1电子时钟的设计电子时钟的设计一、课程设计题目与要求一、课程设计题目与要求根据数字电子技术所学理论和知识，进行数字式电子时钟的设计，具体要求如下：1、基本功能、基本功能 设计一个分秒计数器，并具有译码显示功能：其中时为24 进制，分秒为 60 进制； 小时、分钟及秒可手动校准； 具有清理功能。2、扩展功能、扩展功能 实现整点报时功能，要求报时声响四低一高，报时声响持续一秒，间隔一秒，最后一响结束位整点。3 3、按要求完成设计报告要求。、按要求完成设计报告要求。二、设计目的二、设计目的通过完成设计，巩固所学知识，锻炼分析、解决问题能力，知识综合应用能力，也培养知识应用于工程的意识。三、电路设计及其工作原理三、电路设计及其工作原理本电路共有五大模块，分别是：秒脉冲发生器，秒六十进制计数电路、分六十进制计数点、时二十四进制计数电路、手动校准电路、整点报时电路。现把电路图化整为零，分割成小块，逐步分析：（一）（一） 、秒脉冲发生器、秒脉冲发生器2秒脉冲发生器是电子时钟的基本单元，由它产生时钟的基准信号，根据设计题目要求，此电子时钟显示时间最小单元为一秒，可见，基准信号频率应为 1HZ。参考课本可知，由 555 定时器做成的多谢振荡器能产生稳定的脉冲信号，故有如下设计：秒脉冲发生器逻辑电路图：秒脉冲发生器逻辑电路图：其中 555 时基电路的内部等效电路可简化为如图(如下)所示的等效功能电路，显然，555 电路内含两个比较器 C1 和 C2、一个触发器、一个驱动器和一个放电晶体管。两个比较器分别被电阻R1、R2 和 R3 构成的分压器设定的Vcc 和Vcc。参考电压所限定。为进一步理解其电路功能，并灵活应用 555 集成块，下面简要说明其作用机理。从图中可见，三个 5k 电阻组成的分压器，使内部的两个比较器构成一个电平触发器，上触发电平为Vcc，下触发电平为3Vcc。在 5 脚控制端外接一个参考电源 Vco，可以改变上、下触发电平值。比较器 Cl 的输出同或非门 l 的输入端相接，比较器 C2 的输出端接到或非门 2 的输入端。由于由两个或非门组成的 RS 触发器必须用负极极性信号触发，因此，加到比较器 Cl 同相端 6 脚的触发信号，只有当电位高于反相端 5 脚的电位时，RS 触发器才翻转；而加到比较器 C2 反相端 2 脚的触发信号，只有当电位低于 C2 同相端的电位Vcc 时，RS 触发器才翻转。通过上面对等效功能电路和CA555 时基电路的内部等效电路的分析，可得出 555 各功能端的真值表。555 定时器内部电路图：定时器内部电路图：555 电路引脚功能：电路引脚功能：4其工作原理如下：接通电源后，Vcc 经 R1、R2 给电容 C 充电。由于电容上电压不能跃变，电源刚接通时，电容 C 上的电压小于 1/3Vcc,TRI(2 端)和 THR(6 端)电平小于 1/3Vcc,555 定时器内部比较器 C1 输出高电平，C2 输出低电平，即 RD=1,SD=0,基本触发器置 1，输出端输出端 OUT(3 端)为高电平，同时内部晶体管 TD 截止，此时电容继续充电。当电容 C 电压达到 1/3Vcc 时，C1, C2 均输出高电平，RS 触发器保持原状态，输出端 OUT(3 端)为高电平电容 C 继续充电。当电容 C 上电压达到 2/3Vcc 时，C1 输出低电平，C25输出高电平，触发器置零，此时 555 定时器内部晶体管 TD 导通，输出端输出端 OUT(3 端)为低电平，DIS(7 端)接地，电容C 通过 R2、晶体管放电，其放电时间 T1=0.7*R2C。当电容放电直至其电压 Vc 降低到 1/3Vcc 时，由于TRI(2 端)和 THR(6 端)电平略小于 1/3Vcc，导致 C1 输出高电平，C2 输出低电平，RD=1,SD=0,基本触发器置 1，输出端 Q为高电平，同时内部晶体管 TD 截止，此时电容又重复充电。如此反复，电容 C 反复充放电，于是在 OUT(3 端)输出一个脉冲波。由电容 C 的充电时间 T2=0.7*(R1+R2)C 与放电时间 T1=0.7*R2C 可以计算出该脉冲的周期 T=0.7*(2*R1+R2)C。下面是便是下面是便是 Vc 和输出端和输出端 OUT(3 端端)电平的波形：电平的波形：把元件参数带入周期公式，可求出该输出脉冲的周期把元件参数带入周期公式，可求出该输出脉冲的周期恰好是一秒。恰好是一秒。（二）（二） 、秒计时六十进制电路、秒计时六十进制电路6该电路模块使用了两块 74160 集成芯片，用于显示秒的高位和低位，下面是芯片下面是芯片 74160 的功能表的功能表：该模块逻辑电路图如下该模块逻辑电路图如下:电路分析如下：电路分析如下：低位芯片由于清零功能端 CLR 、预置端 LOAD、使能端 ENP、ENT 端接7高电平，所以该低位芯片计数，一个上升沿到来计数就加一，当计数达到九时，进位端 RCO 为一，但这时高位片不能马上计数，需待下一个上升沿才能进位，所以运用到了图中偏右的 D 触发器。其作用是让 RCO 端输出的信号延迟一秒钟，即让低位片从九跳变为零时的一瞬间让高位片进一位。高位芯片当低位发出的进位脉冲到来时，高位片计数，图中偏右的的与非门输入端为高位片的 QC 与 QA，其作用是使高位片输出为 0101（即 5）时，使预置端为 0，此时，由于同步置数的原因，状态 5 能保持一个进位脉冲，当显示为 59 时，过一秒，进位脉冲到来时，QD、QC、QB、QA 就同步置数为 0。秒进分脉冲图中偏左的与门作用是当显示为 59 时，使偏左的 D 触发器输入为一，同时，该触发器使输出延迟一秒，即在显示从 59 跳变为 00 时进位脉冲才能输入到分六十进制计时模块。（三）（三） 、分计时六十进制电路、分计时六十进制电路该电路原理与秒计时六十进制电路原理一致，不再赘述。（四）（四） 、小时二十四进制计数电路、小时二十四进制计数电路该电路使用的也是两块 74160 芯片，分别用于显示小时的高位和地位，由于该电路有至 24 时异步清零的功能，所以其原理与秒、分计时器略有不同，该模块逻辑电路图如下：8计数当小时进位脉冲到来时，低位片开始计数，在低位显示为 1到 8 时由于和高位片使能端 ENP、ENT 链接的低位 RCO 端为 0，所以此时不允许高位片计数，当低位显示为 9 时，RCO 输出为 1，此时，高位片开始允许计数，但要等到下一个脉冲，于是在低位片从 9 跳变为 0 时，高位片也计数一次，但又马上停止计数。清零当逻辑变为 24 的一瞬间时，高位片的 QB 为 1，低位片 QC9为 1，经过逻辑与非后，输入到高位和地位的异步清零端CLR，由于异步清零非常迅速，所以状态 24 是非常短暂的，也即状态 24 与状态 00 完全重合，故实现了 24 进制。（五）（五） 、手动校准电路、手动校准电路该模块很简单，由几个简单的逻辑门和数个开关机及电源构成，其逻辑电路图如下：图中偏下的开关闭合用于产生手动校准脉冲信号，偏上的开关用于选择计时脉冲或手动校准脉冲，该电路图的逻辑表达式为CP=M*CP1+M*CP2，当其闭合时，计时脉冲被屏蔽，输出为校准脉冲信号，当其断开时，校准脉冲信号被屏蔽，输出为计时脉冲。该课程设计中使用了三个这样的电路，分别用于校准时分秒。以下便是调校出来的时间：10（六）（六） 、整点报时电路、整点报时电路该电路设计简单，只用到了一个 D 触发器，一个与门，一个或门和一个灯泡。当时进位脉冲到来时或门输出为上升沿，D 触发器 D 输入端为高电平，于是触发器状态置为 1，灯泡亮，时进位脉冲结束后，D输入端为 0，但由于暂时没有上升沿到来，触发器保持原状态，灯泡持续明亮。当秒位跳变为 03 时，由于 QA、QB 都为 1，于是在与门输出端产生一个脉冲，也就是 D 触发器迎来第二个上升沿，但此时由于没有时进位脉冲，触发器 D 输入端电平为低，所以此时触发器置零，灯泡灭，可见，灯泡正好在整点事亮了 2 秒钟。综上可见，该课程设计完成了时分秒显示、手动校准的基本功能11和整点报时的拓展功能。需要指出的是，手动校准便有数据清零的功能。四、元件明细表四、元件明细表集成芯片集成芯片门电路门电路触发器触发器杂项杂项555 定定时器时器74160 计计数器数器与与门门或或门门非非门门与与非非门门D 触发触发器器灯灯泡泡开开关关电源电源电电容容电电阻阻1 个个6 片片9 个个4 个个3 个个3 个个5 个个1 个个6个个5V电源电源若干若干2个个2个个五、设计总结五、设计总结在电路设计中，我遇到了很多问题，总是有那样这样的问题，不过老师给予我们很多的指导和启迪，比如说我在设计秒显示六十进制模块时，低位的秒跳到 9 就进 1 了，这是因为高位的脉冲直接取自低位的 RCO 进位端，当低位为 9 时，高位片就受到一个上升沿，就计数了。但如果把低位片的进位条件改成 0000 的话，虽然解决的到 9 就进位的问题，但随之带来的问题是，电路一开始运行，变显示的是 10。所以这样是行不通的。后来听到老师说延时这个词，我想到触发器有这个功能，于是试着用不同的触发器来延迟进位信号 1 秒钟，果然，通过不断尝试12我用 D 触发器实现了这个功能。后来在设计小时 24 进制电路的时候，也遇到了不能正常清零的功能，我开始使用的是 74160 计数器同步置数的这个功能，但当跑到 23 时，虽然低位能清零，但高位还是 2，开始始终想不通，为什么电路会在 20 到 23 直接循环，后来我参考同学的电路后，才发现，原来虽然同步置数 LOAD 端在低位清零时时 0，但由于高位此时并没有上升沿到来，所以高位是置 0 不了的！这样的问题很多，后来通过不断的尝试和努力，终于实现了这个完整的电路。通过这次课程设计，我懂得了，电路设计是要不断试验的，错误和问题是无可避免的，但通过不断尝试，这些问题是可以一一化解的！其实，你在设计电路的同时也在摸索试验与学习，虽然途中有些问题真的让人匪夷所思，让人头疼，但当你克服这些种种问题，把完整的正确的电路图“拿在手里”时，你还是会很欣慰的！这就是你的成果！13六、设计总图六、设计总图