18
4.3译码、显示、计数电路······················19
4.4手动校时电路·························20
4.5整点报时电路·························21
第5章稳压电源的设计·························22
5.1设计所需器材和工具·······················22
5.2设计内容及步骤·························22
第6章电路的安装、调试与测试····················25
6.1电路的安装、调试与测试·····················25
6.2调试过程中出现问题级解决方法·················25
第7章总结与心得体会························27
7.1数字钟在生活中的应用······················27总结······························31
参考文献·······························32
附录Ⅰ································33
第一章设计任务和要求
1.1设计任务
设计一个多功能电子钟
1.2设计基本要求
（1）数字形式显示时、分、秒，在分和秒之间显示“：
”，并按1次/秒的速度闪烁；
（2）以24小时为一个计时周期；
（3）有校时功能，能够在任何时刻对电子钟进行方便的校正；
（4）整点时刻通过扬声器给出提示（发挥部分）；
（5）按照以上技术要求设计电路，使其具备所要求的逻辑功能。
对设计的电路用Multisim进行必要的仿真、计算参数、安装、调试电路、绘制电路图；
第二章系统设计
2.1系统设计方案
拿到课题后，我们首先将《数字电子技术》中有关本次设计的内容复习了一遍，比如七段译码显示器、计数器、振荡器等等。
然后根据设计要求，我去图书馆查阅了相关的资料，对整体框架做了一个初步的了解。
做完准备工作后就正式开始设计、仿真及绘图。
先将秒、分和时分别设计出来，再进行整体排版、连接。
2.2系统构思及其工作原理
这次设计让我熟练掌握了课本上的一些理论知识。
我选用的是74LS160十进制脉冲计数器、4511BD译码器及一些必要的与门、或门、非门等器件，我使用的振荡器是由555定时器与RC组成的，用来得到1Hz脉冲。
数字钟计时周期是24小时，因此必须设置24小时计数器，我用74LS160十进制脉冲计数器、4511BD译码器和振荡器作为时计数器、分计数器、秒计数器发生电路的元器件，同时由七段数码管显示。
为使数字钟走时与标准时间一致，校时电路是必不可少的，设计中采用开关控制校时直接用秒脉冲先后对“时”“分”“秒”计数器进行校时操作。
第三章元器件的选择
3.1CD4511显示译码器
（1）CD4511是一个用于驱动共阴极LED（数码管）显示器的BCD码—七段码译码器，特点如下：
具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。
可直接驱动LED显示器。
CD4511引脚图：
图3—1CD4511引脚图
其功能介绍如下：
BI：
4脚是消隐输入控制端，当BI=0时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。
LT：
3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。
它主要用来检测数码管是否损坏。
LE：
锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。
LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。
A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。
a、b、c、d、e、f、g：
为译码输出端，输出为高电平1有效。
CD4511的内部有上拉电阻，在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作。
CD4511具有锁存、译码、消隐功能，通常以反相器作输出级，通常用以驱动LED。
其引脚图如3-2所示。
各引脚的名称：
其中7、1、2、6分别表示A、B、C、D；5、4、3分别表示LE、BI、LT；13、12、11、10、9、15、14分别表示 a、b、c、d、e、f、g。
左边的引脚表示输入，右边表示输出，还有两个引脚8、16分别表示的是VDD、VSS。
（2）CD4511的工作原理
译码器的锁存电路由传输门和反相器组成,传输门的导通或截止由控制端LE的电平状态。
当LE为“0”电平导通，TG2截止；当LE为“1”电平时，TG1截止，TG2导通，此时有锁存作用。
（3）译码
CD4511译码用两级或非门担任，为了简化线路，先用二输入端与非门对输入数
据B、C进行组合，得出、、、四项，然后将输入的数据A、D一起用或非门译码。
（4）消隐
BI为消隐功能端，该端施加某一电平后，迫使B端输出为低电平，字形消隐。
消隐控制电路如图3-4所示。
消隐输出J的电平为J= =（C+B）D+BI
如不考虑消隐BI项，便得J=（B+C）D
据上式，当输入BCD代码从1010---1111时，J端都为“1”电平，从而使显示器中的字形消隐。
8421BCD码对应的显示见下图 ：
图3—3LED显示图
图3—4消隐控制电路图
输 入
输 出
LE
BI
LI
D
C
B
A
a
b
c
d
e
f
g
显示
X
X
0
X
X
X
X
1
1
1
1
1
1
1
8
X
0
1
X
X
X
X
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
1
1
0
0
0
1
0
1
1
0
0
0
0
1
0
1
1
0
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
2
0
1
1
0
0
1
1
1
1
1
1
0
0
1
3
0
1
1
0
1
0
0
0
1
1
0
0
1
1
4
0
1
1
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
1
5
0
1
1
0
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
6
0
1
1
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
7
0
1
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
8
0
1
1
1
0
0
1
1
1
1
0
0
1
1
9
0
1
1
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
1
0
1
1
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
1
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
消隐
1
1
1
X
X
X
X
锁 存
锁存
表3-5CD4511的真值表
3.2
石英振动器简称晶振，它是利用具有电压效应的石英晶体片制成的。
这种石英晶体薄片受到外加交变电场的作用会产生机械振动，当交变电场的频率与石英晶体的固有频率相同时，振动便变得很强烈，这就是晶体谐振特性的反应。
利用这种特性，就可以用石英谐振取代LC（线圈和电容）谐振回路、滤波器等。
由于石英谐振器具有体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度高等优点，因此秒脉冲用石英晶体多谐振荡器产生。
秒脉冲信号发生器是数字电子钟的核心部分，它的精度和稳定性决定了数字钟的质量，由振荡器与分频器组合产生脉冲信号。
振荡器：
利用石英晶体与RC构成的多谐振荡器，经过CD4060、74LS74获得1Hz标准秒脉冲。
其电路图如下
振荡电路原理图
振荡电路Multisim仿真波形
3.374LS160十进制计数器
74LS160 芯片同步十进制计数器（直接清零）
·用于快速计数的内部超前进位
·用于n 位级联的进位输出
·同步可编程序
·有置数控制线
·二极管箝位输入
·直接清零
·同步计数
本电路是由4 个主从触发器和用作除2计数器及计数周期长度为除5的3位2进制计数器所用的附加选通所组成。
有选通的零复位和置9输入。
为了利用本计数器的最大计数长度（十进制），可将B输入同QA 输出连接，输入计数脉冲可加到输入A上，此时输出就如相应的功能表上所要求的那样。
LS90可以获得对称的十分频计数，办法是将QD 输出接到A输入端，并把输入计数脉冲加到B输入端，在QA输出端处产生对称的十分频方波。
引脚功能表：
图3—9引脚功能表
开关选择方式真值表：
*SR
PE
CET
CEP
工作模式
0
x
x
x
清零
1
0
x
x
置数
1
1
1
1
计数
1
1
0
x
保持
1
1
x
0
保持
图3—10开关选择方式真值表
引脚图：
图3—11引脚图
逻辑图：
图3—12逻辑图
3.474HC04六反相器
引脚功能表：
图3—13引脚功能表
真值表：
输入
输出
A
Y
0
1
1
0
图3—14真值表
使用要求：
电源电压 -0.5 to +7.0V
直流输入电压 -1.5 to Vcc+1.5V
直流输出电压 -0.5 to Vcc+0.5V
钳位二极管电流 ±20mA
直流输出电流每个引脚（输出） ±25mA
功耗 600mW
3.574LS20P2-4输入与非门
实物图：
图3—15实物图
功能引脚图：
图3—16引脚图
真值表：
输入
输出
ABCD
Y
0000
1
0001
1
0010
1
0011
1
0100
1
0101
1
0110
1
0111
1
1000
1
1001
1
1010
1
1011
1
1100
1
1101
1
1110
1
1111
0
图3—17真值表
3.674HC084-2输入与门
4—2输入与门
简要说明：
74HC08为四组2输入端与门
引出端符号
1A-4A输入端
1B-4B输入端
1Y-4Y输出端
74HC08引脚图：
图3—18引脚图
74HC08功能表：
Y=AB
输入输出
A
B
Y
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
图3—20真值表
极限值：
电源电压——7v
输入电压——5.5v
A-B间电压——5.5v
输出截止电压——7v
工作环境——（0~70摄氏度）
存储温度——（—65~150摄氏度）
3.774HC004-2与非门
二输入端四与非门
74HC00引脚图及功能表：
图3—21引脚图
真值表：
A
B
Y
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
1
0
图3—22真值表
极限值：
电源电压：
-0.5~+7v
直流输入电压：
-0.5~+7.5v
直流输出电压：
-0.5~+7.5v
直流输出电流：
+-25mA
功耗：
0.5W
储藏温度：
-65~+150摄氏度
焊接温度：
300摄氏度
第四章单元电路设计
4.1“时”、“分”、“秒”发生电路
4.1.1“秒”实现电路设计
“秒”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，通常用晶体振荡器产生标准频率信号经过整形、分频获得1Hz的“秒”脉冲。
但由于实验器材条件受限，本实验只得采用555多谐振荡器获得1Hz的脉冲输出，电路图如图4-1所示。
图4—1“秒”脉冲发生器
4.1.2“分”实现电路设计
“分”计数器同秒计数器一样为M=60的计数器，即显示00～59，采用中规模集成电路双十进制计数器至少需要2片，因为10 < M < 100。
它的个位为十进制，十位为六进制。
与“秒”实现电路一样用两片74LS160芯片实现，个位为十进制，十位为六进制。
当秒计数器十位计数至0110时清零，达到0000时产生下降沿脉冲送入分计数器的个位开始计数。
当个位计数至1010时清零产生下降脉冲送给十位。
十位计数至0110时继续清零。
4.1.3“时”实现电路设计
“时”为二十四进制计数器，显示为00～23，个位仍为十进制，而十位为三进制，但当十进位计到2，而个位计到4时清零，就为二十四进制了。
时计数进位类似于分和秒。
都用74LS160芯片实现，译码器都使用CD4511。
4.2“分”、“秒”之间显示“：
”电路
“分”、“秒”之间“：
”的显示，它的显示频率与秒显示一致，采用555多谐振荡器获得1Hz的脉冲输出。
电路图如图4—2所示。
图4—2“：
”的显示
4.3译码、显示、计数电路
图4—3译码、显示、计数电路图
计数模块采用74LS160十进制计数器做“秒”脉冲计数；译码显示模块采用4511BD做译码，共阴极七段数码管做显示。
4.4手动校时电路
图4—4手动校时电路
校时模块采用手动校时方式，“时”、“分”、“秒”均可校正。
4.5整点报时电路
图4—5整点报时电路
整点报时模块通过利用分钟进位的跳变信号，给由555定时器构成的单稳态触发电路触发信号控制。
第五章稳压电源的设计
本次设计的数字钟由于要用到+5v的直流稳压电源，所以首先要设计一个直流稳压电源。
直流稳压电源的功能要求：
输入220v交流电压，输出+5v直流电压，且输出电压稳定，能够使数字钟正常运行。
5.1设计所需器材和工具
表5—1
元件名称
元件型号
元件数量
元件封装
元件说明
变压器
220v/9v
1
10w左右
降压变压器
电解电容
100uF
2
耐压
极性电容器
电阻
2KΩ
1
16v/25v
电阻
集成稳压器
750
1
AXIAL0.4
集成稳压器
整流桥堆
210w
1
三端
整流
5.2设计内容及步骤
直流稳压电源一般由电源变压器，整流滤波电路及稳压电路所组成。
变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。
整流器把交流电变为直流电。
经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。
本设计主要采用直流稳压构成集成稳压电路，通过变压，整流，滤波，稳压过程将220V交流电，变为稳定的直流电，并实现+5V电压稳定输出。
（1）电路原理
考虑到直流电流电源，我们用四个1N40007晶体管构成桥式整流桥，将220vHz的交流电转换为直流电，以电容元件进行整流，因为最终要得到+5v直流稳压电压，所以选用LM7805。
（2）变压器变压
220v交流电端子连一个降压变压器把电压值降到8v左右如下图：
图5—1
（3）单相桥式全波整流电路
图5—2
（4）电容滤波
本设计我们使用电容滤波，滤波后，输出电压平均值增大，脉动变小。
C越大，RL越大，时间常数越大，放电越慢，脉动越小，
（5）直流稳压
因为要输出5v的电压所以选用LM7805三端稳压器件
（6）总电路
电路原理图如下图所示：
图5—3稳压电源电路原理图
如图5—3所示电路为输出电压+5v、输出电流1.5A的稳压电源。
它由电源变压器T，桥式整流电路D1~D4,滤波电容C1、C3和一只固定式三端稳压器（7805）极为简捷方便的搭成的。
220v交流市电通过变压器变换成交流低压，再经过桥式整流电路D1~D4和滤波电容C1的整流和滤波，在固定式三端稳压器LM7805的Vin和GND两端形成一个并不稳定的直流电压。
此直流电压，经过LM7805的稳压和C3的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定性好的直流输出电压。
此稳压电源可作为数字钟的如入电压。
三端稳压器是一种标准化、系列化的通用线性稳压电源集成电路，以其体积小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用简捷方便等特点，成为目前稳压电源中应用最为广泛的一种单片式集成稳压器件。
第六章电路的安装、调试与测试
6.1电路的安装、调试与测试
6.1.1电路设计及焊接
在仿真完成之后，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CD4518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，再次安装的模块是校时模块。
然后和计数模块相连接。
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。
最后要接的是整点报时电路。
我们原方案是让整点报时每隔2秒发一次声，4次低电平驱动，一次高电平驱动，但由于电路复杂，加重焊接难度，最终我们将整点报时方案修改为，把分钟的进位产生的触发脉冲信号给由555定时器构成的单稳态触发电路，这样，单稳态电路输出一段时间的高电平驱动蜂鸣器鸣叫。
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。
在检测面包板状况的过程中,出现本该相通的地方却未通的状况,,经检验发现主要是由于接触不良的问题,其中包括线的接触不良和芯片的接触不良,发现没有脉冲信号产生，但是，当用手接触晶振时，就会产生信号脉冲。
后来查阅了相关的资料，最终在晶振的表面固定了一段钢丝，脉冲就可以自动发生了。
6.2调试过程中出现问题级解决方法
在仿真结果出来后我们就统计要用的所有元器件进行采购，紧接着就设计电路及进行焊接工作。
在完成了三分之一的焊接工作后，我们迫不及待地想知道我们的努力成果，紧接着就进行了第一次测试。
（1）乱码问题：
在安装好芯片后，紧张的开始第一次测试，从0到9我们很兴奋的期待着，从10以后让人大失所望，一堆乱码让人心情很沉痛，两天的努力，我们却查不出问题所在，最后询问了一个电气的和我们课题一样的同学，他说可能是芯片问题。
接着我们在电脑上进行了针对74LS161的仿真，结果果然和我们的乱码出现顺序一样，所以问题应该是我们买的芯片是用74LS161翻新的。
最后在换了芯片后结果令人振奋。
（2）分秒不动：
测试完“秒”后，我们趁热打铁，赶工接完了“分”的线，又一次见证成果的时刻，三个人都很激动，插上电源后，静待结果，然而眼前呈现出来的一幕让人大跌眼镜，“分”和“秒”都“00”：
“00”，只有中间的“：
”以频率为“1Hz”闪烁着，所有人都在苦思冥想问题的出处，明明早上测试的“秒”好好的到了晚上就怎么都不对了？
最后在端详了几遍电路板后才发现信号源那边断接了，所以一直没有脉冲信号。
在接上后我们迫不及待地拿去测试，在60秒以后所有人都在期待着“分”的进位，在我们的欢呼声中，“分”进位了，终于，我们的辛苦没有白费。
第七章总结与心得体会
7.1数字钟在生活中的应用
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性和直观性，且无机械装置，具有更长的使用寿命，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
升级会员 