数字电子时钟课程设计.docx

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数字电子时钟课程设计

前言

数字钟是一种用数字显示秒、分、时的计时装置，与传统的机械钟相比，它具有走时准确、显示直观、无机械传动装置等优点，因而得到了广泛的应用：

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。

多功能数字钟由以下几部分组成：

555定时器组成的多谐振荡器构成秒脉冲发生器；校正电路；六十进制的秒、分计数器和十二进制的时计数器；秒、分、时的数码显示部分；报时电路等。

具体要求如下：

钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置。

通过数字钟的制作进一步了解中小规模集成电路。

技术指标要求：

1、具有正常的时、分、秒显示功能；

2、能手动校时，校分；

3、能进行整点报时；

4、设计所需的脉冲电路；

5、具有开机清零功能。

目录

1设计目的…………………………………...………………………..........

（1）

2设计方案…………………………………...………………………..........

（1）

3重要器件概述…………….………………………………………….…...

（1）

4电路方框图…………………………………...……………………….......（5）

5电路各部分设计

5.1计数部分………………………...…………………………………......（6）

5.2秒脉冲发生器…………………………………………………….........（9）

5.3清零电路……………………………………………….........................（12）

5.4校时电路实现…………………………………………………….........（12）

5.5校时脉冲输入实现………………………………………………….....（12）

6系统整体电路设计………………………...………………………..........（16）

7收获体会…………………………………...…………………………......（19）

8参考资料…………………………………………………………….........（20）

一、设计目的

（1）课程设计目的是训练学生综合应用已学课程，如模拟电子技术、数字电子技术、通信电子线路等的基本知识，针对具体的应用，完成电子设计。

（2）掌握电子应用系统的设计方法。

（3）学习电子设计软件PROTEUS等的应用。

（4）掌握数字电路系统的设计方法、装调技术及计数器的设计，使得学生将所掌握的电子技术理论知识与实际相结合，提高学生的动手设计能力和科研创新能力，更好的培养学生的学习兴趣。

二、设计方案

数字电子钟由555振荡器、计数器、译码器显示器和校时电路组成。

振荡器产生稳定的秒脉冲信号,作为数字钟的时间基准,然后经过输出标准秒脉冲到各个计数器。

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、校秒。

校时电路由一个计数器来接受外部信号用于选择功能，再通过翻译电路翻译成具体的校时控制。

当选定好对那个数据进行校准时，再通过另外一个按钮来输入校时信号。

三、重要器件概述

各器件的逻辑框图、逻辑符号、逻辑功能表、内部原理图及逻辑功能分别如下：

1、74LS04

仔细观察一下三极管组成的开关电路即可发现，当输入为高电平时输出等于低电平，而输入为低电平时输出等于高电平。

因此输出与输入的电平之间是反向关系，它实际上就是一个非门。

（亦称反向器）。

所用芯片74LS04是一个有六个反相器的芯片，其逻辑框图如下图所示：

图3.1芯片74LS04

2、74LS138芯片简介

此芯片工作原理是当一个选通端（E1）为高电平，另两个选通端（（/E2））和/（E3））为低电平时，可将地址端（A0、A1、A2）的二进制编码在Y0至Y7对应的输出端以低电平译出。

它的内部原理如图3.2所示:

图3.274LS138芯片

它的功能表如表3.1所示:

表3.1

3、555

图3.3555芯片内部结构

图三为国产双极型定时器CB555内部电路结构原理图。

它是由比较器C1和C2，基本RS触发器和集电极开路的放电三极管TD三部分组成。

其中VH是比较器C1的输入端，v12是比较器C2的输入端。

C1和C2的参考电压VR1和VR2由VCC经三个五千欧电阻分压给出。

在控制电压输入端VCO悬空时，VR1=2/3VCC,VR2=1/3VCC。

如果VCO外接固定电压，则VR1=VCO,VR2=1/2VCO.

RD是置零输入端。

只要在RD端加上低电平，输出端v0便立即被置成低电平，不受其他输入端状态的影响。

正常工作时必须使RD处于高电平。

图中的数码1—8为器件引脚的编号。

555芯片功能表如下表3.2所示:

表3.2

4、74LS160

74LS160为十进制同步加法计数器

它的芯片内部图片如图3.4所示:

图3.474LS160十进制同步加法计数器

逻辑功能描述如下：

74LS160中LD为预置数控制端，D0-D3为数据输入端，C为进位输出端，RD为异步置零端，Q0-Q3位数据输出端，EP和ET为工作状态控制端。

当RC=0时所有触发器将同时被置零，而且置零操作不受其他输入端状态的影响。

当RC=1、LD=0时，电路工作在预置数状态。

这时门G16-G19的输出始终是1，所以FF0-FF1输入端J、K的状态由D0-D3的状态决定。

当RC=LD=1而EP=0、ET=1时，由于这时门G16-G19的输出均为0，亦即FF0-FF3均处在J=K=0的状态，所以CP信号到达时它们保持原来的状态不变。

同时C的状态也得到保持。

如果ET=0、则EP不论为何状态，计数器的状态也保持不变，但这时进位输出C等于0。

当RC=LD=EP=ET=1时，电路工作在计数状态。

从电路的0000状态开始连续输入16个计数脉冲时，电路将从1111的状态返回0000的状态，C端从高电平跳变至低电平。

利用C端输出的高电平或下降沿作为进位输出信号。

5、LED

LED是发光二极管LightEmittingDiode的英文缩写。

LED显示屏是由发光二极管排列组成的一显示器件。

它采用低电压扫描驱动，具有：

耗电少、使用寿命长、成本低、亮度高、故障少、视角大、可视距离远、规格品种全等特点。

管脚１２３４分别接输出段的Ｑ０、Ｑ１Ｑ２、Ｑ３．图形显示如下图所示：

图3.5LED显示屏

四、电路方框图

数字钟组成电路的总体框图的原理图如下图所示：

时显示器

分显示器

秒显示器

12进制计数器

60进制计数器

60进制计数器

整点报时

校时电路

振荡器

图4.1总体框图

五．电路各部分设计

5.1计数部分

60进制计数器电路原理

电子表中秒钟到分钟，分钟到时钟都是60进制的。

电子表显示是有两位数，一位显示十位数，是6进制的，一位显示个位数，是10进制的。

所以从秒到分，从分到时都需要两块74ls160芯片。

第一块10进制，输出到第二块6进制的脉冲输入端。

每块芯片都从输出端连到7447芯片上，在从7447芯片连入7段数码管显示。

秒计数器个位连接图如图5.1所示：

图5.1秒计数器个位连接图

由图5.1可知，74ls160预置数位0，且自动清零。

秒计数器十位连接如图5.2所示：

图5.2秒计数器十位连接图

由上图5.2可知，在74ls160芯片输出端将第1根线和第3根线接入一个3输入与门，此与门的第3根线接时钟信号。

当芯片的输出为5是，时钟信号再来一个脉冲到第3根线，那么与门的输出就改变了，就向下一级芯片输出了一个脉冲。

这就完成了一个6进制计数。

分钟个位连接如图5.3所示：

图5.3分钟个位连接图

从上图5.3可以看出分钟个位计数器的原理和秒钟个位计数器的原理是一样的。

分钟十位连接如图5.4所示:

图5.4分钟十位连接图

从上图可以看出分钟十位计数器的原理和秒钟个位计数器的原理是一样的。

5.224进制计数器电路原理

电子时钟的小时是24进制的，十位为二进制，个位为4进制的，而个位计数器还需要能显示0到9的数字。

这都需要芯片的外围电路来控制了。

小时计数器的个位连接如图5.5所示:

图5.5小时计数器的个位连接图

小时计数器的十位连接如图5.6所示：

图5.6小时计数器的十位连接图

要实现24进制，要将小时十位计数器的第2根线和小时个位计数器的第3根线接入一个2输入的与门，再连接小时个位和小时十位芯片的置零端。

这样当计数器数到24是就两块芯片同时置零。

当没有记数到24是小时个位计数器还可以输出0到9的显示。

5.3冲发生器

秒脉冲发生器是数字钟的核心部分，它的精度和稳定度决定了数字钟的质量，本实验可采用555定时器组成的多谐振荡器发出秒脉冲即1Hz脉冲。

电路图如下图所示。

图5.7秒脉冲发生器

5.4清零电路

在刚刚开机接通电源时，由于时，分，秒是任意值。

所以要对时钟进行置零操作。

当RC=0时所有触发器将同时被置零，而且置零操作不受其他输入端状态的影响，所以将多有的74160的RC’端接低点位就能实现开机自动清零，舍去了开关和手动置零带来的麻烦！

5.5校时电路实现

校时电路是有两个按钮，一个74LS160芯片,一个74LS138芯片，以及一些门器件实现的。

通过一个74LS160芯片来选择校时的功能，选择是只需通过一个按钮开关输入脉冲即可。

连线如图5.8所示：

图5.874LS160芯片脉冲

选择的功能通过2进制数字形式通过74LS160的输出端输送给下一级的74LS138芯片。

连线如图5.9所示：

图5.5274LS138脉冲

74LS138芯片在把接受的2进制数字翻译成相应的输出，反应给对应的控制线，完成相应的控制。

在本实验中74ls138把信号翻译成低电平输出，选择与接受的2进制数对应的10进制数大小相等的那个输出端输出低电平。

当没有功能选择时，芯片默认Y0输出端位低电平，即运行计时功能。

当选择Y1~Y6中的其中一个是，即是选择对秒的个位，秒的十位，分钟的个位，分钟的十位，小时的个位，小时的十位进行校时。

校时是有Y0将所有的ENP端置位低电平，有Y1~Y6中的一个选择对那个数据进行校时，就将他置1。

连线如图5.9所示:

图5.974LS138芯片

这样就能对有Y1~Y6其中一条选择的数字进行校准了。

5.6校时脉冲输入实现

手动脉冲输入实现如图5.10所示：

图5.10手动脉冲输入实现图

如图5.10所示开始时默认为是低电平，通过一个电阻与地连接来实现。

高电平通过按下按钮来实现。

六．系统整体电路设计

本次设计的总体电路整体工作原理大体描述如下：

1.首先，由555定时器组成一个多谐振荡器得到1HZ的秒脉冲，秒脉冲发生器的输出端接到每个计数器的时钟输入端。

2.数字钟的分、秒计数部分均为六十进制计数器（显示00～59），采用两片74LS160来实现。

时为24进制，同样采用两片74160实现。

3.数字钟的校正部分主要是通过开关实现的。

计时仿真

秒计时仿真如图6.1所示:

图6.1秒计时仿真

分钟仿真如图6.2所示:

图6.2分钟仿真

小时仿真如图6.3所示：

图6.3小时仿真如图

七．收获体会

在此次的数字钟设计过程中，更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法。

也锻炼了自己独立思考问题的能力和通过查看相关资料来解决问题的习惯。

虽然这只是一次简单的课程设计，但通过这次课程设计我们了解了课程设计的一般步骤，和设计中应注意的问题。

希望下次课程设计的时候老师能多加指导，这样能减少时间，获得更高的效率。

我很喜欢模电数电，因为感觉这些东西很绞脑汁儿、很好玩，总想着什么时候能用这些知识做点什么东西出来。

当刚拿到题目时很兴奋，心想总算有机会做点东西出来了。

可是当真正开始做的时候却发现不知从何下手，不能很好将书上所学连贯起来„„ 

也就是从这时我才真正的明白理论知识学得好，或者说是应试能力练得好与真正的能力是有差距的。

这次课程设计一路走来让我学了好多东西。

首先，我想最重要的就是让我明白了理论和实践的关系。

二、学会了如何使用Protues软件。

三、记住了很多元件的标准的名称。

 四、在实践中了解了多种元件的功能和参数。

五、从仿真实践中不仅学会了如何去分析问题和解决问题，也体会到了成功的喜悦和失败的忧郁。

六、提高了自己的读图和分析图还有设计图的能力。

总之，这次课程设计让我学到了好多东西，这种课程设计对一个大学生是非常重要的，建议学校应该多多举办类似的学习活动。

八．参考资料

[1] 清华大学电子学教研组编，童诗白、华成英主编：

《 模拟电子技术基础 》[M].（ 第四版 ）.北京：

高等教育出版社,2006.5（2009重印） 

[2]华中工学院电子学教研室编，康华光主编：

《电子 基础——数字部分》[M].（第四版）.北京:

高等教育出版社，1988年

[3] 清华大学电子学教研组编，阎 石主编：

《 数学电子技术基础 》[M].（ 第五版 ）.北京：

高等教育出版社，2006.5（2008年重印） 

[4]辽宁工程技术大学电工与电子技术实验中心组编，马玉芳、朴忠学、张国军主编：

《 电子技术实验指导书 》,2010.3

[5]朱清慧、张凤蕊、翟天蒿、王志奎编著：

《 Proteus教程——电子线路设计、制版与仿真 》[M].北京：

清华大学教育出版社，2008.9 

[6]熊幸明主编：

《电子电工技能训练》[M].北京:

电子工业出版社，2005年