多功能数字钟的设计任务书.docx
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多功能数字钟的设计任务书
课程设计任务书
学生：
专业班级：
指导教师：
工作单位：
信息工程学院
题目:
多功能数字钟的设计仿真与制作
初始条件：
利用集成译码器、计数器、定时器、数码管、脉冲发生器和必要的门电路等数字器件实现系统设计。
（也可以使用单片机系统设计实现）
要求完成的主要任务:
（包括课程设计工作量及技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
1、课程设计工作量：
1周完成对多功能数字钟的设计、仿真、装配与调试。
2、技术要求：
①设计一个数字钟。
要求用六位数码管显示时间，格式为00：
00：
00。
②具有60进制和24进制（或12进制）计数功能，秒、分为60进制计数，时为24进制（或12进制）计数。
③有译码、七段数码显示功能，能显示时、分、秒计时的结果。
④设计提供连续触发脉冲的脉冲信号发生器，
⑤具有校时单元、闹钟单元和整点报时单元。
⑥确定设计方案，按功能模块的划分选择元、器件和中小规模集成电路，设计分电路，画出总体电路原理图，阐述基本原理。
3、查阅至少5篇参考文献。
按《理工大学课程设计工作规》要求撰写设计报告书。
全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规。
时间安排：
1）第1-2天，查阅相关资料，学习设计原理。
2）第3-4天，方案选择和电路设计仿真。
3）第4-5天，电路调试和设计说明书撰写。
4）第6天上交课程设计成果及报告，同时进行答辩。
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
第一章绪论3
1.1设计任务与要求3
1.2方案设计与论证3
第二章仿真软件介绍5
2.1Multisim11简介5
2.2Multisim的特点5
2.3如何用Multisim输入并编辑电路6
2.3.1设置Multisim的通用环境变量6
2.3.2取用元器件7
2.3.3将元器件连接成电路7
第三章多功能数字钟单元电路的设计8
3.1数字时钟的译码显示电路8
3.2计数器电路9
3.3校时电路11
3.41Hz标准脉冲发生器12
3.5整点报时电路14
3.6闹钟电路14
第四章多功能数字钟的仿真16
4.1多功能数字钟的仿真设置16
4.2仿真结果分析18
4.3仿真过程中发现的问题19
心得体会20
参考文献22
多功能数字钟的设计仿真与制作
第一章绪论
1.1设计任务与要求
①设计一个数字钟。
要求用六位数码管显示时间，格式为00：
00：
00。
②具有60进制和24进制（或12进制）计数功能，秒、分为60进制计数，时为24进制（或12进制）计数。
③有译码、七段数码显示功能，能显示时、分、秒计时的结果。
④设计提供连续触发脉冲的脉冲信号发生器，
⑤具有校时单元、闹钟单元和整点报时单元。
⑥确定设计方案，按功能模块的划分选择元、器件和中小规模集成电路，设计分电路，画出总体电路原理图，阐述基本原理。
1.2方案设计与论证
该设计主要由以下几部分组成:
震荡器、分频器、秒计数器、分计数器、时计数器、BCD-七段显示译码/驱动器、LED七段显示数码管、时间校准电路、整点报时电路还有闹钟电路。
数字钟数字显示部分，采用译码与二极管串联电路，将译码器、七段数码管连接起来，组成十进制数码显示电路，即时钟显示。
要完成显示需要6个数码管，七段的数码管需要译码器才能正常显示，然后要实现时、分、秒的计时需要60进制计数器和24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，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。
计数器的输出分别经译码器送倒显示器显示。
计时出现误差时,可以用校时电路校时、校分。
整点报时电路利用逻辑门，使当各译码器输出满足整点时，蜂鸣器导通。
闹钟电路通过比较器比较当前时间与设计的闹钟时间，相等时同样蜂鸣器导通。
图1.2.1即为本次课程设计的总体设计框图
图1.2.1总体设计框图
第二章仿真软件介绍
2.1Multisim11简介
Multisim11是美国NI公司最近推出的电子线路仿真软件的最新版本。
Multisim11用软件的方法虚拟电子与电工元器件以及电子与电工仪器和仪表，通过软件将元器件和仪器集合为一体。
它是一个原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。
Multisim11的元器件库提供数千种电路元器件供实验选用。
同时可以新建或扩展已有的元器件库，建库所需元器件参数可从生产厂商的产品使用手册中查到，因此可很方便地在工程设计中使用。
Multisim11的虚拟测试仪器表种类齐全，有一般实验用的通用仪器，如万用表、函数信号发生器、双踪示波器、直流电源等等；还有一般实验室少有或者没有的仪器，如波特图仪、数字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真仪,安捷伦多用表，安捷伦示波器、以及泰克示波器等。
Multisim11具有详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态分析、稳态分析等各种电路分析方法，以帮助设计人员分析电路的性能。
它还可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工电路、模拟电路、数字电路、射频电路及部分微机接口电路等。
Multisim11具有强大的Help功能，其Help系统不仅包括软件本身的操作指南，更重要的是包含有元器件的功能说明。
Help中这种元器件功能说明有利于使用Multisim11进行CAI教学。
利用Multisim11可以实现计算机仿真设计与虚拟实验，与传统的电子电路设计与实验方法相比，具有如下特点：
设计与实验可以同步进行，可以边设计边实验，修改调试方便；设计和实验用的元器件及测试仪器仪表齐全，可以完成各种类型的电路设计与实验；可以方便地对电路参数进行测试和分析；可以直接打印输出实验数据、测试参数、曲线和电路原理图；实验中不消耗实际的元器件，实验所需元器件的种类和数量不受限制，实验成本低，实验速度快，效率高；设计和实验成功的电路可以直接在产品中使用。
2.2Multisim的特点
（1）直观的图形界面：
整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的一样。
（2）丰富的元器件库：
Multisim大大扩充了EWB的元器件库，包括基本元件、半导体器件、运算放大器、TTL和CMOS数字IC、DAC、ADC及其他各种部件，且用户可通过元件编辑器自行创建或修改所需元件模型，还可通过liT公司或其代理商获得元件模型的扩充和更新服务。
（3）丰富的测试仪器：
除EWB具备的数字万用表、函数信号发生器、双通道示波器、扫频仪、字信号发生器、逻辑分析仪和逻辑转换仪外，Multisim新增了瓦特表、失真分析仪、频谱分析仪和网络分析仪。
尤其与EWB不同的是：
所有仪器均可多台同时调用。
（4）完备的分析手段：
除了EWB提供的直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分析、噪声分析、失真 分析、参数扫描分析、温度扫描分析、极点一零点分析、传输函数分析、灵敏度分析、最坏情况分析和蒙特卡罗分析外，Multisim新增了直流扫描分析、批处理分析、用户定义分析、噪声图形分析和射频分析等，基本上能满足一般电子电路的分析设计要求。
2.3如何用Multisim输入并编辑电路
输入电路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。
2.3.1设置Multisim的通用环境变量
为了适应不同的需求和用户习惯，用户可以用菜单Option/Preferences打开Preferences对话窗口。
通过该窗口的6个标签选项，用户可以就编辑界面颜色、电路尺寸、缩放比例、自动存储时间等容作相应的设置。
以标签Workspace为例，当选中该标签时，在Preferences对话窗口中有3个分项：
（1）Show：
可以设置是否显示网格，页边界以及标题框。
（2）Sheetsize：
设置电路图页面大小。
（3）Zoomlevel：
设置缩放比例。
2.3.2取用元器件
取用元器件的方法有两种：
从工具栏取用或从菜单取用。
下面将以74LS00为例说明两种方法。
（1）从工具栏取用：
Design工具栏;MultisimMaster工具栏;TTL工具栏;74LS按钮
从TTL工具栏中选择74LS按钮打开这类器件的ComponentBrowser窗口。
其中包含的字段有Databasename（元器件数据库），ComponentFamily（元器件类型列表），ComponentNameList（元器件名细表），ManufactureNames（生产厂家），ModelLevel-ID（模型层次）等容。
（2）从菜单取用：
通过Place/PlaceComponent命令打开ComponentBrowser窗口。
（3）选中相应的元器件
在ComponentFamilyName中选择74LS系列，在ComponentNameList中选择74LS00。
单击OK按钮就可以选中74LS00。
7400是四/二输入与非门，在窗口种的SectionA/B/C/D分别代表其中的一个与非门，用鼠标选中其中的一个放置在电路图编辑窗口中。
器件在电路图中显示的图形符号，用户可以在上面的ComponentBrowser中的Symbol选项框中预览到。
当器件放置到电路编辑窗口中后，用户就可以进行移动、复制、粘贴等编辑工作了。
2.3.3将元器件连接成电路
在将电路需要的元器件放置在电路编辑窗口后，用鼠标就可以方便地将器件连接起来。
方法是：
用鼠标单击连线的起点并拖动鼠标至连线的终点。
在Multisim中连线的起点和终点不能悬空。
第三章多功能数字钟单元电路的设计
3.1数字时钟的译码显示电路
数字时钟的译码显示电路由译码器4511BP和共阴极LED七段显示数码管组成,为避免译码器输出的电压过高，在译码器的输出和数码管的输入上串联一个100欧姆的电阻.下面是4511的功能表
表3.1.14511的逻辑功能表
要使译码器能正常工作，LT和BI脚要接高电平，EL要接低电平，译码器的输入接计数器的输出端，而译码器的输出端则接对应数码管的输入端。
在数字钟的设计中，一共需要6块译码显示器，分别是小时显示的2块，分钟显示的2块，还有秒钟显示的2块，它们在设置上基本相同，只不过译码器的输入接不同的计数器。
由计数器得到的4位二进制码的必须通过译码后转为人们习惯的数字显示。
如12：
54：
30的二进制码为00010010：
01010100：
00110000。
译码之后再驱动7段数码管显示时、分、秒。
LED七段显示数码管显示时、分、秒。
下图即为其中一块译码显示电路的连接图。
图3.1.1译码显示电路
3.2计数器电路
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74LS161的反馈置数法来实现十进制功能和六进制功能。
表3.2.174LS161的功能表
根据74LS161的结构把输出端的C端和A端用一个与非门74LS00引到Load端，当输出DCBA为0101（十进制为5）时，与非门输出为0，置数端有效，便可置0，这样就实现了六进制计数。
同样，输出端的D端和A端用一个与非门74LS00引到Load端，当输出DCBA为1001（十进制为9）便可置0，这样就实现了十进制计数。
在分和秒的进位时，用个位计数器的Load端取反接十位计数器的CLK控制时钟脉冲，个位计数器由9变0时产生一个脉冲信号给十位计数器。
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3.2.160进制计数器
时计数器可由两个十进制计数器串接并通过反馈接成24进制计数器。
个位计数器为十进制计数，load端取反送到十位计数器，十位计数器为二进制计数器，B端取反接load端，当输出DCBA为0010（十进制为2）时，置0。
用一个74LS00与非门接个位计数器的C端输出和十位计数器的B端输出。
当个位计数器为0100（十进制数4）十位计数器为0010（十进制数2）时清零。
这就构成了一个24进制计数器。
图3.2.224进制计数器
3.3校时电路
时钟出现误差时，需校准。
当数字钟接通电源或者计时出现误差时，需要校正时间。
校时是数字钟应具备的基本功能。
对校时电路的要，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。
慢校时是用手动产生单脉冲作校时脉冲下图所示为校时电路和校分电路。
校时脉冲采用分频器输出的1Hz脉冲。
如果校时脉冲由单脉冲产生器提供，则可以进行慢校时。
Multisim仿真软件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，一端接计数器的进位端，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。
图3.1.4校时电路
3.41Hz标准脉冲发生器
由于振荡电路不容易产生1HZ的脉冲信号，并且信号频率越低受干扰脉冲的影响越大，1Hz的脉冲信号发生器是由555定时器构成的1KHz振荡器以及由三片74LS90构成的十分之一分频器组成。
表3.4.174LS90功能表
输入
输出
R0
（1）
R0
（2）
R9
（1）
R9
（2）
Qd
Qc
Qb
Qa
1
1
0
X
0
0
0
0
1
1
X
0
0
0
0
0
X
X
1
1
1
0
0
1
X
0
X
0
计数
0
X
0
X
计数
0
X
X
0
计数
X
0
0
X
计数
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，一般来说，振荡器的频率较高，再经3级分频电路，将得到近似标准的秒脉冲。
多谐振荡器也称无稳态触发器，它没有稳定状态，同时无需外加触发脉冲，就能输出一定频率的矩形脉冲（自激振荡）。
用555集成电路实现多谐振荡，需要外接电阻R1、R2和电容C，并外接+5V的直流电源。
脉冲频率为：
在Multisim中连接如下：
图3.1.5555定时器构成的多谐振荡器
分频器功能主要有两个，一是产生标准秒脉冲信号，一是提供功能扩展电路所需要的信号，选用三片74LS90进行级联，因为每片为1/10分频器，三片级联好获得1Hz标准秒脉冲。
脉冲信号发生器电路图如下：
图3.1.61Hz脉冲信号发生器
3.5整点报时电路
当时钟还有十秒到整点时，蜂鸣器开始响，持续时间为十秒，此电路是通过五个与门和一个蜂鸣器来实现的，每当分钟的十位为0，个位的十位为0时，蜂鸣器接高电平，开始工作。
图3.1.7整点报时电路
3.6闹钟电路
在指定的时刻发出信号，驱动音响电路“闹时”要求时间准确，即信号的开始时刻与持续时间必须满足规定的要求。
在本数字钟设计中，我选用四片74LS85三位比较器实现。
表3.6.174LS85的真值表
比较器输入
级联输入
输出
A3，B3
A2，B2
A1，B1
A0，BO
CA>B
CACA=B
PA>B
PAPA=B
A3>B3
X
X
X
X
X
X
1
0
0
A3X
X
X
X
X
X
0
1
0
A3=B3
A2>B2
X
X
X
X
X
1
0
0
A3=B3
A2X
X
X
X
X
0
1
0
A3=B3
A2=B2
A1>B1
X
X
X
X
1
0
0
A3=B3
A2=B2
A1X
X
X
X
0
1
0
A3=B3
A2=B2
A1=B1
A0>BO
X
X
X
1
0
0
A3=B3
A2=B2
A1=B1
A0X
X
X
0
1
0
A3=B3
A2=B2
A1=B1
A0=B0
1
0
0
1
0
0
A3=B3
A2=B2
A1=B1
A0=BO
0
1
0
0
1
0
A3=B3
A2=B2
A1=B1
A0=B1
0
0
1
0
0
1
比较器的一对输入接小时和分钟四计数器的输出，另外一对接四位拨码开关，当小时和分钟计数器的输出与拨码开关的值完全相等时，四片比较器输出都为高电平，经四位与非门后输出到蜂鸣器，在一分钟蜂鸣器导通，例如，拨码开关依次为0000,0111,0011,1001.此时表示为7点59分，当计数器的输出也为7点59分时，OAEQB输出都为高电平。
经过四位与非门输出为低电平，为了配合整点报时电路，要使满足条件时蜂鸣器一端为高电平，还要将这个信号取反。
用或门和整点报时信号连在一起。
图3.1.9闹钟电路
第四章多功能数字钟的仿真
4.1多功能数字钟的仿真设置
在实际仿真中，因为Multism仿真时间是以毫秒计数，所以为了使仿真有明显的变化效果，我没有使用分频器，仅使用555构成的多谐振荡器产生的1KHz作为脉冲信号。
而为了观察蜂鸣器的工作情况，在蜂鸣器上加一个探针，当蜂鸣器上有高电压时，探针亮。
即表示蜂鸣器工作
表4.1.1元器件清单
型号
编号
数量
计数器74LS161N
U1,U3,U5,U7,U9,U11
6
与非门74LS00D
U13,U16,U17,U34,U35,U36
6
SPDT
J1,J2
2
与非门74LS00N
U18,U19,U23,U24
4
与门74LS08N
U20,U21,U25,U26
4
或门74LS32N
U22,U27,U53
3
LM555CM
U28
1
非门74LS04D
U14,U15,U29,U31,U32,U33
6
与门74LS08D
U37,U38,U39,U40,U41
5
BUZZER200Hz
U43
1
译码器4511BP_5V
U6,U10,U42,U44,U46,U48
6
SPST
J3
1
比较器74LS85N
U30,U49,U50,U51
4
四输入与非门74LS20N
U52
1
DSWPK_4
J4,J5,J6,J7
4
七段显示数码管SEVEN_SEG_COM_K
U2,U4,U8,U12,U45,U47
6
POWER_SOURCES,VCC
VCC
1
POWER_SOURCES,GROUND
0
1
电阻RESISTOR,10MΩ
R1,R2,R3,R4
4
电阻RESISTOR,40Ω5%
R5
1
电阻RESISTOR,50Ω5%
R6
1
电容CAPACITOR,10µF
C1
1
电容CAPACITOR,100nF
C2
1
电阻RESISTOR,100Ω5%
R9,R10,R11,R12,R13,R14,R15,R16,R17,R18,R19,R20,R21,R22,R23,R24,R25,R26,R27,R28,R29,R30,R31,R32,R33,R34,R35,R36,R37,R38,R39,R40,R41,R42,R43,R44,R45,R46,R47,R48,R49,R50
42
多功能数字钟仿真的总电路图如下
图4.1.1多功能数字钟仿真的总电路图
4.2仿真结果分析
1）555构成多谐振荡器的测试：
用频率计连在振荡器的输出，测得频率为1.003KHz，基本满足设计要求。
图4.2.1555构成的多谐振荡器的频率测试
2）数字钟计数功能测试：
接通电源，在555多谐振荡器产生的脉冲的作用下，电路开始计数，且时、分、秒分别为24、60、60进制。
计数功能符合设计要求。
3）校时功能测试：
在显示时钟时间时，按动时钟调时、时钟调分按钮开关时，时、分均可以调节，且不按动时，计数电路能正常工作，校时功能符合设计要求。
4）整点报时功能测试：
电路基数时，当时钟到达3时59分50秒时，电路发出整点报时信号，接在蜂鸣器一端的探针亮，持续10秒钟后，报时停止。
整点报时功能符合设计要求。
图4.2.2整点报时电路的验证
5）闹钟功能测试：
调整拨码开关，使输入依次为0000，0111，0101,1001，即设置闹铃时间为7时59分，开始仿真，当时间到了7时59分时，蜂鸣器接的探针亮起，。
持续时间为1分钟。
闹钟功能符合设计要求。
图4.2.3闹钟电路中时间的设置
图4.2.4闹钟电路的验证
4.3仿真过程中发现的问题
原本调时电路是想用开关来做，即开关一开一合产生一个脉冲信号，但在数字电路基础实验的倒数计时器的设计中，发现开关一开一合不仅仅产生一个脉冲信号，由于开关容易产生震颤，从而产生多个脉冲信号，所以这个方法行不通。
经过查阅资料发现可以通过把555构成多谐振荡器产生的脉冲输入到分或时的脉冲信号输入端，每来一个时钟信号时和分加一，当调整到需要的时间时，将单刀双掷开关放到低位进位信号输入端即可。
心得体会
参考文献
[1]伍时和.数字电子技术基础。
：
清华大学
[2]康华光.电子技术基础:
数字部分.第四版：
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高等教育出版
[3]臧春华.电子线路设计与应用.：
高等教育
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[5]自美.电子线路设计.实验.测试.第三版。
：
华中科技大学
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