自动电子钟.docx
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自动电子钟
电子课程设计
—自动电子钟
学院：
电子信息工程学院
班级：
学号：
姓名：
指导老师：
2014年12月
一、设计任务与要求...........................3
二、总体框图...........................3
三、选择器件...........................4
1、74LS290D...........................4
2、数码管...........................5
3、非门...........................6
4、555定时器...........................6
5、单刀双掷开关...........................7
6、2N6659...........................7
7、LED灯...........................7
8、5V电源...........................7
9、与门...........................8
四、功能模块...........................9
1、多谐振荡器的设计...........................9
2、分频电路的设计...........................10
3、分秒的六十进制计数器设计...........................11
4、时的二十四进制计数器设计...........................12
5、校时电路...........................13
6、秒指示电路...........................14
五、总体设计电路图...........................14
六、个人体会与总结...........................15
自动电子钟
一、设计任务与要求
用中小规模集成电路设计一台能显示时、分、秒的自动电子钟。
其中小时为二十四进制，能够显示00～23；分和秒为六十进制，能够显示00～59；整体在计时时间为23:
59:
59时清零，显示为00:
00:
00。
该电路能实现的功能有：
在走时不准能够对分和时模块进行调时，调时过程不影响秒的正常计数且不产生进位信号；每秒秒闪烁模块LED灯要闪烁一次；要用555时钟芯片构成的多谐振荡器与分频电路产生秒脉冲以保证电子钟走时精确度与稳定性。
1、秒、分为00～59六十进制计数器。
2、时为00～23二十四进制计数器。
3、具有校时功能，可手动校正：
能分别进行分、时的校正，只要将开关置于手动位置，可分别对分、时进行连续脉冲输入的校正。
4、每秒钟要有秒闪烁指示。
5、上电后从“00：
00：
00”开始显示。
二、总体框图
根据设计任务与要求，想出了以下两种方案：
方案一：
使用具有异步置零功能的74LS290D组成主电路的计数模块；秒脉冲由555时钟芯片组成的多谐振荡器和分频电路产生；校时模块采用手动校时，手动产生单脉冲，按一下，计数器加一。
方案二：
采用十进制异步加计数芯片74LS160组成主电路的计数模块；秒脉冲直接由1Hz固定脉冲提供，无需设计秒脉冲发生电路；校时模块采用快速校时，通过开关控制计数器接通1HZ脉冲，自动计数。
综合以上两种方案，分析每个方案的优缺点后，发现方案一具有走时精准、电路原理简洁易实现等特点，所以该设计采用方案一的设计思路。
总体框图如图2—1所示。
图2—1总体框图
三、选择器件
本篇设计中采用了组合逻辑电路和时序电路的设计，芯片选用了74LS290D十进制加法器,非门，555时钟芯片以及带译码器的数码管,实现时间的时、分、秒的记时。
1、74LS290D
主体电路选用74LS290D构成计数模块，该芯片的引脚图，内部原理图如图3—1，3—2所示。
图3—174LS290D引脚图
图3—274LS290D内部原理图
2、数码管
数码管是一种由发光二极管组成的断码型显示器件，如图3—3所示。
图3—3数码管管脚图
数码管里有八个小LED发光二极管，通过控制不同的LED的亮灭来显示出不同的字形。
数码管又分为共阴极和共阳极两种类型，其实共阴极就是将八个LED的阴极连在一起，让其接地，这样给任何一个LED的另一端高电平，它便能点亮。
而共阳极就是将八个LED的阳极连在一起。
3、非门
非门又称为反相器，是实现逻辑非运算的逻辑电路。
非门有输入和输出两个端，电路符号如图3—4所示，其输出端的圆圈代表反相的意思，当其输入端为高电平时输出端为低电平，当其输入端为低电平时输出端为高电平。
也就是说，输入端和输出端的电平状态总是反相的。
图3—4非门
4、555定时器
555定时器管脚图如图3—5所示，其功能如表3—2所示，内部原理图如图3—6所示。
图3—5555定时器管脚图
图3—6555定时器内部原理图
5、单刀双掷开关
单刀双掷开关符号如图3—7所示。
图3—7单刀双掷开关符号
6、2N6659
2N6659符号图如图3—8所示。
图3—82N6659符号
2N6659内部原理剖图如图3—9所示。
图3—9内部原理剖图
7、LED灯
LED灯符号如图3—10所示。
图3—10LED灯符号
8、5V电源
5V电源符号如图3—11所示。
图3—11电源
9、与门
与门符号图如图3—12所示。
图3—12与门
四、功能模块
自动电子钟是一种用数字显示秒、分、时的计时装置，与传统的机械钟相比，它具有走时准确，显示直观、无机械传动装置等优点，因而得到了广泛的应用。
小到人们日常生活中的电子手表，大到车站、码头、机场等公共场所的大型数显电子钟。
自动电子钟由以下几部分组成：
秒脉冲发生电路；校时电路；六十进制秒、分计数器，二十四进制（或十二进制）计时计数器；秒指示电路。
其中主电路有时、分、秒三个计数模块构成，扩展电路包括校时电路、秒指示电路及由多谐振荡器构成的秒脉冲发生电路。
1、多谐振荡器的设计
振荡器是数字钟的核心，振荡器的稳定度以及其所产生的基准频率的稳定度决定了数字钟的计时的准确度，通常选用石英晶振构成振荡电路。
在要求不高的情况下可以选用555定时器构成的多谐振荡器，频率f=1KHZ。
555定时器功能如表4—1所示。
表4—1555定时器功能表
阈值输入端6
触发输入端2
复位端4
输出端3
放电管T端7
×
×
0
0
导通
<2/3Vcc
<1/3Vcc
1
1
截止
>2/3Vcc
>1/3Vcc
1
0
导通
<2/3Vcc
>1/3Vcc
1
不变
不变
555定时器组成多谐振荡器的工作原理如下：
接通电源VCC后，VCC经电阻R1和R2对电容充电，其电压UC由0按指数规律上升。
当UC≥2/3VCC时，电压比较器C1和C2的输出分别为UC1=0、UC2=1，基本RS触发器被置0，Q=0、Q’=1,输出u0跃到低点平Uo1。
与此同时，放电管V导通，电容C经电阻R2和放电管V放电，电路进入暂稳态。
随着电容C放电，uc下降到uc≤1/3Vcc时，则电压比较器C1和C2的输出为uc1=1、uc2=0，基本RS触发器被置1，Q=1，Q’=0，输出u0由低点平Uo1跃到高电平Uoh。
同时，因Q’=0，放电管V截止，电源VCC又经过电阻R1和R2对电容C充电。
电路又返回前一个暂稳态。
因此，电容C上的电压uc将在2/3Vcc和1/3Vcc之间来回充电和放电，从而使电路产生了振荡，输出矩形脉冲。
由图4可得多谐震荡周T为：
T=tw1+tw2。
tw1为电容C上的电压由1/3Vcc充到2/3Vcc所需的时间，充电回路的时间常数为R2C。
tw2可用下式估算tw1=（R1+R2）Cln≈0.7（R1+R2）C。
tw2为电容C上的电压由2/3Vcc下降到1/3Vcc所需的时间，放电回路的时间常数为R2C。
tw2可用下式估算。
tw2=R2Cln≈0.7R2C
所以，多谐振荡器的振荡频率周期T为
T=tw1+tw2≈0.7（R1+2R2）C
振荡频率为
f=1/T=1/0.7（R1+2R2）C
555定时器构成的时钟基准发生电路如图4—1所示。
图4—1多谐振荡器电路
2、分频电路的设计
分频电路的主要功能有两个：
一是产生标准的秒脉冲信号和校时脉冲信号；二是提供功能扩展电路所需的信号，如校时电路的1Hz的信号。
选用三片十进制计数器芯片74LS290D可以完成上述任务。
74LS290D是常用的二－五－十进制异步计数器，其功能如表4—2所示。
表4—274LS290D功能表
74LS290D具有如下的四种基本工作方式：
（1）二分频：
将R01，R02，R91，R92接地，INB置为低电平，在INA脉冲下降沿作用下，输出端QA为二进制计数器。
（2）五分频：
将R01，R02，R91，R92接地，INA置为低电平，在INB脉冲下降沿作用下，输出端QDQCQB为五进制计数器。
（3）十分频（8421码）：
将R01，R02，R91，R92接地，INB接QA，，在INA脉冲下降沿作用下，输出端QDQCQBQA为十进制计数器。
（4）置零置九：
将R01，R02接高电平实现异步置零功能，将R91，R92接高电平实现异步置九功能。
该设计电路要求经过三次分频将多谐振荡器输出的1KHZ的脉冲变为1HZ标准时间脉冲，所以要使用74LS290D的十分频工作方式：
将QA与INB连接，前一级芯片的QD与下一级芯片的INA连接作为下一级的脉冲输入，R01,R02，R91，R92共同接地使之无效。
设计的分频电路如图4—2所示。
图4—2分频电路
3、分秒的六十进制计数器设计
分和秒都是六十进制计数器，其计数规律为00-01-……—58-59-00……在选择芯片时，仍然选择74LS290D作为基础计数器芯片。
分的十位和秒的十位皆为六进制计数器，分的个位和秒的个位皆为十进制计数器。
要得到六进制的计数器就先把74LS290D接成十进制的（INB与QA接，以INA做输入），然后用异步置零功能跳过6，7，8，9四个状态达到六进制计数．即当输出为0110时实现进位同时置零，进位信号是通过把QB和QC经过一次与运算后接到高一级计数模块的R01和R02脚上（即异步置零），此时当计数到0110时则立刻置0，重新从0开始计数．因为74LS290D是异步置零，所以0110的状态为瞬态，肉眼几乎无法看到。
由十进制计数器（即个位的进位）当其由0000-1001时为一个周期的计数，所以我们只要其在由1001转变为0000时实现进位即可，通过观察十进制计数的输出0000，0001，0010，0011，0100，0101，0110，0111，1000，1001发现其最高位QD在一个周期的计数中只出现一次由1到0的变化（由1001到0000），而且74LS290D的脉冲输入端为下降沿有效，所以可以将QD直接作为六进制的输入脉冲来达到进位，如图4—3所示。
图4—3六十进制计数模块
4、时的二十四进制计数器设计
时计数器是一个24进制计数器，时的个位是10进制计数器，时的十位为二进制计数器，当时钟显示23:
59:
59时，时钟计数器自动跳回00，设计电路如图4—4所示。
图4—4二十四进制计数模块
5、校时电路
当电子钟接通电源或者计数出现误差时，需要矫正时间。
校时是电子钟必备的功能之一。
本设计中，为简化起见，只进行分和时的校正。
校时电路要求在校时的同时不影响秒的正常计数，设计中，可分为“快速校正”和“慢速校正”。
“快速校正”通过开关控制，使计数器使用1HZ的校时脉冲。
“慢校时”是用手动产生单脉冲，按一下，计数器加一。
本设计中采用慢速校时，开关S2，S3连在右边时连通秒、分的进位信号，分与时计数模块正常计数；当开关拨到左边时，与进位信号断开，此时不再产生进位，分别左右拨动开关S1，S4可以产生单脉冲，按一次，计数加一。
另外，这种校时有一个缺陷，就是校时不能后退，比如，现在分时间是36，想要校分到16必须要将分从36调到00再跳到16。
设计的校时、校分电路如图4—5所示。
图4—5校时、校分电路
6、秒指示电路
秒指示电路如图4—6所示。
图4—6秒指示电路
五、总体电路图
设计的总体电路图如图5-1所示。
图5-1总体电路图
六、个人体会与总结
两周的电子课程设计到此结束了，虽然在课程设计过程中遇到了各种各样的问题，但都一个一个的解决了。
首先是在方案选择方面，刚开始选择了熟悉的计数芯片74LS160来作为主体计数模块，但在仿真过程中遇到了异步清零功能不能正确实现的问题，斟酌再三，选择了具有异步置零功能的74LS290D来代替74LS160，取得了很好的效果；其次是校时模块的设计，也经历的从快速校时到手动校时的相应变化。
在这两周的课程设计中，我们把在课堂上学到的理论知识应用到设计当中，加深了对课本的理解与记忆，增强了解决问题的能力，受益匪浅。
同时在以后的学习生活中，我将更加重视课堂上的理论学习，只有有加强理论基础才可以更好的应用于实践。
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