《數(shù)字電子鐘設(shè)計(jì)》word版.doc

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第1章 緒論 現(xiàn)在是一個(gè)知識(shí)爆炸的時(shí)代。新產(chǎn)品，新技術(shù)層出不窮，電子計(jì)數(shù)的發(fā)展更是日新月異?？梢院敛豢鋸埖恼f(shuō)，電子計(jì)數(shù)的應(yīng)用無(wú)處不在，電子技術(shù)正在不斷改變我們的世界。但在這快速發(fā)展的時(shí)代，時(shí)間對(duì)人們來(lái)說(shuō)越來(lái)越寶貴，在快節(jié)奏的生活時(shí)，人們往往忘記了時(shí)間，一旦遇到重要的事情而忘記了時(shí)間，這將會(huì)帶來(lái)很大的損失。因此我們需要一個(gè)定時(shí)系統(tǒng)來(lái)提醒這些忙碌的人。數(shù)字化的鐘給人們帶來(lái)了極大的方便。 隨著科技的快速發(fā)展，數(shù)字電子鐘在實(shí)際生活中的應(yīng)用越開(kāi)越廣泛，小到普通的電子表，大到航天器等高科技電子產(chǎn)品中的計(jì)時(shí)設(shè)備。數(shù)字鐘是一個(gè)將“時(shí)”，“分”，“秒”顯示于人的視覺(jué)器官的計(jì)時(shí)裝置。它的計(jì)時(shí)周期為24小時(shí)，顯示滿(mǎn)刻度為23時(shí)59分59秒，另外應(yīng)有整點(diǎn)報(bào)時(shí)附加功能。多功能數(shù)字鐘由以下幾部分組成：555定時(shí)器組成的多諧振蕩電路構(gòu)成秒脈沖發(fā)生器；矯正電路，六十進(jìn)制的秒，分計(jì)數(shù)器和二十四進(jìn)制的時(shí)計(jì)數(shù)器；秒，分，時(shí)的數(shù)碼顯示部分；報(bào)時(shí)電路等。作為電氣工程及其自動(dòng)化的一名學(xué)生掌握并能夠獨(dú)立自主設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字電子鐘是必要和必須的，即可以加深對(duì)課本上理論知識(shí)的理解又能鍛煉自己的思考和解決問(wèn)題的能力。 1．1設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 1.能進(jìn)行正常的時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)功能； 2.能進(jìn)行手動(dòng)校時(shí)； 3.能進(jìn)行整點(diǎn)報(bào)時(shí)； 4.具有定時(shí)鬧鐘功能。 1.2設(shè)計(jì)的方案的選擇與論證 鐘表的數(shù)字化給人們生產(chǎn)生活帶來(lái)了極大的方便，而且大大地?cái)U(kuò)展了鐘表原先的報(bào)時(shí)功能。諸如，定時(shí)報(bào)警，按時(shí)自動(dòng)打鈴，時(shí)間程序自動(dòng)控制，這些，都是以鐘表數(shù)字化為基礎(chǔ)的。本次所要設(shè)計(jì)的數(shù)字電子鐘可以滿(mǎn)足使用者的一些特殊要求，輸出方式靈活，如可以隨意設(shè)置時(shí)，分，秒的輸出，定點(diǎn)報(bào)時(shí)。由于集成電路技術(shù)的發(fā)展，特別是MOS集成電路技術(shù)的發(fā)展，使數(shù)字電子鐘具有體積小，耗電省，計(jì)時(shí)準(zhǔn)確，性能穩(wěn)定，維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。 數(shù)字 時(shí)鐘實(shí)際上是一個(gè)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)電路，因此，時(shí)間計(jì)數(shù)電路是一個(gè)由計(jì)數(shù)器組成的時(shí)許邏輯電路。 用555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器作為秒脈沖信號(hào)源，控制秒個(gè)位的信號(hào)輸入，整點(diǎn)報(bào)時(shí)信號(hào)輸入和鬧鐘報(bào)時(shí)信號(hào)輸入，是整個(gè)電路唯一的脈沖信號(hào)源。將計(jì)數(shù)器與顯示器相連結(jié)，可以將輸入的二進(jìn)制數(shù)翻譯成可以直讀的十進(jìn)制數(shù)字并顯示出來(lái)，顯示管與計(jì)數(shù)器之間由譯碼器相接，作為譯碼驅(qū)動(dòng)。由于計(jì)數(shù)的起始時(shí)間不可能與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間完全一致，異或計(jì)數(shù)過(guò)程中可能出現(xiàn)誤差，故需要在電路中添加校時(shí)電路，以保證可以隨時(shí)對(duì)時(shí)間進(jìn)行矯正。整點(diǎn)自動(dòng)報(bào)時(shí)電路，可以使時(shí)鐘在臨近整點(diǎn)的時(shí)刻鳴叫提醒，并在指示燈閃爍。鬧鐘電路是該電路的附加部分，可以實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘在設(shè)定時(shí)刻鳴叫報(bào)時(shí)，并在指示燈閃爍，增加了時(shí)鐘的功能。 第2章 數(shù)字電子鐘基本原理及其框圖 數(shù)字電子鐘基本原理及其框圖 數(shù)字電子鐘的邏輯框圖如圖1-1所示。它由555集成芯片構(gòu)成的振蕩電路，分頻器，計(jì)數(shù)器，顯示器和校時(shí)電路組成。555集成芯片構(gòu)成的振蕩電路產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)分頻器作為秒脈沖，秒脈沖送入計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)結(jié)果通過(guò)“時(shí)”，“分”，“秒”譯碼器顯示時(shí)間。 圖1-1 數(shù)字電子鐘原理框圖 第3章 單元電路的設(shè)計(jì)與選擇 3.1 振蕩電路 振蕩器是數(shù)字鐘的核心。振蕩器的穩(wěn)定度及頻率的精確度決定了數(shù)字鐘計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確程度，通常選用石英晶體構(gòu)成振蕩器電路。一般來(lái)說(shuō)，振蕩器的頻率越高，計(jì)時(shí)精度越高。但本設(shè)計(jì)因?yàn)閷?shí)際條件的限制，所以我選用集成電路定時(shí)器555與RC組成的多諧振蕩器。選擇適合的R,C的大小，讓多諧振蕩器的頻率是1000HZ.這樣既鍛煉了動(dòng)手能力，又加深了對(duì)555振蕩器理論的理解。如圖3-1. 圖3-1 振蕩電路 555的內(nèi)部電路圖如圖3-2 如圖3-2 555的內(nèi)部電路圖 555集成定時(shí)器由四部分組成 1. 基本Rs觸發(fā)器：有兩個(gè)“與非”門(mén)組成 2. 比較器：C1,C2是兩個(gè)電壓比較器 3. 分壓器：阻值均為5千歐的電阻串聯(lián)起來(lái)構(gòu)成分壓器，為比較器C1和C2提供參考電壓。 4. 晶體管開(kāi)卷和輸出緩沖器：晶體管VT構(gòu)成開(kāi)關(guān)，其狀態(tài)受Q端控制。輸出緩沖器就是接在輸出端的反相器G3,其作用是提高定時(shí)器的帶負(fù)載能力和隔離負(fù)載對(duì)定時(shí)器的影響。 （a） (b) 圖 3-3邏輯框圖如圖及其邏輯符號(hào)如圖 分頻器 分頻器的功能主要有兩個(gè) (1) 產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖 (2) 提供功能擴(kuò)展電路所需要的信號(hào) 3.2 時(shí)間計(jì)數(shù)電路 3.2.1 秒，分計(jì)數(shù)器 秒個(gè)位計(jì)數(shù)器 74LS160被接成十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其置數(shù)輸入端A，B，C，D（3腳4腳5腳6腳）接低電平，LD,QB,QC,QD(14腳13腳12腳11腳)接譯碼電路74LS48的輸入端A,B,C,D。當(dāng)秒脈沖輸入時(shí)，電路狀態(tài)按二進(jìn)制自然序說(shuō)依次遞增1，QA,QB,QC,QD輸出為0000，0001，0010，0011，0100，0101，0110，0111，1000，1001，當(dāng)輸出為1010也就是10時(shí)，QA，QC輸出都是1，經(jīng)過(guò)一個(gè)與非門(mén)后一路經(jīng)反相后送入或非門(mén)的一個(gè)輸入端，輸出送往計(jì)數(shù)器的消零端RD使秒計(jì)數(shù)器消零，另一路經(jīng)反相后作為進(jìn)位脈沖送入秒脈沖送入秒十位計(jì)時(shí)器的脈沖輸入端 秒十位計(jì)數(shù)器 在這里74LS160被接成6進(jìn)制計(jì)數(shù)器，接法與個(gè)位計(jì)數(shù)器相同，秒計(jì)數(shù)器送來(lái)的進(jìn)位脈沖送入秒使位計(jì)數(shù)器的脈沖輸入端，使其按二進(jìn)制自然序說(shuō)依次遞增1，QA,QB,QC,QD端輸出為0000，0001，0010，0011，0100，0101，當(dāng)輸出為1010也就是6時(shí)，QB,QC輸出為1，QA,QD輸出為0，QB,QC經(jīng)過(guò)一個(gè)與非門(mén)后一路先送往秒十位計(jì)數(shù)器的消零端，另一端經(jīng)反相后作為進(jìn)位脈沖送入分個(gè)位計(jì)數(shù)器的脈沖輸入端。 分計(jì)數(shù)器的連接方法與秒計(jì)數(shù)器的相同，分計(jì)數(shù)器向時(shí)計(jì)數(shù)器送進(jìn)脈沖，秒，分的六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的構(gòu)成如圖3-4所示： 圖 3-4 74LS160制成的六十進(jìn)制電路圖 3.2.2 時(shí)計(jì)數(shù)器 二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器，也使用兩個(gè)74LS160集成塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的，方法與二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器大同小異，但其要求個(gè)位是十進(jìn)制，狀態(tài)變化在0000~1001間循環(huán)，十位是二進(jìn)制，狀態(tài)變化在0000~0010間循環(huán)，顯示為0~23時(shí)。 由分計(jì)數(shù)器送來(lái)的進(jìn)位脈沖送入時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)器，電路在分進(jìn)位脈沖的作用下按二進(jìn)制自然序說(shuō)遞增1，當(dāng)計(jì)數(shù)到24，這時(shí)小時(shí)個(gè)位輸出0100（也就是4），小時(shí)十位輸出0010（也就是2），小時(shí)十位計(jì)數(shù)器只有QC端有輸出，小時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)器只有QB端有輸出，將QC，QB端接一個(gè)二輸入與非門(mén)，與非門(mén)輸出一路先送入十位計(jì)數(shù)器的清零端然后取反送入或非門(mén)的另一個(gè)輸入端，輸出姐小時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)器的消零端，其每10小時(shí)清零并向小時(shí)十位計(jì)數(shù)器送進(jìn)為脈沖，當(dāng)十位輸出為二，小時(shí)個(gè)位輸出為四時(shí)，將整個(gè)電路清零，另一路取反后作為星期進(jìn)位脈沖送入星期顯示電路的脈沖輸入端，完成24小時(shí)的顯示及向星期電路送入星期進(jìn)位脈沖的功能。二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器的構(gòu)成如圖3-5所示： 圖3-5 74LS160制成的二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器 使用原件簡(jiǎn)介 74LS00集成塊 74LS00是一種典型的與非門(mén)器件，內(nèi)部含有4個(gè)2輸入端與非門(mén)，共有14個(gè)引腳，引腳排列圖（a）,邏輯符號(hào)(b)和邏輯狀態(tài)表表3-1如圖3-6所示： 圖 (a) 圖（b） 圖 3-6 74LS00的引腳排列圖與邏輯狀態(tài)表 表3-1 74LS00的邏輯狀態(tài)表 74LS160集成塊 圖 3-7 74LS160外引線(xiàn)排列圖 表3-2 74LS160的功能表 3.3 顯示器 本系統(tǒng)用七段發(fā)光二極管來(lái)顯示譯碼器輸出的數(shù)字，顯示器有兩種：共陽(yáng)極顯示器或共陰極顯示器。74LS48譯碼器對(duì)應(yīng)的顯示器是共陰極顯示器。 74LS48與七段譯碼管構(gòu)成顯示器 如圖3-8所示的數(shù)碼管需要譯碼器才能顯示，74LS48是驅(qū)動(dòng)共陰極數(shù)碼管的器件。 圖 3-8 譯碼器驅(qū)動(dòng)共陰極數(shù)碼管電路 從74LS48的A，B，C，D端輸入二進(jìn)制數(shù)便可完成顯示功能。 74LS48集成塊 圖 3-9 74LS48引腳排列 表3-3 74LS48真值表 3.4校時(shí)電路 當(dāng)數(shù)字鐘走時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí)，需要矯正時(shí)間。校時(shí)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)“時(shí)”“分”“秒”的校準(zhǔn)。在電路中設(shè)有正常計(jì)時(shí)和校對(duì)位置。本實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)“時(shí)”“分”的校對(duì)。對(duì)校時(shí)的要求是，在小時(shí)矯正時(shí)不影響分和時(shí)的正常計(jì)數(shù)；在分校時(shí)不影響秒和小時(shí)的正常計(jì)數(shù)。需要注意的是，校時(shí)是由與非門(mén)構(gòu)成的組合邏輯電路，開(kāi)關(guān)S1或S2為“0”或“1”時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，為防止這一情況的發(fā)生我在原本接校時(shí)脈沖的端口接到了實(shí)驗(yàn)裝置的“單次脈沖”端口，這樣即時(shí)限內(nèi)了防抖動(dòng)，又可以利用手動(dòng)操作來(lái)完成校時(shí)。校時(shí)電路圖如圖3-10。 圖3-10 校時(shí)電路 3.5 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路 電路應(yīng)該在整點(diǎn)前1秒鐘內(nèi)開(kāi)始整點(diǎn)報(bào)時(shí)，即當(dāng)時(shí)間在59分59秒時(shí)，報(bào)時(shí)電路發(fā)出報(bào)時(shí)控制信號(hào)，蜂鳴器發(fā)出響聲，并且指示燈閃爍一次。 當(dāng)時(shí)間在59分59秒時(shí)，分十位，分個(gè)位和秒是為，秒個(gè)位均保持不變，分別為5，9和5，9，因此可將分計(jì)數(shù)器的Qc和Qa，個(gè)位的Qd和Qa及秒計(jì)數(shù)器十位的Qc和Qa，個(gè)位的Qd和Qa相與，從而產(chǎn)生報(bào)時(shí)控制信號(hào)。報(bào)時(shí)電路可選7個(gè)74F08D構(gòu)成。如圖3-11。 圖 3-11 整點(diǎn)報(bào)時(shí) 3.6 鬧鐘功能電路 數(shù)字鐘在指定的時(shí)刻發(fā)出信號(hào)，或驅(qū)動(dòng)音響電路“鬧鐘”，或?qū)δ逞b置的電源進(jìn)行接通或斷開(kāi)“控制”。不管是鬧鐘還是控制，都要求時(shí)間準(zhǔn)確，即信號(hào)的開(kāi)始時(shí)刻與持續(xù)時(shí)間必須滿(mǎn)足規(guī)定的要求。 例如要求上午7時(shí)59分發(fā)出鬧鐘信號(hào)，持續(xù)時(shí)間1分鐘。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為7時(shí)59分時(shí)，音響電路的晶體管通道，則揚(yáng)聲器發(fā)出1KHz的時(shí)間。持續(xù)1分鐘到8點(diǎn)整晶體管因輸入端為“0”而截止，電路停鬧。如同3-12所示。 圖 3-12 鬧鐘功能電路 3.7數(shù)字電子鐘的總原理圖如圖3-13所示： 圖 3-13 總體電路 表3-4 元件清單 序號(hào) 型號(hào) 名稱(chēng) 數(shù)量 編號(hào) 1 555 振蕩器 1 A1 2 74LS00 與非門(mén) 3 .U19D.U20D. U21D 3 74LS160 同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器 6 U13.U14.U15. U16.U17.U18. 4 74LS48 共陰極顯示器 6 U7.U8.U9. U10.U11.U12 5 七段顯示器 6 U1.U2.U3. U4.U5.U6. 6 74LS04 二極管 2 U22.U23 7 74LS02 或非門(mén) 2 U24.U25 8 電感 45 R1~R45 9 74F08D 與門(mén) 7 10 C 電容 2 C1.C2 總結(jié) 通過(guò)運(yùn)用數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)的24小時(shí)制的數(shù)字電子時(shí)鐘，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，成功實(shí)現(xiàn)了一下基本功能： 1. 能準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，以數(shù)字形式顯示時(shí)、分、秒的時(shí)間。 2. 能實(shí)現(xiàn)整點(diǎn)報(bào)時(shí)的功能，當(dāng)時(shí)間在59分59秒時(shí)，報(bào)時(shí)電路發(fā)出報(bào)時(shí)控制信號(hào)，蜂鳴器發(fā)出響聲，并且指示燈閃爍一次。 3.能定時(shí)控制，且能手動(dòng)校時(shí)。 4.能進(jìn)行鬧鐘功能。 通過(guò)這次數(shù)字電子鐘的課程設(shè)計(jì)，我們才把學(xué)到的東西與實(shí)踐相結(jié)合。從中對(duì)我們學(xué)的知識(shí)有了更進(jìn)一步的理解，而且更進(jìn)一步地熟悉了芯片的結(jié)構(gòu)及掌握了各芯片的工作原理和其具體的使用方法。也鍛煉了自己獨(dú)立思考問(wèn)題的能力和通過(guò)查看相關(guān)資料來(lái)解決問(wèn)題的習(xí)慣。雖然這只是一次簡(jiǎn)單的課程設(shè)計(jì)，但通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)我們了解了課程設(shè)計(jì)的一般步驟，和設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題。設(shè)計(jì)本身并不是有很重要的意義，而是同學(xué)們對(duì)待問(wèn)題時(shí)的態(tài)度和處理事情的能力。各個(gè)芯片能夠完成什么樣的功能，使用芯片時(shí)應(yīng)該注意那些要點(diǎn)。同一個(gè)電路可以用那些芯片實(shí)現(xiàn)，各個(gè)芯片實(shí)現(xiàn)同一個(gè)功能的區(qū)別。另外，還在電腦制作文檔的過(guò)程中，使我對(duì)辦公軟件有了更進(jìn)一步的了解和掌握。 致謝 通過(guò)這三周的學(xué)習(xí)，我感覺(jué)有很大的收獲：首先，通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)使自己對(duì)課本上的知識(shí)可以應(yīng)用于實(shí)際，使理論與實(shí)際相結(jié)合，加深自己對(duì)課本知識(shí)的更好理解，同時(shí)也段練了我個(gè)人的動(dòng)手能力：能夠充分利用圖書(shū)館去查閱資料，增加了許多課本以外的知識(shí)。更加了解了時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)步驟及方法。 對(duì)時(shí)序邏輯電路的觸發(fā)方式的理解更加深刻即同步連接方式和異步連接方式的了解。 增加了對(duì)74LS160和74LS00芯片引腳結(jié)構(gòu)和功能的理解及運(yùn)用，尤其是160的清零端和進(jìn)位端的功能。在做設(shè)計(jì)過(guò)程中，鍛煉了我的細(xì)心和耐性。在本文的寫(xiě)作過(guò)程中得到了程鳳琴老師的精心指導(dǎo)，在此表示衷心的感謝。 參考文獻(xiàn) 1、彭介華等著.電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo).[M]北京：高等教育出版社，1997年。 2、安冰菊等著.電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)及課程設(shè)計(jì).[M]北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006年。 3、陳光明等著.電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)與綜合實(shí)訓(xùn).[M]北京：北京航空航天大學(xué)大學(xué)出版社，2007年 4、閆石主編.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).[M]北京：高等教育出版社，2001年。