1、数字电子课程设计报告数字电子课程设计报告多功能电子钟一、设计题目 多功能数字电子钟的设计二、设计要求1、有“时”、“ 分”、“ 秒”（23小时59分59秒）显示且有校时功能。（设计秒脉冲发生器）；2、有整点报时功能。（选：上下午、日期、闹钟等）3、用中规模、小规模集成电路及模拟器件实现。4、供电方式: 5V直流电源三、设计任务1、画出数字电子钟的电路图。2、用EWB进行功能仿真。3、撰写课程设计说明书四、设计总体框图和总电路图 图1 多功能数字电子钟系统框图图2 总电路图五、设计方案及论证主电路是由TTL集成电路功能部件和单元电路构成。本方案主要功能特点：1、实现“时”、“ 分”、“ 秒”（2
2、3小时59分59秒）显示且有校时功能；2、自行设计的用555定时器组成的多谐振荡器和分频器组合的秒脉冲发生器，可以代替1Hz方波信号源是电路正常运作；3、有星期的显示功能，以及时钟12/24进制的转换，并能同步正常进位；4、实现整点报时功能。1、振荡器的设计 振荡器是数字电子钟的核心部件。有以下两种方案：方案一：选用石英晶体构成的振荡器电路 石英晶体振荡器的精度较高，由于振荡器的稳定度及频率的精确度决定了数字钟的及时的准确程度，而且，通常情况下，震荡器的频率越高，计数精度越高，所以多数都采用石英晶体振荡器，如：电子手表中的晶体振荡器电路。方案二：555定时器构成的振荡器555定时器构成的晶体振
3、荡器的精度不比石英晶体振荡器，不过考虑到555定时器在数字电子中有广泛的应用，而且本设计中不要求很高的精度，所以这里采用555定时器构成多谐振荡器，设置振荡频率为1kHz。电路图如下：图3 555定时器接成的秒脉冲发生器555定时器频率计算公式:添加公式 周期 T=1/f根据公式，设置R1=R2=4.77M Ohm ，C=0.1uf 则f1Hz,T1s2、分频器设计分频器的设计目的：产生等间距的频率稳定的标准秒脉冲信号。设计原理：由于由555定时器构成的多谐振荡器，虽然频率达到要求，但初始时输入信号从0V变为1/3Vcc的过程中，对555定时器来说，它的逻辑值一直是0（低电平），此期间的周期与
4、设计的1s的周期相差较大，使得直接接入电路的秒脉冲发生器从数字2开始计时。如果提高555的振荡频率，则会使得首次触发的周期和稳定后的周期相差越来越小。如果我们在电路中设计分频器，我们就需要将555定时器接成的多谐振荡器的频率重新设置，例如:将其输出的频率设置为1000Hz，那么我们就需要三片74LS90级联，并且每一片都接成是十分频，经过第一片74LS90后，输出的频率为100Hz，第二片输出的频率为10Hz，第三片输出的频率为1Hz。如果振荡器的频率为10Hz，那就只需要一片74LS90就可以了，然后将QD作为最后的输出端口。分频器原理：74ls90实际上是异步二-五-十进制加法计数器。通过
5、不同的连接方式，能够实现多种功能。下图是将74ls90连成十进制，达到十分频的作用，把555构成的多谐振荡器产生的10hz信号通过十次累加进位分为1Hz的信号，而波形的占空比没有发生变化，使得整个脉冲电路产生了相对标准的秒脉冲信号。下图为连接方式：图4 一片74LS90接成十分频的分频器图5 由555定时器构成的多谐振荡器产生的1hz的波形图图6 由555定时器构成的多谐振荡器产生的10hz的波形图图7 接入十分频分频器后脉冲电路产生的波形图 经无数次试验与调试，通过微调R1，R2和C的值，得到R2=R1=4.669M Ohm,C=0.001uf,C=0.012uf,使得周期T=1.00007
6、s，使误差相对较小。3、时分秒计数器设计 分秒计时器都是60进制的，个位都为十进制，十位为六进制，当十位为5并且个位为9的时候进位，当分和秒的时间都为“59”时，向小时个位进位。 时计数器的设计可以有两种情况，一种是24小时制，另一种是12小时制。在此处采用的是24/12进制，从“00”显示到“23/11”。(进制可调)在此处采用的是74160进行设计：（1）秒钟/分钟计时电路的设计利用十进制计数器74160和带译码器的七段显示数码管组成的数字时钟电路。根据计数器74160的真值表，利用两片74160组成同步60进制递增计数器如图： 图8 分秒钟计时电路图其中个位计数器接成十进制形式。其中选择
7、Qc，Qb做反馈端，经与非门输出控制清零端（CLR），接成六十进制形式。个位与十位之间采用同步级联复位的方式，将个位计数器的进位输出端（RCO）接至十位计数器的进位容许端（ENT），完成个位对十位的进位控制。将个位计数器的RCO端和十位计数器的Qc和Qa端经过两个与门由Co端输出，作为六十进制的输出脉冲信号。当计数器状态为59时。Co端输出高电平，在同步级联方式下，容许高位计数器计数。电路创建完成后，用1Hz方波信号作为脉冲源进行仿真。 （2）24/12进制计数器的设计 同样利用两个74160芯片、两个译码与数码显示器连接成十二/二十四进制的时计数器，通过开关H对小时进行校对，开关W通过相应与
8、非门的连接控制十二进制与二十四进制间的切换电路图如下：图9 时钟计时电路图选择十位计数器的输出端Qb和个位计数器的输出端Qc通过与非门控制两片计数器的清零端（CLR），当计数器的输出状态为00100100时，立即译码反馈清零，实现24进制递增计数；若选择十位计数器的输出端Qa与个位计数器的输出端Qb经与非门控制两片计数器的清零端，当计数器的输出状态为00010010时，立即译码反馈清零，实现12进制递增计数。敲击【W】键控制12/24进制的转换。 图10 12/24进制转换及进位装置图值得注意的是：当进行12和24进制转换时，时钟计时电路向星期计时电路的进位将发生变化。12进制时，应当跳变循环
9、两次（24小时为一天）进位一次，24进制时，跳变循环一次就进位一次。本设计采用74160设计的二进制计数器（图中名为222的子电路），与12进制的进位支路相连，因为星期是从星期一开始计数，所以将二进制内部的非门去掉，使七进制计数器的输入从高电平开始跳变，显示为1、2、3、4、5、6、0。另一支路接24进制的进位端，用同名为【W】的开关控制转换。达到了进制与进位的同步切换。4、校时电路设计 当电子钟计时出现误差时，需要对电子钟进行校时，因此校时是电子钟比不可少的内容之一。本设计是对秒钟、分钟、时钟分别进行校时，分别通过S、M、H开关键进行控制，且互不影响。 本设计使用过两种校时电路方案：方案1：
10、按照电子设计与仿真技术（李忠波）中的设计将分和时的ENT端通过加控制开关控制CLK脉冲信号的输入，实现分、时的校时。但是当显示数字09时，校时出现错误，数字的十位开始从0到1跳变。初步分析原因，可能由于是同步级联，当出现数字9时开始进位，使得十位计数器单独跳变，呈现十进制计数器的功能。 图11 方案一校时电路设计方案2：在方案1的基础上，将计时子电路的ENP端接高电平，使进位从CLK中进入，然后将开关加在CLK支路上，控制脉冲信号的有无，从而达到校时的目的。此时不会出现到数字09时的进位跳变。图12 方案二校时电路设计5、整点报时电路 整点报时电路的功能是：每当电子钟计时到整点时，小灯泡发光，
11、并且蜂鸣器发出响声。为了简化设计，蜂鸣器要用三极管放大驱动。与门的下端接分钟的进位，上端接秒的进位，即：只有当分钟和秒同时由59跳至00时报时。电路图如下： 图13 整点报时6、日期和星期设计（1）星期的设计： 同样使用74160进行设计，将其接成是7进制的计数器，状态从“0000”到“0110”，其中，数字“0”代表星期日，其余的以此排序。其中的space键控制星期的校时。 设计电路图如下：图14 星期电路图（2）“日”、“月”、“年”的设计。 均是采用74160的设计，但设置的是日期是31进制，月份是12进制，年是10进制，其中日期的进制无法与实际的相符，实际有30、28天的情况。所以没有
12、接入主电路，只是作为改进的参考。六、仿真过程与结论1、秒脉冲发生器 方案一：可直接使用方波信号源 这样设计比较简单，输出的直接就可设为1Hz，在仿真时，可以直接使用。在校时演示、进位演示中，可以任意改变其频率，方便演示。 方案二：使用用555定时器构成的多谐振荡器与分频器组成的脉冲源 这种设计可一将555定时器的输出频率设置为10Hz，然后在设计一个十分频的分频器，将二者连接在一起。也可以将频率设置的更高，然后将多片74LS90级联在一起即可。仿真时的效果与方案一完全一样。但不方便修改频率进行演示。2、秒、分钟、小时电路的仿真 秒和分显示从“00”开始到“59”，向下一级电路进位，在分钟和秒均
13、为“59”时，整点报时，小灯泡发光，理论上继电器会发出响声，但由于电脑原因没有听到。3、日期和星期电路的仿真 当小时为“23”，分和秒为“59”时，向“日”个位和星期同时进位，其中星期为7进制，显示为“1”“0”，“0”代表是星期日；“日”显示为“00”“31”，如果当前显示为“31”下一次显示为“01”。当“日”为“31”，时间为“23时59分59秒”时向月进位，不足之处在于没有区分开“30”和“28”天的月份，这里需要手动校时。当“月”为“12”，“日”为“31”，时间为“23时59分59秒”时向年进位。4、校时电路的仿真如果电子表的时间有误，可以按下响应的开关，将其接到信号源上，并开始校
14、时，当达到想要的值时，再拨回开关。也可以用此来单独检验各个计数器的进制是否正确。七、仿真过程中遇到的问题及解决方案问题1：555定时器接成的秒脉冲发生器的作为信号源接入电路，显示从数字“2”开始。解决方案：将多谐震荡器的频率升高10倍，接入一个十分频的分频器。使得显示数字从“0”开始。问题2：电子钟走一会就会自动停下来原因：将秒脉冲发生器和方波信号发生器放到同一ebw文件中，这样会影响到电子钟的运行。解决方案：将秒脉冲发生器放与方波信号源分开使用，分别放进不同的ewb文件中。问题3：方案一的校时电路出现错误，无法设置数字09。解决方案：使用方案二的校时电路进行设计。问题4：在全电路仿真时，时钟
15、校时电路和时钟电路的进制之间存在相互的影响。12进制时，电路功能正常， 24进制时，必须使星期显示从“1”开始（即先打到12进制再立即切换为24进制），方可对时钟进行校准。此外，星期校准电路与时钟电路之间也存在着影响。改进：可以考虑在星期的校准电路里加一个非门，使脉冲信号反相输出，从而使星期的校准功能正常。目前尚未找到更有效的解决方案解决整个问题。问题5：仿真过程中，软件显示出错，之后不能打开。原因：可能是电脑问题，也可能是软件问题。八、元件清单表2 元件清单74160芯片8个7490芯片1个小灯泡1个七段数码管7个与门5个继电器1个4.669M电阻2个非门1个555定时器1个0.12u电容1
16、个与非门5个开关6个0.01u电容1个信号源1个5v电源3个（可并）九、改进方向1、日期的设计应当将30天和28天的情况考虑在内，并研究设计方案。2、设计闹钟电路。3、设计上下午。4、解决时钟校时电路和时钟电路进制之间的相互影响问题。十、课程设计心得在课程设计过程当中，体会最多的就是必须得细心耐心，思维要严密，并且要牢固的掌握所学的电子技术基础知识。比如在做7进制计数器时，才发现所用的数码管都有内置的译码器这个问题，这说明从一开始对整个方案的设计就没有明确思路，只是照书去做，也对电子元件的基础知识没有很好的掌握，才会犯这种低级错误。我们应当有不轻言放弃和精益求精的精神，遇到问题后积极询问或上网
17、查阅相关知识，从而大胆的提出自己的想法，而如果我们真的想设计出自己的东西来，是没有一个确切的答案和你的想法是一致的，这样我们就必须得有很好的基础知识，熟悉功能表，无论是使用自己熟悉的芯片还是要重新选择，你都必须得先了解它最基本的功能。还有一个重要的就是仿真软件，这也是我们必须要学习的东西，对于每一个软件的操作都有其技巧性，比如说快捷键，在此次设计中我开始的时候做的很慢，很多步骤都是重复的工作，浪费了不少时间。元件的分布和摆放也是有一定的学问的，设计一个电路，我们不是只要实现了功能就可以了，如何使电路图美观、便于修改，节省时间，如何使其他人可以在短时间内看得懂，这都是需要研究的。比如我在电路图中
18、用了3个5v电源，就是为了使电路看起来更加清晰而不冗杂。在节省元件方面，如果是做实物的话则应当予以考虑。最重要的是设计的周密和严禁程度，例如在设计日期时，我考虑的就很单一，而且在时钟电路与星期电路之间，我只是努力去实现正确的功能，而对电路功能的实现机理模棱两可，导致我设计的电路存在一定的问题而难于发现，所以我觉得严密性才是设计的关键，也是我们改进和努力的方向。参考文献：【1】阎石主编.数字电子技术基础（第五版）高等教育出版社 【2】李忠波、袁宏等主编电子技术与仿真技术机械工业出版社【3】蔡忠法主编电子技术实验与课程设计 浙江大学出版社【4】姚福安主编电子电路设计与实践 山东科学技术出版社【5】彭介华主编电子技术课程设计指导高等教育出版社
