数字时钟课程设计全文.doc

数字时钟设计摘 要随着电子数字技术的发展，更精密的数字显示已成为趋势。数字时钟是一种用数字显示秒分时的记时装置，与传统的机械钟相比，它具有走时准确显示直观无机械传动装置等优点，因而得到了广泛的应用：小到人们的日常生活中的电子手表，大到车站码头机场等公共场所的大型数字显示时钟。本课题利用电子技术知识设计出一个数字时钟，数字钟是一个将“ 时”、“分”、“秒”显示于人的视觉器官的计时装置。电路系统由秒信号发生器、“时、分、秒”计数器、译码器及显示器等电路组成。通过本课题练习，学生对综合知识应用能力、设计能力将有较大提高，对今后从事电子产品的研制、生产、经营维修等打下基础。此次设计要用通过简单的逻辑芯片实现数字时钟。要点在于用555芯片连接输出为一秒的多谐振荡器用于时钟的秒脉冲,用74LS160(10进制计数器)74LS00(与非门芯片)等连接成60和24进制的计数器,再通过七段数码管显示，构成了简单数字时钟。关键词：数字时钟,数码管, 555芯片,计数器 目 录1 绪 论11.1 课题描述11.2 基本工作原理及框图12 电路的实现方案23 相关芯片及硬件电路33.1 555芯片33.1.1芯片引脚介绍43.1.2 组合振荡电路43.2 74LS90芯片及分频电路53.3 74LS160芯片63.3.1 74LS160的引脚图及功能特性63.3.2 计数器的实现73.4 对时对分电路93.5 整点报时电路104总体描述11总 结12致 谢13参考文献141 绪 论1.1 课题描述 本课题利用电子技术知识设计一个数字时钟。秒、分、时分别为60、60和24进制计数器。秒、分均为六十进制，即显示0059，它们的个位为十进制，十位为六进制。分秒功能的实现：用两片74LS160组成60进制递增计数器。时为二十四进制计数器，显示为0023，个位仍为十进制，而十位为三进制，但当十进位计到2，而个位计到4时清零，就为二十四进制了。时功能的实现：用两片74LS160组成24进制递增计数器。通过本课题练习，学生对综合知识应用能力、设计能力将有较大提高，对今后从事电子产品的研制、生产、经营维修等打下基础。1.2 基本工作原理及框图工作原理：振荡电路产生的1KHZ脉冲信号经三级十分频电路分频后产生的1HZ脉冲信号输入74LS160连成的60进制秒计数器，再由秒计数器每60秒进位输出给60进制分钟计数器，分钟计数器满60后产生进位信号输入给24进制小时计数器，从而实现24小时制数字时钟的功能。基本工作原理框图如图1所示。时钟分钟秒钟二十四进制计数器六十进制计数器六十进制计数器脉冲振荡器分频器校准时分电路整点报时器 图1 基本工作原理框图2 电路的实现方案1、时钟信号源的实现时钟信号源是时钟类项目的心脏，它的精确度直接影响到整个项目的性能。虽然石英晶体振荡器会比555芯片组合的振荡电路精确些，但为了能在课程设计中充分运用自己所学，提高自己的综合应用能力，最后还是选择了使用555芯片的组合电路。2、分频器的实现用异步十进制计数器74LS90，同步十进制计数器74LS290，双时钟同步加减计数器74LS192都可以很容易构成十进制，十二进制，二十四进制，六十进制分频器。另外，在对时钟进行2分频时，CD4020，CD4040，CD4060也都能实现各种级数的二进制分频。3、时分秒功能的实现秒、分、时分别为60、60和24进制计数器。秒、分均为六十进制，即显示0059，它们的个位为十进制，十位为六进制。分秒功能的实现：用两片74LS160组成60进制递增计数器。时为二十四进制计数器，显示为0023，个位仍为十进制，而十位为三进制，但当十进位计到2，而个位计到4时清零，就为二十四进制了。时功能的实现：用两片74LS160组成24进制递增计数器。4、对时对分功能的实现“对时”即快速预置一般是针对“分、时”等操作，其实现方法可以是将秒信号直接加到“分、时”计数器上，因此对时分电路其实是一个数字信号的转换开关5、整点报时功能的实现使用蜂鸣器报时将分钟计数器满60输出给时钟个位计数器的脉冲信号引入蜂鸣器电路，使其发出警报声。3 相关芯片及硬件电路3.1 555芯片因输入端设计有三个5k的电阻而得名。两个比较器 C1和 C2各有一个输入端连接到三个电阻R组成的分压器上，比较器的输出接到RS触发器上。此外还有输出级和放电管。输出级的驱动电流可达200mA。比较器C1和C2的参考电压分别为UA和UB，根据C1和C2的另一个输入端触发输入和阈值输入，可判断出RS触发器的输出状态。当复位端为低电平时，RS触发器被强制复位。若无需复位操作，复位端应接高电平。555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压VCC /3 和 2VCC /3 。555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 A1 的反相输入端的电压为 2VCC /3，A2 的同相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 A2 的输出为 1，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 A1 的输出为 1，A2 的输出为 0，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。内部结构如图2所示。图2 555内部结构图3.1.1芯片引脚介绍1是地线，2是触发，3是输出电平，4是复位，5是控制电压，6是阀值电压，7是放电，8是电源(VDD)。引脚图如图3所示。图3 555芯片3.1.2 组合振荡电路555组合电路的周期T=T1+T20.7（R1+2R3）C。555电路构成的1KHz多谐振荡器原理如图4所示。图4 555组合电路3.2 74LS90芯片及分频电路1、 芯片引脚图及功能特性芯片引脚图如图5所示，是二五十进制计数器。当R9=S9（1）·S9（2）=0时，若RO（1）·RO（2）=1，则计数器清零，与CP无关，清零是异步的。当S9=S9A·S9B=1时计数器置“9”，即被置成1001状态。这种置数也是异步的。除了计数功能，该芯片还可以作为分频器使用，将QA反馈给B端可构成8421码十分频电路。图5 74LS90芯片表1 74LS90功能表输入输出RO1RO2R91R92QDQCQBQAHHL×LLLLHH×LLLLL××HHHLLH×L×L计数L×L×计数L××L计数×LL×计数2、 分频器电路74LS90是二，五，十进制异步加法器，它由四个主从JK触发器和一些附加门电路组成，整个电路可分两部分，在74LS90计数器电路中，设有专用置“0”端R1、R2和置位（置“9”）端S1、S2十分频（8421码）：将QA与CK2联接，可构成8421码十分频电路。用三片74LS90可以构成三级十分频器，将1KHz矩形波分频得到1Hz基准秒计时信号。原理如图6所示。图6 用74LS90实现的分频电路3.3 74LS160芯片3.3.1 74LS160的引脚图及功能特性图7 74LS160引脚图图8 74LS160功能特性同步十进制加法计数器74LS160电路增加了预置数、保持和异步置零的功能。3.3.2 计数器的实现1、 时钟二十四进制计数器如图9所示是二十四进制计数器，即数显上会显示从0023共计24个数字。它是由两个同步十进制加法计数器组成的。当第一个脉冲来到时两个数显同步置零，显示00状态，即两个同步十进制加法计数器的输出分别为0000和0000，当第二个脉冲来到时个位脉冲作用下第一个同步十进制加法计数器的输出变为0001，而第二个同步十进制加法计数器的工作状态控制端接的为低电平，所以不工作，继续保持为0000状态不变，当第一个同步十进制加法计数器输入第九个脉冲后，RCO进位输出端会置为1，同时第二个同步十进制加法计数器的工作状态控制端接的为高电平，所以开始工作，输出由0000变为0001，然后保持至第一个同步十进制加法计数器的输出再次变为1001。当第一个同步十进制加法计数器的输出为0010，同时第二个同步十进制加法计数器的输出为0011时，两个同步十进制加法计数器的预置数控制端被同时置为0，即两个同步十进制加法计数器的输出均变为0000，从而完成二十四进制计数。图9 时钟计时显示2、 分钟和秒钟六十进制计数器如图10所示是六十进制计数器，即数显上会显示从0059共计60个数字。它也是由两个同步十进制加法计数器组成的。当第一个脉冲来到时两个数显同步置零，显示00状态，即两个同步十进制加法计数器的输出分别为0000和0000，当第二个脉冲来到时个位脉冲作用下第一个同步十进制加法计数器的输出变为0001，而第二个同步十进制加法计数器的工作状态控制端接的为低电平，所以不工作，继续保持为0000状态不变，当第一个同步十进制加法计数器输入第九个脉冲后，RCO进位输出端会置1，同时第二个同步十进制加法计数器的工作状态控制端接的为高电平，所以开始工作，输出由0000变为0001，然后保持至第一个同步十进制加法计数器的输出再次变为1001。当第一个同步十进制加法计数器的输出为0101，同时第二个同步十进制加法计数器的输出为1001时，两个同步十进制加法计数器的预置数控制端被同时置为0，即两个同步十进制加法计数器的输出均变为0000，从而完成六十进制计数。图10 分钟和秒钟计时显示3.4 对时对分电路基本RS触发器可以完全消除开关的机械抖动，是最佳的一种对时对分电路。用74LS00可以实现。如图11所示电路为校“时”、校“分”电路。其中S1为校“分”用的控制开关，S2为校“时”用的控制开关。可以较快调整时间。图11 时间调整电路3.5 整点报时电路如图12把蜂鸣器接入三极管集电极，当分进位脉冲送入NPN型三极管基极时，使发射结电压保持正向偏置，集电结电压反向偏置，使三极管工作于放大状态，进而发出蜂鸣声，使得人们获得现在是整点的信息。图12 整点报时电路4 总体描述如图13所示，当标准秒脉冲给秒钟一个信号，秒钟开始正常计时。达到59秒时就会给分钟一个脉冲，这时分钟将显示01。当时钟显示59时，下个脉冲就会传给时钟，时钟跳变加一的同时，脉冲信号也传给了整点报时电路，信号送入NPN型三极管基极时，使发射结电压保持正向偏置，集电结电压反向偏置，使三极管工作于放大状态，进而发出蜂鸣声，使得人们获得现在是整点的信息。图13 数字时钟整体电路总 结经过两周的努力，终于将本次课程设计做完了，但由于水平有限，设计当中肯定有不恰当的地方，请老师指出其中的错误和不当之处，使我能做出改正，我会虚心接受。在本次课程设计过程中，我增强了自己的动手能力和分析能力。通过跟老师和同学的交流，也通过自己的努力，我按时完成了这次课程设计。在此过程中，我学会了很多，也看到了很多自己的不足之处。在以后的学习生活中，我会努力学习专业知识，完善自我，为将来的发展做好充分的准备。总之，在这次课程设计中，我受益匪浅，学到了很多书本上所没有的东西，懂得了理论和实际联系的重要性。在以后的学习中，我不仅要把理论知识掌握牢固，更要提高自己的动手能力和分析能力致 谢通过两周的努力，终于将电子技术课程设计完成了，在完成课程设计的这两周里，乐丽琴老师给予了我很大的帮助。她不仅指导我完成了设计，还教会了我做设计的一般步骤、设计思想和设计方法。当我对此课程设计无从下手的时候，乐老师专心地为我讲解，为我解决了很多实际存在的困难和问题。她在教室里为我们讲解原理，使得我的课程设计能圆满完成，真正的从心理和解决实际问题上为我树立了很好的榜样，我为能有这样的好老师而感觉到骄傲，每每对课程设计的撰写产生疑问时，她为我梳理脉络，使我确立了本文的框架。在此我衷心的感谢一直不辞辛劳为我指明方向的乐丽琴老师，也要感谢教会我知识的学校为我提供实践的场所和实践器材。通过这次的课程设计，不仅使我学到了很多专业方面的知识，也让我明白了不畏困难、勇于攀登艰难的重要性，这对我未来的学习和生活产生很大的影响。参考文献 1 贾秀美.数字电路实践技术（第一版）M.北京：中国科学技术出版社，2000， 2 王毓银.脉冲与数字电路（第三版）M.北京：高等教育出版社，1999， 3 路勇.电子电路实践及仿真（第一版）M.北京：清华大学出版社，2004， 4 岳怡.数字电路与数字电子技术（第一版）M.西安：西北工业大学出版社，2001， 5 刘常澍.数字逻辑电路（第一版）M.北京：国防工业出版社，2002， 6 萧宝瑾.protel 99 SE操作指导与电路设计实例（第一版）M.太原：太原理工大学，2004，7 赵学良，张国华.电源电路M.北京：电子工业出版社,1995，8 张义申，陆坤等.电子设计技术M.西安：电子科技大学出版.1996，9李景宏，马学文.电子技术实验教程M.沈阳：东北大学出版社.2000，10王永军，李景华编著.数字逻辑与数字系统M.北京：电子工业出版社，2002，11高吉祥，易凡编著.电子技术基础实验与课程设计M.北京：电子工业出版社，2002，12陈大钦编著. 电子技术基础实验M. 北京：高等教育出版社，2000，13李晶皎，李景宏，曹阳编著. 逻辑与数字系统设计M.北京：清华大学出版社，2009。