武汉理工数电课程设计数字钟的设计仿真与制作Word文档下载推荐.docx

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具有60进制和24进制（或12进制）计数功能，秒、分为60进制计数，时为24进制（或12进制）计数。

③有译码、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、译码显示单元、时间计数单元、振荡器电路。

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8日，教师讲解，查阅相关资料，学习设计原理。

2）2010年6月25~29日，在鉴主15楼通信实验室（3）进行设计、制作及调试。

3）2010年7月3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：

课设答疑地点：

鉴主13楼电子科学与技术实验室。

1.1方案设计………………………………………………………………………2

2.1振荡器电路设计……………………………………………………………...3

4.1Multisim11.0特点…………………………………………………………17

4.2数字钟的仿真完整电路图………………………………………………..19

5.1安装与调试步骤………………………………………………………………20

5.2实物图…………………………………………………………………………21

6课程设计心得体会…………………………………………………………….......22

摘要

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，因此得到了广泛的使用。

数字电子钟，从原理上讲是一种典型的数字电路，其中包括了组合逻辑电路和时序电路。

数字电子钟有以下几部分组成：

振荡器，分频器，60进制的秒、分计时器和24进制计时计数器，秒、分、时的译码显示部分及校正电路等。

采用74LS系列（双列直插式）中小规模集成芯片进行硬件的焊接。

关键词：

数字钟振荡器计数器译码驱动

1数字钟的构成

数字钟实际上是一个对标准频率（1HZ）进行计数的计数电路。

主要由振荡器、分频器、计数器、译码器显示器和校时电路组成。

振荡器产生稳定的高频脉冲信号，作为数字钟的时间基准，通常使用石英晶体震荡器，然后经过分频器输出标准秒脉冲，或者由555构成的多谐振荡器来直接产生1HZ的脉冲信号。

秒计数器满60后向分计数器进位，分计数器满60后向小时计数器进位，小时计数器按照“24翻1”规律计数。

计数器的输出分别经译码器送显示器显示。

由于计数的起始时间不可能与标准时间一致，故需要在电路上加一个校时电路，当计时出现误差时，可以用校时电路校时、校分。

如图1-1所示为数字钟电路系统的组成框图。

图1-1数字钟电路系统的组成框图

振荡器是数字钟的核心。

振荡器的稳定度及频率的精确度决定了数字钟计时的准确程度，一般来说，振荡器的频率越高，计时精度越高。

通常选用石英晶体构成振荡器电路构成振荡器。

也可以由555定时器组成。

时间计数电路由秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器及时个位和时十位计数器电路构成，其中秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器为60进制计数器，而根据设计要求，时个位和时十位计数器为24进制计数器。

译码驱动电路将计数器输出的8421BCD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。

显示电路的组成主要是数码管，数码管由7个发光二极管组成，行成一个日字形，它门可以共阴极，也可以共阳极，本设计中为共阴极七段显示LED数码管。

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，所以数字钟应具有分校正和时校正功能。

对校时电路的要求是：

在小时校正时不影响分和秒的正常计数；

在分校正时不影响秒和小时的正常计数。

1.1方案设计

方案一：

用各种门电路直接搭接数字钟电路，但此种方案花时间较多，所需元件众多，电路复杂。

方案二：

用计数器74LS90以及译码器74LS48等芯片组成电路，所需连线较第一种简单很多，很容易实现。

方案三：

用单片机实现计数及显示等，这种方案简单明了，只需要写好程序就可以，很容易达到任务要求。

但单片机对个人能力要求较高，需要系统的学习。

综上，由于本人还没有学单片机所以决定采用第二种方案。

2数字钟单元电路的设计

2.1振荡器电路设计

图2-1用555定时器组成振荡器的电路

多谐振荡器是一种能产生矩形波的自激振荡器，也称矩形波发生器。

“多谐”指矩形波中除了基波成分外，还含有丰富的高次谐波成分。

多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态。

在工作时，电路的状态在这两个暂稳态之间自动地交替变换，由此产生矩形波脉冲信号，常用作脉冲信号源及时序电路中的时钟信号。

一、用555定时器构成的多谐振荡器

1.电路组成：

　　用555定时器构成的多谐振荡器电路如图6-11（a）所示：

图中电容C、电阻R1和R2作为振荡器的定时元件，决定着输出矩形波正、负脉冲的宽度。

定时器的触发输入端（2脚）和阀值输入端（6脚）与电容相连；

集电极开路输出端（7脚）接R1、R2相连处，用以控制电容C的充、放电；

外界控制输入端（5脚）通过0.01uF电容接地。

2.工作原理：

　　多谐振荡器的工作波形如图6-11（b）所示：

　　电路接通电源的瞬间，由于电容C来不及充电，Vc=0v，所以555定时器状态为1，输出Vo为高电平。

同时，集电极输出端（7脚）对地断开，电源Vcc对电容C充电，电路进入暂稳态I，此后，电路周而复始地产生周期性的输出脉冲。

多谐振荡器两个暂稳态的维持时间取决于RC充、放电回路的参数。

暂稳态Ⅰ的维持时间，即输出Vo的正向脉冲宽度T1≈0.7（R1+R2）C；

暂稳态Ⅱ的维持时间，即输出Vo的负向脉冲宽度T2≈0.7R2C。

　　因此，振荡周期T=T1+T2=0.7（R1+2R2）C，振荡频率f=1/T。

正向脉冲宽度T1与振荡周期T之比称矩形波的占空比Ｄ，由上述条件可得D=（R1+R2）/（R1+2R2），若使R2>

>

R1，则D≈1/2，即输出信号的正负向脉冲宽度相等的矩形波（方波）。

二、多谐振荡器应用举例：

1.模拟声响发生器：

　　将两个多谐振荡器连接起来，前一个振荡器的输出接到后一个振荡器的复位端，后一个振荡器的输出接到扬声器上。

这样，只有当前一个振荡器输出高电平时，才驱动后一个振荡器振荡,扬声器发声；

而前一个振荡器输出低电平时，导致后面振荡器复位并停止震荡,此时扬声器无音频输出。

因此从扬声器中听到间歇式的"

呜......呜"

声响。

2.电压——频率转换器：

　　由555定时器构成的多谐振荡器中，若定时器控制输入端（5脚）不经电容接地，而是外加一个可变的电压源，则通过调节该电压源的值，可以改变定时器触发电位和阀值电位的大小。

外加电压越大，振荡器输出脉冲周期越大，即频率越低；

外加电压越小，振荡器输出脉冲周期越小，即频率越高。

这样，多谐振荡器就实现了将输入电压大小转换成输出频率高低的电压—频率转换器的功能。

2.2时间计数单元设计

时间计数单元由时计数、分计数和秒计数等几个部分组成。

时计数单元为24数器计数，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。

本实验采取了用两块74LS90芯片进行级联来产生60进制和24进制计数器。

2.2.1集成异步计数器74LS90

74LS90是异步二—五—十进制加法计数器，它既可以作二进制加法计数器，又可以作五进制和十进制加法计数器。

如图2-2为74LS90引脚图，表2.1为74LS90的功能表。

图2-274LS90引脚图

表2-174LS90的功能表

输入

输出

功能

清0

置9

时钟

QDQCQBQA

R01、R02

R91、R92

INAINB

1

×

×

0×

0

↓1

QA输出

二进制计数

1↓

QDQCQB输出

五进制计数

↓QA

QDQCQBQA输出8421BCD码

十进制计数

QD↓

QAQDQCQB输出5421BCD码

11

不变

保持

通过不同的连接方式，74LS90可以实现四种不同的逻辑功能，而且还可借助R01、R02对计数器清零，借助S91、S92将计数器置9。

其具体功能详述如下：

（1）计数脉冲从INA输入，QA作为输出端，为二进制计数器。

（2）计数脉冲从INB输入，QDQCQB作为输出端，为异步五进制加法计数器。

（3）若将INB和QA相连，计数脉冲由INA输入，QD、QC、QB、QA作为输出端，

则构成异步8421码十进制加法计数器。

（4）若将INA与QD相连，计数脉冲由INB输入，QA、QD、QC、QB作为输出端，

则构成异步5421码十进制加法计数器。

（5）清零、置9功能。

a）异步清零

当R01、R02均为“1”，S91、S92中有“0”时，实现异步清零功能，即QDQCQBQA＝0000。

置9功能

当S91、S92均为“1”；

R01、R02中有“0”时，实现置9功能，即QDQCQBQA＝1001。

2.2.2用74LS90构成秒和分计数器电路

秒个位计数单元为10计数器，无需进制转换，只需将QA与INB相连即可。

INA与1HZ秒输入信号相连，QD可作为进位信号与十位计数单元的INA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方法为：

将QB，QC分别与两个清零端R01，R02相连接。

QC可作为进位信号与分个位的计数单元的INA相连，如图2-3所示。

图2-3秒和分计数器的连接电路图

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QD作为进位信号与分十位计数单元的INA相连，分十位计数单元的QC作为进位信号应与时个位计数单元的INB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方法为：

2.2.3用74LS90构成时计数器电路

时个位计数单元电路结构仍与秒个位计数单元相同，但是要求整个时计数单元应为24进制计数器，所以在两块74LS90构成的100进制中截取24，就得在24的时候进行异步清零。

清零方法为：

将两片74LS90的两个清零端R01和R02分别连接起来，再将时个位的QB与R01相连，将时十位的QC与R02相连接。

如图2-4所示电路

图2-4时计数器连接电路图

2.2.4时间计数单元总电路

如图2-5所示电路为数字钟的时间计数单元电路连接图，从图中可以看出，所有的置9端及接地端都接地，所有74LS90的VCC都接上电源。

图2-5数字钟的时间计数单元电路连接图

2.3译码显示单元电路设计

计数器实现了对时间的累计以8421BCD码形式输出，译码驱动电路将计数器输出的8421BCD码转换为数码管需要的逻辑状态，并且为七段数码管的正常工作提供足够的工作电流。

译码器是一个多输入、多输出的组合逻辑电路。

它的工作是把给定的代码进行“翻译”，变成相应的状态，使输出通道中相应的一路有信号输出。

译码器在数字系统中有广泛的用途，不仅用于代码的转换、终端的数字显示，还用于数字分配，存储器寻址和组合控制信号等。

译码器可以分为通用译码器和显示译码器两大类。

用于驱动LED七段数码显示常用的有74LS48。

2.3.1译码器74LS48

74LS48是BCD-7段译码器/驱动器，其输出是OC门输出且高电平有效，专用于驱动LED七段共阴极显示数码管。

其功能是把输入的8421BCD码ABCD译成七段输出a-g，再由七段数码管显示相应的数。

由74LS48和LED七段共阴极数码管组成一位数码显示电路。

若将“秒”、“分”、“时”计数器的每位输出分别接到相应七段译码器的输入端，便可进行不同数字显示。

在译码器输出与数码管之间串联的R为限流电阻。

当数字钟的计数器在CP脉冲的作用下，就应将其状态显示成清晰的数字符号，

74LS48的管脚如图2-6。

在管脚图中，管脚LT、RBI、BI/RBO都是低电平是起作用，作用分别为：

LT为灯测检查，用LT可检查七段显示器个字段是否能正常被点燃。

BI是灭灯输入，可以使显示灯熄灭。

RBI是灭零输入，可以按照需要将显示的零予以熄灭。

BI/RBO是共用输出端，RBO称为灭零输出端，可以配合灭零输出端RBI，在多位十进制数表示时，把多余零位熄灭掉，以提高视图的清晰度。

图2-674LS48的管脚图

74LS48的功能：

74LS48的功能表如下表所示：

表2-274LS48BCD七段译码驱动器功能表

74LS48引脚功能-----七段译码驱动器功能表

十进

制数

BT/RB0

LT

RBI

A

B

C

D

a

b

c

d

e

f

g

H

/

2

3

4

5

6

7

8

9

（1）译码功能：

将LT，RBI和BI/RBO端接高电平，输入十进制数0~9的任意一组8421BCD码（原码），则输出端a~g也会得到一组相应的7位二进制代码（74LS48驱动共阴极，输出3FH、06H、5BH…；

74LS47驱动共阳极，输出COH、F9H、A4H…）。

如果将这组代码输入到数码管，就可以显示出相应的十进制数。

（2）试灯功能：

给试灯输入加低电平，而BI/RBO端加高电平时，则输出端a~g均为高电平。

若将其输入数码管，则所有的显示段都发亮。

此功能可以用于检查数码管的好坏。

（3）灭灯功能：

将低电平加于灭灯输入时，不管其他输入为什么电平，所有输出端都为低电平。

将这样的输出信号加至数码管，数码管将不发亮。

（4）动态灭灯功能：

RBI端为灭零输入端，其作用是将数码管显示的数字0熄灭。

当RBI=0，且DCBA=0000时，若LT=1，a~g输出为低电平，数码管无显示。

利用该灭零端，可熄灭多位显示中不需要的零。

不需要灭零时，RBI=1。

2.3.2显示器LG5011AH

图2-7是共阴极式LED数码管的原理图，使用时公共阴极接地，使每个发光二极管都处于导通状态，而且这7个发光二极管a到g分别由相应的BCD七段译码器来驱动。

图2-7共阴极LED数码管的原理图

在这里，我们选用型号为LG5011AH的数码管，LG5011AH的管脚功能图如图2-8所示，

图2-8LG5011AH的管脚图

LED数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。

这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。

当数码管特定的段加上电压后，这些特定的段就会发亮，以形成我们眼睛看到的

2个8数码管

字样了。

如：

显示一个“2”字，那么应当是a亮b亮g亮e亮d亮f不亮c不亮dp不亮。

LED数码管有一般亮和超亮等不同之分，也有0.5寸、1寸等不同的尺寸。

小尺寸数码管的显示笔画常用一个发光二极管组成，而大尺寸的数码管由二个或多个发光二极管组成，一般情况下，单个发光二极管的管压降为1.8V左右，电流不超过30mA。

发光二极管的阳极连接到一起连接到电源正极的称为共阳数码管，发光二极管的阴极连接到一起连接到电源负极的称为共阴数码管。

常用LED数码管显示的数字和字符是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。

led数码管的结构及工作原理

　　led数码管（LEDSegmentDisplays）是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。

led数码管常用段数一般为7段有的另加一个小数点，还有一种是类似于3位“+1”型。

位数有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等等....，led数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，了解LED的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。

图2是共阴和共阳极数码管的内部电路，它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。

颜色有红，绿，蓝，黄等几种。

led数码管广泛用于仪表，时钟，车站，家电等场合。

选用时要注意产品尺寸颜色，功耗，亮度，波长等。

下面将介绍常用LED数码管内部引脚图片

10引脚的LED数码管

　　这是一个7段两位带小数点10引脚的LED数码管

LED数码管引脚定义

图2引脚定义

　　每一笔划都是对应一个字母表示DP是小数点.

　　LED数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数位，因此根据LED数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。

　　A、静态显示驱动：

　　静态驱动也称直流驱动。

静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O埠进行驱动，或者使用如BCD码二-十进位*器*进行驱动。

静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O埠多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×

8=40根I/O口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O口才32个呢。

故实际应用时必须增加*驱动器进行驱动，增加了硬体电路的复杂性。

　　B、动态显示驱动：

　　数码管动态显示介面是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"

a,b,c,d,e,f,g,dp"

的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位元选通控制电路，位元选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位元选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位元就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。

　　透过分时轮流控制各个LED数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。

在轮流显示过程中，每位元数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极体的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示资料，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O口，而且功耗更低。

2.3.3译码显示电路

译码显示电路由共阴极译码器74LS48和七段数码管LED组成。

74LS48和LG5011AH的连接图如图2-9所示。

图2-9，译码显示电路

2.4校时单元电路设计

在分校正时不影响秒和小时的正常计数，所以，必须要有两个控制开关分别控制分个位和十个位的脉冲信号。

在校时时，应截断分个位或者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。

图2-10为校“时”、校“分”电路。

其中S1为校“分”用的控制开关，S2为校“时”用的控制开关。

图2-10校时电路

3数字钟的实现电路及其工作原理

数字钟的完整电路图如图3-1所示：

数字钟的工作原理：

首先给秒个位的INA端输入一个标准秒脉冲信号（此信号即为555脉冲发生器产生的标准脉冲信号。

（1）J3，J2开关都打向上边时，数字钟开始计数，其中，秒、分为60进制计数，时为24进制计数。

（2）J3打向上边，J2打向下边时，可以进行校分功能：

手动产生单次脉冲作校时脉冲，即每拨动校时开关J1一个来回，计数器计数一次，多次拨动开关J1就可以进行准确校时。

（3）J3打向下边，J2打向上边时，可以进行校时功能，其方法与校分的方法相同。

图3-1数字钟原理图

4数字钟的仿真

4.1Multisim11.0特点

本次对简易数字钟的仿真是用的Multisim11.0。

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