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1、武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书 学学 号：号： 0120809320417 课课 程程 设设 计计 题题 目目多功能数字钟电路设计多功能数字钟电路设计 学学 院院信息工程学院信息工程学院 专专 业业通信工程通信工程 班班 级级通信通信 0804 班班 姓姓 名名 指导教师指导教师 2010 年7月6日 武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书 课程设计任务书课程设计任务书 学生姓名：学生姓名： 专业班级：专业班级： 通信工程通信工程 08040804 班班 指导教师：指导教师： 工作单位：工作单位： 题题 目目: : 多功能数字钟电路设计多功能数字钟电路设计 初始条件：初始条件： 数字电
2、子技术基础知识 、模拟电子技术基础知识、电子技术实验室、 NE555、74LS90、74LS48、7 段数码管。 要求完成的主要任务要求完成的主要任务: : 1、电路原理图设计和相关参数的确定。 2、电路仿真 3、设计报告的撰写 时间安排：时间安排： 序号序号阶段内容阶段内容时间时间 1方案设计1 天 2电路仿真2 天 3撰写报告1 天 4答辩1 天 合 计5 天 指导教师签名：指导教师签名： 年年 月月 日日 系主任（或责任教师）签名：系主任（或责任教师）签名： 年年 月月 日日 武汉理工大学模拟电子技术课程设计说明书 II 摘要摘要 本设计是基于 555 定时器产生脉冲的多功能数字钟，能够
3、分别显示时、分、秒，还 能够对时钟做校时操作，本设计时钟还具有整点报时功能。从 555 定时器输出 1KHZ 的 脉冲经过三个串联计数器分频分别为 100HZ、10HZ 和 1HZ 的时间脉冲，其中 1HZ 脉冲 作为秒脉冲输入，10HZ 作为校时电路输入。秒脉冲输入时间计数部分，计数部分由六个 计数器组成，每两个分别计数秒、分和时。计数器输出输到到 7 端数码管译码器，再书到 数码管进行显示出时间。校时电路工作时，封锁计数器的进位信号，由 10HZ 给出计数信 号，方便校时。当分计数部分要向时计数部分进位时，给出的欲进位信号驱动扬声器，发 出进位信号，到达报时的目的。 武汉理工大学模拟电子技
4、术课程设计说明书 III Abstract The design is based on the pulse 555 timing produce multifunctional digital clock, can show, minutes and seconds on the clock, also can make the operation, the school also has the clock strike on the design. From 1KHZ 555 timing of pulse output by three series counter frequency
5、 respectively, 10HZ 100HZ 1HZ and the time pulse, including 1HZ pulse as seconds, 10HZ as input pulses at school input circuit. Seconds count part time input pulses, count by six counter composition, every two seconds, and were counting. To counter the output lost 7 digital tube decoder, book to dig
6、ital tube show time. When school work, blockade circuit, signal by the binary counter counts, convenient 10HZ given signal when the school. When points to count part when, is part of binary counter to carry signals, a binary signals drive the speaker, arrive the strike. 武汉理工大学模拟电子技术课程设计说明书 目录目录 1.1.
7、引言引言.1 2 2、多功能数字钟、多功能数字钟.2 2.1 任务2 2.2、要求.2 2.2.1 基本要求.2 2.2.2 扩展功能2 2.3 数字钟电路系统的组成原理框图2 3、方案设计与选择、方案设计与选择.3 3.13.1 振荡器的设计振荡器的设计.3 3.1.1 振荡器的选择振荡器的选择3 3.1.2 参数确定参数确定4 3.23.2 分频设计分频设计.5 3.33.3 时分秒计数器的设计时分秒计数器的设计.5 3.3.1 时计数部分设计6 3.3.2 分、秒计数部分设计6 3.43.4 校时电路设计校时电路设计7 3.53.5 整点报时电路设计整点报时电路设计.8 3.63.6 显
8、示部分显示部分8 3.73.7 总体设计电路图总体设计电路图.9 4、元器件的选择、元器件的选择 11 4.14.1 振荡器振荡器 NE555NE555.11 4.1.1. NE555 的特点的特点.11 4.1.2 NE555 引脚位配置说明引脚位配置说明11 4.24.2 计数器计数器 74LS9074LS9012 4.34.3 译码器译码器 74LS4874LS4813 武汉理工大学模拟电子技术课程设计说明书 5、电路仿真、电路仿真15 5.15.1 振荡器部分的仿真振荡器部分的仿真.15 5.1.1 NE555 输出结果仿真输出结果仿真15 5.1.2 NE555 输出和电容输出和电容
9、 C1 波形波形15 5.25.2 分频器的仿真分频器的仿真.16 5.35.3 时间显示仿真时间显示仿真.17 5.45.4 整点报时、校时电路仿真整点报时、校时电路仿真.18 6 总结总结19 附录附录 元件清单元件清单 20 参考文献参考文献 .21 武汉理工大学模拟电子技术课程设计说明书 第 1 页 1.1.引言引言 时钟是现在最基本最常见的生活用品，随着现代人们的忙碌，似乎每一个角落都 装上时钟才能满足人们对知晓时间的需求，现在很多宿舍楼，商场等都装上了时钟。 所以制作这样一个简易的多功能时钟有其现代的意义。 武汉理工大学模拟电子技术课程设计说明书 第 2 页 2 2、多功能数字钟多
10、功能数字钟 2.1 任务 设计一个多功能的数字钟。 2.2、要求 2.2.1 基本要求 1) 准确计时，以数字的形式显示时、分、秒的时间。 2）小时为 24 或 12 进制，分和秒为 60 进制。 3）校正时间 2.2.2 扩展功能 1）定时控制 2）整点报时 2.3 数字钟电路系统的组成原理框图 时时显显示示器器分分显显示示器器秒秒显显示示器器 报报时时电电路路时时译译码码器器分分译译码码器器秒秒译译码码器器 是是计计数数器器分分计计数数器器秒秒计计数数器器 校校时时电电路路 振振荡荡器器分分频频器器 武汉理工大学模拟电子技术课程设计说明书 第 3 页 3、方案设计与选择方案设计与选择 3.
11、13.1 振荡器的设计振荡器的设计 3.1.1 振荡器的选择振荡器的选择 振荡器是数字钟的核心。振荡器的稳定度及频率的精确度决定了数字钟的准确度， 通常选用石英体构成的振荡电路。一般说来，振荡器的频率越高，计时精度越高。如 图 1 为电子手表集成电路中的晶体振荡电路，常取晶振频率为 32768HZ，因其内部有 15 级 2 分频集成电路，所以输出端正好是 1HZ 的标准脉冲。 如果精度要求不高也可以采用集成逻辑门与 RC 组成的时钟源振荡器如图 2 或由 555 定时器与 RC 组成的多谐振荡器如图 3。这里选用 555 构成的多谐振荡器，设计振 荡频率为 1KHZ，电路图如图所示。 图 1
12、晶体振荡器 武汉理工大学模拟电子技术课程设计说明书 第 4 页 图 2 逻辑门与 RC 振荡器 图 3 NE555 振荡器电路 3.1.2 参数确定参数确定 555 定时器的脉冲时间是由于 RC 充放电确定的。根据三要素公式： （1） 1 )( 1)0( 1)( 1)( 1 RC t eVcVcVctVc 充电过程的方程式： (2) 1 1 ) 3 1 ( 3 2 RC t eVccVccVccVcc 充电时间为： (3)1)21(7 . 02ln)21(1 1 CRRCRRt 放电过程的方程式： 武汉理工大学模拟电子技术课程设计说明书 第 5 页 （4） 1 2 )0 3 2 (0 3 1
13、RC t eVccVcc 放电时间为： (5)127 . 02ln22 1 CRCRt 总时间为： （6） f ttt 1 21 频率为： （7） 121121 )2( 43 . 1 )2(7 . 0 11 CRRCRRt f 首先确定 C1=0.1uf，R2=5.1K，需要输出频率 f=1KHZ，将充放电时间算出，确定 电阻 R1。通过确定 R1=4.1K。 3.23.2 分频设计分频设计 分频器的工作主要有两个：第一，产生标准的秒脉冲。第二，是提供电路工作 所需要的信号，比如校时电路中用到的 10HZ，就是为了校时方便而设计。选择计数器 作为分频器，计数器有很多元件可以选择，但是要合理充分
14、的利用，选择 3 片中规模 集成计数器 74LS90 可以完成上诉功能，74LS90 是二五十进制计数器。因为 555 定时器产生 1KHZ 的信号，第一片的 Q3 输出 100HZ，第二片的 Q3 输出 10HZ，第三 片输出 1HZ。经过 3 次 1/10 分频后正好是 1HZ，为标准的秒输入脉冲。 电路图如图 4： 图 4 分频电路 武汉理工大学模拟电子技术课程设计说明书 第 6 页 3.33.3 时分秒计数器的设计时分秒计数器的设计 3.3.1 时计数部分设计 时间计数设计为 24 进制计数，有多种计数器可供选择，本设计仍选 74LS90 作为计 数器。设计电路图如图 5。当时计数部分
15、的个位接受分计数部分的信号，计数满 10 后 向时计数部分的十位给出一个进位信号。时十位计数部分接受个位的进位信号并进行 计数，当十位和个位计满 24 个数后计数器清零。计数规律是从 002300。 图 5 时计数部分电路 3.3.2 分、秒计数部分设计 分和秒一样，都采用 60 进制计数，本设计仍选 74LS90 作为计数器。设计电路图 如图 6。当分（秒）计数部分的个位接受秒计数部分的信号（秒计数接受的信号为振荡 器经分频后输出的 1HZ 的标准脉冲） ，计数满 60 后向时计数部分的十位给出一个进位 信号。分（秒）十位计数部分接受个位的进位信号并进行计数，计满 6 就想前一级给 出进位信
16、号。当十位和个位计满 60 个数后计数器清零。计数规律是从 0056 00。 武汉理工大学模拟电子技术课程设计说明书 第 7 页 图 6 分、秒计数部分电路设计 3.43.4 校时电路设计校时电路设计 当数字钟接通电源或者计时出现错误是，需要校正时间，校时是数字钟应具备的基 本功能。一般的电子手表都具有时、分、秒等校时功能。为了电路简单，我们只对时 和分进行校时。校时电路要求在小时校正时不影响分和秒的正常计数，在分校时时不 影响秒和小时的计数。时校时电路和分校时电路都是一致的，校时脉冲信号为 10HZ 脉冲，这样速度正好适中，适合校时。 图 7 校时电路 值得注意的是，由与非门构成的组合逻辑电
17、路，在开关 S 闭合和打开的时候容易发 生抖动，从而使校时出现错误，对于这中情况要采取去抖的措施，接上电容就可以， 但是为了让去抖更有效，我还加上了由与非门组成的 RC 触发器。由此可以保证电路 不会有抖动现象。改进图如图 8： 武汉理工大学模拟电子技术课程设计说明书 第 8 页 图 8 校时电路 3.53.5 整点报时电路设计整点报时电路设计 设计原理图如下图 9，由图可知，当分十位 Q0Q1、分个位 Q0Q3、秒十位 Q0Q2 和秒个位 Q3 同时为“1”时，电路驱动 NPN 三极管，报时电路工作，即当分、秒时间 为 59 分 58-59 秒两秒内蜂鸣器发出响声报时。 图 9 整点报时电路
18、 武汉理工大学模拟电子技术课程设计说明书 第 9 页 3.63.6 显示部分显示部分 显示部分有数码管和 BCD 数码管译码器 74LS48 组成。根据 74LS48 的特性设计 如图 10 所示电路。Q0-Q3 接受计数器输出的数据，按照数码管显示规律译码出可直接 输入数码管的数据，将时间实时显示出来。 图 10 数码管显示电路 武汉理工大学模拟电子技术课程设计说明书 第 10 页 3.73.7 总体设计电路图总体设计电路图 图 11 总体电路图 武汉理工大学模拟电子技术课程设计说明书 第 11 页 4、元器件的选择、元器件的选择 4.14.1 振荡器振荡器 NE555NE555 NE555
19、 (Timer IC)大约在 1971由 Signetics Corporation 发布，在当时是唯一非常 快速且商业化的 Timer IC。 4.1.1. NE555 的特点的特点 1.只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极 广，可由几微秒至几小时之久。 2.它的操作电源范围极大，可与 TTL，CMOS 等逻辑闸配合，也就是它的输 出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合。 3.其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。 4.它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。 4.1.2 NE555 引脚位配置说明引脚位配置说明 如右图 NE5
20、55 接脚图 Pin 1 (接地) -地线(或共同接地) ，通常被连接到电路共同接 地。 Pin 2 (触发点) -这个脚位是触发 NE555 使其启动它的时间周 期。触发信号上缘电压须大于 2/3 VCC，下缘须低于 1/3 VCC 。 Pin 3 (输出) -当时间周期开始 555 的输出输出脚位，移至比 电源电压少 1.7 伏的高电位。周期的结束输出回到 O 伏左右的低电位。 于高电位时的最大输出电流大约 200 mA 。 Pin 4 (重置) -一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个 低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。 Pin 5 (控制) -这个接脚准许由外部电
21、压改变触发和闸限电压。当计时器经营在 稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。 Pin 6 (重置锁定) - Pin 6 重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从 1/3 VCC 电压以下移至 2/3 VCC 以上时启动这个动作。 Pin 7 (放电) -这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为 ON 时为 LOW，对地为低阻抗，当输出为 OFF 时为 HIGH，对地为高阻抗。 Pin 8 (V +) -这是 555 个计时器 IC 的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5 伏 特(最小值)至+16 伏特(最大值)。 参数功能特性： 供应电压 4.5-18V 供
22、应电3-6 mA 输出电225mA (max) 武汉理工大学模拟电子技术课程设计说明书 第 12 页 上升/下时间 100 ns .NE555 的相关应用: NE555 的作用范围很广，但一般多应用于单稳态多谐振荡器（Monostable Mutlivibrator）及无稳态多谐振荡器(Astable Multivibrator)。 4.24.2 计数器计数器 74LS9074LS90 74LS90 计数器是一种中规模二一五-十进制计数器，下降沿触发，R0(1),R0(2)是清 零端，R9（1） ，R9(2)是置 9 端，CPA 和 QA 可组成一个二进制计数器，CPB 和 QBQCQD 组成
23、五进制计数器；若把 QA 和 CPB 相连，脉冲从 CPA 输入，则构成 8421BCD 码十进制计数器。由 74LS90 的 truth table 可以看出，选择 74LS90 可以在数 字钟进位和清零上有极大的方便，不需要其他门电路辅助就能自己完成进位和清零。 图 12 74LS90 的连接图 表 1 74LS90 计数/复位真值表 武汉理工大学模拟电子技术课程设计说明书 第 13 页 表 2 74LS90 BCD 数码顺序 4.34.3 译码器译码器 74LS4874LS48 74LS48 芯片是一种常用的七段数码管译码器驱动器，下面是 74LS48 的引脚图和 功能表。 图 13 7
24、4LS48 引脚图 武汉理工大学模拟电子技术课程设计说明书 第 14 页 表 3 74LS48 功能表 武汉理工大学模拟电子技术课程设计说明书 第 15 页 5、电路仿真、电路仿真 随着科技的发展， “计算机仿真技术”已成为许多设计部门重要的前期设计手段。 它具有设计灵活，结果、过程的统一的特点。可使设计时间大为缩短、耗资大为减少， 也可降低工程制造的风险。仿真软件有很多，multsim、protues 等都可以电路仿真。本 设计仿真过程是在 protues 平台上完成的。课程设计、毕业设计是学生走向就业的重要 实践环节。由于 PROTUES 提供了实验室无法相比的大量的元器件库，提供了修改电
25、 路设计的灵活性、提供了实验室在数量、质量上难以相比的虚拟仪器、仪表，因而也 提供了培养学生实践精神、创造精神的平台。 5.15.1 振荡器部分的仿真振荡器部分的仿真 5.1.1 NE555 输出结果仿真输出结果仿真 将示波器接到 NE555 的输出端 3 脚上。仿真结果如下图，图 14。由图可知，单位 时间宽度为 100us，一个周期的输出波形正好占据 10 个方格，所以 T=10*100us=1000us。f=1/T=1000HZ。符合设计要求。 图 14 NE555 输出波形图 5.1.2 NE555 输出和电容输出和电容 C1 波形波形 如图 15 所示，NE555 输出电平是由 C1
26、 充放电经比较电路后的结果。当 C1 电压小 于三分之一 Vcc 时 Vcc 给 C1 充电，波形上升，当 C1 充电到三分之二 Vcc 时，C1 通 过电阻和三极管对地放电，波形下降。 武汉理工大学模拟电子技术课程设计说明书 第 16 页 图 15 电容 C1 的波形 5.25.2 分频器的仿真分频器的仿真 图 16 分频电路仿真波形 上图中从上到下依次是 1KHZ、100HZ、10HZ、1HZ 的波形。从图中可以看出来， 武汉理工大学模拟电子技术课程设计说明书 第 17 页 波形的高低电平不标准，产生了形如充放电的波形。分析电路不难发现，这是正常的 情况，因为芯片的引脚接了负载，当芯片引脚
27、从低电平置数为高电平时，引脚变高电 平，由于接上负载，该引脚要驱动负载，所以电平会慢慢变低，当引脚与负载电平相 等时，即为零时，电平保持不变，一直到下一个置数改变才发生变化。当芯片引脚从 高电平置数为低电平时，由于置数前负载是高电平，当引脚变低电平后，负载的高电 平与引脚的低电平中和，使电平趋于零点位，直到下一次置数才改变。由此反复便形 成了如图所示的波形。 5.35.3 时间显示仿真时间显示仿真 1、计时中数码管的显示。 图 17 时间显示 2、计时中的电路，即将清零。 图 18 计时中的电路 武汉理工大学模拟电子技术课程设计说明书 第 18 页 3、计时归零，数字钟从新计时。 图 19 计
28、时归零时的电路 5.45.4 整点报时、校时电路仿真整点报时、校时电路仿真 此部分在 protues 仿真文件包内进行。 校时仿真通过点击校时按钮达到校时目的，当用点触式按键时，没点击一次，时 间向上加 1，直到校正时间为此。还可以使用长按键方法校正时间，当按住按键不放时， 被校时部分会以每秒增加 10 的速度向上增加，加快校时速度。 整点报时仿真，可利用分校时电路，将分显示调节为 59，由于没有秒校时电路，只 能等待秒计数到 58 时蜂鸣器开始发出声响报时，两秒后自动停止。即当时钟显示为 XX 59 58 时开始报时，到时钟显示 XX 00 00 时停止。 武汉理工大学模拟电子技术课程设计说
29、明书 第 19 页 6 总结总结 通过这次数电课程设计，我对数字电路设计的知识有了更深一步的了解。通过这次 的课程设计，我熟悉了更多不同的数字芯片，比如 74LS90，74LS00，74LS48，数码管 等，这为我以后的电路设计打了一定的基础。在这次的设计中，我考虑了许多不同的 方案，做出过不同的选择，从理论上细致的比较各个方案的好坏，同时又充分的考虑 实际情况，以实际情况为主要，在此过程中学会了把理论和实际充分结合起来的思维 方式。在设计的过程中我采用了 MULTISIM 和 protues 仿真软件，通过这次的课程设 计使我对这个仿真软件的使用更加的熟练。通过对比实际的仿真结果和用仿真软件
30、的 仿真结果，认识到了理论和实际的差距。认识到用工程的观点去解决实际问题的意义。 武汉理工大学模拟电子技术课程设计说明书 第 20 页 附录附录 元件清单元件清单 14蜂鸣器1 序号元件名称数量规格备注 1NE555 定时器1DIP 封装 274LS909DIP 封装 374LS486DIP 封装 4共阴数码管6 5电阻15.1K 6电阻12K 7电位器15K 8导线若干 9瓷片电容40.1uf 1074LS003 1174LS082 12NPN 三极管19013 13按键2 武汉理工大学模拟电子技术课程设计说明书 第 21 页 参考文献参考文献 1 电子线路设计-实验-测试第三版，谢自美 主
31、编，华中电子科技出版社 2006 年 2 电子课技术程设计指导书彭介华主编，高等教育出版社，2002 年 3 模拟电子线路 主编：谢沅清 出版社：成都电子科大 1999 年 4 高频电子线路第五版 主编：张肃文 出版社：高教出版社 2009 年 5 模拟电子电路设计性实验指导书 ，大连理工大学自编教材，2005 年 6 电子技术动手实践：主编：崔瑞雪， 北京航空航天大学出版社 2007 年 武汉理工大学模拟电子技术课程设计说明书 本科生课程设计成绩评定表本科生课程设计成绩评定表 指导教师指导教师签字：签字： 年年 月月 日日 姓姓 名名罗传能罗传能性性 别别男男 专业、班级专业、班级通信通信
32、0804 班班 课程设计题目：课程设计题目： 多功能数字钟多功能数字钟 课程设计答辩或质疑记录：课程设计答辩或质疑记录： 1、简要说明一下你的电路的原理。 答：本设计是是利用计数器设计的简易多功能时钟，主要包括时间显示，时间 校正，整点报时等功能。首先利用 NE555 定时器产生 1KHZ 频率的方波，经过三 个十进制计数器分频后成为 1HZ 的标准时间脉冲，输入下一级的时间计时电路， 时间计时电路中秒、分为 60 进制，时为 24 进制，时间脉冲先后从秒计数器到分计 数器再到时计数器，并且每部分都输出到数码管显示当时时间，完成时间显示。电 路还利用与非门的阻截与导通的特性设置了校时电路，并且
33、还加上了去抖电路，防 止电路抖动，导致的校时不成功。电路还设计了用蜂鸣器的报时电路。 2、说明一下此设计电路特点 答： 在这个方案设计的数字钟具有计时准确、电路运行稳定、校时方便、电 路简便的特点。 一般振荡器振荡频率越高，频率就越准确，本设计使振荡器产生 1KHZ 的频率，再经分频得到的秒脉冲。电路采取了保障的去抖措施，方便校时， 设计的主要计时芯片只有 74LS90，因为简单给电路设计带来极大方便。 3、谈谈本设计的课改进之处。 答：本设计充分的利用了计数器 74LS90 的特性，将时间计时电路设计得非常 简单，本设计需要改进的是在数字钟的功能方面，应该再设计一个闹铃功能就更加 完美了。 成绩评定依据：成绩评定依据： 最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）