《數(shù)字電子鐘設(shè)計》word版.doc

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第1章 緒論 現(xiàn)在是一個知識爆炸的時代。新產(chǎn)品，新技術(shù)層出不窮，電子計數(shù)的發(fā)展更是日新月異?？梢院敛豢鋸埖恼f，電子計數(shù)的應用無處不在，電子技術(shù)正在不斷改變我們的世界。但在這快速發(fā)展的時代，時間對人們來說越來越寶貴，在快節(jié)奏的生活時，人們往往忘記了時間，一旦遇到重要的事情而忘記了時間，這將會帶來很大的損失。因此我們需要一個定時系統(tǒng)來提醒這些忙碌的人。數(shù)字化的鐘給人們帶來了極大的方便。 隨著科技的快速發(fā)展，數(shù)字電子鐘在實際生活中的應用越開越廣泛，小到普通的電子表，大到航天器等高科技電子產(chǎn)品中的計時設(shè)備。數(shù)字鐘是一個將“時”，“分”，“秒”顯示于人的視覺器官的計時裝置。它的計時周期為24小時，顯示滿刻度為23時59分59秒，另外應有整點報時附加功能。多功能數(shù)字鐘由以下幾部分組成：555定時器組成的多諧振蕩電路構(gòu)成秒脈沖發(fā)生器；矯正電路，六十進制的秒，分計數(shù)器和二十四進制的時計數(shù)器；秒，分，時的數(shù)碼顯示部分；報時電路等。作為電氣工程及其自動化的一名學生掌握并能夠獨立自主設(shè)計一個數(shù)字電子鐘是必要和必須的，即可以加深對課本上理論知識的理解又能鍛煉自己的思考和解決問題的能力。 1．1設(shè)計任務及要求 1.能進行正常的時、分、秒計時功能； 2.能進行手動校時； 3.能進行整點報時； 4.具有定時鬧鐘功能。 1.2設(shè)計的方案的選擇與論證 鐘表的數(shù)字化給人們生產(chǎn)生活帶來了極大的方便，而且大大地擴展了鐘表原先的報時功能。諸如，定時報警，按時自動打鈴，時間程序自動控制，這些，都是以鐘表數(shù)字化為基礎(chǔ)的。本次所要設(shè)計的數(shù)字電子鐘可以滿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，分，秒的輸出，定點報時。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，計時準確，性能穩(wěn)定，維護方便等優(yōu)點。 數(shù)字 時鐘實際上是一個對標準頻率進行計數(shù)的計數(shù)電路，因此，時間計數(shù)電路是一個由計數(shù)器組成的時許邏輯電路。 用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器作為秒脈沖信號源，控制秒個位的信號輸入，整點報時信號輸入和鬧鐘報時信號輸入，是整個電路唯一的脈沖信號源。將計數(shù)器與顯示器相連結(jié)，可以將輸入的二進制數(shù)翻譯成可以直讀的十進制數(shù)字并顯示出來，顯示管與計數(shù)器之間由譯碼器相接，作為譯碼驅(qū)動。由于計數(shù)的起始時間不可能與標準時間完全一致，異或計數(shù)過程中可能出現(xiàn)誤差，故需要在電路中添加校時電路，以保證可以隨時對時間進行矯正。整點自動報時電路，可以使時鐘在臨近整點的時刻鳴叫提醒，并在指示燈閃爍。鬧鐘電路是該電路的附加部分，可以實現(xiàn)時鐘在設(shè)定時刻鳴叫報時，并在指示燈閃爍，增加了時鐘的功能。 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，計數(shù)器，顯示器和校時電路組成。555集成芯片構(gòu)成的振蕩電路產(chǎn)生的信號經(jīng)過分頻器作為秒脈沖，秒脈沖送入計數(shù)器，計數(shù)結(jié)果通過“時”，“分”，“秒”譯碼器顯示時間。 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)字鐘計時的準確程度，通常選用石英晶體構(gòu)成振蕩器電路。一般來說，振蕩器的頻率越高，計時精度越高。但本設(shè)計因為實際條件的限制，所以我選用集成電路定時器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.這樣既鍛煉了動手能力，又加深了對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集成定時器由四部分組成 1. 基本Rs觸發(fā)器：有兩個“與非”門組成 2. 比較器：C1,C2是兩個電壓比較器 3. 分壓器：阻值均為5千歐的電阻串聯(lián)起來構(gòu)成分壓器，為比較器C1和C2提供參考電壓。 4. 晶體管開卷和輸出緩沖器：晶體管VT構(gòu)成開關(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,其作用是提高定時器的帶負載能力和隔離負載對定時器的影響。 （a） (b) 圖 3-3邏輯框圖如圖及其邏輯符號如圖 分頻器 分頻器的功能主要有兩個 (1) 產(chǎn)生標準秒脈沖 (2) 提供功能擴展電路所需要的信號 3.2 時間計數(shù)電路 3.2.1 秒，分計數(shù)器 秒個位計數(shù)器 74LS160被接成十進制計數(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。當秒脈沖輸入時，電路狀態(tài)按二進制自然序說依次遞增1，QA,QB,QC,QD輸出為0000，0001，0010，0011，0100，0101，0110，0111，1000，1001，當輸出為1010也就是10時，QA，QC輸出都是1，經(jīng)過一個與非門后一路經(jīng)反相后送入或非門的一個輸入端，輸出送往計數(shù)器的消零端RD使秒計數(shù)器消零，另一路經(jīng)反相后作為進位脈沖送入秒脈沖送入秒十位計時器的脈沖輸入端 秒十位計數(shù)器 在這里74LS160被接成6進制計數(shù)器，接法與個位計數(shù)器相同，秒計數(shù)器送來的進位脈沖送入秒使位計數(shù)器的脈沖輸入端，使其按二進制自然序說依次遞增1，QA,QB,QC,QD端輸出為0000，0001，0010，0011，0100，0101，當輸出為1010也就是6時，QB,QC輸出為1，QA,QD輸出為0，QB,QC經(jīng)過一個與非門后一路先送往秒十位計數(shù)器的消零端，另一端經(jīng)反相后作為進位脈沖送入分個位計數(shù)器的脈沖輸入端。 分計數(shù)器的連接方法與秒計數(shù)器的相同，分計數(shù)器向時計數(shù)器送進脈沖，秒，分的六十進制計數(shù)器的構(gòu)成如圖3-4所示： 圖 3-4 74LS160制成的六十進制電路圖 3.2.2 時計數(shù)器 二十四進制計數(shù)器，也使用兩個74LS160集成塊來實現(xiàn)的，方法與二十四進制計數(shù)器大同小異，但其要求個位是十進制，狀態(tài)變化在0000~1001間循環(huán)，十位是二進制，狀態(tài)變化在0000~0010間循環(huán)，顯示為0~23時。 由分計數(shù)器送來的進位脈沖送入時個位計數(shù)器，電路在分進位脈沖的作用下按二進制自然序說遞增1，當計數(shù)到24，這時小時個位輸出0100（也就是4），小時十位輸出0010（也就是2），小時十位計數(shù)器只有QC端有輸出，小時個位計數(shù)器只有QB端有輸出，將QC，QB端接一個二輸入與非門，與非門輸出一路先送入十位計數(shù)器的清零端然后取反送入或非門的另一個輸入端，輸出姐小時個位計數(shù)器的消零端，其每10小時清零并向小時十位計數(shù)器送進為脈沖，當十位輸出為二，小時個位輸出為四時，將整個電路清零，另一路取反后作為星期進位脈沖送入星期顯示電路的脈沖輸入端，完成24小時的顯示及向星期電路送入星期進位脈沖的功能。二十四進制計數(shù)器的構(gòu)成如圖3-5所示： 圖3-5 74LS160制成的二十四進制計數(shù)器 使用原件簡介 74LS00集成塊 74LS00是一種典型的與非門器件，內(nèi)部含有4個2輸入端與非門，共有14個引腳，引腳排列圖（a）,邏輯符號(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)光二極管來顯示譯碼器輸出的數(shù)字，顯示器有兩種：共陽極顯示器或共陰極顯示器。74LS48譯碼器對應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)動共陰極數(shù)碼管的器件。 圖 3-8 譯碼器驅(qū)動共陰極數(shù)碼管電路 從74LS48的A，B，C，D端輸入二進制數(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校時電路 當數(shù)字鐘走時出現(xiàn)誤差時，需要矯正時間。校時電路實現(xiàn)對“時”“分”“秒”的校準。在電路中設(shè)有正常計時和校對位置。本實驗實現(xiàn)“時”“分”的校對。對校時的要求是，在小時矯正時不影響分和時的正常計數(shù)；在分校時不影響秒和小時的正常計數(shù)。需要注意的是，校時是由與非門構(gòu)成的組合邏輯電路，開關(guān)S1或S2為“0”或“1”時，可能會產(chǎn)生抖動，為防止這一情況的發(fā)生我在原本接校時脈沖的端口接到了實驗裝置的“單次脈沖”端口，這樣即時限內(nèi)了防抖動，又可以利用手動操作來完成校時。校時電路圖如圖3-10。 圖3-10 校時電路 3.5 整點報時電路 電路應該在整點前1秒鐘內(nèi)開始整點報時，即當時間在59分59秒時，報時電路發(fā)出報時控制信號，蜂鳴器發(fā)出響聲，并且指示燈閃爍一次。 當時間在59分59秒時，分十位，分個位和秒是為，秒個位均保持不變，分別為5，9和5，9，因此可將分計數(shù)器的Qc和Qa，個位的Qd和Qa及秒計數(shù)器十位的Qc和Qa，個位的Qd和Qa相與，從而產(chǎn)生報時控制信號。報時電路可選7個74F08D構(gòu)成。如圖3-11。 圖 3-11 整點報時 3.6 鬧鐘功能電路 數(shù)字鐘在指定的時刻發(fā)出信號，或驅(qū)動音響電路“鬧鐘”，或?qū)δ逞b置的電源進行接通或斷開“控制”。不管是鬧鐘還是控制，都要求時間準確，即信號的開始時刻與持續(xù)時間必須滿足規(guī)定的要求。 例如要求上午7時59分發(fā)出鬧鐘信號，持續(xù)時間1分鐘。本實驗設(shè)計為7時59分時，音響電路的晶體管通道，則揚聲器發(fā)出1KHz的時間。持續(xù)1分鐘到8點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 型號 名稱 數(shù)量 編號 1 555 振蕩器 1 A1 2 74LS00 與非門 3 .U19D.U20D. U21D 3 74LS160 同步十進制計數(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 2 U24.U25 8 電感 45 R1~R45 9 74F08D 與門 7 10 C 電容 2 C1.C2 總結(jié) 通過運用數(shù)字集成電路設(shè)計的24小時制的數(shù)字電子時鐘，經(jīng)過試驗，成功實現(xiàn)了一下基本功能： 1. 能準確計時，以數(shù)字形式顯示時、分、秒的時間。 2. 能實現(xiàn)整點報時的功能，當時間在59分59秒時，報時電路發(fā)出報時控制信號，蜂鳴器發(fā)出響聲，并且指示燈閃爍一次。 3.能定時控制，且能手動校時。 4.能進行鬧鐘功能。 通過這次數(shù)字電子鐘的課程設(shè)計，我們才把學到的東西與實踐相結(jié)合。從中對我們學的知識有了更進一步的理解，而且更進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。也鍛煉了自己獨立思考問題的能力和通過查看相關(guān)資料來解決問題的習慣。雖然這只是一次簡單的課程設(shè)計，但通過這次課程設(shè)計我們了解了課程設(shè)計的一般步驟，和設(shè)計中應注意的問題。設(shè)計本身并不是有很重要的意義，而是同學們對待問題時的態(tài)度和處理事情的能力。各個芯片能夠完成什么樣的功能，使用芯片時應該注意那些要點。同一個電路可以用那些芯片實現(xiàn)，各個芯片實現(xiàn)同一個功能的區(qū)別。另外，還在電腦制作文檔的過程中，使我對辦公軟件有了更進一步的了解和掌握。 致謝 通過這三周的學習，我感覺有很大的收獲：首先，通過這次課程設(shè)計使自己對課本上的知識可以應用于實際，使理論與實際相結(jié)合，加深自己對課本知識的更好理解，同時也段練了我個人的動手能力：能夠充分利用圖書館去查閱資料，增加了許多課本以外的知識。更加了解了時序邏輯電路的設(shè)計步驟及方法。 對時序邏輯電路的觸發(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74LS160和74LS00芯片引腳結(jié)構(gòu)和功能的理解及運用，尤其是160的清零端和進位端的功能。在做設(shè)計過程中，鍛煉了我的細心和耐性。在本文的寫作過程中得到了程鳳琴老師的精心指導，在此表示衷心的感謝。 參考文獻 1、彭介華等著.電子技術(shù)課程設(shè)計指導.[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)實驗及課程設(shè)計.[M]北京：機械工業(yè)出版社，2006年。 3、陳光明等著.電子技術(shù)課程設(shè)計與綜合實訓.[M]北京：北京航空航天大學大學出版社，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。