基于数字电子的数字时钟设计有闹钟功能

课程设计报告指导教师：职称:2015年7月22日学生姓名:孙铭阳学号：学院:电气工程学院班级:电自1321题目:数字时钟设计目录创新部分....................................................................................10第一章设计内容及要求设计目的使学生对电子的一些相关知识有感性认识，加深电类有关课程的理论知识；；掌握电子元件的焊接、电气元件的安装、连线等基本技能，培养学生阅读电气原理图和电子线路图的能力。并在生产实践中，激发学生动手、动脑、勇于创新的积极性，培养学生严谨、认真、踏实、勤奋的学习精神和工作作风，为后续专业课程的学习打下坚实的基础。设计内容和要求(1)稳定的显示时、分、秒。（要求24小时为一个计时周期）(2)当电路发生走时误差时，要求电路有校时功能。(3）电路有整点报时功能。报时声响为四低一高，最后一响高音正好为整点。创新部分（1）闹钟功能第二章系统总体设计方案数字时钟的组成数字电子钟的电路由秒脉冲发生器、分秒计数器、74LS90（二—五—十进制加法计数器）、74LS85（比较器）、时间译码及控制门，555定时器，七段数码管等构成。原理分析它由多谐振荡器、分频器、计数器、译码器、显示器、报时电路、校时电路和闹钟电路组成。多谐振荡器产生的信号经过分频器作为秒脉冲，秒脉冲送入计数器计数，计数结果通过“时”、“分”、“秒”译码器显示时间。分频器能将多谐振荡器产生的1kHZ的脉冲分为500HZ和1HZ。基本逻辑功能框图图1数字时钟基本逻辑功能框图第三章器件选择555集成定时器555集成定时器由五个部分组成：1、基本RS触发器：由两个“与非”门组成2、比较器：C1、C2是两个电压比较器3、分压器：阻值均为5千欧的电阻串联起来构成分压器，为比较器C1和C2提供参考电压。4、晶体管开卷和输出缓冲器：晶体管VT构成开关，其状态受Q端控制。输出缓冲器就是接在输出端的反相器G3，其作用是提高定时器的带负载能力和隔离负载对定时器的影响。555芯片内部结构图如下：图2555芯片内部结构图其逻辑功能表如下：表1555定时器功能表阈值输入（UI1）触发输入（UI2)复位（RD)输出（U0)放电管VT××00导通2/3VCC1/3VCC11截止2/3VCC1/3VCC10导通2/3VCC1/3VCC1不变不变其引脚图如下：图3555定时器引脚图逻辑符号如下：图4555逻辑符号图74LS16074LS160为十进制同步加法计数器逻辑功能描述如下：1&&&COTHTR+VCCuOD5kΩ5kΩ5kΩC1C2G1G2G3T++－－2658437RQQ由逻辑图与功能表知，在CT74LS160中LD为预置数控制端，D0-D3为数据输入端，C为进位输出端，Rd为异步置零端，Q0-Q3位数据输出端，EP和ET为工作状态控制端。当Rd=0时所有触发器将同时被置零，而且置零操作不受其他输入端状态的影响。当Rd=1、LD=0时，电路工作在预置数状态。这时门G16-G19的输出始终是1，所以FF0-FF1输入端J、K的状态由D0-D3的状态决定。当RC=LD=1而EP=0、ET=1时，由于这时门G16-G19的输出均为0，亦即FF0-FF3均处在J=K=0的状态，所以CP信号到达时它们保持原来的状态不变。同时C的状态也得到保持。如果ET=0、则EP不论为何状态，计数器的状态也保持不变，但这时进位输出C等于0。当RC=LD=EP=ET=1时，电路工作在计数状态。从电路的0000状态开始连续输入10个计数脉冲时，电路将从1001的状态返回0000的状态，C端从高电平跳变至低电平。利用C端输出的高电平或下降沿作为进位输出信号。逻辑功能表如下：表274LS160逻辑功能表其引脚图如下：图574LS160引脚图逻辑功能示意图如下：CPEPET工作状态×0×××置零10××预置数×1101保持×11×0保持（但C=0）1111计数图674LS160逻辑功能示意图LED显示屏LED是发光二极管LightEmittingDiode的英文缩写。LED显示屏是由发光二极管排列组成的一显示器件。它采用低电压扫描驱动，具有：耗电少、使用寿命长、成本低、亮度高、故障少、视角大、可视距离远、规格品种全等特点。目前LED显示屏作为新一代的信息传播媒体，已经成为城市信息现代化建设的标志。管脚１２３４分别接输出段的Ｑ０、Ｑ１Ｑ２、Ｑ３．图形显示如下图所示：图7LED图形显示图4位十进制同步可逆计数器74LS9074LS90是异步二—五—十进制加法计数器，它既可以作二进制加法计数器，又可以作五进制和十进制加法计数器。通过不同的连接方式，74LS90可以实现四种不同的逻辑功能；而且还可借助R0(1)、R0(2)对计数器清零，借助S9(1)、S9(2)将计数器置9。其具体功能详述如下：(1)计数脉冲从CP1输入，QA作为输出端，为二进制计数器。(2)计数脉冲从CP2输入，QDQCQB作为输出端，为异步五进制加法计数器。(3)若将CP2和QA相连，计数脉冲由CP1输入，QD、QC、QB、QA作为输出端，则构成异步8421码十进制加法计数器。(4)若将CP1与QD相连，计数脉冲由CP2输入，QA、QD、QC、QB作为输出端，则构成异步5421码十进制加法计数器。(5)清零、置9功能。异步清零当R0(1)、R0(2)均为“1”；S9(1)、S9(2)中有“0”时，实现异步清零功能，即QDQCQBQA＝0000。置9功能当S9(1)、S9(2)均为“1”；R0(1)、R0(2)中有“0”时，实现置9功能，即QDQCQBQA＝1001。其功能表如下：表374LS90功能表其引脚图如下：图874LS90引脚图其逻辑功能示意图：图974LS90逻辑功能示意图4位数值比较器74LS85集成74LS85是4位数值比较器可以用来比较两个4位二进制数A（A3A2A1A0)和B(B3B2B1B0)之间的大小。其比较原理如下：两个4位二进制的比较是从A的最高位A3和B的最高位B3开始，自高到低的逐位比较。只有在高位相等时才需要比较低位。若高位不相等，则两个数的比较结果直接由高位比较结果决定。其功能表如下：表474LS85逻辑功能表其引脚图为：图1074LS85引脚图其逻辑功能示意图为：图1174LS85逻辑功能示意图第四章数字时钟的电路设计时钟振荡电路555多谐振荡器产生1KHz多谐振荡器是一种能够产生矩形波动的自激振荡器，也称矩形波发生器。“多谐”指矩形波中除了基波成分外，还含有丰富的高次谐波成分。多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态。在工作时，电路的状态在这两个暂稳态之间自动地交替变换，由此产生矩形波脉冲信号，常用作脉冲信号源及时序电路中的时钟信号。因此，在此我们使用555定时器构成的多谐振荡器来产生1KHz的矩形脉冲信号。时钟信号发生电路图12555构成的多谐振荡器图13多谐振荡器工作波形图用555定时器构成的多谐振荡器电路如图12所示：图中电容C、电阻R1和R2作为振荡器的定时元件，决定着输出矩形波的正、负脉冲的宽度。定时器的触发器输入端和阀值输入端与电容相连；集电极开路输出端接R1、R2相连处，用以控制电容C的充、放电。电路接通电源的瞬间，由于电容C来不及充电Vc=0v，所以555定时器状态为1，输出Vo为高电平。同时，集电极输出端对地断开，电源Vcc对电容C充电，电路进入暂稳态，此后，电路周而复始地产生周期性的输出脉冲。多谐振荡器两个暂稳态的维持时间取决于RC充放电回路的参数。暂稳态Ⅰ的维持时间，即输出Vo的正向脉冲宽度T1≈（R1+R2）C；暂稳态Ⅱ的维持时间，即输出Vo的负向脉冲宽度T2≈。因此，振荡周期T=T1+T2=(R1+R2)C,振荡频率f=1/T。正向脉冲宽度T1与振荡周期T之比称矩形波的占空比D，由上述条件可得D=（R1+R2）/（R1+2R2），若使R2R1，则D≈1/2，即输出信号为正负向脉冲宽度相等的矩形波（方波）时钟振荡电路的Multisim仿真图14时钟振荡仿真电路图15555多谐振荡产生1kHz仿真波形图分频器电路分频器的功能主要有两个：一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，如仿电台报时用的1KHz的高音频信号和500KHz的低音频信号等。因此，可以选用3片我们较熟悉的中规模集成电路计数器74LS90可以完成上述功能。因每片为1/10分频，3片级联则可获得所需要的频率信号，即第1片QA端输出频率为500Hz,第2片QD输出为10Hz，第3片的QD端输出1Hz。其分频器电路为：图16分频器电路图500HZ波形为：图17500HZ波形图1HZ波形为：图181HZ波形图秒脉冲发生器电路秒脉冲发生器为六十进制秒计数器。它由两块中规模集成十进制计数器74LS160，一块组成十进制，另一块组成六进制。组合起来就构成六十进制计数器，如图所示六十进制计数器。六进制采用的是反馈清零法范围为0—5，当第六个脉冲到来的瞬间清零，构成六进制计数器。秒脉冲发生器电路如下：图19秒脉冲发生器电路分脉冲发生器电路分脉冲发生器的设计为一60进制的计数器，由2片74LS160和1片74LS00组成，分计时电路的计数周期为60秒。触发信号由秒脉冲信号发生器提供，当计数值为59时，下一次触发信号输入时，向前进位并对计数值清零同时开始下一个计数周期。分脉冲发生器电路如下：图20分脉冲发生器电路时脉冲发生器电路在数字电子时钟中，时计时时钟周期都为24h，当触发信号输入时，计数器计数1，累计到23后，下一秒开始清零并向前进位，当计数值达到23时，下一个触发信号输入时，计数器清零同时开始进入下一个计数周期。时脉冲发生器电路如下：图21时脉冲发生器电路校时电路数字钟应具有分校正和时校正功能，因此，应截断分个位和时个位的直接计数通路，并采用正常计时信号与校正信号可以随时切换的电路接入其中。下面以分校时电路说明其原理。当开关断开时，秒十位进位脉冲和高电平经与非门输出为秒十位进位脉冲取反，校时脉冲和开关的另一端低电平经与非门输出为高电平，高电平和秒十位进位脉冲的取反脉冲经过与非门输出为秒十位进位脉冲，即进入分个位计数器脉冲为秒十位进位脉冲，为正常计时状态。当开关闭合时，秒脉冲进位脉冲和低电平经过与非门为高电平，校时脉冲和高电平经过与非门输出为校时脉冲的取反，高电平和校时脉冲的取反经过与非门输出为校时脉冲，即进入分个位计数器脉冲为校时脉冲，进入校时状态。时校时电路原理同分校时电路，此处不在介绍。器件选择方面，与非门可选74LS00，在实际应用中须对开关的状态进行消除抖动处理，需加2个的电容。校时电路如下：图22校时电路整点报时电路实验要求为报时声响为四低一高，最后一响高音正好为整点。前4次为低音500Hz，最后一声为高音1000Hz。其主要原理如下：4声低音（约500Hz）分别在59分51秒、53秒、55秒及57秒，最后一声高音（约1000Hz）发生在59秒，它们的持续时间为1秒。59分用二进制码表示为（01011001），51秒（01010001），53秒（01010011），55秒（01010101），57秒（01010111），59秒（01011001）。当时间为59分51秒时，（分十位QC,分十位QA,分个位QD,分个位QA）=(1111)，则反相器U7A输出为高电平，（秒十位QA,秒十位QC,秒个位QA)=(111),则反相器U8A输出为高电平；秒个位QD=0，则U4A输出为高电平，U5A输出为500HZ波的反向波，则U6A输出频率为500HZ波，高电平和500HZ波经过U3A和U10A输出频率为500HZ的波，从而使蜂鸣器工作，为低音。53秒、55秒、57秒与51秒时原理相同，不再重诉。当时间为59分59秒时，（分十位QC,分十位QA,分个位QD,分个位QA）=(1111），则反相器U7A输出为高电平，（秒十位QA,秒十位QC,秒个位QA)=(111),则反相器U8A输出为高电平；秒个位QD=1