多功能数字钟电路设计通信.docx

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多功能数字钟电路设计通信

附件1：

学号：

填入学号

课程设计

题目

学院

专业

班级

姓名

指导教师

2010年7月9日

课程设计任务书

学生姓名：

专业班级：

通信0806

指导教师：

工作单位：

武汉理工大学

题目:

多功能数字钟电路设计

初始条件：

74LS909片，74LS191一片74LS192一片,74LS48、数码显示器各六片555定时器二片，74LS00六片，74LS04三片，74LS20三片,电阻若干，电容，开关各五个，蜂鸣器三个，LED一个，导线若干。

要求完成的主要任务:

用中、小规模集成电路设计一台能显示时、分、秒的数字电子钟，要求如下：

1产生1HZ标准秒信号。

2.秒、分为00-59六十进制计数器。

3.时为01-13十二进制计数器。

4.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。

可分别对秒、分、时进行连续脉冲输入调整。

5.整点报时。

整点报时电路要求在每个整点前鸣叫四次低音（500HZ），整点时再鸣叫一次高音（1000HZ）。

6．定时控制，时间自定。

7．仿电台整点报时。

自动报整点时数或触摸报整点时数。

时间安排：

指导教师签名：

年月日

系主任（或责任教师）签名：

年月日

多功能数字钟电路设计

摘要4

1系统原理框图6

2方案设计与论证7

2.1振荡器电路7

2.2分频器电路9

2.3时间计数器电路9

2.4译码驱动及显示单元电路10

2.5校时电路10

2.6仿广播电台整点报时电路12

2.7定时控制电路13

2.8自动（触摸）报整点时数电路13

2.9上下午指示电路15

3单元电路的设计16

3.1时间脉冲产生电路的设计16

3.2计数电路的设计16

3.2.160进制计数器的设计16

3.2.212进制计数器的设计17

3.3译码及驱动显示电路18

3.4校时电路的设计18

3.5仿电台整点报时电路19

3.6定时控制电路20

3.7自动（触摸）报整点时数电路21

3.8电路总图22

4仿真结果及分析23

4.1时钟结果仿真23

4.2脉冲信号波形图23

4.3仿电台整点报时电路波形图24

4.4自动（触摸）报时电路26

4.5定时控制电路波形图27

4.6测试结果分析29

4.7设计中遇到的问题29

5心得与体会30

6参考文献31

附录1原件清单32

摘要

数字钟是一种用数字电路技术实现日、时、分、秒计时的装置，与传统的机械式时钟相比，具有更高的准确性和直观性，且无机械传动装置，具有更更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。

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。

本课程设计要用通过简单的逻辑芯片实现数字时钟。

要点在于用555芯片连接成输出一秒的多谐振荡器用于时钟的秒脉冲,用74LS90（10进制计数器）74LS192（4位二进制计数器）等连接成60和12进制的计数器,再通过七段数码管显示，外加上校时电路和整点报时电路即构成了简单数字钟。

扩展电路可实现定点报时功能。

Abstract

Adigitalclockisakindofdigitalcircuittechnology,whilethetiming,minutesandseconds,comparedwiththetraditionalmechanicalclock,withhigheraccuracyandintuitive,andnomechanicaldevice,hasmorelongerservicelife,soithasbeenwidelyused.SmalltoPeople'sDailylifeintheelectronicwatch,stations,docksandairports,publicplaceoflarge-scaledigitalelectricclock.

Thecourseisdesignedtousesimplelogicchipsdigitalclock.Thepointistouseachipconnectedinto555outputofharmonicoscillatorusedinsecondstheclockpulse,theuseof74LS90（10）,（474LS192counterbinarycounter）connectedinto60and12inthecounter,thenthrough7digitaldisplay,plusthecoloneltubewhenworkingonthecircuitandthesimplecircuitisadigitalclock.Expansioncircuitcanrealizedesignatedtimefunctions.

1系统原理框图

数字钟实际上是一个对标准频率（1HZ）进行计数的计数电路。

由于计时的过程中必然会产生一定的误差，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。

图1所示为数字钟的一般构成框图。

图1系统原理框图

该系统的工作原理是：

振荡器产生的稳定高频脉冲信号，作为数字钟的时间基准，再经过分频器输出标准秒脉冲。

秒计数器计满60后向分计数器进位，分计数器计满60后向小时计数器，小时计数器采用12进制计数，并通过一LED来提示上下午。

计数器的输出经译码器送显示器。

计时出现误差时可以用标准时电路进行校时、校分、校秒。

扩展电路（整点报时系统）在主体电路正常运行的情况下才能进行扩展。

2方案设计与论证

2.1振荡器电路

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

2.1.1方案一：

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（如图2）。

石英晶体振荡器的作用是产生时间标准信号因此一般采用石英晶体振荡器经过分频得到这一时间脉冲信号

图2石英晶体振荡器图

如果精度要求不高刚也可以采用由集成逻辑门与R、C组成的时钟源振荡器或由集成电路定时器555与R、C组成的多谐振荡器。

2.1.2方案二：

定时器555与RC组成的多谐振荡器作为时间标准信号源。

图3555与RC组成的多谐振荡器图

2.1.3方案三：

由集成逻辑门与RC组成的时钟源振荡器。

图4门电路组成的多谐振荡器图

2.2分频器电路

2.3时间计数器电路

图574LS90内部逻辑框图

2.4译码驱动及显示单元电路

2.5校时电路

图6方案一校正电路图

图7方案二校正电路图

图8方案三校正电路

2.6仿广播电台整点报时电路

图9仿电台报时电路

2.7定时控制电路

数字钟在指定的时刻发出信号，或驱动音响电路“闹时”；或对某装置的电源进行接通或断开“控制”。

在本次设计中设计成闹时，指定时刻为05时59分00钞音响电路以1KHZ的频率的闹一分钟到6时00分00秒结束。

（可以通过必一个二输入为四输入引入上下午的指示信号来进一步确定闹钟的响铃时间）

图10定时控制电路

2.8自动（触摸）报整点时数电路

报整点时数电路的功能是：

每当数字钟计时到整点时发出音响或当有触摸时，发出音响，且几点响几声。

实现这一功能的电路主要有以下几个部分组成。

2．8．1减法计数器完成几点响几声的功能。

即从小时计数器的整点开始进行减法计数，直到零为止。

2．8．2编码器将小时计数器的4个输入端D0、D1、D2、D3所需的BCD码。

编码器的真值表如表

（2）所示。

2．8．3逻辑控制电路控制减法计数器的清零与置数。

控制音响电路的输入信号。

根据以上要求，采用了如图9所示的报整点时数的电路。

其中编码器是由与非门实现的组合逻辑电路，其输出端的逻辑表达式由5变量的卡诺图可得：

减法计数器先用74LS192组成，各控制端的作用如下：

PL为转数端。

当PL=0时将小时计数器的输出经数据输入端D0D1D2D3的数据置入。

RCO为溢出负脉冲输出端。

当减计数到“0”时，PL输出一个负脉冲。

D/U为减/加控制器。

D/U=1时减法计数。

CLK为减法计数器脉冲，兼作总得控制脉冲。

逻辑控制电路由D触发器74LS74与多级与非门和非门组成，如图9所示。

图11自动（触摸）报时电路

2.9上下午指示电路

如图10，通过将时十位的在触发器的Q的反相端输给拼成T’形式的控制LED的D触发器的时钟信号，根据D触发器为上升沿触发，只有当小时从12变为01时，D的状态翻转，从而LED的状态改变，实现指示上下午的功能，在这里，规定LED亮时为上午。

那么，图中是上午2时。

图12上下指示信号电路

3单元电路的设计

3.1时间脉冲产生电路的设计

图13产生1Hz时间脉冲的电路图

3.2计数电路的设计

3.2.160进制计数器的设计

图1460进制电路图

3.2.212进制计数器的设计

图1512进制计数器图

3.3译码及驱动显示电路

图16译码及驱动显示电路图

3.4校时电路的设计

图17校时电路图

3.5仿电台整点报时电路

图2报时电路图

3.6定时控制电路

电路中定时5时59分发出闹时信号（1KHz），持续时间为1分钟。

如图17，当时个位Q3Q2Q1Q0=0101，分十位Q3Q2Q1Q0=0101，分个位Q3Q2Q1Q0=1001时，音响电路开始发音，持续一分钟。

图19闹时电路

3.7自动（触摸）报整点时数电路

如图15，当接通电源开关后，用清零开关将D触发器清零，该清零脉冲有两个作用：

其一，使74LS191的置数端PL=0，即将此时对应的小时计数器输出的整点时数输入到74LS191；其二，封锁1KHz的电频信号，使音响电路无输入脉冲。

3.7.1自动报整点电路

当分十位计数器的进位脉冲的上降沿到来时，小时计数器加1，新的小时数置入74LS191，同时又使74LS74的状态翻转，1Q经两非门后使PL=1，此时74LS191开始减法计数，脉冲CP（1Hz）提供。

CP=1时音响发出1KHz的声音，CP=0时停响。

当减法计数到0时，计数器的借位输出下降沿使D触发器状态翻转，使1Q=0，这时PL=0，74LS191又回到置数状态，并且封锁了音响电路，直到下一个分十位进位信号的下降沿到来。

3.7.2触摸报整点时数电路

用555构成单稳态触发器，没触摸报时开关闭合后（再断开），进入暂态，暂态时间为略大于12S，在该时间内会封锁分十位进位信号的下降沿，直到回到稳态后。

在单稳态触发的进入暂态时，输出端输出上升沿，使D触发器状态翻转，1Q=1，74LS191进入减法计数，并伴随音响发音。

直到减法计数到0时，计数器的借位输出下降沿，经门电路后使D触发器状态翻转，1Q=0，这时PL=0，74LS191又回到置数状态，并且封锁了音响电路，直到下一次的触发。

图20自动（触摸）报整点时数时数电路

3.8电路总图

图3电路总图

4仿真结果及分析

4.1时钟结果仿真

图22时钟结果仿真图

由图22可知，该时刻为上午11时24分22秒。

4.2脉冲信号波形图

（1）1KHz和500Hz脉冲波形图

如图21

（1），A波形为1KHz的波形，B波形为500HZ的波形，C波形为1Hz的波形。

由扫描频率为1格/ms，可知，1KHz和500Hz的波形比较理想。

（2）1HZ波形图

图23脉冲信号波形图

如图23

（2），C波形是1Hz的波形，它不是典型的矩形波，但因为它是555定时器构成的多谐振荡器产生的脉冲波，通过RC充放电形成，所以还算正常。

4.3仿电台整点报时电路波形图

（1）

（2）

（3）（4）

（5）（6）

图24仿电台整点报时电路波形

如图24，是仿电台整点报时的波形图，

（1）~（6）图分别示的是06时59分51、53、54、55、57、59秒的波形图，（扫描频率是格/ms）根据图中可知，仿真达到了预想的结果：

4次低音（500Hz）和一次高音（1KHz）。

4.4自动（触摸）报时电路

（1）

（2）

（3）

图25自动（触摸）整点报时电路波形图

如图25，图

（1）和图

（2）的扫描频率分别为格/0.2s和/格1ms，（1KHz）的声音报时了三次，又结合图（3）中LED发光可知当时为早上03时00分00秒时的波形。

4.5定时控制电路波形图

（1）

（2）

（3）（4）

（5）（6）

（7）（8）

（9）（10）

图26定时控制电路波形

如图26，由

（1）~（10）可知，在预告设定的05时59分时定时控制电路控制的音响开始发音，持续1分钟，到06时00分00秒结束。

达到了预想的结果。

4.6测试结果分析

根据以上5点的仿真结果及相应的分析可知，电路可以实现设计要求，可以实现数字钟的基本功能，比如计数，同时多功能模块校时功能和报时功能都可以使用，而且自动报时和触摸报时同时实现了，这是一个突破点，也是一个亮点，另外，闹钟定时控制电路也实现了。

基于仿真结果可以认定，此次多功能数字钟的设计是成功的。

4.7设计中遇到的问题

问题一：

在用555定时器构成多谐振荡器输出1KHz的脉冲时，经1000分频后得到1HZ的脉冲，但在仿真时发现秒表跳动的时间大于1S，如图25所示

图25

对于这个问题我还没能找到解决方案。

问题二：

在最初设计时，我设计小时是24进制的，但到后来设计自动和触摸整点报时发现，如果用24进制，那么需要将六变量转换为8变量，减法计数，计算的结果也会用较多的逻辑门，所以我将小时改为12进制，即“12翻1”，同时，为了区分上下午，我利用一个LED的亮暗来表示，具体设计见上面设计

问题三：

在设计自动和触摸整点报时电路时，遇到过两大问题：

一是，报时开始后，没法停止，后来分析发现，是因为分十位的进位信号在没进位是低电平，会封锁74LS191计数器的借位信号（使音响停响），最后通过调整门电路可解决上述问题；二是，当有分十位进位信号减法计数器的还没来得及更新小时数，就开始减法计数了，所以比实际报时少一个小时，经分析发现是因为二者的跳变沿不同，所以变化不同步，最后也是通过调整门电路解决此问题

以上是我在设计中遇到比较大的问题，其它的小问题就不在这赘述了。

5心得与体会

6参考文献

《新型集成电路的应用――电子技术基础课程设计》，梁宗善主编，华中科技大学出版社。

5《电子技术基础课程设计》，孙梅生等编著，高等教育出版社。

附录1原件清单

本科生课程设计成绩评定表

姓名

性别

专业、班级

课程设计题目：

多功能数字钟电路设计

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