搜索
1学号：课程设计题目多功能数字钟的设计制作学院专业通信工程班级姓名指导教师2010年7月2日2课程设计任务书学生姓名：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周内完成对多功能数字钟的设计、仿真、装配与调试。2、技术要求：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。具有60进制和12进制计数功能，秒、分为60进制计数，时为12进制计数。③有七段数码显示功能，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，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《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。时间安排：1、2010年6月22~23日，查阅相关资料，学习设计原理。2、2010年6月24~25日，方案选择和电路设计仿真。3、2010年6月26~28日，电路调试和设计说明书撰写。4、2010年7月1日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3目录1.绪论..............................................42．Multisim软件介绍.................................53.总体方案的设计与实现..............................73.1数字钟的原理框图..............................73.2各模块功能分析................................83.2.1晶体振荡器.................................83.2.2分频器电路.................................93.2.3时间计数单元..............................113.2.4译码驱动及显示单元.........................123.2.5校时电源电路..............................133.2.6整点报时电路..............................144.电路的安装与调试.................................155.数字钟仿真图.....................................166.元件清单.........................................197.总结与心得体会...................................208.参考文献.........................................2241.绪论计算机尤其是以微细加工技术支持的微型计算机技术飞速发展，其应用渗透到了各行各业。以单片机、嵌入式处理器、数字信号处理器（DSP）为核心的计算机系统，以其软硬件可裁剪、高度的实时性、高度的可靠性、功能齐全、低功耗、适应面广等诸多优点而得到极为广泛的应用。目前计算机硬件技术向巨型化、微型化和单片机化三个方向告诉发展[1]。自1975年美国德州仪器公司（TexasInstruments）第一块微型计算机芯片TMS-1000问世以来，在短短的20年间，单片机技术已发展成为计算机领域一个非常有前途的分之，它有自己的技术特征、规范和应用领域。单片机是自动控制系统的核心部件，主要用于工业控制、智能化仪器仪表、家用电器中。它具有体积小、性能突出可靠性高（某些方面的性能指标大大优于通用微机中央处理器）、价格低廉等一系列优点，应用领域不断扩大，除了工业控制、智能化仪表、通信、家用电器外，在智能化高档电子玩具产品中也大量采用单片机芯片作为核心控制部件，已经渗入到人们工作和生活的各个角落，有力地推动了各行业的技术改造和产品的更新换代，前景广阔。数字钟具备单片机最小系统的基本组成，对于我们了解单片机有很大的帮助。数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、的秒计时的装置，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，具有更长使用寿命，已得到广泛的使用。数字钟的设计方法有许多种,例如,可用中小规模集成电路组成电子钟；也可以利用专用的电子钟芯片配以显示电路及其所需要的外围电路组成电子钟；还可以利用单片机来实现电子钟等等。这些方法都各有其特点，其中利用单片机实现的电子钟具有编程灵活，并便于功能的扩展。52．Multisim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/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。工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。EDA就是“ElectronicDesignAutomation”的缩写技术已经在电子设计领域得到广6泛应用。发达国家目前已经基本上不存在电子产品的手工设计。一台电子产品的设计过程，从概念的确立，到包括电路原理、PCB版图、单片机程序、机内结构、FPGA的构建及仿真、外观界面、热稳定分析、电磁兼容分析在内的物理级设计，再到PCB钻孔图、自动贴片、焊膏漏印、元器件清单、总装配图等生产所需资料等等全部在计算机上完成。EDA技术借助计算机存储量大、运行速度快的特点，可对设计方案进行人工难以完成的模拟评估、设计检验、设计优化和数据处理等工作。EDA已经成为集成电路、印制电路板、电子整机系统设计的主要技术手段。美国NI公司（美国国家仪器公司）的Multisim9软件就是这方面很好的一个工具。而且Multisim9计算机仿真与虚拟仪器技术（LABVIEW8）（也是美国NI公司的）可以很好的解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一老大难问题。学员可以很好地、很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来。并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。极大地提高了学员的学习热情和积极性。真正的做到了变被动学习为主动学习。这些在教学活动中已经得到了很好的体现。还有很重要的一点就是：计算机仿真与虚拟仪器对教员的教学也是一个很好的提高和促进。概述●通过直观的电路图捕捉环境,轻松设计电路●通过交互式SPICE仿真,迅速了解电路行为●借助高级电路分析,理解基本设计特征●通过一个工具链,无缝地集成电路设计和虚拟测试●通过改进、整合设计流程,减少建模错误并缩短上市时间直观的捕捉和功能强大的仿真：NIMultisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NIMultisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NILabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。73.总体方案的设计与实现3.1数字钟的原理框图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（如北京时间）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。通常使用石英晶体振荡器电路构成数字钟。数字钟的原理框图如图1.83.2各模块功能分析3.2.1晶体振荡器晶体振荡器是构成数字式时钟的核心，它保证了时钟的走时准确及稳定。图2所示电路通过ＣＭＯＳ非门构成的输出为方波的数字式晶体振荡电路，这个电路中，ＣＭＯＳ非门Ｕ１与晶体、电容和电阻构成晶体振荡器电路，Ｕ２实现整形功能，将振荡器输出的近似于正弦波的波形转换为较理想的方波。输出反馈电阻Ｒ１为非门提供偏置，使电路工作于放大区域，即非门的功能近似于一个高增益的反相放大器。电容Ｃ１、Ｃ２与晶体构成一个谐振型网络，完成对振荡频率的控制功能，同时提供了一个１８０度相移，从而和非门构成一个正反馈网络，实现了振荡器的功能。由于晶体具有较高的频率稳定性及准确性，从而保证了输出频率的稳定和准确。晶体XTAL的频率选为32768HZ。该元件专为数字钟电路而设计，其频率较低，有利于减少分频器级数。从有关手册中，可查得C1、C2分别为20pF，和200PF当要求频率准确度和稳定度更高时，还可接入校正电容并采取温度补偿措施。由于CMOS电路的输入阻抗极高，因此反馈电阻R1可选为20MΩ。较高的反馈电阻有利于提高振荡频率的稳定性。晶体振荡器电路如图.图晶体振荡器93.2.2分频器电路通常，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2进制计数器来实现。例如，将32767Ｈz的振荡信号分频为１ＨZ的分频倍数为32767（2１５），即实现该分频功能的计数器相当于１5极2进制计数器。本实验中采用CD4060来构成分频电路。CD4060在数字集成电路中可实现的分频次数最高，而且CD4060还包含振荡电路所需的非门，使用更为方便。CD4060计数为最高为１4级2进制计数器，可以将32767ＨZ的信号分频为2ＨZ，而经过74LS90可以将它分为1HZ的信号。如图3所示，可以直接实现振荡和分频的功能。（1）集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器:如果精度要求不高也可以采用集成逻辑门与RC组成的时钟振荡器或由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器。这里设振荡频率为f=1Hz:10图集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器(2）分频器的设计：分频器的功能主要有两个：一．产生标准秒脉冲信号；二．提供功能扩展所需要的信号，如仿电台报时用的1KHz的高音频信号和500Hz的低音频信号；假设振荡器使用集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器，振荡频率为1KHz,则选用3片中规模集成电路计数器74LS90可以完成上述功能。因为每片为十分之一分频，3片级联就可以实现所需要的频率信号，即第一片的QA端输出频率为500Hz,第二片的QD输出为100Hz,第三片的QD输出为1Hz。113.2.3时间计数单元时间计数单元有时计数、分计数和秒计数等几个部分。时计数单元一般为24进制计数器计数器，但是这里面的要求是12进制的。其输出为两位8421BCD码形式；分计数和秒计数单元为60进制计数器，其输出也为8421BCD码。本实验采取了74LS90用两块芯片进行级联来产生60进制和24进制秒个位计数单元为10进制计数器，无需进制转换，只需将Ｑ0与CP1（下降沿有效）相连即可。CP0（下降没效）与1HZ秒输入信号相连，Ｑ3可作为向上的进位信号与十位计数单元的CP1相连。秒十位计数单元为6进制计数器，需要进制转换。将10进制计数器转换为6进制计数器的电路连接，其中Ｑ2可作为向上的进位信号与分个位的计数单元的CP0相连。分个位和分十位计数单元电路结构分别与秒个位和秒十位计数单元完全相同，也是分个位计数单元的Ｑ3作为向上的进位信号应与分十位计数单元的CP0相连，分十位计数单元的Ｑ2作为向上的进位信号应与时个位计数单元