1课程设计报告设计题目：数字钟设计与实现班级：学号：姓名： 指导教师： 设计时间：2014 年 7 月2摘要：摘要：钟表作为一种定时工具被广泛的使用在生产生活的各方面。人类最初依靠太阳的角度来进行定时，所以受天气的影响比较大，为了克服依靠自然现象定时的缺点人们发明的机器钟表，电子钟表一系列的定时工具。自改革开放以来我国科技得以高速发展，尤其是电子技术的飞速发展。各种各样的电器器材凭空而出。数字钟是一种用数字电路实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更长的使用寿命，因此得到了广泛的应用。钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，诸如定时报警，按时自动打铃，时间程序自动控制，定时启闭路灯等等，所有这些都是以数字钟为基础的。数字钟从原理上讲是一种典型的数字电路，其中包括了组合逻辑电路和时序电路。数字电子钟由以下几部分组成：分频器、脉冲发生器、校正电路、60进制的秒、分计数器和 24 进制的时计数器以及分、时、秒的 7 段共阴译码显示部分，能够完成显示时间、调整时间、整点报时等基本功能。关键词关键词：整点报时、译码显示、校时3目录目录1.1.概述概述 12.2.课程设计任务及要求课程设计任务及要求2.1 设计任务 32.2 设计要求 33.3.理论设计理论设计3.1 方案论证 33.2 系统设计 3.2.1 结构框图及说明 43.2.2 系统原理图及工作原理 53.3 单元电路设计3.3.1 震荡电路 63.3.2 分频电路 73.3.3 计数电路 83.3.4 校时电路 103.3.5 译码显示电路 123.3.6 整点报时系统 134.4.软件仿真软件仿真4.1 仿真电路图 154.2 仿真过程 154.2 仿真结果 165.5.结论结论 186.6.使用仪器设备清单使用仪器设备清单 197.7.参考文献参考文献 1948.8.收获、体会和建议收获、体会和建议 202.2.课程设计及要求课程设计及要求2.12.1 设计任务设计任务试设计一个数字电子钟，译码显示电路将“时”、“分”、“秒”计数器的输出状态经七段显示译码器译码，通过 LED 七段显示器显示出来，并且具有校时、校分、整点报时功能，能够显示 23h59m59s，归零后重新开始。2.12.1 设计要求设计要求独立完成系统的原理设计。说明系统实现的功能，应达到技术指标，进行方案论证，确定设计方案。画出电路图，说明各部分电路的工作原理，初步选定所使用的各种器件的主要参数及型号，列出元器件明细表。系统中包含的中小规模集成电路的种类至少在六种以上。根据理论设计用 multisim 7 在计算机上进行仿真。验证所设计方案的正确性。3.3.理论设计理论设计3.13.1 方案论证方案论证分和秒计时需要六十进制计数器，“时”需要二十四进制计数器，用74LS161 和 74LS160 均可实现六十进制和二十四进制计数器。译码显示电路将“时”、“分”、“秒”计数器的输出状态经七段显示译码器译码，通过 LED5七段显示器显示出来。整点报时电路是根据计时系统的输出状态产生一个脉冲信号，然后去触发触发器实现报时。校时电路是通过改变时计数器和分计数器的输入脉冲来实现校时功能，新的脉冲由脉冲发生器和分频器发出。3.23.2 系统设计系统设计3.2.13.2.1 结构框图及说明结构框图及说明原理框图如图 3-1 所示图 3-1 工作时，555 构成的多谐振荡器产生稳定的秒脉冲信号并送入计时电路，当秒计数器满 60 秒时输出秒进位脉冲，送入分计数器，当计分器满 60 分时，输出分进位脉冲送入时电路计数，当计时电路满 24 时时，时、分、秒计数器同时清6零。校时电路分别控制对时和分的校正。根据计时电路的输出状态，整点报时电路在每个整点都会显示十秒的提示。3.2.23.2.2 系统原理图及工作原理系统原理图及工作原理系统具体电路连接情况如图 3-2图 3-23.33.3 单元电路设计单元电路设计3.3.13.3.1 震荡电路震荡电路7图 3-3-1 555 构成的多谐振荡器电路图如图 3-3-1 所示，由 555 定时器、电容和电阻组成震荡电路，产生秒脉冲信号。555 定时器与 RC 组成的系统接通电源后，电容 C1 被充电，vc 上升，当 vc上升到大于 2/3VCC 时，触发器被复位，放电管 T 导通，此时 v0 为低电平，电容 C1 通过 R2 和 T 放电，使 vc 下降。当 vc 下降到小于 1/3VCC 时，触发器被复位，v0 翻转为高电平。电容器 C1 放电结束，所需时间为：T1=0.7R2C当 C1 放电结束时，T 截止，VCC 将通过 R1、R2 向电容器 C1 充电，vc 由 1/3VCC上升到 2/3VCC 所需的时间为：T2=0.7（R1+R2）C当 vc 上升到 2/3VCC 时，触发器又被复位发生翻转，如此周而复始，在输出端就得到一个周期性的方波，其频率为：1.43/（R1+2R2）C本设计中频率可通过以上公式计算出来，f=1Hz83.3.23.3.2 分频电路分频电路分频器能将高频脉冲变换为低频脉冲，它可由触发器以及计数器来完成由于一个触发器就是一个二分频，N 个触发器就是 2n 个分频器。如果用计数器做分频器，就要按进制数进行分频。例如十进制计数器计是十分频器。分频器的功能主要有两个：一个是产生标准秒脉冲信号；二是提供功能扩展电路所需要的信号。本设计中，需要对 1kHz 分频，等到校时脉冲。其电路图如图 3-3-2 所示图 3-3-2 分频电路从图 3-3-2 可以看出，由信号发生器的 1000Hz 高频信号从 U20 的 14 端输入，经过 3 片 74LS90 的三级 1/10 分频，就能从 U21 的 11 端输出得到标准的秒脉冲信号，用于校时脉冲。3.3.3 计数电路计数电路“时”计数器要用到二十四进制计数器，“分”、“秒”计数器要用到六十进制计数器，这里采用 74160 和 74161 构成二十四进制计数器和六十进制计9数器。74161 和 74160 的功能表如图 3-3-3 和 3-3-4 所示，图 3-3-3图 3-3-4六十进制计数器的电路连接如图 3-3-510图 3-3-5 六十进制计数器74160 的时钟输入端连接秒输入信号，将它的进位输出信号与 74161 的时钟输入端连接，每过十秒，74160 就向 74161 发出一个时钟信号，通过与非门和 74161 的同步清零端 Ld，将 74161 改成六进制计数器，从而整体构成了六十进制计数器。二十四进制计数器连接如图 3-3-6 所示11图 3-3-6 二十四进制计数器将 74160 和 74161 的异步清零端 Cr 与与非门的输出端连接，每当计数到二十四就异步清零，完成二十四进制计数。3.3.43.3.4 校时电路校时电路当时钟指示的时间与实际时间不符的时候，就需要校时电路来对时钟显示的时间进行调整。12图 3-3-7 校时电路原理图校时电路的基本原理如图 3-3-7 所示，通过一个单刀双掷开关控制接入“时”计数电路的脉冲信号。若要校时，将校时脉冲信号引入“时”计数器，让其快速计数，在时计数器显示到需要的数字后再切掉校时信号，引入正常脉冲信号，完成校时功能。校分的原理和校时一样。校时电路的连接情况如图 3-3-8 所示图 3-3-8 校时电路连接3.3.53.3.5 译码显示电路译码显示电路 译码驱动电路是将“秒”、“分”、“时”计数器输出的 8421BCD 码进行13编译，转换为数码管需要的逻辑状态。若将秒、分、时计数器的每位输出分别于相应七段译码器的输出端连接，在脉冲的作用下便可进行不同的数字显示。图 3-3-9 7448 的逻辑图14图 3-3-10 7448 的真值表译码显示电路在仿真中的连接情况如图 3-3-11图 3-3-11153.3.63.3.6 整点报时系统整点报时系统整点报时电路设计为每当是整时前十秒的时候，提示灯点亮，持续十秒，当提示灯熄灭时正好是整点，每隔一个小时提示一次。因为整点报时电路未涉及到“时”，所以只与“分”“秒”计时器有关。记“秒”个位计数器输出端为 A1、A2、A3、A4，“秒”十位计数器输出端为 B1、B2、B3、B4,“分”个位输出端为 C1、C2、C3、C4，“分”十位输出端为 D1、D2、D3、D4，当需要整点报时的时候，D1D2D3D4=0101，C1C2C3C4=1001，B1B2B3B4=0101，只有秒个位正常计数。D2D4C1C4B2B4图 3-3-1216图 3-3-134.4.软件仿真软件仿真4.14.1 仿真电路图仿真电路图4.24.2 仿真过程仿真过程按下仿真开始开关，观测时钟是否正常计时。键盘上的 A 和 B 分别控制着校时和校分，按下 A 开始校时，再次按下，校时停止；按下 B 开始校分，再次按下，校分停止。让钟表计时到整点，观测整点指示灯是否点亮。174.34.3 仿真结果仿真结果按下仿真开关后，数字钟可以正常计时，从左至右依次是“时”十位，“时”个位，“分”十位，“分”个位，“秒”十位，“秒”个位。按下校时开关和校分开关后，可以正常校时和校分。18每当到整点时间前十秒的时候，左下角的指示灯会亮起，十秒后熄灭。19时钟计时到 23 点 59 分 59 秒后，会全部清零，重新开始新的一天。5.5.结论结论通过本次设计，使我对已学过的电路、数电、模电等电子技术的知识有了更深一步的了解，锻炼和培养了自己利用已学知识来分析和解决实际问题的能力。对自己以后的学习和工作有很大的帮助。虽然，在本设计中所用的方案20不是最好的，但我想其中的原理是最基本的； 虽然其中可能出现的误差会计较大些，但是是最经济的和实用的。我相信以后我会设计出更加合理的方案。6.6.使用仪器设备清单使用仪器设备清单1.555 定时器2.74LS1603.74LS1614.7 段译码显示器5.脉冲发生器6.74LS907.74LS308.74009.单刀双掷开关10.小灯泡7.7.参考文献参考文献1. 马学文，李景宏.电子技术实验教程.北京：科学出版社.20132. 李景宏，王永军编著.数字逻辑与数字系统.北京：电子工业出版社，20123.高吉祥，易凡编著.电子技术