毕业设计多功能数字电子钟的设计.doc

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1、毕业设计（论文）多功能数字电子钟的设计 专业： 应用电子技术 班级： 09221 学 号： 2 2 学生姓名： 王 超 指导教师： 唐 红 完成时间： 2023年3月30日成都电子机械高等专科学校二一二年五月 摘要： 时钟，自从它发明的那天起，就成为人类的朋友，但随着时间的推移，科学技术的不断发展，人们对时间计量的精度要求越来越高，应用越来越广。高精度的计时工具大多数都使用了石英晶体振荡器，电子钟， 石英钟都采用了石英技术，因此走时精度高，稳定性好，使用方便，不需要经常调校，数字式电子钟用集成电路计时时，译码代替机械式传动，用LED 显示器代替指针显示进而显示时间，减小了计时误差，这种表具有时

2、、分、秒显示时间的功能，还可以进行时和分的校对，片选的灵活性好。本文利用74ls192为计数基本单元同时采用数码管动态显示“时”、“分”、“秒”的现代计时装置。它的计时周期为24 小时，显满刻度为“23时59 分59秒”，另外，具有校时，校分；并且还有整点报时功能。 本设计运用32768HZ的石英晶体振荡器，通过十五级二分频，将1HZ的信号输入计数器74LS192，计数器计数秒，分，时并且将此信号传送到译码器74LS48，在74LS48中转换成共阴极七段数码管所需要的信号，共阴极七段数码管实时显示。 关键词：74ls192 多功能电子时钟 晶体振荡器 设计任务 1.设计一个多功能数字钟 设计一

3、个24小时多功能数字钟 2.基本要求： 1.)准确计时，以数字形式显示时，分，秒的时间 2.)小时为24进制，分和秒的计时要求为60进制 3.)具有手动校时，校分的功能。3.扩展要求： 1.)定时控制 2.)具有正点报时功能，每个整点完成相应的点数报时。目录一1.摘要.1 2.前言.二设计任务.3第一章 总体设计方案 1.1 、设计原理图.4 1.2 、原理图说明.5 第二章 multisim仿真软件介绍 2.1、基本页面介绍. 2.2、multisim的元器件库. 2.3、元器件的查找. 2.4、电路仿真步骤. 2.5、元器件连线. 2.6、设置元器件参数及文件的保存. 第三章 各部分电路

4、3.1、用到的各个器件说明.3.2、脉冲产生电路.113.3、时、分、秒计数器设计.123.4、校准电路.133.5、译码驱动显示电路.3.6、报整点时数电路的设计. 第四章 整体电路图 第五章 系统调试5.1、设计过程中故障分析与故障排除描述.145.2、系统仿真图.17 第六章 总结致谢.参考文献.17引言20 世纪末，电子技术获得了飞速发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。时间对人们来说总是那么宝贵，工作的忙碌性和繁杂性容易使人忘记当前的时间，忘记了要做

5、的事情，当事情不是很重要的时候，这种忘记无伤大雅。但是，一旦重要事情，一时的耽误可能酿成大坏事。 数字钟是采用数字电路实现对时，分，秒，数字显示的计时装置，广泛用于个人家庭，车站，码头，办公室等公共场所，成为人们日常生活中不可少的必须品，由于数字集成电路的发展和石英振荡器的广泛应用，使得数字中的精度远远超过老式钟表，钟表的数字化给人们生产生活带来了极大地方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。诸如定时自动报警，校时自动打铃，时间程序自动控制，定时广播，自动启闭路灯，定时开关烘箱，通断动力设备，甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。因此，研究数字钟及扩大其应用有着非

6、常现实的意义。 第一章 总体设计方案1.1设计原理图 校时整点报时 校分 译码 译码 译码十位 个位6进制 10进制十位 个位6进制 10进制十位 个位 24 进制 秒 脉 冲 分频器 晶体振荡1.2 原理图说明 1）.晶体振荡器产生振荡； 2）.通过分频器分频成1HZ标准脉冲； 3）.脉冲输入进秒计数器； 4）.秒计数器计数六十秒，传给分计数器，分计数器技术六十分，传给时计数器，当时到二十四小时时归零； 5）.计数器通过译码器驱动显示电路进行显示； 6）.当每到整点时，有整点报时； 7）.时间不准时，通过校时，校分进行调整。第二章 multisim仿真软件介绍 multisim是一款主要用于

7、电路开发和仿真的软件，是NI公司出品的系列辅助开发软件之一。multisim以前称为EWB，2001年升级为2001并改名为multisim，随后有不断升级。EWB的主要功能在于一般电子电路的虚拟仿真，而multisim 软件则不仅仅局限于电子电路的虚拟仿真，其在labVIEW虚拟仪器，单片机仿真等技术方面都有更多的创新和提高，属于EDA技术的更高层范畴。2.1、基本页面介绍： 1）菜单栏（menu bar） （1）file（文件）菜单：该菜单对电路文件进行管理。 （2）edit（编辑）菜单：该菜单用来对窗口电路图或元器件进行编辑操作。 （3）view（视图）菜单：该菜单用来显示或隐藏电路窗口

8、中的某些内容（如电路的放大|缩小，工具栏，栅格，纸张边界等。） （4）place（放置）菜单：该菜单提供在电路工作窗口内放置元器件，连接点，总线和文字等命令。 （5）mcu（单片机）菜单：该菜单提供在电路工作窗口内mcu的调试操作命令。 （6）simulate（仿真）菜单：该菜单用于对电路仿真的设置与操作。 （7）transfer（转换）菜单：该菜单用于将multisim的电路文件或仿真结果输出到其他应用文件。 （8）tools（工具）菜单：该菜单用来编辑或管理元器件库或元器件命令。 （9）reports(报告)菜单：该菜单用来产生当前电路的各种报告。 （10）options（属性）菜单：定制

9、软件界面。 （11）window（窗口）菜单：控制multisim窗口显示。 （12）help（帮助）菜单：在线服务帮助和指导。 2）工具栏（toolbar）： （1）标准工具栏（standard toolbar）：基本功能按钮与Windows的同类应用软件中的按钮类似。 （2）主工具栏（main toolbar） （3）视图工具栏（view toolbar） （4）元器件工具栏（components toolbar）multisim将所有的元器件分为16类，加上分层模块和总线，共同组成元器件工具栏。 （5）虚拟仪器仪表工具栏（instruments toolbar） 3）电路窗口（circu

10、it Windows or workspace）：即电路工作区，该工作区是用来创建，编辑电路图以及进行仿真分析，显示波形的地方。 4）状态栏（statusbar）：主要用于显示当前的操作及鼠标指针所指条目的有关信息。 5）设计工具拦（design toolbox）：利用该工具栏可以把有关电路设计的原理图，pcb图，相关文件，电路的各种统计报告进行分类管理，还可以观察分层电路的层次结构。 6）电路元器件属性视窗（spreadsheet view）：该视窗是当前电路文件中所有元器件属性的统计窗口，可通过该视窗改变部分或全部元器件的某一属性。 2.2、multisim的元器件库元器件库中每个元件模型

11、都含有创建电路图所需的元器件符号，仿真模型，元器件封装以及其他电气特性。 Master database库包含了multisim提供的所有元件，该库不许用户修改 。Master database库的结构： 1）电源库：电源|信号源库包含接地端，直流电压源（电池），正弦交流电压源，方波（时钟）电压源，压控方波电压源等多种电源与信号源。 2）基本元件库：包含电阻，电容等多种元件。基本元件库中的虚拟元件的参数是可以任意设置的，非虚拟元件的参数是固定的，但可以选择。 3）二极管库：包含二极管，晶闸管等多种器件。二极管库中的虚拟器件的参数可以任意设置，非虚拟仪器的参数是固定的，但可以选择。 4）三极管库

12、：包含三极管，fet等多种器件。三极管库中的虚拟器件的参数是可以任意设置的，非虚拟器件参数是固定的，但可以选择。 5）模拟集成电路库：包含多种运算放大器。模拟集成电路库中的虚拟器件的参数是可以任意设置的，非虚拟器件的参数是固定的，但可以选择。 6）ttl数字集成电路库：ttl数字集成电路库包含74xx系列和74lsxx系列等74系列数字电路器件。 7）cmos数字集成电路库：cmos数字集成电路库中包含40xx系列和74hcxx系列多种cmos数字集成电路系列器件。 8）数字器件库：数字器件库包含了dsp,fpga,cpld,vhdl等多种器件。 9）数模混合集成电路库：包含adc（模|数转换

13、器）|dac（数|模转换器），555定时器等多种数模混合集成电路器件。 10）指示器件库：包含电压表，电流表，7段数码管等多种器件。 11）电源器件库：包含三端稳压器，pwm控制器等多种电源器件。 12）杂项元器件库：包含晶体，滤波器等多种元件。 13）高级外围设备库：该库主要是键盘，显示器等器件，又被称为键盘|显示器库，包含键盘，lcd等多种器件。 14）射频元器件库：包含射频三极管，射频fet，带状传输线等多种射频元器件。 15）机电类器件库：包含开关，继电器等多种机电类器件。 16）微控制器件库：包含8051，plc等多种微控制器。2.3、元器件的查找 元器件库中查找元器件的途径有两种（

14、1）分门别类查找浏览； （2）输入元器件名称查找。 1）浏览元器件在元器件工具栏中单机任何一类元器件按钮或者按ctrl+W快捷键，弹出浏览窗口。Database-master database 元器件库Group-元器件组Family-元器件系列分类Componet-元器件Symbol（din）-元器件符号Function-元器件功能介绍Model manut|id-生产厂家|型号Footprint manul|type：封装形式 hypetlink：超级链接在浏览窗中首先在group下拉列表中选择元器件组，再从family下拉列表中选择相应的系列，这时在元器件区弹出该系列的所有元器件列表，选

15、择一种器件，功能区就出现了每种元器件的信息。 2）搜索元器件 （1）单击place-component菜单项，弹出浏览元器件窗口； （2）单击search（搜索）按钮； （3）单击advanced按钮，选择更多搜索条件； （4）输入搜索关键词，可以是数字和字母（不区分大小写），但对话框中的空白处至少填一个条件，条件越多，查找的越准确。2.4、电路仿真步骤 1）创建电路文件方法 （1）当启动时multisim时，它会自动打开一个名为“circuit”的空白电路文件，并打开一个新的电路窗口，在关闭当前电路窗口前将提醒是否保存它。 （2）单击file-new选项或用ctrl+N快捷键操作，可以打开一

16、个无标题的电路窗口，可用它来创建一个新的电路。 （3）单击工具栏中的“新建”图标。 新建电路文件后，电路的绘图区域没有任何元器件和导线。 2）放置元器件在电路窗口（绘图区）中放置元器件。放置元器件的方法：（1）利用元器件工具栏放置元器件； （2）通过单击place-component菜单项放置元器件； （3）在绘图区右键单击，利用弹出菜单place component放置元件以及利用快捷键ctrl+w放置元器件等。 3）元器件的基本操作 （1）选中元器件： 单击该元器件，被选中的元器件的四周出现蓝色虚线方框，便于识别。用鼠标拖拽形成一个矩形区域，可以同时选中在该矩形区域内包围的一组元器件。若取

17、消某个元器件的选中状态，只需单击电路工作区的空白部分即可。 （2）元器件的移动： 用鼠标按住元器件不放并拖拽即可移动该元件。元器件被移动后，与其相连接的导线就会自动重新排列。 （3）元器件的复制，删除： 对选中的元器件，可以单击鼠标右键或者使用edit-cut（剪切），edit-copy（复制）和edit-paste（粘贴），edit-delete（删除）等菜单命令实现。 （4）元器件标签，编号，数值，模型参数的设置 选中元器件，双击该元件，或者选择命令edit-properties（元器件特性）会弹 出相关的对话框，可供数据输入。 元器件特性对话框具有多种选项可供设置，包括label（标识）

18、，display（显示） Value（数值），fault（故障设置），pins（引脚），variant(变量)等选项。 （5）改变元器件的颜色。2.5、元器件连线 两种方式：（1）自动连线 （2）手动连线 1）自动连线： 用户按线路方向将鼠标指针指向需要连接元器件的引脚，依次单击要连线的两个元器件的引脚，由multisim选择引脚间自动的路径，自动完成连线。 2）手动连线：由用户控制线路走向，操作时通过拖动连线，按用户自己设计的路径，需要拐弯处单击固定拐点，以确定路径转向来完成连线。 2.6、设置元器件参数及文件的保存 1）元器件参数设置 鼠标右键点击（或双击元器件图标），选择properti

19、es，弹出dc-power打开value。 2）保存电路文件（1）设置图纸规格：在workspace选项中设定电路图的尺寸和格式；（2）设置图纸显示：circuit选项中设定图纸和元器件的显示方式；（3）设置图纸标题栏：选择place-title block菜单命令。完成上述操作后可将文件存盘。 第三章 各部分器件3.1、器件说明 1.晶振 石英晶体振荡器的作用 石英晶体振荡器也称石英晶体谐振器，它用来稳定频率和选择频率，是一种可以取代LC谐振回路的晶体谐振元件。 石英晶体振荡器广泛地应用在电视机、影碟机、录像机、无线通讯设备、电子钟表、数字仪器仪表等电子设备中。石英晶体振荡器的电路图形符号及

20、内部等效电路 石英晶体振荡器在电路中用字母“B”或“BC”（旧标准用“Z”或“X”、“G”等）表示，其内部可以等效为一个品质优良的LC串联谐振回路。石英晶体振荡器的主要参数 石英晶体振荡器的主要参数有标称频率、负载电容、激励电平、工作温度范围及 温度频差等。 1)标称频率 标称频率是指石英晶体振荡器的振荡频率，它与负载电容的容量值有关。 2)负载电容 负载电容是指与石英晶体振荡器各引脚相关联的总有效电容（包括应用电路内部与外围各电容）之和。负载电容常用的标准值有16PF、20PF、30PF、50PF、100PF。 3)激励电平 激励电平是指石英晶体振荡器工作时所消耗的有效功率。该值决定电路工作

21、频率的确良稳定程度。激励电平常用的标准值有0.1 mW、0.5 mW、1 mW、2 mW、4 mW。 4)工作温度范围 工作温度范围是指石英晶体振荡器正常工作时所允许的最低温度至最高温度（环境温度）。 5)温度频差 温度频差是指石英晶体振荡器在工作温度范围内的工作频率相对于基准温度下工作频率的最大偏离值，它用来反映石英晶体振荡器的频率温度特性。 石英晶体振荡器的种类 1)按精度分类 石英晶体振荡器按精度（或频率稳定度）可分为普通石英晶体振荡器，精密石英晶体振荡器、中精密石英晶体振荡器和高精密石英晶体振荡器。 2)按封装结构及外形分类 石英晶体振荡器按封装结构及外形可分为金属外壳晶体振荡器、玻璃

22、外壳晶体振荡器、胶木壳晶体振荡器和塑料外壳晶体振荡器。金属外壳封装的石英晶体振荡器又有锡焊、冷压焊和电阻焊三种。 3)按引出电极数目分类 石英晶体振荡器按引出电极数目可分为双电极（二端）型晶体振荡器、三电极（三端）型晶体振荡器和四电极（四端）型晶体振荡器。 4)按用途分类 石英晶体振荡器按用途可分为彩色电视机用晶体振荡器、影碟机用晶体振荡器、无线通信用晶体振荡器、电子钟表用晶体振荡器等多种类型。 5)按基本谐振电路分类 石英晶体振荡器按基本谐振电路可分为并联晶体振荡器和串联晶体振荡器两种类型。 石英晶体振荡器的结构特点 石英晶体振荡器的结构原理 石英晶体振荡器一般由外壳、晶片、支架、电极板、引

23、线等组成。外壳材料有金属、玻璃、胶木、塑料等，外形有圆柱形、管形、长方形、正方形等多种。 晶片是从一块晶体上按一定的方位角切下的薄片，可以是圆形或正方形，矩形等。按切割晶片的方位不同，可将晶片分为AT、BT、CT、DT、X、Y等多种切型。不同切型的晶片其特性也不尽相同，尤其是频率温度特性相差较大。 晶片的两个对应表面上涂敷银层，由晶片支架固定并引出电极。晶片支架分为焊线式和夹紧式两种。通常，中、低频晶体振荡器采用焊线式晶片支架，而高频晶体振荡器采用夹紧式晶片支架。 石英晶体振荡器的工作原理基于晶片的压电效应（晶片两面加上不同极性的电压时，晶片的几何尺寸将压缩或伸张，此现象即为压电效应）。当晶片

24、两面加上交变电压时，晶片将随着交变信号的变化而产生机械振动。当交变电压的频率与晶片的固有频率（只与晶片几何尺寸相关）相同时，机械振动最强，电路中的电流也最大，这即是晶体谐振特性。 2.CC40161 3.74ls192： 集成双时钟十进制同步加/减计数器，CR为异步置0控制 端，高电平有效；为异步并行置数控制端，低电平有 效；D0-D3为并行数据输入端；CPu为加计数时钟输入端； CPd为减计数时钟输入端；为进位输出端；为借位输 出端；Q0-Q3为输出端。 Ct74ls192的功能表 输入 输出 说明CR CPU CPD D0 D1 D2 D3 Q0 Q1 Q2 Q3 1 X X X X X

25、X X 0 0 0 0 异步置00 0 X X d0 d1 d2 d3 d0 d1 d2 d3 异步置数0 1 1 X X X X 加计数 co-=cpu-q3q0-0 1 1 X X X X 减计数 bo-=cpd-q3-q2-q1-q0-0 1 1 1 X X X X 保 持 bo-=co-=1 1)异步置0功能。当CR=1时，不论有无时钟脉冲CP和其它信号输入，计数 器被置0，即Q3Q2Q1Q0=0000。 2）异步置数功能，当CR=0时，只要=0，不论有无时钟脉冲CP输入， 并行输入的数据d0-d3被置入计数器，即Q3Q2Q1Q0=d3d2d1d0。 3）技术功能。当CR=0时，=1，

26、CPd=1时，由CPu端输入计数脉冲，则 进行十进制加法计数。在计到最大数9（即Q3Q2Q1Q0=1001）时，端 变 为低电平。当输入第10个计数脉冲时，端由低电平越为高电平，其 输 出上升沿的进位信号，使相邻高位加1，同时，计数器回到Q3Q2Q1Q0=0000 状态。 当CR=0、=1、CPu=1时，CPd端输入计数脉冲，则进行十进制减 法计数，在计到Q3Q2Q1Q0=0000时，端变为低电平。如再输入一个计 数脉冲时端输出一个上升沿的借位信号，使相邻高位减1，同时计 数器回到最大数Q3Q2Q1Q0=1001。 计数器级联时，需将CO-和依次和后级的CPu、CPd相连。 4）保持功能。 当

27、CR=0、=1、CPu=CPd=1时，=1，计数器保持 原状态不变。这时禁止计数。 4. 74ls48 输出端（Ya-Yg）为高电平有效，当要输出0-15时，消隐输入（）应为高电平或开路，对于输出为0时还要求脉冲消隐输入（）为高电平或者开路。BI-为低电平时，不管其他输入状态如何，Ya-Yg均为低电平。RBI和地址端（A0-A3）均为低电平，并且定测试输入端（）为高电平时，Ya-Yg为低电平，脉冲消隐输出（）也变为低电平。当为高电平或开路时，为低电平可使Ya-Yg均为高电平。引出端符号A0-A3 译码地址输入端/消隐输入（低电平有效）/脉冲消隐输出（低电平有效） 灯测试输入端（低电平有效） 脉

28、冲消隐入端（低电平有效） Ya-Yg段输出5. 共阴极七段码管ck端接地；abcdefg接收来自译码器的信号3.2、脉冲产生电路 采取石英晶体振荡器产生32768hz，通过15级2分频电路，刚好可以得到1hz的标准脉冲。分频电路采用四片4位二进制计数器cc40161级联，取最后一个cc40161的o2输出，实现15级2分频电路。3.3时、分、秒计数器设计 计数器电路由秒位、分位、时位计数器构成。 3.3.1.秒个位计数器是十进制计数器，逢十进一，秒的十位计数器是六进制计数器，逢六进一，秒计数器从00-01-02-.-58-59-00，完成60进制的技术功能，分计数器与秒计数器一样，也是60进制

29、计数器，00-01-02-.-58-59-00，选用两片计数器74ls192组成60进制计数器。 六进制计数的原理：当74ls192构成的十进制计数器计数到0110时，清“0”，可实现六进制计数。0110 QD QC QB QA:0000-0001-0010-0011-0100-0101- 计数器清“0”3.3.2时位计数器 要求实现24进制计数，从00-01-02-.-22-23-00，选用两片计数器74ls192实现组成24进制计数器。 2424进制计数的原理：由两片计数器74ls192组成一个二十四进制计数器此计数器产生暂态24，使时计数器的两片74ls192同时清零，实现24进制计数。

30、00-01-02-.-09-10-.-19-20-21-22-23- 计数器清“0”3.4、校准电路 当数字钟计时时出现误差，需要校正时间，校时是数字钟应具备的基本功。一般数字钟都具有时、分的校时功能。对校准电路的要求是：在校时时不会影响分和秒的正常计数；在校正分时，不影响秒和小时的正常计数。4线处为脉冲输入，3线处为校正选择端，2线处正常计时，74ls00及j1,j3组成计时，校时控制电路，当出现计时误差时，可以利用秒时钟信号对“分”，“时”计时电路进行快速校正。J1开关选择“计时”，将封锁手动“校时”脉冲J3,秒脉冲经两级与非门传送到计数器。J1开关选择“校正”，秒脉冲被封锁，手动“校时”

31、脉冲J3经两级与非门传送到计数器。“计时”与“校时”采用与或方式控制。 3.5、译码驱动显示电路 译码器采用的是74ls48，驱动共阴极7段数码管，输出高电平有效，译码驱动电路将计数器输出的8421BCD码转换成数码管需要的逻辑状态，并且保证数码管的正常工作提供足够的工作电流，QA,QB,QC,QD,QE,QF,QG为七段译码输出，A,B,C,D是接受74ls192的输出，lt测试输入端，正常使用接高电平，rbi灭零输入端接高电平，bi/rbo灭零输出端接高电平，数码管选用的是共阴极数码管。3.6、报整点时数电路的设计 报整点时数的功能是：每当数字钟计时到整点时发出音响，且几点响几声。实现这一

32、功能的电路主要由以下及部分组成。 减法计数 完成几点响几声的功能，即从小时计数器的整点开始进行减法计数，直到零为止。 编码器 将小时计数器的5个输出端Q4,Q3,Q2,Q1,Q0按照“12”翻“1”的编码要求转换为减法计数器的4个输入端D3,D2,D1,D0所需的BCD码。编码器的真值表如图 分进位脉冲 小时计数器输出 减法计数器输入CP Q4 Q3 Q2 Q1 Q0 D3 D2 D1 D01 0 0 0 0 1 0 0 0 12 0 0 0 1 0 0 0 1 03 0 0 0 1 1 0 0 1 14 0 0 1 0 0 0 1 0 05 0 0 1 0 1 0 1 0 16 0 0 1 1 0 0 1 1 07 0 0 1 1 1 0 1 1 1 8 0 1 0 0 0 1 0 0 09 0 1 0 0 1 1 0 0 110 0 1 0 1 0 1 0 1 0 11 0 1 0 1 1 1 0 1 112 0 1 1 0 0 1 1 0 0