基于mustism仿真的数字电子时钟设计-毕业论文.doc

数字电路课程设计课题：数字电子钟学 院 机械工程学院 班 级 机电0912 成 绩 指导老师 目 录 引言（3）一. 设计意义和要求（4） 1.1设计意义（4） 1.2设计目的（4） 1.3设计要求（4）二. 方案设计（5） 2.1设计思路（5） 2.2 方案设计 （5）三. 单元电路设计（8） 3.1 555多谐振荡器（8） 3.2 秒脉冲发生电路（9） 3.3 秒和分计时电路 （9） 3.4 小时计时电路（11） 3.5显示电路（12） 3.6校时电路（13） 3.7整点报时电路 （14）四 调试与检测（15）五总结与体会（16六参考文献（17）七. 附录（17）引言所谓数字钟，是指利用电子电路构成的计时器。相对机械钟而言，数字钟能实现准确计时，并显示时，分，秒，而且可以方便，准确的对时间进行调节。在此基础上，还可以实现整点报时的功能。因此，数字钟的应用十分广泛。我们要通过这次的课程设计掌握数字钟的原理，学会设计简单的数字时钟。设计过程采用系统设计的方法，先分析任务，得到系统和要求，然后进行总体设计，划分子系统，然后进行详细设计，确定各个功能子系统中的内部电路，最后按照原理图构成实物，进行调试和改进。一 设计意义及要求 1.1设计意义 (1). 了解数字钟的原理和功能 (2)学会使用555定时器构成脉冲发生器 (3)了解和掌握计数器，译码器和显示器的工作原理和使用方法 (4). 进一步学习与掌握各种组合逻辑电路与时序电路的原理与使用方法，学会利用数字电路实现数字钟的功能1.2设计目的 (1). 使学生进一步掌握数字电子技术的理论知识，培养学生工程设计能力和综合 分析问题、解决问题的能力； (2). 使学生基本掌握常用电子电路的一般设计方法，提高电子电路的设计和实验能力； (3). 熟悉并学会选用电子元器件，为以后从事生产和科研工作打下一定的基础。1.3设计要求(1). 设计一个准确计时，以数字显示时，分，秒并能校正的时钟。(2). 小时的计时要求为“12翻1”，分和秒要求为60进制进位。(3). 扩展功能：具有整点报时功能。 (4).定时控制。(5). 仿广播电台报整点时数。(6）.触摸整点报时。二、方案设计2.1 设计思路 利用555定时器构成多谐振荡器，调整其电阻和电容大小，使其输出信号频率为1kHz，通过三个74LS90分频即构成了秒脉冲发生器产生1HZ的脉冲。用74LS92和74LS90级联构成60进制计数器，用来计“秒”，其CP输入为秒脉冲；另有74LS92和74LS90级联构成60进制计数器，用来计“分”，其CP输入为“秒”变为0时产生的一个下降沿信号；另外用74LS191和74LS74来计“时”，即当数字时钟运行到12时59分59 秒时，秒的个位计数器再输入一个秒脉冲时，数字时钟自动显示为01时00分00秒。它们的输出用六片译码显示的数码管显示。对“时”，“分”的调节采用将原来使他们计时加“1” 的信号切换为可控脉冲信号的方法。报时电路由555定时器构成的多谐振荡器，三极管和蜂鸣器组成，这样蜂鸣器输出的音频信号有高低变化。报时电路的驱动信号要在报时时间段内使振荡器工作。2.2 方案设计根据数字钟的设计思路，可以将它分为六个单元电路：振荡器，分频器，校时电路，计数器，译码器和显示器六部分组成。扩展电路有四部分：定时控制，仿电台报时，整点报时，触摸整点报时。它们之间的连接关系见原理方框图，如图5.5.1所示：译码器译码器译码器时计数器分计数器秒计数器校时电路振荡器分频器系统方框 图1 由原理方框图可以看出，在整个数字钟电路中，计时电路是主体。它不仅是显示电路的基础，还要与分频器，校时电路，译码电路配合来实现相应的功能。而数字钟的准确性则依赖于由多谐振荡器构成的秒脉冲源的准确性，在连接实物时要将其输出信号的频率控制为1KHz。由设计思路和原理方框图得图 图2. 数字时钟整体图三、单元电路设计3.1 555多谐振荡电路 如图3，由555定时器和外接元件R1、R2、C构成多谐振荡器，脚2与脚6直接相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外接触发信号，利用电源通过R1、R2向C充电，以及C通过R2向放电端Dc放电，使电路产生振荡。电容C在2/3Vcc和1/3Vcc之间充电和放电，从而在输出端得到一系列的矩形波。555构成的多谐振荡电路适当调节滑动变阻器的阻值，可求得输出信号的T约为1mS，则输出信号频率约为1KHz。3.2 秒脉冲发生器由以上多谐振荡器输出的1ms脉冲通过三个74LS90进行十进制分频经第一片分频后为500HZ，经第二片分频后为10HZ,经第三片分频后为1HZ,即可得到1秒脉冲，如图4所示。 图4. 1秒脉冲发生器3.3 秒和分计时电路 由一片74LS90D和74LS92D构成。74LS90为个位，74LS92为十位。将74LS90的输出与7段数码管相应的管脚连接起来，将R01，R02，R91，R92接地,IXA接脉冲,IXB接QA。这样数显管就能正常显示十进制计数。90向92的进位可以将90的QD接到92的IXB。而后，将92的IXA接到VCC(5V),R01，R02接地。并将92的QB,QC,QD分别于数显管的A,B,C相连，数显管的D端接地。在用一个74LS00将92的QD引出到清零端实现六进制。如此，就实现了00-01-02-58-59-00的转化。电路如图5所示 图5 秒和分计时电路3.4 小时计时电路 小时计数器是一个“12”翻“01”的特殊进制计数器。当数字时钟运行到12时59分59秒时，秒的个位再输入一个脉冲时数字时钟应该显示为01时00分00秒。其电路连接方式如图6所示 图6 小时计时电路3.5 译码和显示电路 我所采用的译码和显示器件为DCD_HEX。此器件为译码和显示一体器件。此处只需按照相应的引脚连接即可。只要将以上所做好的秒和分的计时电路，以及小时的计时电路，再加上数码管的连接电路，所有的串接起来就构成了译码的显示电路。如图7所示 图7.显示电路图3.6校时电路 对校时电路的要求是，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；慢校时是通过手动产生单脉冲作为校时脉冲。图8为校时，校分电路，其中S1为校分用的控制开关，S2为校时用的控制开关。他们的控制功能如表5.1.1所示。校对脉冲采用1HZ脉冲，当S1或S2分别为“0”时，可以进行“快校时”。 图8. 校时电路 调时调分的原理是将“时”“分”计时电路原来所接的进位信号切换为单脉冲，各通过一个单刀双掷开关实现信号切换。单脉冲由一个带弹簧的开关模拟，把它接在与电源相连的线路中，当开关按下去时线路连通为高电平，弹起时线路断开为低电平，开关一次按下和弹起就是一个下降沿脉冲，可以使计时器计数加1，这样可以通过这个开关调时和调分。电路图如图9 所示 ： 图9. 校时校分电路3.7 整点报时电路 整点报时电路如图10所示。它由一个多谐振荡器，一个NPN型三极管和一个扬声器组成，当振荡器工作时，三极管驱动扬声器发出震荡音频。但是这个振荡器的4脚和VCC之间接了一个上拉电阻，那么4脚处就不一定是高电平，当它为低电平时振荡器不工作，只有当它为高电平时振荡器才工作，那么只要找到合适的信号接到4脚，当需要报时此信号为高电平，其他时间为低电平，就可以实现报时功能。我想把报时功能设置成整点前十秒蜂鸣器开始鸣叫，十秒后停止鸣叫即为整点。注意到某点59分50秒后的十秒钟内，“5”“9”“5”对应的8421BCD码为0101 1001 0101，将3块芯片上对应的输出为“1”的输出端相与输出为高电平，把它接到振荡器4脚上，在整点前十秒蜂鸣器会报时。在其它时间这六个输出端不可能同时为“1”，即他们相与的输出为低电平，振荡器不会工作，不会报时。如此可以实现整点报时功能。图 10.报时电路图四、 调试与检测 调试过程中遇到的问题主要是开关校时问题。当把“时”，“分”原来所接的进位信号切换为按键脉冲时，本想是作为一个控制开关来实现主这样的功能，但是实际上在切换开关的过程中也会使时钟进位。这是因为在扳动开关的过程中产生了信号的高低电平转换，进而形成了进位信号，导致当调整好电路后扳回开关时继续进一。因此我对调时电路作了改进，改为调节“时”，“分”时，将它们原来所接的进位信号切换为秒脉冲信号，这个信号是比较稳定的，避免了机械开关的抖动问题。当时间调好时，只要将CP信号切换回原来的进位信号即可恢复正常计时。五、体会和总结 课程设计是我们运用所学知识，动手实践的一个很好的机会。它既可以帮助我们加深对所学知识的理解，又能提高我们运用知识，联系实际，动手实践的能力。而且在设计过程中可能用到我们没学过的知识，需要我们去查阅资料获取相关信息，这又提高了我们查找信息和学习新知识的能力。在实物的调试与检测过程中，又会遇到许多意想不到的问题，需要我们去分析原因和解决问题。有些现象能够证明我们所学知识的正确性，有些现象有说明理论和现实是有差异的。在整个课程设计完后，总的感觉是：有收获。以前上课都是上一些最基本的东西，而现在却可以将以前学的东西作出有实际价值的东西。在这个过程中，我的确学得到很多在书本上学不到的东西，如：如何利用现有的元件组装得到设计要求，如何找到错误的原因，如何利用Multisim仿真软件来仿真电路图等等。但也遇到了不少的挫折，有时遇到了一个错误怎么找也找不到原因所在，找了老半天结果却是芯片的管脚接错了，有时更是忘接电源了。在学习中的小问题在课堂上不可能犯，在动手的过程中却很有可能犯。特别是在接电路时，一不小心就会犯错，而且很不容易检查出来。但现在回过头来看，还是挺有成就感的。六参考文献：1.李景宏，马学文.电子技术实验教程.沈阳：东北大学出版社.20022.王永军，李景华编著.数字逻辑与数字系统.北京：电子工业出版社，20023.高吉祥，易凡编著.电子技术基础实验与课程设计.北京：电子工业出版社，20024.陈大钦编著. 电子技术基础实验. 北京：高等教育出版社，20005.李晶皎，李景宏，曹阳编著. 逻辑与数字系统设计.北京：清华大学出版社，20096.杨志忠编著.数字电子技术M .北京：高等教育出版社、2003、12七附录 部分芯片功能参数表555555定时器（又称时基电路）是一个模拟与数字混合型的集成电路。555定时器是一种应用极为广泛的中规模集成电路。该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器。因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。目前生产的定时器有双极型和CMOS两种类型，其型号分别有NE555(或5G555)和C7555等多种。它们的结构及工作原理基本相同。通常，双极型定时器具有较大的驱动能力，而CMOS定时器具有低功耗、输入阻抗高等优点。555定时器工作的电源电压很宽，并可承受较大的负载电流。双极型定时器电源电压范围为516V，最大负载电流可达200mA；CMOS定时器电源电压范围为318V，最大负载电流在4mA以下。 555的引脚如图11： 555的内部电路图74LS90 74LS90的引脚图如下图10所示 图12 74LS90的功能表20