数字电子表的设计.docx

数字电子表的设计.docx

《数字电子表的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字电子表的设计.docx（20页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

数字电子表的设计

数字电子表的设计

摘要

钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。

诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、定时启闭电路、定时开关烘箱、通断动力设备，甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。

因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义

数字计数技术作为数字电路领域的基础一直被广泛应用于各种数字电器当中，如电子钟，电脑，万用表等。

本文将重点探讨计数器在数字测量领域中的应用。

并通过电子钟的设计与制作来揭示计数器的工作原理。

数字钟的设计，本文选用74LS160芯片来进行60计数，通过译码输出，将译码信号输出给二极管来显示时间。

在整个电路中，计时信号将由石英晶体振荡器来产生，由74LS160组成的计数单元通过此信号来完成时钟计时工作。

数字显示部分，采用译码与二极管串联电路，将译码器、七段数码管连接起来，组成十进制数码显示电路，即时钟显示。

关键词石英晶体/计数器/译码器

ADigitalClock

Abstract

Asweknowdigitalcountertechnologyisthefundamentalofdigitalelectricityfield.DigitalcountersareusedwidelysuchasDigitalVoltageMeter,DigitalMultiMeteranddigitalclock.Thisassaywillexplaintheprincipleofdigitalcounter.AndIwillshowyouhowtodesignadigitalclockandmakeit.

Thisdigitalclockwillmadebythreesections,firstisclockoscillatorthatusetocreateclocksignal.Secondisdigitalcounterwhichmadewithchip74LS160.Thirdisencoderanddisplay.

Keywordscounter，clockoscillator，encoder

目录

中文摘要………………………………………………………………I

英文摘要………………………………………………………………II

1绪论1

2设计框图2

3数字钟的工作原理3

3.1石英晶体振荡器3

3.1.1重要概念的解释3

3.1.2石英晶体振荡器的具体工作原理3

3.2分频电路4

3.3时间计数单元5

3.3.160进制计数器8

3.3.224进制计数器9

3.4译码驱动与显示单元设计9

3.5校时电路设计12

4调试要点13

5电路的仿真14

6总结16

6.1设计中遇到的问题16

6.2设计体会16

6.3设计元器件清单17

致谢18

参考文献19

1绪论

20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展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。

时间对人们来说总是那么宝贵，工作的忙碌性和繁杂性容易使人忘记当前的时间。

忘记了要做的事情，当事情不是很重要的时候，这种遗忘无伤大雅。

但是，一旦重要事情，一时的耽误可能酿成大祸。

例如，许多火灾都是由于人们一时忘记了关闭煤气或是忘记充电时间。

尤其在医院，每次护士都会给病人作皮试，测试病人是否对药物过敏。

注射后，一般等待5分钟，一旦超时，所作的皮试试验就会无效。

手表当然是一个好的选择，但是，随着接受皮试的人数增加，到底是哪个人的皮试到时间却难以判断。

所以，要制作一个定时系统。

随时提醒这些容易忘记时间的人。

钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。

诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、定时启闭电路、定时开关烘箱、通断动力设备，甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。

因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。

2设计框图

数字钟电路的逻辑框图如图2-1。

即由主体电路和扩展电路构成，分别完成数字钟的基本功能和扩展功能。

主体电路由石英晶体振荡器，分频器，计数器，译码器，显示器和校时电路等组成，石英晶体振荡器产生的信号经过分频得到标准的秒脉冲，作为数字钟的基准，送入计数器计数，计数结果通过译码器显示时间，计时出现误差时可通过校时电路调整时钟。

扩展电路在基本电路运行正常后才能进行扩充实现，采用译码器或采用非门接到分计数器和秒计数器相应的输出端，使计数器运行到差10秒整点时，利用分频器输出的500Hz和1000Hz的信号加到音响电路中，用于模仿电台报时频率，前4响为低音，后一响为高音。

图2-1设计框图

3数字钟的工作原理

3.1石英晶体振荡器

3.1.1重要概念的解释

（1）反馈：

将放大电路输出量的一部分或全部，通过一定的方式送回放大电路的输入端。

（2）耦合：

是指信号由第一级向第二级传递的过程。

3.1.2石英晶体振荡器的具体工作原理

石英晶体振荡器的特点是振荡频率准确、电路结构简单、频率易调整。

它被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中。

它还具有压电效应：

在晶体某一方向加一电场，晶体就会产生机械变形；反之，若在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应。

在这里，我们在晶体某一方向加一电场，从而在与此垂直的方向产生机械振动，有了机械振动，就会在相应的垂直面上产生电场，从而使机械振动和电场互为因果，这种循环过程一直持续到晶体的机械强度限制时，才达到最后稳定，这种压电谐振的频率即为晶体振荡器的固有频率。

振荡器是数字钟的核心，石英晶体振荡器的特点是震荡的频率准确，电路结构简单，频率易于调整。

下图为晶体振动频率为32768Hz的时钟振荡电路。

图3.1

3.2分频电路

分频器有两种解释。

一种是对模拟信号的处理。

是利用带通滤波器实现。

例如在音频功率放大器中把不同频率段的音频信号区分开，再进行放大输送给不同的扬声器还原成不同频段的声音。

这种分频器通常是利用电感电容对高低频信号的不同阻抗来把信号区分开。

另一类是对脉冲信号进行2的n次方分之一的分频，例如把32768HZ的脉冲信号变成1HZ的秒信号。

这类分频器通常是利用T触发器实现，每来一个脉冲后触发器状态改变一次，经过n个T触发器处理后就可以得到2的n次方分之一的分频信号。

分频器的功能只要有两个：

第一是产生标准脉冲信号，第二提供功能扩展电路所需要的信号

数字电子钟应具有标准的时间源，用它产生频率稳定的1HZ脉冲信号，称为秒脉冲，由于它直接影响到计时器走时的准确度，因此采用石英晶体振荡器，并经多级分频电路后获得秒脉冲信号。

采用石英晶体振荡器经计数器分频后产生时基信号的电路。

从电路的体积、成本以及分频方便考虑，数字计时器通常采用石英晶体振荡频率为32768HZ，经过十五级二分频电路，便可得到频率为1HZ的秒脉冲信号。

因此将四片74161级联，从高位片（4）的Q2输出即可。

具体电路如图所示，

图3-2分频电路

3.3时间计数单元

　来自分频器的时标信号先后经过两级60进制计数器和一个24进制计数器，分别得到“秒”个位、十位，“分”个位、十位以及“时”个位、十位的计时。

“秒”、“分”计数器为60进制计数器,而根据设计要求,“时”计数器为24进制计数器。

简要说明

图3-374161管脚图

表3-174161的功能表

清零

预置

使能

时钟

预置数据输入

输出

工作模式

RD

LD

EPET

CP

D3D2D1D0

Q3Q2Q1Q0

0

1

1

1

1

×

0

1

1

1

××

××

0×

×0

11

×

↑

×

×

↑

××××

d3d2d1d0

××××

××××

××××

0000

d3d2d1d0

保持

保持

计数

异步清零

同步置数

数据保持

数据保持

加法计数

由表可知，74161具有以下功能：

①异步清零。

当RD＝0时，不管其他输入端的状态如何，不论有无时钟脉冲CP，计数器输出将被直接置零（Q3Q2QlQ0＝0000），称为异步清零。

②同步并行预置数。

当RD＝1、LD＝0时，在输入时钟脉冲CP上升沿的作用下，并行输入端的数据d3d2d1d0被置入计数器的输出端，即Q3Q2QlQ0＝d3d2d1d0。

由于这个操作要与CP上升沿同步，所以称为同步预置数。

③计数。

当RD＝LD＝EP＝ET＝1时，在CP端输入计数脉冲，计数器进行二进制加法计数。

④保持。

当RD＝LD＝1，且

＝0，即两个使能端中有0时，则计数器保持原来的状态不变。

这时，如EP＝0、ET＝1，则进位输出信号RCO保持不变；如ET＝0则不管EP状态如何，进位输出信号RCO为低电平0。

图3-474161的时序图

74LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能，其引脚排列及逻辑符号如下所示

              （a）引脚排列                      （b）逻辑符号

图3-574LS192的引脚排列及逻辑符号

图中：

为置数端，

为加计数端，

为减计数端，

为非同步进位输出端，

为非同步借位输出端，P0、P1、P2、P3为计数器输入端，

为清除端，Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端。

其功能表如下：

表3-274LS192的功能表

             输入

    输出

MR

P3

P2

P1

P0

Q3

Q2

Q1

Q0

 1

 ×

 ×

 ×

×

×

×

×

0

0

0

0

 0

 0

 ×

 ×

d

c

b

a

d

c

b

a

 0

 1

 1

×

×

×

×

   加计数

 0

 1

 1

×

×

×

×

   减计数

3.3.160进制计数器

计数器是一种累计时钟脉冲数的逻辑部件。

计数器不仅用于时钟脉冲计数，还用于定时、分频、产生节拍脉冲以及数字运算等。

计数器是应用最广泛的逻辑部件之一。

按触发方式，把计数器分成同步计数器和异步计数器两种。

对于同步计数器，输入时钟脉冲时触发器的翻转是同时进行的，而异步计数器中的触发器的翻转则不是同时。

60进制计数器是由两片74LS160，以及与非门74LS00，采用整体置零法来实现的。

60进制计数器电路图如下：

图3-660进制计数器

3.3.224进制计数器

24进制计数器也是由一片74LS161和一片74LS192，以及与非门74LS00和非门74LS04，采用整体置零法来实现的。

24进制计数器电路图如下：

图3-7

3.4译码驱动与显示单元设计

在中规模集成电路中译码器有几种型号，使用最广的通常是74ls138译码器，其是一个3到8的三八译码器，图3-8是该38译码器原理逻辑符号及管脚排布，表3-3列出了其逻辑功能，从表中可以看出其输出为低电平有效，使能端G1为高电平有效，G2AG2B为低电平有效，当其中一个为低电平，输出端全部为1.

图3-8

表3-3

数码管是数码显示器的俗称。

常用的数码显示器有半导体数码管，荧光数码管，辉光数码管和液晶显示器等。

本设计所选用的是半导体数码管，是用发光二极管（简称LED）组成的字形来显示数字，七个条形发光二极管排列成七段组合字形，便构成了半导体数码管。

半导体数码管有共阳极和共阴极两种类型。

共阳极数码管的七个发光二极管的阳极接在一起，而七个阴极则是独立的。

共阴极数码管与共阳极数码管相反，七个发光二极管的阴极接在一起，而阳极是独立的。

当共阳极数码管的某一阴极接低电平时，相应的二极管发光，可根据字形使某几段二极管发光，所以共阳极数码管需要输出低电平有效的译码器去驱动。

共阴极数码管则需输出高电平有效的译码器去驱动。

译码为编码的逆过程。

它将编码时赋予代码的含义“翻译”过来。

实现译码的逻辑电路成为译码器。

译码器输出与输入代码有唯一的对应关系。

74LS47是输出低电平有效的七段字形译码器，它在这里与数码管配合使用，下表列出了74LS47的真值表，表示出了它与数码管之间的关系。

输入输出显示数字符号

LT（——）RBI（——-）A3A2A1A0BI（—）/RBO（———）

a（—）b（—）c（—）d（—）e（—）f（—）g（—）

110000100000010

1X0001110011111

1X0010100100102

1X0011100001103

1X0100110011004

1X0101101001005

1X0110111000006

1X0111100011117

1X1000100000008

1X1001100011009

XXXXXX01111111熄灭

10000001111111熄灭

0XXXXX100000008

（1）LT（——）：

试灯输入，是为了检查数码管各段是否能正常发光而设置的。

当LT（——）=0时，无论输入A3，A2，A1，A0为何种状态，译码器输出均为低电平，若驱动的数码管正常，是显示8。

（2）BI（—）：

灭灯输入，是为控制多位数码显示的灭灯所设置的。

BI（—）=0时。

不论LT（——）和输入A3，A2，A1，A0为何种状态，译码器输出均为高电平，使共阳极数码管熄灭。

（3）RBI（——-）：

灭零输入，它是为使不希望显示的0熄灭而设定的。

当对每一位A3=A2=A1=A0=0时，本应显示0，但是在RBI（——-）=0作用下，使译码器输出全为高电平。

其结果和加入灭灯信号的结果一样，将0熄灭。

（4）RBO（———）：

灭零输出，它和灭灯输入BI（—）共用一端，两者配合使用，可以实现多位数码显示的灭零控制。

译码驱动电路将计数器输出的BCD码转换为数码管需要的逻辑状态,并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。

译码显示电路如下：

图3-9译码显示电路

3.5校时电路设计

校时电路实现对时分的校准。

在电路中设有正常计时和校时位置。

分、时的校准开关分别通过触发器控制。

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。

校时电路如下：

图3-10

 该电路是由74LS00、74LS04以及电阻、电容开关等组成。

其中S1为校“分”用的控制开关，S2为校“时”用的控制开关。

校时脉冲采用分频器输出的1Hz脉冲，当S1或S2分别为“0”时可进行“快校时”。

4调试要点

我觉得假设在实际的实验箱上组装电子钟时，注意器件管脚的连接一定要准确。

“悬空端“、“清0端”、“置1端”要正确处理，调试步骤和方法如下：

。

（1）、将频率为1000HZ的信号送入分频器，并用示波器检查各级分频器的输出频率是否符合设计要求。

（3）、将1秒信号分别送入“时”、“分”、“秒”计数器，检查各级计数器的工作情况。

（4）、观察校时电路的功能是否满足校时要求。

（5）、当分频器和计数器调试正常后，观察电子钟是否准确正常地工作。

5电路的仿真

使用multisim对数字电子表进行仿真，下面先介绍一下multisim10

　　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

　　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。

　　电子通信类其它常用的仿真软件：

　　Systemview---数字通信系统的仿真

　　Proteus――单片机及ARM仿真

　　LabVIEW――虚拟仪器原理及仿真

　　Multisim2001使用简介

　　Multisim是InteractiveImageTechnologies（ElectronicsWorkbench）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。

为适应不同的应用场合，Multisim推出了许多版本，用户可以根据自己的需要加以选择。

　　Multisim2001提供了多种工具栏，并以层次化的模式加以管理，用户可以通过View菜单中的选项方便地将顶层的工具栏打开或关闭，再通过顶层工具栏中的按钮来管理和控制下层的工具栏。

通过工具栏，用户可以方便直接地使用软件的各项功能。

顶层的工具栏有：

Standard工具栏、Design工具栏、Zoom工具栏，Simulation工具栏。

数字钟的仿真图如图5-1所示

图5-1

6总结

6.1设计中遇到的问题

在连接六进制的过程中,发现电路只能4,5的跳动,后经发现是由于接到与非引脚接错一根所至,经纠正后能正常显示.

在连接校正电路的过程中,出现时和分都能正常校正时,但秒却受到影响,特别时一较分钟的时候秒乱跳,而不校时的时候,秒从40跳到59,然后又跳回40,分和秒之间无进位,电路在时,分,秒进位过程中能正常显示,故可排除芯片和连线的接触不良的问题.经检查,校正电路的连线没有错误,后用万用表的直流电压档带电检测秒十位的QA,QB,QC和QD脚,发现QA脚时有电压时而无电压,再检测秒到分和分到时的进位端,发现是由于秒到分的进位未拔掉所至.

电路连接完成后整个设计基本上结束。

但是在检查当中发现，校时电路进行校时时会有手抖得问题，也就是数字电路里的竞争-冒险现象。

我们根据学过的理论知识在校时开关两端加上一个74LS74即D触发器，结果显示这种现象基本上消失，设计成功。

6.2设计体会

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其具体的使用方法.

在连接六进制,十进制,六十进制的进位及二十四进制的接法中,要求熟悉逻辑电路及其芯片各引脚的功能,那么在电路出错时便能准确地找出错误所在并及时纠正了.

6.3设计元器件清单

元器件

数量

说明

74LS00

2

与非门

74LS04

3

非门

74LS47

6

BCD7段译码

74LS74

1

双上升沿D触发器

74LS90

1

DECADECOUNTER

74LS160

2

十进制加/减计数器

74LS161

3

4位二进制同步加法计数器

74LS192

3

十进制加/减计数器

CD4046

1

CMOS锁相环集成电路

数码管

6

-------

电阻

若干

3.3K/1K22M

电容

2

1nF

晶振

1

32768HZ

致谢

本论文是在导师张凤炳副教授悉心指导下完成的。

导师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。

不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。

本论文从选题到完成，每一步都是在导师的指导下完成的，倾注了导师大量的心血。

在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢！

在此，我还要感谢在一起愉快的度过实验生活的各位同门，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。

在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!

参考文献

1康华光.电子技术基础.高等教育出版社.2002.

2吴微，文军.单片机原理及制作[M].武汉：

武汉大学出版社，1992.

3赵保经.中国集成电路大全.国防工业出版社.1985.

4高吉祥.电子技术基础实验与课程设计.电子工业出版社.2002.

5吕思忠.数子电路实验与课程设计.哈尔滨工业大学出版社.2001.

6谢自美.电子线路设计、实验、测试.华中理工大学出版社.2003.

7赵志杰.集成电路应用识图方法.机械工业出版社.2003.

8张庆双.电子元器件的选用与检测.机械工业出版社.2003.

9艾永乐。

电子技术课程设计指导书。

焦作工学院电气工程系

10顾永杰。

电工电子技术实训教程。

上海交通大学出版社。

1999

11李强。

数字电子技术基础教程。

电子工业出版社。

2002

12B甲10022004年山东省大学生电子设计竞赛多功能数字钟

13

14侯伯亨.硬件描述语言与数字逻辑电路设计[M].陕西:

西安电子科技大学出版社,2000