多功能数字电子钟设计

数字逻辑课程设计-多功能数字电子钟多功能数字钟的设计与仿真一．设计任务与要求设计任务：设计一个多功能数字钟。要求：1．有“时”、“分”、“秒”（23小时59分59秒）显示且有校时功能。（设计秒脉冲发生器）2．有整点报时功能。（选：上下午、日期、闹钟等）3.用中规模、小规模集成电路及模拟器件实现。4.供电方式:5V直流电源二．设计目的、方案及原理1.设计目的（1）熟悉集成电路的引脚安排。（2）掌握各芯片的逻辑功能及使用方法。（3）了解面包板结构及其接线方法。（4）了解多功能数字钟的组成及工作原理。（5）熟悉多功能数字钟的设计与制作2.设计思路（1）设计数字钟的时、分、秒电路。（2）设计可预置时间的校时电路。（3）设计整点报时电路。3.设计过程3.1.总体设计方案及其工作原理为：数字钟原理框图入图1所示，电路一般包括一下几个部分：振荡器、星期、小时、分钟、秒计数器、校时电路、报时电路。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,但也可以用555定时器构成。图1系统框图数字钟计时的标准信号应该是频率相当稳定的1HZ秒脉冲，所以要设置标准时间源。数字钟计时周期是24小时，因此必须设置24计数器，秒、分、时由数码管显示。为使数字钟走时与标准时间一致，校时电路是必不可少的。设计中采用开关控制校时电路“时”“分”“秒”计数器进行校时操作。3.2.各独立功能部件的设计(1)分、秒计时器（60进制），时计数器（24进制），星期计数器（7进制）如下图，图中蓝色线为高电平+5v，绿色为接地线，红色线为时钟脉冲。获得秒脉冲信号后，可根据60秒为一分，60分为一小时，24时为一个计数周期的计数规则，分别确定秒、分、时的计数器。由于秒和分的显示都为60进制，因此他们可有两级十进制计数器组成，其中秒和分的个位为十进数器，十位为六进制计数器，可利用两片74160集成电路来实现。74160和74161具有相同的逻辑符号，引脚图和功能表，各引脚图的功能和用法也相同。所不同的是74160是十进制，而74161是十六进制。于是可以用6片74160构成秒计时器、分计时器、时计时器、星期计时器。秒显示器整点报时分频器振荡器校时电路时计数器时译码器时显示器分计数器分译码器分显示器秒计数器秒译码器图274160引脚及功能表图3秒计数器原理图整个电路主体部分由7块74160芯片组成，从右至左依次编号为C1—C7。其中芯片C1、C2构成秒计时器，因为74160为十进制，而秒的十位为六进制，所以要改变输出来实现所需要的进制数，芯片C2的QDQCQBQA当输出为0110（即十进制数6）时，与非门输出为0，清零端使芯片清零。由于我们用的是异步清零芯片的出示状态为0000所以数码管不显示6，当数码管显示出数字5以后，由于芯片自动清零所以下一时刻数码管显示为0。芯片C3、C4构成分计时器，原理和秒计时器一样。只是在低位向高位进位接法有所不同。但芯片间进位原则是进位高电平持续时间为1秒，使高位芯片工作在计数状态的进位必须受其所有低级芯片控制，否则会出现进位后高位芯片还在计数的情况。芯片C5、C6构成时计时器，由于小时为24进制，所以，当芯片C5的QB为1并且芯片C6的QC为1时（即此时整个第六位芯片完成24小时计时）此时应让两块芯片强制清零。所以连接一个与非门，在这个条件成立时，与非门的输出将使芯片强制清零。由于用的还是异步清零且初始状态为0，所以当第六位芯片的显示电路显示为23点59分59秒时，下一个状态为00点00分00秒。芯片C7构成星期计时器，由于是7进制，所以只用一块74160芯片。该芯片工作在计数状态的条件是低位小时芯片计数满24小时，给其ENT时能输入端的高点平持续时间为1秒。当芯片C7的输出QC、QB、QA输出为1时应该让芯片强制清零。所以连接一个与非门，在这个条件成立时，与非门的输出将使芯片强制清零。由于用的还是异步清零且初始状态为0，所以第7位芯片显示电路显示为6时清零，这里我们认为0表示星期日。该部分电路如图4所示：图4星期计时电路(2)时间校对电路所谓校准就是根据情况对星期，小时，分钟计时电路根据标准时间进行任意置数。置数的原理就是让芯片工作在计数状态。在本电路中进位端是接在ENT使能输入端，只有ENT出为高电平才能是芯片工作在计数状态。这样就可以用一单刀双掷开关开关的双掷端一端接高电平为蓝色线，一端接地。当双掷开关掷红色线段就可对小时和分钟的给位芯片进行独立置数，当个位计数十次后可以自动向十位进一，从而达到小时、分钟独立置数的要求。星期的置数原理与小时、分钟的个位置数原理相同。图5校准电路原理图(4)报时电路其原理就是到59分50秒的时候,此电路的指示灯闪烁来达到报时的功能，并且会持续十秒钟。下图即为报时电路的原理图：图6报时电路原理图(5)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。振荡频率的精度和稳度决定了数字钟的质量。秒脉冲信号可以由集成电路555定时器构成多谐振荡器产生，也可以由函数发生器设置成1HZ的矩形方波来提供。图7采用集成电路555定时器构成的多谐振荡器。图7555定时器构成的秒脉冲发生器图8是脉冲产生器，它可以直接产生所需要频率的方波。图8脉冲产生器三．数字电子钟电路图1.系统电路图图9多功能数字电子钟系统电路图2.计时仿真图图10多功能数字钟计时仿真图四．安装和调试1.用示波器检测用集成电路555定时器制成的多谐振荡器输出信号波形是否为矩形脉冲频率是否为1Hz。2.对“星期”、“时”、“分”、“秒”计数器，用显示器检查计数器的工作情况，看计数器是否按设计的进制计数。3.观察校时电路的功能是否满足校时要求。4.电路接通后对小时、分钟、星期进行挍时观察个单元之间进位情况。5观察整点报时报时功能是否满足设计要求。五．元件清单器件名称型号数量数码管显示器四引脚七段数码管6十进制计数器741606定时器5551灯泡1直流电源5v4与门CD4081BF（四输入端）174LS11（三输入端）474LS08（两输入端）2与非门74LS00（两输入端）374LS10（三输入端）1开关单端双掷2电容10UF10.01UF1电阻48k2导线若干六．设计收获通过对多功能数字钟的设计，我掌握了EWB软件的初步使用、如何合理的选用集成器件。通过这次课程设计我对74160芯片的引脚及功能也更加的了解和熟悉，并且对所学习的数字电子这门课程更加的理解。通过对电路性能指标的测试与调试，加强了我分析和解决故障方面的能力，例如在设计分钟向小时进位时遇到分钟和小时组成的计数器芯片单独运行时正常工作，当连接进位后出现了两个问题一个是进位后小时的个位和秒的个位一样走数，二是当解决前一个问题后小时个位完成计数后其十位没有变化。我后来用示波器观察进位总线的波形与标准的秒脉冲相比较发现前者的高电平持续了10秒，而后者的高电平只是一瞬间。通过这个观察和用示波器去检测正常计数器的进位得到结论：进位的高电平的持续时间要正好为1秒钟，这样才能完成由低位向高位的进位。通过这次设计发现示波器在电子电路设计方面有很多用途。在连接电路时进一步掌握了集成芯片的连接方法和对计数器进行同步、异步置数清零的技巧，和设计任意进制计数器的方法。通过这次电子数字钟的设计，一方面让我知道知识的学习不能只限于课本上的学习，更多的是要把学过的知识运用到实际的生活中，要学以致用。另一方面看到了自己在动手能力方面有很大的不足。在今后的学习中要多锻炼自己的动手能力，谨防眼高手低。七．参考文献【1】阎石.数字电子技术基础.高等教育出版社【2】周凯.EWB虚拟电子实验室.电子工业出版社【3】高吉祥.电子技术基础实验与课程设计.电子工业出版社【4】解月珍.电子电路计算机辅助分析与设计.北京邮电大学出版社【5】周常森.电子电路计算机仿真技术.山东科技出版社