基于mustism仿真的数字电子时钟设计课程设计.docx
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基于mustism仿真的数字电子时钟设计课程设计
数字电路课程设计
课题:
数字电子钟
学院机械工程学院班级机电0912
成绩指导老师
引言……………………………………………………………(3)
一.设计意义和要求……………………………………………(4)
1.1设计意义…………………………………………………(4)
1.2设计目的…………………………………………………(4)
1.3设计要求…………………………………………………(4)
二.方案设计………………………………………………………(5)
2.1设计思路………………………………………………(5)
2.2方案设计……………………………………………(5)
三.单元电路设计………………………………………………(8)
3.1555多谐振荡器……………………·………………(8)
3.2秒脉冲发生电路·····························(9)
3.3秒和分计时电路……………………………………(9)
3.4小时计时电路·······························(11)
3.5显示电路……………………······………………(12)
3.6校时电路…………………………········………(13)
3.7整点报时电路………………………………………(14)
四.调试与检测…………………………………………………(15)
五.总结与体会…………………………………………………(16
六.参考文献……………………………………………………(17)
七.附录···……………………………………………………(17)
引言
所谓数字钟,是指利用电子电路构成的计时器。
相对机械钟而言,数字钟能实现准确计时,并显示时,分,秒,而且可以方便,准确的对时间进行调节。
在此基础上,还可以实现整点报时的功能。
因此,数字钟的应用十分广泛。
我们要通过这次的课程设计掌握数字钟的原理,学会设计简单的数字时钟。
设计过程采用系统设计的方法,先分析任务,得到系统和要求,然后进行总体设计,划分子系统,然后进行详细设计,确定各个功能子系统中的内部电路,最后按照原理图构成实物,进行调试和改进。
一设计意义及要求
1.1设计意义
(1).了解数字钟的原理和功能
(2).学会使用555定时器构成脉冲发生器
(3).了解和掌握计数器,译码器和显示器的工作原理和使用方法
(4).进一步学习与掌握各种组合逻辑电路与时序电路的原理与使用方法,学会利用数字电路实现数字钟的功能
1.2设计目的
(1).使学生进一步掌握数字电子技术的理论知识,培养学生工程设计能力和综合分析问题、解决问题的能力;
(2).使学生基本掌握常用电子电路的一般设计方法,提高电子电路的设计和实验能力;
(3).熟悉并学会选用电子元器件,为以后从事生产和科研工作打下一定的基础。
1.3设计要求
(1).设计一个准确计时,以数字显示时,分,秒并能校正的时钟。
(2).小时的计时要求为“12翻1”,分和秒要求为60进制进位。
(3).扩展功能:
具有整点报时功能。
(4).定时控制。
(5).仿广播电台报整点时数。
(6).触摸整点报时。
二、方案设计
2.1设计思路
利用555定时器构成多谐振荡器,调整其电阻和电容大小,使其输出信号频率为1kHz,通过三个74LS90分频即构成了秒脉冲发生器产生1HZ的脉冲。
用74LS92和74LS90级联构成60进制计数器,用来计“秒”,其CP输入为秒脉冲;另有74LS92和74LS90级联构成60进制计数器,用来计“分”,其CP输入为“秒”变为0时产生的一个下降沿信号;另外用74LS191和74LS74来计“时”,即当数字时钟运行到12时59分59秒时,秒的个位计数器再输入一个秒脉冲时,数字时钟自动显示为01时00分00秒。
。
它们的输出用六片译码显示的数码管显示。
对“时”,“分”的调节采用将原来使他们计时加“1”的信号切换为可控脉冲信号的方法。
报时电路由555定时器构成的多谐振荡器,三极管和蜂鸣器组成,这样蜂鸣器输出的音频信号有高低变化。
报时电路的驱动信号要在报时时间段内使振荡器工作。
2.2方案设计
根据数字钟的设计思路,可以将它分为六个单元电路:
振荡器,分频器,校时电路,计数器,译码器和显示器六部分组成。
扩展电路有四部分:
定时控制,仿电台报时,整点报时,触摸整点报时。
它们之间的连接关系见原理方框图,如图5.5.1所示:
由原理方框图可以看出,在整个数字钟电路中,计时电路是主体。
它不仅是显示电路的基础,还要与分频器,校时电路,译码电路配合来实现相应的功能。
而数字钟的准确性则依赖于由多谐振荡器构成的秒脉冲源的准确性,在连接实物时要将其输出信号的频率控制为1KHz。
由设计思路和原理方框图得图
图2.数字时钟整体图
三、单元电路设计
3.1555多谐振荡电路
如图3,由555定时器和外接元件R1、R2、C构成多谐振荡器,脚2与脚6直接
相连。
电路没有稳态,仅存在两个暂稳态,电路亦不需要外接触发信号,利用电源通过R1、R2向C充电,以及C通过R2向放电端Dc放电,使电路产生振荡。
电容C在2/3Vcc和1/3Vcc之间充电和放电,从而在输出端得到一系列的矩形波。
555构成的多谐振荡电路
适当调节滑动变阻器的阻值,可求得输出信号的T约为1mS,则输出信号频率约为1KHz。
3.2秒脉冲发生器
由以上多谐振荡器输出的1ms脉冲通过三个74LS90进行十进制分频经第一片分频后为500HZ,经第二片分频后为10HZ,经第三片分频后为1HZ,即可得到1秒脉冲,如图4所示。
图4.1秒脉冲发生器
3.3秒和分计时电路
由一片74LS90D和74LS92D构成。
74LS90为个位,74LS92为十位。
将74LS90的输出与7段数码管相应的管脚连接起来,将R01,R02,R91,R92接地,IXA接脉冲,IXB接QA。
这样数显管就能正常显示十进制计数。
90向92的进位可以将90的QD接到92的IXB。
而后,将92的IXA接到VCC(5V),R01,R02接地。
并将92的QB,QC,QD分别于数显管的A,B,C相连,数显管的D端接地。
在用一个74LS00将92的QD引出到清零端实现六进制。
如此,就实现了00-01-02-······58-59-00的转化。
电路如图5所示
图5秒和分计时电路
3.4小时计时电路
小时计数器是一个“12”翻“01”的特殊进制计数器。
当数字时钟运行到12时59分59秒时,秒的个位再输入一个脉冲时数字时钟应该显示为01时00分00秒。
其电路连接方式如图6所示
图6小时计时电路
3.5译码和显示电路
我所采用的译码和显示器件为DCD_HEX。
此器件为译码和显示一体器件。
此处只需按照相应的引脚连接即可。
只要将以上所做好的秒和分的计时电路,以及小时的计时电路,再加上数码管的连接电路,所有的串接起来就构成了译码的显示电路。
如图7所示
图7.显示电路图
3.6校时电路
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。
校时方式有“快校时”和“慢校时”两种。
快校时是通过开关控制,使计数器对1HZ的校时脉冲计数;慢校时是通过手动产生单脉冲作为校时脉冲。
图8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。
他们的控制功能如表5.1.1所示。
校对脉冲采用1HZ脉冲,当S1或S2分别为“0”时,可以进行“快校时”。
图8.校时电路
调时调分的原理是将“时”“分”计时电路原来所接的进位信号切换为单脉冲,各通过一个单刀双掷开关实现信号切换。
单脉冲由一个带弹簧的开关模拟,把它接在与电源相连的线路中,当开关按下去时线路连通为高电平,弹起时线路断开为低电平,开关一次按下和弹起就是一个下降沿脉冲,可以使计时器计数加1,这样可以通过这个开关调时和调分。
电路图如图9所示:
图9.校时校分电路
3.7整点报时电路
整点报时电路如图10所示。
它由一个多谐振荡器,一个NPN型三极管和一个扬声器组成,当振荡器工作时,三极管驱动扬声器发出震荡音频。
但是这个振荡器的4脚和VCC之间接了一个上拉电阻,那么4脚处就不一定是高电平,当它为低电平时振荡器不工作,只有当它为高电平时振荡器才工作,那么只要找到合适的信号接到4脚,当需要报时此信号为高电平,其他时间为低电平,就可以实现报时功能。
我想把报时功能设置成整点前十秒蜂鸣器开始鸣叫,十秒后停止鸣叫即为整点。
注意到某点59分50秒后的十秒钟内,“5”“9”“5”对应的8421BCD码为010110010101,将3块芯片上对应的输出为“1”的输出端相与输出为高电平,把它接到振荡器4脚上,在整点前十秒蜂鸣器会报时。
在其它时间这六个输出端不可能同时为“1”,即他们相与的输出为低电平,振荡器不会工作,不会报时。
如此可以实现整点报时功能。
图10.报时电路图
四、调试与检测
调试过程中遇到的问题主要是开关校时问题。
当把“时”,“分”原来所接的进位信号切换为按键脉冲时,本想是作为一个控制开关来实现主这样的功能,但是实际上在切换开关的过程中也会使时钟进位。
这是因为在扳动开关的过程中产生了信号的高低电平转换,进而形成了进位信号,导致当调整好电路后扳回开关时继续进一。
因此我对调时电路作了改进,改为调节“时”,“分”时,将它们原来所接的进位信号切换为秒脉冲信号,这个信号是比较稳定的,避免了机械开关的抖动问题。
当时间调好时,只要将CP信号切换回原来的进位信号即可恢复正常计时。
五、体会和总结
课程设计是我们运用所学知识,动手实践的一个很好的机会。
它既可以帮助我们加深对所学知识的理解,又能提高我们运用知识,联系实际,动手实践的能力。
而且在设计过程中可能用到我们没学过的知识,需要我们去查阅资料获取相关信息,这又提高了我们查找信息和学习新知识的能力。
在实物的调试与检测过程中,又会遇到许多意想不到的问题,需要我们去分析原因和解决问题。
有些现象能够证明我们所学知识的正确性,有些现象有说明理论和现实是有差异的。
在整个课程设计完后,总的感觉是:
有收获。
以前上课都是上一些最基本的东西,而现在却可以将以前学的东西作出有实际价值的东西。
在这个过程中,我的确学得到很多在书本上学不到的东西,如:
如何利用现有的元件组装得到设计要求,如何找到错误的原因,如何利用Multisim仿真软件来仿真电路图等等。
但也遇到了不少的挫折,有时遇到了一个错误怎么找也找不到原因所在,找了老半天结果却是芯片的管脚接错了,有时更是忘接电源了。
在学习中的小问题在课堂上不可能犯,在动手的过程中却很有可能犯。
特别是在接电路时,一不小心就会犯错,而且很不容易检查出来。
但现在回过头来看,还是挺有成就感的。
六.参考文献:
1.李景宏,马学文.电子技术实验教程.沈阳:
东北大学出版社.2002
2.王永军,李景华编著.数字逻辑与数字系统.北京:
电子工业出版社,2002
3.高吉祥,易凡编著.电子技术基础实验与课程设计.北京:
电子工业出版社,2002
4.陈大钦编著.电子技术基础实验.北京:
高等教育出版社,2000
5.李晶皎,李景宏,曹阳编著.逻辑与数字系统设计.北京:
清华大学出版社,2009
6.杨志忠编著.数字电子技术[M].北京:
高等教育出版社、2003、12
七.附录部分芯片功能参数表
555
555定时器(又称时基电路)是一个模拟与数字混合型的集成电路。
555定时器是一种应用极为广泛的中规模集成电路。
该电路使用灵活、方便,只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器。
因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。
目前生产的定时器有双极型和CMOS两种类型,其型号分别有NE555(或5G555)和C7555等多种。
它们的结构及工作原理基本相同。
通常,双极型定时器具有较大的驱动能力,而CMOS定时器具有低功耗、输入阻抗高等优点。
555定时器工作的电源电压很宽,并可承受较大的负载电流。
双极型定时器电源电压范围为5~16V,最大负载电流可达200mA;CMOS定时器电源电压范围为3~18V,最大负载电流在4mA以下。
555的引脚如图11:
555的内部电路图
74LS90
74LS90的引脚图如下图10所示
图12
74LS90的功能表