24小时制多功能电子钟设计与仿真.docx
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24小时制多功能电子钟设计与仿真
武汉工业学院
毕业设计
设计题目：
24小时制多功能电子钟设计与仿真
姓名许立磊
学号071203123
院（系）数理科学系
专业电子信息科学与技术
指导教师何雄涛
2011年5月26日
摘要
20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透到了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使得现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。
现代生活的人们越来越重视起了时间观念，可以说时间和金钱划上了等号。
对于那些对时间把握非常严格和准确的人或事来说，时间的不准确会带来非常大的麻烦，所以以数码管为显示器的时钟比指针式的时钟表现出了很大的优势。
数码管显示的时间简单明了而且读数快、时间准确显示到秒。
而机械式的依赖于晶体震荡器，可能会导致误差。
[11]
数字钟是采用数字电路实现对"时"、"分"、"秒"进行数字显示的计时装置。
数字钟的精度、稳定度远远超过老式机械钟。
在这次设计中，我们采用LED数码管显示时、分、秒，以24小时计时方式，根据数码管动态显示原理来进行显示，用12MHz的晶振产生振荡脉冲，定时器计数。
在此次设计中，电路具有显示时间的其本功能，还可以实现对时间的调整。
数字钟因其小巧，价格低廉，走时精度高，使用方便，功能多，便于集成化而受广大消费的喜爱，因此得到了广泛的使用[11]。
关键字：
数字电子钟集成电路
Abstract
Inthelate20thcentury,electronictechnologygainedrapiddevelopmentinthepromotionofmodernelectronicsintoalmostallareasofsociety,astrongimpetustothedevelopmentofsocialproductiveforcesandsocialimprovementinthelevelofinformation,butalsothemodernelectronicproductperformancefurtherincreasethepaceofproductreplacementandfast.
Thereisagrowingemphasisonmodernlifefromthetimetheconceptoftimeandmoneycanbesaidtomarktheequalsign.Forthosewhotakethetimeandthingsareverystrictandprecise,timeisnotexactlybringaverybigtrouble,sothedigitalclocktodisplaytheclockthanthepointertoshowagreatadvantage.Digitaldisplayoftimereadingsimpleandfast,accuratetimedisplaytothesecond.Themechanicaldependonthecrystaloscillator,couldleadtoerrors.
DigitalClockisadigitalcircuitonthe"hour","minute","second"digitaldisplayofthetimingdevice.Digitalclockprecision,stability,farmorethantheoldmechanicalclock.Inthisdesign,weuseLEDdigitaldisplayhours,minutes,seconds,24-hourtimemode,accordingtodigitalcontroltheorytodynamicdisplaytodisplay,using12MHzcrystaloscillationpulse,thetimercount.Inthisdesign,thecircuithasadisplaytimeofthethefunctioncanbeachievedforthetimeadjustment.Digitalclockisitscompact,lowcost,traveltimeandhighprecision,easytouse,multi-function,easeofintegrationandlovedbythemajorityofconsumers,ithasbeenwidelyused.
Keywords:
digitalelectronicclockintegratedcircuit
第一章绪论
1.1数字电子钟的背景
20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透到了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。
时间对人们来说总是那么宝贵，工作的忙碌性和繁杂性容易使人忘记当前的时间。
忘记了要做的事情，当事情不是很重要的时候，这种遗忘无伤大雅。
但是，一旦重要事情，一时的耽误可能酿成大祸。
目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展，趋势是将进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。
下面是单片机的主要发展趋势。
单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。
以前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。
这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命[2]。
单片机模块中最常见的是数字钟，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。
1.2数字电子钟的意义
数字钟是采用数字电路实现对时，分，秒数字显示的计时装置，广泛用于个人家庭、车站、码头办公室等公共场所，成为人们日常生活中不可少的必需品，由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用，使得数字钟的精度远远超过老式钟表，钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。
诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。
因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。
[2]
1.3数字电子钟的应用
数字钟已成为人们日常生活中必不可少的必需品，广泛用于个人家庭以及车站、码头、剧场、办公室等公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。
由于数字集成电路技术的发展和采用了先进的石英技术，使数字钟具有走时准确、性能稳定、携带方便等优点，它还用于计时、自动报时及自动控制等各个领域。
第二章整体设计方案
2.1设计要求
1.用秒脉冲作信号源，构成数字钟，显示秒、分、时
2.具有“对时”功能，即时间可以快速预置
3.具有整点提示功能。
一种实现的方法是每到整点时触发“音乐芯片”或每到整点前几秒钟，发出如“滴、答、滴、答”声音信号[10]。
2.2系统框图
图2-1数字钟设计系统框图
2.3设计过程
时间显示模块电路可以用3个CD4518作为核心芯片，进行级联，再辅以若干逻辑门，完成进位、置零等功能，CD4518是双十进制计数器，有两个时钟输入端，正好可以满足进位和校时的功能，而不会产生干扰，且有一个置零功能，可以组成六十进制和二十四进制的计数器。
[9]
整点报时模块电路用的是555芯片和一块CD4068芯片组成的电路，555芯片可以接成多谐振荡器，提供交变信号使蜂鸣器发出声音，而整点报时的控制可以用CD4068实现，CD4068是8输入与非门，可以在整点之前输出脉冲信号，经过由555芯片组成的多谐振荡器，为其提供一个信号，这样由多谐振荡器输出端可以使蜂鸣器发出“嘀、嘀、嘀”的响声[9]。
秒信号发生器可以用秒脉冲信号代替。
考虑到开关抖动现象，校时模块电路实验实验箱上的按键开关，每输出一个脉冲信号可以改变分个位和十个位，同时考虑到干扰问题，进位接线和校时接线接在不同的时钟输入端。
第三章系统仿真
3.1Multisim9软件介绍
Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟及数字电路板的设计工作。
它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力[7]。
其操作主界面如下图所示：
图3-1Multisim9仿真软件操作主界面
3.2Multisim9仿真
Multisim是InteractiveImageTechnologies（ElectronicsWorkbench）公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟及数字电路板的设计工作。
它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。
为适应不同的应用场合，Multisim推出了许多版本，用户可以根据自己的需要加以选择。
启动Multisim9后，将出现如上图所示的界面。
界面由多个区域构成：
菜单栏，各种工具栏，电路输入窗口，状态条，列表框等。
通过对各部分的操作可以实现电路图的输入、编辑，并根据需要对电路进行相应的观测和分析。
用户可以通过菜单或工具栏改变主窗口的视图内容。
作为虚拟的电子工作平台，Multisim9提供了较为详细的电路分析方法，包括电路的直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、稳态分析、离散傅里叶分析、噪声分析、失真分析、直流扫描分析、灵敏度分析、温度扫描分析、零/极点分析、传递函数分析、最坏情况分析、蒙特卡罗分析、批处理分析、用户自定义分析和射频电路分析等[7]。
原理图的基本操作：
输入原理图是分析和设计工作的第一步，用户从元器件库中选择需要的元器件放置在电路图中并连接起来，为分析和仿真做准备。
1、设置Multisim9的用户界面在创建一个电路前，用户可根据需要和习惯设置一个界面，用户可以就电路的显示颜色、页面大小、元器件库（选择ANSI或DIN元器件库，ANSI是美国标准，DIN是欧洲标准，DIN与我国现行的元器件标准很相似，一般选择DIN标准）、自动保存时间间隔以及工具箱等内容作相应设置。
用户可以用菜单Options→Preferences打开Preferences对话窗口，如图3-2所示[7]。
图3-2Preferences对话窗口
2、放置元器件在Multisim9中，有3种方法放置元器件：
（1）先从元器件工具栏中浏览相应的元器件库，找到所需要的元器件。
（2）执行菜单命令Place→Placecomponent，可以浏览所有的元器件组。
（3）通过元器件查找，找到相应的元器件。
以取用电阻为例介绍使用元器件工具栏取用虚拟元器件，将鼠标指向元器件工具栏上的电阻工具箱图标并单击，在拉出的Basic元器件箱中单击绿色的电阻箱按钮，将鼠标移到原理图窗口中，这是在鼠标箭头上就带着一个虚拟电阻，在适当的位置单击鼠标左键，即可放置一个虚拟电阻符号，该虚拟电阻的默认值是1kΩ。
双击虚拟电阻符号，将打开虚拟电阻属性对话框，如图3-4所示。
该对话框包含4个标签选项，Label选项卡设置电阻的各种标识；Display选项卡设置虚拟电阻在电路窗口中所显示的信息；Value选项卡设置电阻的参数值；Fault选项卡设置元器件可能出现的故障，以便预知元器件发生故障时相应的现象。
当元器件放置到电路图窗口中后，用户可以对其进行移动、复制、删除、旋转及改变颜色等操作。
将鼠标指向需要进行操作的元器件，然后单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中执行相应的命令，也可以在Edit主菜单上执行相应的命令[7]。
图3-3导线属性对话框
图3-4虚拟电阻属性对话框
3、将元器件连接成电路在Multisim9的电路图上布线非常快捷，导线的连接有两种方式，一种是元器件之间的导线连接，只要用鼠标单击连线的起点，出现一个小圆点，并有一个小十字，按鼠标左键并拖动出一根虚的导线，拉住导线并指向终点使其出现小圆点，释放鼠标左键，即完成了导线的连接，软件自动选择布线位置。
在Multisim9中连线的起点和终点不能悬空。
另一种是元器件与导线中间点的连接，用鼠标指向元器件的引脚并单击鼠标左键，拖动鼠标到需要连接的线路上，再单击鼠标左键,系统将自动连接这两点，并在两导线交叉处放置一个节点。
当要删除某一连接线或某一节点时，可将鼠标移动到需要删除的对象上，单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择Delete命令即可。
当两根导线十字相交且是相互连接时必须插入“连接点”。
此时可从基本器件库中将“连接点”即一个小圆点拖至该处。
在原理图中，双击导线可以对导线进行编辑，如图3-3导线属性对话框，Nodename设置导线的节点；PCBtracewidth设置本导线在PCB电路板中的宽度；UseICforTransientAnalysis指进行瞬态分析时，本节点如需设置初始值，选中可在设置栏中输入初始值；UseNODESETforDC指进行直流分析时，本节点如需设置电压值，选中可在设置栏输入节点电压值[7]。
第四章电路原理分析
4.1数字钟的构成
数字电子钟由石英晶体振荡器、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,然后经过分频器输出标准秒脉冲。
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,计时出现误差时,可以用校时电路校时、校分[5]。
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,同时标准的1Hz时间信号必须做到准确稳定。
在此使用555振荡器组成1Hz的信号[8]。
1、振荡器电路555定时器组成的振荡器电路给数字钟提供一个频率为1Hz的方波信号。
其中OUT为输出[8]。
2、时间计数器电路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[3]。
3、分频器电路通常情况下，数字钟的晶体振荡器输出频率较高，为了得到1Hz的秒信号输入，需要对振荡器的输出信号进行分频。
通常实现分频器的电路是计数器电路，一般采用多级二进制计数器来实现。
例如，将32768Hz的振荡信号分频为1Hz的分频倍数为32768，即实现该分频功能的计数器相当于15级2进制计数器。
4、振荡器电路利用555定时器组成的多谐振荡器接通电源后，电容C1被充电，当电压上升到一定数值时里面集成的三极管导通，然后通过电阻和三极管放电，不断的充放电从而产生一定周期的脉冲，通过改变电路上器件的值可以微调脉冲周期[4]。
5、数字时钟的计数显示控制在设计中，我们使用的是74LS160十进制计数器，来实现计数的功能，实验中主要用到了160的置数清零功能（特点：
消耗一个时钟脉冲），清零功能（特点：
不耗时钟脉冲），在上级160控制下级160时通过组合电路（主要利用与非门）实现，在连接电路的时候要注意并且强调使能端的连接，其将影响到整一个电路的是否工作[2]。
电路的控制原理如下：
秒钟由个位向十位进位：
0000-0001-0010-0011-0100-0101-0110-0111-1000-1001实现个位的计数，采用的是置数的方式（利用RCO端口）,当电路计数到1001的时候采用一个二输入与非门接上级输入的高位和低位输出作为下级的信号，实现了秒区的个位和十位的显示与控制，设计中注意到接的是一个与非门而不是与门，目标在产生一个时钟脉冲,实现正确的显示[5]。
由秒区向分区的显示控制：
基本原理同上，在秒区十位向时分区个位显示的是0000—0001—0010—0011—0100—0101产生了六个脉冲的时候向下级输出一个时钟脉冲，利用的还是与非门，目标仍是实现正确的计时显示。
时区的显示及整体电路反馈清零：
当数值显示达到23：
59的时候要实现清零的工作，采用CLR清零的方式反馈清零。
具体设计接出控制端的9，5，3，2用十六进制表示后高电平对应引脚接与非，将非门输出信号的值反馈给各个160芯片的清零端（CLR）既可以实现清零了[6]。
下面分别介绍各组成部分的相关原理及说明：
石英晶体振荡器的工作原理：
放大网络-----对所加的信号进行放大；反馈网络------相位校正网络
振荡电路的两项条件：
1、电路的闭环增益必须等于1，这可以通过放大器网络的自限幅特性实现；2、围绕电路的网络相移量必须等于2πn，通常n为1或2。
VCXO工作原理：
VCX由石英谐振器、变容二极管和振荡电路组成,通过控制变容二极管的电压来改变变容二极管的电容，从而“牵引”石英谐振器的频率，以达到频率调制的目的。
技术规范：
控制电压–交流信号时，也称调制电压
压控范围-电压变化范围内的频率变化量
压控极性–随电压的增加而上升的极性为“+”，反之为“-”
线性度-频率偏移（error）与压控范围的比例[2]
TCXO工作原理：
基本上是一个VCXO和温度补偿网络构成，补偿网络有热敏电阻等组成，通过调节不同温度下变容二级管的电压来改变晶体的负载，从而调整晶体的频率[5]。
分频器原理：
图4-1分频器电路结构原理图
从电路结构来看，分频器本质上是由电容器和电感线圈构成的LC滤波网络，高音通道是高通滤波器，它只让高频信号通过而阻止低频信号；低音通道正好想反，它只让低频信号通过而阻止高频信号；中音通道则是一个带通滤波器，除了一低一高两个分频点之间的频率可以通过，高频成份和低频成份都将被阻止。
在实际的分频器中，有时为了平衡高、低音单元之间的灵敏度差异，还要加入衰减电阻；另外，有些分频器中还加入了由电阻、电容构成的阻抗补偿网络，其目的是使音箱的阻抗曲线平坦一些，以便于功放驱动。
由于现在的音箱几乎都采用多单元分频段重放的设计方式，所以必须有一种装置，能够将功放送来的全频带音乐信号按需要划分为高音、低音输出或者高音、中音、低音输出，才能跟相应的喇叭单元连接，分频器就是这样的装置。
如果把全频带信号不加分配地直接送入高、中、低音单元中去，在单元频响范围之外的那部分“多余信号”会对正常频带内的信号还原产生不利影响，甚至可能使高音、中音单元损坏[1]。
计数器：
计数是一种最简单基本的运算，计数器就是实现这种运算的逻辑电路，计数器在数字系统中主要是对脉冲的个数进行计数，以实现测量、计数和控制的功能，同时兼有分频功能，计数器是由基本的计数单元和一些控制门所组成，计数单元则由一系列具有存储信息功能的各类触发器构成，这些触发器有RS触发器、T触发器、D触发器及JK触发器等。
计数器在数字系统中应用广泛，如在电子计算机的控制器中对指令地址进行计数，以便顺序取出下一条指令，在运算器中作乘法、除法运算时记下加法、减法次数，又如在数字仪器中对脉冲的计数等等。
计数器可以用来显示产品的工作状态，一般来说主要是用来表示产品已经完成了多少份的折页配页工作。
它主要的指标在于计数器的位数，常见的有3位和4位的。
很显然，3位数的计数器最大可以显示到999，4位数的最大可以显示到9999[3]。
作用：
在数字电子技术中应用的最多的时序逻辑电路。
计数器不仅能用于对时钟脉冲计数，还可以用于分频、定时、产生节拍脉冲和脉冲序列以及进行数字运算等。
但是并无法显示计算结果，一般都是要通过外接LCD或LED屏才能显示[6]。
种类：
1、如果按照计数器中的触发器是否同时翻转分类，可将计数器分为同步计数器和异步计数器两种。
常见的同步计数器有74LS160系列,74LS190系列，常见的异步计数器有74LS290系列。
2、如果按照技术过程中数字增减分类，又可将计数器分为加法计数器、减法计数器和可逆计数器，随时钟信号不断增加的为加法计数器，不断减少的为减法计数器，可增可减的叫做可逆计数器[5]。
另外还有很多种分类不一一列举，但是最常用的是第一种分类，因为这种分类可以使人一目了然，知道这个计数器到底是什么触发方式，以便于设计者进行电路的设计。
译码器：
译码器的种类很多，但它们的工作原理和分析设计方法大同小异，其中二进制译码器、二-十进制译码器和显示译码器是三种最典型，使用十分广泛的译码电路。
译码器是典型的组合数字电路，译码器是将一种编码转换为另一种编码的逻辑电路，学习译码器必须与各种编码打交道。
从广义的角度看，译码器有四类：
二进制码译码器，也称最小项译码器，最小项译码器一般是将二进制码译为十进制码；代码转换译码器，是从一种编码转换为另一种编码；显示译码器，一般是将一种编码译成十进制码或特定的编码，并通过显示器件将译码器的状态显示出来[4]。
原理：
译码器可以将输入代码的状态翻译成相应的输出信号，以高、低电平的形式在各自的输出端口送出，以表示其意愿。
译码器有多个输入端和多个输出端。
假如输入的端个数为n，每个输出端只能有两个状态，则输出端个数最多有2n个。
常用译码器输入、输出端头数来称呼译码器，如3线-8线译码器，4线-10线译码器等。
我们经常用到的74LS138就是一个三线-八线译码器[6]。
图4-374LS1383-8线译码器逻辑及引脚排列图
从图4-3可看出，74LS138有三个输入端A、B、C和八个输出端Y0~Y7。
当输入端A、B、C的编码为000时，译码器输出为Y0=0，而Y1~Y7=1。
即Y0对应于A、B、C为000状态，低电平有效。
A、B、C的另外7种组合见后面的真值表。
图中
、
、
为使能控制端，起到控制译码器是否能进行译码的作用。
只有
为高电平，
、
均为低电平时，才能进行译码，否则不论输入羰输入为何值，每个输出端均为1[9]。
下图是输入端A、B、C为000~111，控制端
、
、
取各种不同值时的真值表示意图，大家可按下图进行分析各种情况下3-8线译码器的工作原理。
C
B
A
Y0
Y1
Y2
Y3
Y4
Y5
Y6
Y7
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
1
0
1
1
1
1
1
1
1
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1
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1
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