数字电路 电子钟设计.docx

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数字电路电子钟设计

课程设计任务书

姓名

XXX

学号

XXX

班级

XXX

课程名称

数字逻辑电路

课程性质

专业必修课

设计时间

2008年12月25日——2009年1月8日

设计名称

数字电子钟设计

设计要求

1、时间以12小时为一个周期；

2、显示时、分、秒；

3、具有校时功能，可以分别对时及分进行单独校时，使其校正到标准时间；

4、计时过程具有报时功能，当时间到达整点前10秒进行蜂鸣报时；

5、为了保证计时的稳定及准确须由晶体振荡器提供表针时间基准信号。

设计思路

与

设计过程

计划与进度

由简单到复杂，争取15天以内完成

任课教师

意见

说明

利用多功能虚拟软件Multism10进行电路的制作、调试，并生成文件

课程设计报告

课程：

数字逻辑电路

学号：

XXX

姓名：

XXX

班级：

XXX

教师：

XXX

计算机科学与技术学院

设计名称：

数字电子钟设计日期：

2009年1月8日

设计内容：

具有时（00～12）、分（00～59）、秒（00～59）显示功能；具有校时功能；具有整点报时功能。

设计目的与要求：

1、时间以12小时为一个周期；

2、显示时、分、秒；

3、具有校时功能，可以分别对时及分进行单独校时，使其校正到标准时间；

4、计时过程具有报时功能，当时间到达整点前10秒进行蜂鸣报时；

5、为了保证计时的稳定及准确须由晶体振荡器提供表针时间基准信号。

设计环境或器材、原理与说明：

1、收集相关资料，完成相关电路的设计图，正确选用适合设计内容的集成电路、器件和器材，并列出“领料清单”；

2、利用多功能虚拟软件Multism10进行电路的制作、调试，并生成文件。

设计过程（步骤）或程序代码：

1.设计思想:

数字钟主要分为数码显示器、60进制和12进制计数器、频率振荡器和校时这几个部分。

数字钟要完成显示需要6个数码管，八段的数码管需要译码器械才能显示，然后要实现时、分、秒的计时需要60进制计数器和12进制计数器，在在仿真软件中发生信号可以用函数发生器仿真，频率可以随意调整。

60进制可能由10进制和6进制的计数器串联而成，而小时的12进制可以采用74LS191的十进制计数器和D触发器来产生计数和进位。

频率振荡器可以由晶体振荡器分频来提供，也可以由555定时来产生脉冲并分频为1HZ。

主体思路如下图所示：

2.电路结构与原理图

（1）数码显示器

在Multisim8仿真器件中，数码管分为需要译码器显示的和无需译码直接显示的两种，需要译码器的数码管有共阳极和共阴极之分，此电路采用的是不需译码直接显示的数码管（如图1所示），这样就简化了电路，增加了调试的正确性。

如图2所示的数码管需要译码器才能显示，74LS47是驱动共阳极数码管的器件，74LS48是驱动共阴极数码管的器件。

图1不需译码管的数码管图2需译码器的双数码显示

图3译码器驱动共阴极数码管电路

如图3所示电路，从74LS48的A，B，C，D端输入二进制数便可完成显示功能，而图1的数码管直接输入二进制数便可显示。

（2）60进制计数和12进制计数

在设计数字钟电路中，进制是最主要的一部分，它关系着显示的正确与否。

关键在于了解各种器件的作用及功能，而且在调试的过程中容不容易出问题，电路会不会变得复杂，器件的选择最好要统一，以便调试成功。

①　分和秒的六十进制：

从常理可知，数字钟需要六十进制和十二进制计数器，而六十进制可通过十进制和六进制串联而成，从而完成数码显示。

因为同步加法计数器74LS161可构成16进制以下的计数器，所以此电路中分和秒的计时都采用74LS161来进行设计。

而小时是12进制计数，采用74LS191的十进制计数器和D触发器来产生计数和进位。

在数字钟的控制电路中，分和秒的控制都是一样的，都是由一个十进制计数器和一个六进制计数器串联而成的，在电路的设计中我采用的是统一的器件74LS161N的反馈置数法来实现十进制功能和六进制功能，十进制的同步加法计数器有74160和74192，而没有现成的六进制同步加法计数器。

图4是用74LS161构成六进制计数器的结构图，根据74LS161的结构把输出端的0101（十进制为5）用一个与非门74LS00引到Load端便可置0，这样就实现了六进制计数。

图5是用74LS161构成十进制计数器的结构图，同样，在输出端的1001（十进制为9）用一个与非门74LS00引到Load端便可置0，这样就实现了十进制计数。

在分和秒的进位时，用秒计数器的Load端接分计数器的CLK控制时钟脉冲，脉冲在上升沿来时计数器开始计数。

图474LS161构成六进制计数器

图574LS161构成十进制计数器

②　小时的十二进制：

数字钟的小时要用到十二进制，要用到十进制，并且在计数到12时要清零，所以不能用单纯的十进制计数器，考虑到在12时要清零，用4位二进制计数器可以实现，所以选用的是74LS191，它有置数端Load，还有加减计数控制端U/D，在输出端的1010（十进制为10）用一个与非门74LS00引到Load端便可置0，从而实现十进制。

当D触发器的CP脉冲为上升沿时，Qn式=D，74LS74器件为D触发器，并且有异步清零端，可在一定条件下清0，这样会更方便控制，因为小时的十位只有0和1两种状态，所以在D端接高电平。

即置1，当进位到来时74LS74的输出就为1，利用这个原理实现进位。

当计数计到12时，即显示的十位为1和个位为2时就要清零，这自然就要想到用与非门和非门反馈接到清零或置数端来实现，在理论上与非门和非门可以等效于与门，但用与非门和非门会增加电路的稳定性，尽量使电路调试正确。

如图6所示，触发器的D端接高电平，与非门的输入端一端接D触发器的输出端，另一端接74LS191输出的QB端，经过一个非门后，连到74LS191的Load端使小时的个位置零，再与74LS191输出的QA端与非，即个位计数到达12时，并在74LS191开始从0跳变到1时使小时的十位清零，使显示从12跳变到01，小时的计数就是从01到12。

图6控制小时显示的进位电路图

（3）校时

由于Multisim可以仿真，并有函数发生器，最简单的校时方法就是通过开关用函数发生器对CLK端输入脉冲以改变显示的数值。

此电路的设计就是采用这种方法校时的，虽可以只用一个函数发生器来实现同步，但调试时结果不能体现出来，所以用另外的函数发生器来实现校时。

校时的具体设计方法是：

用一个单刀双掷开关切换计数功能与校时功能，另一端接计数器的脉冲输入端，开关置于函数发生器这一端便可以校时，置于计数器的进位端便是计时。

不校正时间时开关都应打在与非门的那一端，校时时才用键盘操作改变开关的状态。

（4）振荡器

振荡器是计时器的核心，其作用是产生一个标准频率的脉冲信号。

图7是由555定时器构成的1KHZ的自激振荡器，其原理是0.7（2R3+R4+R5）C4=1ms，f=1/t=1KHZ。

计时是1HZ的脉冲才是1S计一次数，所以需要分频才能得到1HZ的脉冲，如图8所示电路，是三个用十进制计数器74LS90串联而成的分频器，分频原理是在74LS90的输出端子中，从低位输入10个脉冲才从高位输出1个脉冲，这样一片74LS90就可以起十分频的作用，三个74LS90串联就构成了千分频的电路，输出的便是1HZ的信号，从而达到目的。

在仿真时，1HZ的频率太慢了，在实际中得到的时间不是1S计数一次，所以仿真都是用函数发生器代替，所以我在数字钟总电路图中没有用到振荡器。

图7555定时器产生频率为1KHZ信号的电路

图8把1KHZ的信号分频为1HZ信号的电路

附555定时器的功能表

输入

输出

阀值输入（v11）

触发输入（v12）

复位（RD）

输出（VO）

发电

管T

×

×

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

（5）整点报时电路：

因为它从59分50秒开始响，把分十位的QA、QC和分个位的QA、QD送到与门1（实际做的时候用一4输入与非门74LS20加一非门74LS04代替），再和秒十位的QA、QC一起送到一与门2，与门2出来的信号直接与蜂鸣器相连，即可达到提前报时的目的（59分50秒至59秒蜂鸣，整点时间灯亮）。

其原理图如下图所示：

设计结果与分析（可以加页）：

结果如预想的一样，计数、报时、校时功能都可实现。

图中的秒和分的60进制可以用十进制计数器74LS160和74LS161代替，十进制计数器代替74LS161可以减少与非门的使用，这样就更加简化了电路，相当于一个小小的改进。

仿真的结果在Multisim中可以清楚地看到。

从左到右的函数发生器中第一个是为校时提供的，第二个是为校分提供的，第三个是是正常计数产生脉冲的信号源，改变函数发生器频率则会影响计数快慢。

元器件清单

器件

数量

四输入数码管

6个

74LS161N

6个

74LS04/06

3个

74LS20D

2个

蜂鸣器Buzzer

1个

灯泡

1个

74LS08N

5个

74LS00N与非门

5个

单刀双掷开关

2个

说明

在Multisim软件中，如上图所示，数字钟的总电路图，设置函数发生器的频率为1HZ，把A开关和B开关都接到与非门的那端，再运行就可以让数字钟自行计数了。

如果运行的太慢可以适当调节函数发生器的频率。

如果把A开关接到函数发生器上，就是对小时进行校正，如果把B开关接到函数发生器上那就是对分进行校正。

小时的计数是从01到12，不是从00到11，但在校正小时位时初始状态仍为00。

振荡器的仿真可以直接运行，然后用示波器观察现象便可。

设计体会与建议：

整个过程花了我不少时间，可当做完时才发现做这个数字钟也并不是很难，因为平时课上所学的知识早已覆盖了该实验的知识，而在调试上却是花了不少时间，其间换了不少器件，有的器件在理论上可行，但在实际运行中就无法看到效果，比如振荡器的分频等等。

所以调试花了我不少时间，有时无法找出错误便更换器件重新接线以使电路正常运行。

Multisim软件有时会出问题，在理论上可行的电路在调试中未必能显示出来，这就需要不断地尝试才能得出正确的答案。

通过本次设计，我也学会了诸多分电路的设计，主要元器件的选择，比如需译码器的和不需译码器的数码显示管的选择等问题，加深了我对数字电子技术许多知识的理解。

在实际的操作过程中，我能把理论中所学的知识灵活地运用起来，并在调试中会遇到各种各样的问题，同时电路的调试提高了我解决问题的能力，学会了在设计中独立解决问题，也包括怎样去查找问题。

似乎所有的事都得自己新手去操作才会在脑海中留下深刻的印象，这个小小的课程设计让我可以熟练的操作Multisim软件，也了解了不少器件的功能的应用，也加深了对数字电路认识和理解。

整个过程都是我一个人独立完成的，虽简单，但收获不小，发现调试的过程并不是想象中的那样简单，需要耐心、仔细地分析和解决问题，可以让我的性格更加沉稳。

这样的课程设计很能培养我们的能力，让我们不再局限于书本上的知识。

本次课程设计主要是用软件仿真，我觉得如果要是实际加工电路板的话就能够更加锻炼我的动手能力了，因此，在今后的学习中，我将更加注重实践，把理论知识更好的应用到实际中去。

设计成绩：

教师签名：

2009年1月8日