多功能时钟数字电路设计ewb.doc

多功能时钟数字电路设计ewb
课程设计任务书

姓 名
严图强
学 号

班 级
07计11
课程名称
数字电路
课程性质
专业基础课
设计时间
08 年 1月1日——08 年1月12日
设计名称
多功能数字钟
设计要求
1、显示时、分、秒；
2、具有校时功能，可以分别对时与分进行单独校时，使其校正到标准时间；
3、计时过程具有报时功能，当时间到达整点前10秒进行蜂鸣报时；
4、为了保证计时的稳定与准确须由晶体振荡器提供表针时间基准信号
设计思路
与
设计过程
1、收集相关资料，完成相关电路的设计图，正确选用适合设计内容的集成电路、器件和器材，并列出“领料清单”；
2、利用多功能虚拟软件Multism8进行电路的制作、调试，并生成文件。
计划与进度
1、时间以12小时为一个周期；
任课教师
意 见

说 明

课程设计报告

课程： 数字电路课程设计
学号：
姓名： 严图强
班级： 07计11班
教师： 王波

徐州师范大学

多功能数字钟

一、数字电路课程设计的目的
经过了一学期的学习，已基本具备了一些电子技术的基础知识。子技术课程设计，为了能将理论和实践相结合，真正能把知识运用到实际的设计中去，培养他们的创新意识，符合国家培养“创新型人才”和建设“创新型社会”的基本思路。
二、数字电路课程设计的基本要求
本系统采用555多谐振荡器、分频器、计数器、显示器和校时电路组成。由LED数码管来显示译码器所输出的信号，采用了CD和74LS系列中小规模集成芯片，并由学生自己设计校时电路。总体方案设计由主体电路和扩展电路两大部分组成。其中主体电路完成数字钟的基本功能,扩展电路完成数字钟的扩展功能。论文安排如下：
1、绪论 阐述研究电子钟所具有的现实意义。
2、设计内容与设计方案 论述电子钟的具体设计方案与设计要求。
3、单元电路设计、原理与器件选择 说明电子钟的设计原理以与器件的选择，主要从石英晶体振荡器或555多谐震荡器、分频器、计数器、显示器和校时电路五个方面进行说明。
4、绘制整机原理图，完成该系统的设计、安装、调试工作全部完成。
三、设计内容与设计方案
（一）设计内容要求
1、设计一个有“时”、“分”、“秒”（23小时59分59秒）显示且有校时功能的电子钟。
2、用中小规模集成电路组成电子钟，并在实验箱上进行组装、调试。
3、画出框图和逻辑电路图。
4 、功能扩展：
(1) 闹钟系统
(2) 整点报时。在59分50秒开始输出500Hz音频报时信号，在00分00秒时，输出1000Hz的
(3) 日历系统。
四、设计方案与工作原理
数字电子钟的逻辑框图如图1所示。它由555多谐振荡器、分频器、计数器、译码器显示器和校时电路组成。振荡器产生稳定的高频脉冲信号,作为数字钟的时间基准,然后经过分频器输出标准秒脉冲。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。

图1 数字电子钟逻辑框图
显 示 器

译 码 器

秒 计 数 器
分 频 器
基准信号
555多谐震荡器

显 示 器
译 码 器
时 计 数 器
显 示 器

译 码 器
分 计 数 器

校 时

五、电路器件选择
(一) 电路器件
直流稳压电源一台、数字万用表一只、CD4510 九只、CD4511 六只、LED显示器六只、单刀双置开关两只、LE555 1只、蜂鸣器 1只；数字实验箱；电阻、电容若干。

（二）555定时震荡器
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定度决定了数字钟的质量。图采用集成电路555定时器与RC组成T=1ms的多谐振荡器。输出的脉冲频率为f=1kHZ,周期。

输入
输出
阀值输入（V11）
触发输入（V12）
复位（Rd）
输出（Vo）
三级管T
X
X
0
0
导通
<2/3Vcc
<1/3Vcc
1
1
截止
>2/3Vcc
>1/3Vcc
1
0
导通
<2/3Vcc
>1/3Vcc
1
不变
不变

555

5.1K +5V
R1 8 4

7 3
5.1K R2 6 1KHZ
0.01uf

0.1uf C1 1

0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
0
0
0
1
2
0
0
1
0
0
0
1
0
3
0
0
1
1
0
0
1
1
4
0
1
0
0
0
1
0
0
5
0
1
0
1
1
0
0
0
6
0
1
1
0
1
0
0
1
7
0
1
1
1
1
0
1
0
8
1
0
0
0
1
0
1
0
9
1
0
0
1
1
1
0
0

(三)分频器
1、8421码制,5421码制
用四位二进制码的十六种组合作为代码，取其中十种组合来表示0-9这十个数字符号。通常，把用四位二进制数码来表示一位十进制数称为二-十进制编码，也叫做BCD码，见表1。
表1
8421码 和5421码

2、分频器的具体工作原理
由于555多谐振荡器产生的频率很高，此电路输出选为1000HZ。要得到秒脉冲，需要用分频电路。例如，振荡器输出1000HZ的信号，通过三个十进制同步加减计数器（CD4510）分频变成1Hz
LM
555
CD4510

CD4510

CD4510

图3 分频电路

(四) 计数器
秒脉冲信号经过6级计数器，分别得到“秒”个位、十位，“分”个位、十位以与“时”个位、十位的计时。“秒”、“分”计数器为60进制，小时为24进制。
1、60进制计数器
(1) 计数器按触发方式分类
计数器是一种累计时钟脉冲数的逻辑部件。计数器不仅用于时钟脉冲计数，还用于定时、分频、产生节拍脉冲以与数字运算等。计数器是应用最广泛的逻辑部件之一。按触发方式，把计数器分成同步计数器和异步计数器两种。对于同步计数器，输入时钟脉冲时触发器的翻转是同时进行的，而异步计数器中的触发器的翻转则不是同时。
(2) 60进制计数器的工作原理
“秒”计数器电路与“分”计数器电路都是60进制，它由一级10进制计数器和一级6进制计数器连接构成，如图4所示，采用两片中规模集成电路CD4511串接起来构成的“秒”、“分”计数器。
CD4511 引 脚 图

逻辑功能见表：

8421 BCD 码对应的显示见下图  ：

选用共阴极数码管，对于 CD4511 ，它与数码管的基本连接方式如下图 ：

(图4) 60进制计数电路

74LS04——非门
74LS00——二输入与非门
74LS04的引脚排列图

74LS00的引脚排列图

1 14

2 13

3 12

4 11

5 10

6 9

7 8
GND
1A
1B
1Y
2B
4A
4B
4Y
3Y
VCC
3A
3B
3B
3A
VCC
3Y
3B
3A
VCC
2A
2Y
2B
2A
1Y
1B
1A
VCC
1A

3A
1B

3B
1Y

3Y

2A

4A
2B

4B
2Y

4Y
GND

(五) 译码与显示电路
1、显示器原理（数码管）
数码管是数码显示器的俗称。常用的数码显示器有半导体数码管，荧光数码管，辉光数码管和液晶显示器等。
本设计所选用的是半导体数码管，是用发光二极管（简称LED）组成的字形来显示数字，七个条形发光二极管排列成七段组合字形，便构成了半导体数码管。半导体数码管有共阳极和共阴极两种类型。共阳极数码管的七个发光二极管的阳极接在一起，而七个阴极则是独立的。共阴极数码管与共阳极数码管相反，七个发光二极管的阴极接在一起，而阳极是独立的。
当共阳极数码管的某一阴极接低电平时，相应的二极管发光，可根据字形使某几段二极管发光，所以共阳极数码管需要输出低电平有效的译码器去驱动。共阴极数码管则需输出高电平有效的译码器去驱动。
LED数码管内外结构图与管脚分布图

2、译码器原理
译码为编码的逆过程。它将编码时赋予代码的含义“翻译”过来。实现译码的逻辑电路成为译码器。译码器输出与输入代码有唯一的对应关系：CD4511是输出低电平有效的七段字形译码器，它在这里与数码管配合使用，表2列出了CD4511的真值表，表示出了它与数码管之间的关系

CD 4511
A A
B B
C C
D D
LT E
BI F
LE G
7 13
1 12
2 11
6 10
3 9
4 15
5 14
表2
Inputs
Outputs
LE
BI
LT
D C B A

0 0 0 0
0 0 0 1
0 0 1 0
0 0 1 1
0 1 0 0
0 1 0 1
0 1 1 0
0 1 1 1
1 0 0 0
1 0 0 1
1 0 1 0
1 0 1 1
1 1 0 0
1 1 0 1
1 1 1 0
1 1 1 1

a b c d e f g
Display

0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1

0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1 1 1 1 1 1 1
0 0 0 0 0 0 0
1 1 1 1 1 1 0
0 1 1 0 0 0 0
1 1 0 1 1 0 1
1 1 1 1 0 0 1
0 1 1 0 0 1 1
1 0 1 1 0 1 1
0 0 1 1 1 1 1
1 1 1 0 0 0 0
1 1 1 1 1 1 1
1 1 1 0 0 1 1
0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0

B

0
1
2
3
4
5
6
7
8
9

(1)LT(——)：试灯输入，是为了检查数码管各段是否能正常发光而设置的。当LT(——)=0时，无论输入A3 ，A2 ，A1 ，A0为何种状态，译码器输出均为低电平，若驱动的数码管正常，是显示8。
(2) BI(—)：灭灯输入，是为控制多位数码显示的灭灯所设置的。BI(—)=0时。不论LT(——)和输入A3 ，A2 ，A1，A0为何种状态，译码器输出均为高电平，使共阳极数码管熄灭。
(3)RBI(——-)：灭零输入，它是为使不希望显示的0熄灭而设定的。当对每一位A3= A2 =A1 =A0=0时，本应显示0，但是在RBI(——-)=0作用下，使译码器输出全为高电平。其结果和加入灭灯信号的结果一样，将0熄灭。
(4)RBO(———)：灭零输出，它和灭灯输入BI(—)共用一端，两者配合使用，可以实现多位数码显示的灭零控制。

3、译码器与显示器的配套使用
译码是把给定的代码进行翻译，本设计即是将时、分、秒计数器输出的四位二进制数代码翻译为相应的十进制数，并通过显示器显示，通常显示器与译码器是配套使用的。我们选用的七段译码驱动器（74LS47）和数码管（LED）是共阳极接法（需要输出低电平有效的
译码器驱动）。译码显示电路如图9所示。
QAQBQC QD QA QB QC QD

LT
BI/RBO 74LS248
RBI a b c d e f g
LT
BI/RBO 74LS248
RBI a b c d e f g
1

1

a b c d e f g
f aaaa b
g
e c
d LC5011 llc5011

a b c d e f g
f b

e c
d LC5011 LC L

LCLLLC5011LC5011 LC5011L LLLLLLLLC5 L LLLC50 L LC5011

a
a

g
g

图6

(图9) 译码显示电路
（六）、校时电路
当接通电源或计时出现误差时，都需要对时间进行校时。校正电路如图所示，K1、K2分别为时校正、分校正开关。不校正时，K1、K2 开关是闭合的。当对时校正时，把K1打开，用手拨动开关K3，来回拨动，就能使十位增加1。根据需要开关的次数，校正完毕后把K1开关合上，校正分位同相
&
&
&
&
K1
10K
K2
10K
K3
10K
10K

（七）报时器
报时电路

（八） 总框图和原理图
1. 总框图
显 示 器

译 码 器

秒 计 数 器
分 频 器
基准信号
555多谐震荡器

显 示 器
译 码 器
时 计 数 器
显 示 器

译 码 器
分 计 数 器

校 时

2. 总原理图

74LS90(3)
Q0
Q3
74LS90(2)
Q0
Q3
Q0
74LS90(1)
Q3
Q3 Q2 Q1 Q0
Q3 Q2 Q1 Q0
Q3 Q2 Q1 Q0

Q3 Q2 Q1 Q0
74LS90(4)
74LS90(5)
74LS92(2)
74LS92(1)
9
1
9
14
12
11
9
15
CPB
CPA
D3 D2 D1 D0 G CP
1Q
1RD
1CP
5
&
&
LD
74LS191
74LS74
1Q
3 8
3 8
3 8
3 8
3 8
3 8
BS202´6
g a
g a
g a
g a
g a
g a
&
&
&
&
&
1Hz
10Hz
74LS48(6)
A3 A2 A1 A0
74LS48(4)
74LS48(3)
74LS48(2)
74LS48(1)
74LS48(5)
Q3 Q2 Q1 Q0
4
14
1
10
9
11
1D
＋5V
3.3kW
1
3
2
5
3
2
6
7
&
&
1
1
U/D
R0(1)
R9(1)
R0(1)
CPB
CPA
R0(1)
CPB
CPA
R9(1)
R0(1)
CPB
CPA
A3 A2 A1 A0
A3 A2 A1 A0
A3 A2 A1 A0
A3 A2 A1 A0
A3 A2 A1 A0
7
1
2
6
R9(1)
R0(1)
CPB
CPA
R9(1)
R0(1)
CPB
CPA
R9(1)
R0(1)
CPB
CPA
6
2
1
14
11
12
＋5V
500Hz
1kHz
1Hz
0.01mF
校时脉冲
S1
S2
0.01mF
3.3kW
秒十位
进位脉冲
分十位
进位脉冲
1
1
3.3kW

九、实验心得：经过两周的实际的操作过程中，能把理论中所学的知识灵活地运用起来，并在调试中会遇到各种各样的问题，电路的调试提高了我们解决问题的能力，学会了在设计中独立解决问题，也包括怎样去查找问题。似乎所有的事都得自己新手去操作才会在脑海中留下深刻的印象，这个小小的课程设计让我可以熟练的操作EWB软件，也了解了不少器件的功能的应用，也加深了对数字电路认识和理解。

设计成绩： 教师签名：
年 月 日

19 / 19