《数字电子电路》课程设计简易数显电子钟设计.doc

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1、摘要：简易数显电子钟主要有三部分构成：函数信号发生器 计时电路 整点报时。晶振提供一个频率稳定准确的32768Hz的信号，经过分频器分频的到1Hz稳定准确的函数信号，做为计数器的脉冲信号，六个计数器串行连接，分别采用十进制和六进制计数（时十位为三进制计数），通过7448译码器和显示器显现出来，计数周期为24小时。当分钟两位同时为零时通过单稳态触发和0.5Hz函数信号共同作用多谐振荡，通过控制单稳态触发时间来控制多谐震荡时间，从而控制响铃时间。关键字：晶体振荡器、分频器、译码显示Abstract：The simple number reveals the electron clock mainl

2、y to have three parts of constitutions:The function signal generating device timing circuit integral point reports time. The crystal oscillator provides frequency stable accurate 32768Hz the signal. After frequency divider frequency division to 1Hz stable accurate function signal,Does for the counte

3、r pulse signal. Six counter serial connections,Uses the decimal base and the senary counting separately (when ten for ternary notation counting). Comes out through 7448 decoders and the monitor appearances,The counting cycle is 24 hours. When at the same time minute two affects the multi-harmonic vi

4、brations together for the zero hour through monostable triggering and the 0.5Hz function signal, Through controls the monostable triggering time to control the multi-harmony shake time,Thus control bell time.Keywords: crystal oscillator、 the frequency divider、decoding display目 录一.前言 3二.慨述与基本组成 5三.单元

5、模块设计1.电源信号 52.信号发生器 71）晶体振荡电路 82）分频电路 93.计数器 101）分.秒计数器 112）时计数器 124.译码显示电路 135.自动报时电路 16四.主要元器件介绍 181.CD4060 182.555 183.74LS161 24五、系统功能、指标参数 25六、设计总结 26附 录 27前言：电子技术基础课程设计是在“电子技术基础”课程之后，集中安排的重要实践性教学环节。学生运用所学的知识，动脑又动手，在教师指导下，结合某一专题独立地开展电子电路的设计与实验，培养和提高分析、解决实际电路问题的能力。它是高等学校电子工程类专业的学生必须进行的一种综合性训练。课程

6、设计的任务一般是让学生设计、组装并调试一个简单的电子电路装置。需要学生综合运用“电子技术基础”课程的知识，通过调查研究、查阅资料、方案论证与选定；设计和选取电路及元器件；组装和调试电路，测试指标及分析讨论，完成设计任务。课程设计不能停留在理论设计和书面答案上，需要运用实验检测手段，使理论设计逐步完善，做出达到指标要求的实际电路。通过这种综合训练，学生可以掌握电路设计的基本方法，提高动手组织实验的基本技能，培养分析解决电路问题的实际本领，为以后毕业设计和从事电子电路实际工作打下基础。课程设计主要是围绕一门课程的内容所做的综合练习。题目出自实际电路，一般没有固定的答案。但由于电路比较简单、定型，又

7、不是真实的生产、科研任务，所以学生基本上能有章可循，完成起来并不困难。这里的着眼点是让学生从理论学习的轨道上逐步引向实际方面来，把过去熟悉的定性分析、定量计算逐步和工程估算、实验调整等手段结合起来，掌握工程设计的步骤和方法，了解科学实验的程序和实施方法。数字钟设计过程中,更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法。在连接六进制,十进制,六十进制的进位及十二进制的接法中,要求熟悉逻辑电路及其芯片各引脚的功能,那么在电路出错时便能准确地找出错误所在并及时纠正了。在设计电路中,往往是先仿真后连接实物图,但有时候仿真和电路连接并不是完全一致的, 数字钟设计重在于仿真和接线,虽

8、然能把电路图接出来,并能正常显示,但对于电路本身的原理并不是十分熟悉.总的来说,通过这次的设计实验更进一步地增强了实验的动手能力。简易数显电子钟设计任务与要求：1 设计一个数显电子钟,时间由6个数码管和4个发光二极管进行显示,显示方式为:HH:MM:SS:2 显示时间为24小时制.(注意:小时的十位具有0,1,2,三种状态,个位有十进制和四进制两种).3 要求走时精度在24小时内误差不超过30秒.4 整点报时:在整点的时候发出10次声响,每次持续1秒,间隔1秒;声音频率自由选择.5 设计所需支流电源数字钟设计一慨述与基本组成：数字钟是一个将时、分、秒显示给人的视觉器官的计时装置。它的计时周期为

9、24小时，显示满刻度为23时59分59秒，另外还有报时功能。所以，数字钟主要由脉冲源、计数器、译码器、数码管和整点报时电路组成。如图一所示:图一1. 电源信号：+5V电源将220V的电压变成LM309可用的电压，电源变压器是将交流电网220V的电压所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变成脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的支流电压。但这样的电压还随电网电压波动（一般有10%左右的波动）、负载和温度的变化而变化。因而在整流、滤波电路之后，还需要接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。方框图

10、如下。通过309之后在由电阻分压就可以向CC7107输入有效的电压值。最后再由CC7107向LED输入电压，最后由LED显示出其电压值。而CC7107的供电部分，是通过使用7805和7905分别向它的35和26引脚输入+5V和-5V的电压使其工作。 对CC7107的输入是选用两个运放，一个是反比例缩小100倍的，另一个是1:1的反比例运放。但是考虑到设计的简略性和可使用性，所以改有了电阻分流。这样就不用再设计一个向运放提供+12V和-12V的电压。电阻分流使得设计变得简单而且也节约了设计的成本，使得可行性提高。桥式整流电路：电路如图所示，图中最做边为压器，它的作用是将交流电网电压v1变成整流电

11、路要求的交流电压： RL是要求直流供电的负载电阻，四只整流二极管D1D4接成的电桥形式，故有桥式整流电路之称。2.信号发生器：1Hz脉冲信号为了产生精确的秒信号，必须有信号发生器即振荡器。从数字电路课中可知，振荡器的频率和稳定度越高，形成的钞信号就越准确。为了简便可行，用电子表的石英晶体构成频率为32768HZ（215）的振荡器，然后经过15次二分频就可以得到秒信号。采用14位二进制串行分频器CD4060，接石英晶体JN即可直接实现振荡与分频功能。因其输出是2Hz的信号，需再接一个二分频器就可以得秒信号，见图二 ：1Hz脉冲信号图二）晶体振荡器电路晶体振荡器是构成数字式时钟的核心，它保证了时钟

12、的走时准确及稳定。图中所示电路通过非门构成的输出为方波的数字式晶体振荡电路，这个电路中内部结构为非门与与外部的晶体、电容和电阻构成晶体振荡器电路，另一个非门实现整形功能，将振荡器输出的近似于正弦波的波形转换为较理想的方波。输出反馈电阻为非门提供偏置，使电路工作于放大区域，即非门的功能近似于一个高增益的反相放大器。电容、与晶体构成一个谐振型网络，完成对振荡频率的控制功能，同时提供了一个度相移，从而和非门构成一个正反馈网络，实现了振荡器的功能。由于晶体具有较高的频率稳定性及准确性，从而保证了输出频率的稳定和准确。晶体XTAL的频率选为32768HZ。该元件专为数字钟电路而设计，其频率较低，有利于减

13、少分频器级数。从有关手册中，可查得C1、C2均为30pF。当要求频率准确度和稳定度更高时，还可接入校正电容并采取温度补偿措施。由于CMOS电路的输入阻抗极高，因此反馈电阻R1可选为10M。较高的反馈电阻有利于提高振荡频率的稳定性。非门电路可选74HC00。 COMS晶体振荡器）分频器电路通常，数字钟的晶体振荡器输出频率较高，为了得到z的秒信号输入，需要对振荡器的输出信号进行分频。通常实现分频器的电路是计数器电路，一般采用多级进制计数器来实现。例如，将z的振荡信号分频为Z的分频倍数为（），即实现该分频功能的计数器相当于极进制计数器。常用的进制计数器有等。本实验中采用CD4060来构成分频电路。C

14、D4060在数字集成电路中可实现的分频次数最高，而且CD4060还包含振荡电路所需的非门，使用更为方便。计数为级进制计数器，可以将Z的信号分频为Z，其内部框图如图3-3所示，从图中可以看出，的时钟输入端两个串接的非门，因此可以直接实现振荡和分频的功能。3计数器: 有了标准秒信号后，就可以根据60秒为1分、60分为1小时、24小时为1天的计数周期。将这些计数器适当连接，就可以形成时、分、秒的计数，从而实现计时功能。若计数器从0时、0分、0秒开始计数，那么任何时刻计数器里的数就表示该时刻的时间。在此数字钟，用同步十进制加法计数器74161来分别组成时、分、秒计数器。1） 分、秒计数器： 分、秒计数

15、器都是由两个同步十进制加法计数器级联而成，其中个位连接成10进制加法计数器，十位连接成6进制加法计数器，再通过由振荡器产生的标准秒信号作用来实现60进制计数功能。此数字钟的分、秒计数器的组成。如图三所示。脉冲信号输入端信号输出端 图三 该电路的工作原理如下： 以秒计数器为例来讲述两个计数器的工作原理。如图四，用同步十进制加法计数器74161、B级联组成了60进制加法计数器。计数器A组成了10进制加法计数器，其起始状态为QA4QA3QA2QA1=0000(秒个位)，QB4QB3QB2QB1=0000(秒十位)。当标准秒信号上升沿到达时，计数器A开始计数，从0000至1001，即从0至9，当到达状

16、态1001，即9的时候，计数器A的进位端(RCOA) 产生了为高电平的进位信号(该进位端直接与秒十位计数器B的时钟脉冲端(CLKB)相连)，进位信号进入秒十位的时钟脉冲端作为计数器B的时钟脉冲信号，使秒十位开始计数。重复以上计数器A的工作过程，当计数器B到达过渡状态0110时，在QB3端及QB2端分别产生了为高电平信号，因为计数器B是采取异步复位反馈法连接成60进制加法计数器，所以该信号通过与非门1形成低电平的复位信号并反馈到计数器B的复位端(CLRB)，使整个秒计数器全部回复起始状态，秒计数器重新计数。同时，因为该复位端又与整个分计数器的时钟脉冲端(CLKC及CLKD)直接相连，所以该复位信

17、号也作为分计数器的时钟脉冲信号，使分计数器也进行计数。分计数器的工作原理与秒计数器基本相同，其区别在于: 分计数器的时钟脉冲信号为秒十位的与非门1产生的复位信号;以及分十位产生的复位信号作为时计数器的时钟脉冲信号。2）时计数器：时计数器也是由两个同步十进制加法计数器采用异步复位反馈法级联而成，但其时钟脉冲信号是来自分十位的复位信号；而该计数器的复位信号是采样自时个位的QE3端以及时十位的QF2端。此数字钟的时计数器的组成如图四所示。脉冲信号图四该电路的工作原理如下：时计数器的起始状态为QE4QE3QE2QE1=0000(时个位)，QF4QF3QF2QF1=0000(时十位)。当分十位复位信号的

18、上升沿到达时，计数器E开始计数，从0000至1001，即从0至9，当到达过渡状态1001，即9的时候，计数器E的进位端(RCOE) 产生了为高电平的进位信号,该信号另使能端(ENTF)为高电平，计数器F开始计数。重复以上计数器E的工作过程，当计数器E到达状态0100，计数器F到达状态0010时，在QE3端和QF2端分别产生了高电平信号，因为整个时计数器是采用异步复位反馈法级联而成，所以该信号通过与非门形成低电平的复位信号并反馈到计数器E和计数器F的复位端(CLRE及CLRF)。使整个时计数器全部回复起始状态，时计数器重新计数。4、译码显示电路 当数字钟的计数器在标准秒信号的作用下，按60秒为1

19、分、60分为1小时、24小时为1天的计数规律计数时，就应将其状态显示成清晰的数字符号，这就需要将计数器的状态进行译码并将其显示出来。在此数字钟，用七段字型译码器7448和七段字型数码显示器组成译码显示电路。该电路的工作原理如下：计数器实现了对时间的累计以8421BCD码形式输出，选用显示译码电路将计数器的输出数码转换为数码显示器件所需要的输出逻辑和一定的电流，本设计选用的是7448作为显示译码电路，选用LED数码管作为显示单元电路。另外有4个发光二极管组成4个点。右边两个相当于时钟的秒针，它在1秒内亮0.5秒、熄0.5秒，在电路中接一个三极管以实现这一过程。因为七段字型译码器7448的输出为高

20、电平，所以七段字型数码显示器内的发光二极管采用共阴极接法。8421BCD码由7448的代码输入端Q4Q1(DA)输入，通过7448进行译码，译码后的信号在7448的译码输出端(OAOG)输出，用该信号来控制七段字型数码显示器内部的发光二极管的导通和截止，从而就能清晰地显示出译码的结果。 极管的正向工作电压一般为1.53V，译码器的输出推动信号需要几毫安至十几毫安，为防止发光二极管因过流而损坏，所以在译码器和数码显示器间接入排电阻，从而保护了数码显示器内的发光二极管。LED显示与单片机接口常用的LED显示器有7段（或8段，8段比7段多了一个小数点“dp”段。这种显示器有共阳极和共阴极两种。该设计

21、中选用的是共阴极。如图。共阴极LED显示器的发光二极管的阴极连接在一起，通常该共阴极接地。当某个发光二级管的阳极为高电平时，发光二级管点亮，相应的段被显示。共阴LED的内部结构和外型使用LED显示器时，为了显示数字或符号，要为LED显示器提供代码，因为这些代码是通过段的亮与灭来显示不同字型的，因此称之为段码。7段发光二极管，再加上一个小数点位，共计8段。因此提供给LED显示器的段码正好一个字节。各段字节中各位的对应关系如表：表中、LED各段字节中各位的对应关系显示数dpgfedcba段码0001111113FH10000011006H2010110115BH3010011114FH401100

22、11066H5011011016DH6011111017DH70000011107H8011111117FH9011011116FH由于单片机I/O的电气特性决定了单片机的端口的驱动能力有限，一般的，单片机的端口只是驱动TTL电平，不提供或者提供很小的驱动电流，所以在带负载时，单片机应当在I/O口上加上驱动芯片。该设计中使用ULN2803驱动芯片。发光二极管工作电流在10mA左右，而一般I/O接口不能提供这么大的电流需要使用驱动电路，常用的有ULN2003A，7段驱动，ULN2803 8段驱动。LED与单片机的接线如图五所示。图 五 5自动报时电路 (1)音响电路 音频振荡器音频振荡信号V可为

23、正弦波或矩形拨，一般201000Hz（柔和的音频范围），可选用多种方案实现，如RC环行振荡器 自激对称多谐振荡器 555集成定时器构成的振荡器等。音响控制电路 用TTL功率门或集电极开路门（OC门）可以直接驱动小功率喇叭发声，如图四。若Vk是周期1S的矩形波，则会产生响一下停一下，响停共一秒的声音。Q是报时控制信号。（2）自动报时原理图：报时信号1Hz脉冲信号其中第一个555定时器为单稳态触发器,脉宽为20秒，将其与分频后输出的0.5HZ信号经COMS与非门与非后再输入第二个555定时器（多谐振荡器）的第4脚，使扬声器能够发出声响。并且其脉宽为t=tp+th=2秒，其中tph为响1秒的时间，t

24、hl为间隔1秒的时间。即实现整点时发出10次声响,每次持续1秒,间隔1秒的功能。6 主要元器件介绍1. CD4060 图13. CD4060的引脚图 2. 555定时器 555定时器的电路结构555定时器是一个多用途的模拟-数字混合集成电路。555定时器的内部电路结构如图5-1所示。 由图5-1可见，555定时器内部电路由电压比较器C1和C2，RS触发器和集电极开路的三极管T三部分组成。555定时器有两个输入端，一个输出端，共8个引脚。器件的第6脚接电压比较器C1的反相输入端，称为阈值端，用符号TH来标注；第2脚接电压比较器C2的同相输入端，称为触发端，用符号 来标注；第5脚是控制电压输入端，

25、用符号VCO来标注；第4脚是RS触发器的复位端；第3脚是信号输出端，第1脚是接地端，第8脚是电源电压输入端。由图5-1可见，当第5脚悬空时，第8脚所接的电源电压Vcc经三个5k的电阻R分压，电压比较器C1同相输入端的电压为 ，该电压是电压比较器C1的参考电压；电压比较器C2反相输入端的电压为 ，该电压是电压比较器C2的参考电压。555定时器的工作原理是：当输入电压 时，电压比较器C1反相输入端的输入电压小于参考电压，相当于在电压比较器C1的反相输入端输入一个负极性的信号，电压比较器C1的输出电压为正极性的信号，即高电平信号“1”；电压比较器C2同相输入端的输入电压小于参考电压，相当于在电压比较

26、器C2的同相输入端输入一个负极性的信号，电压比较器C2的输出电压为负极性信号，即低电平信号“0”；RS触发器被置位，输出电压u0等于1。当输入电压 时，ui2从 变化到 时，电压比较器C1反相输入端的输入电压小于参考电压，电压比较器C1的输出电压为高电平信号“1”；电压比较器C2同相输入端的输入电压从小于参考电压变化到大于参考电压，电压比较器C2的输出电压从低电平信号“0“变为高电平信号“1”；RS触发器处在保持的状态，保持 时的输出状态，输出电压u0等于1。当输入电压 时，电压比较器C1反相输入端的输入电压大于参考电压，相当于在电压比较器C1的反相输入端输入一个正极性的信号，电压比较器C1的

27、输出电压为负极性的信号，即低电平信号“0”；电压比较器C2同相输入端的输入电压大于参考电压，相当于在电压比较器C2的同相输入端输入一个正极性的信号，电压比较器C2的输出电压为正极性信号，即高电平信号“1”；RS触发器被复位，输出电压u0等于0。当输入电压 时，ui1从 变化到 时，电压比较器C2同相输入端的输入电压大于参考电压，电压比较器C2的输出电压为高电平信号“1”；电压比较器C1反相输入端的输入电压从大于参考电压变化到小于参考电压，电压比较器C1的输出电压从低电平“0”变为高电平“1”；RS触发器处在保持的状态，保持 时的输出状态，输出电压u0等于0。555定时器输出与输入的关系也可用功

28、能表来描述，555定时器的功能表如表5-1所示。表5-1 555定时器的功能表RDU6（TH） U2(TR)U0V100导通11截止10导通1不变不变用555定时器组成单稳态电路用555定时器也可以组成单稳态电路，由555定时器组成的单稳态电路如图5-5所示。 单稳态电路的工作原理是：在正常的情况下，电路的输入信号端接 的高电平信号，电容C上的电压uC=0， 555定时器的输入状态满足 ， 的条件，根据表5-1可得，555定时器内部的电压比较器C1和C2的输出电压都是高电平“1”，555定时器内部的RS触发器处在记忆的状态，记住Q=0的低电平状态，555定时器内部的三极管T导通，单稳态电路保持

29、输出低电平的状态，电路的输出电压uO=0，该状态是单稳态电路的稳定态。 若在单稳态电路的输入端加上一个负脉冲的触发信号，在负脉冲信号的触发下，555定时器内部的电压比较器C2的输出电压为低电平信号“0”，电压比较器C1的输出电压为高电平信号“1”，555定时器内部的RS触发器被置位，RS触发器处在Q=1的状态，单稳态电路的输出为高电平，电路的输出电压为uO=1。当单稳态电路的输出uO=1时，因555定时器内部RS触发器的输出Q=1， ，所以，三极管T截止，电源Vcc经电阻R向电容C充电，使电容两端的电压uC增大，当电容C两端的电压 时，555定时器内部的电压比较器C1的输出电压为低电平信号“0

30、”，电压比较器C2的输出电压因负脉冲触发信号的消失变成高电平信号“1”，555定时器内部的RS触发器被复位，RS触发器的状态为“0”，单稳态电路自动回到输出电压uO=0的稳定态。当555定时器内部的RS触发器处在状态“0”时，555定时器内部的三极管T导通，电容C通过三极管T放电，使电容两端的电压恢复到uC=0的状态，为下一次充电作准备。由上面的讨论可见，单稳态电路输出电压uO=1的状态不是电路的稳定态，该状态仅在负脉冲触发信号作用后的短时间内出现，称为电路的暂稳态。单稳态电路的工作波形图如图5-6所示。 由图5-6可见，单稳态电路在负脉冲信号的触发下，电路进入输出电压uO=1的暂稳态，暂稳态

31、所持续的时间用tw来表示，利用电容充电过程的三要素公式可求得tw的大小。利用三要素公式求tw的过程如下：根据单稳态电路工作的特点可得电路的三要素为uC（0）=0，uC（）=Vcc，=RC。将电路的三要素代入电容充电过程的三要素公式可得： 由式5-3可见，单稳态电路暂稳态所持续的时间tW与RC有关，改变RC的值，即可改变单稳态电路暂稳态所持续的时间。 用555定时器组成多谐振荡器用555定时器组成的多谐振荡器如图5-8所示。图5-8所示电路的工作原理是：设接通电源时，电路的输出状态为高电平。在这种情况下，555定时器内部的三极管T截止，电源Vcc通过电阻R1和R2对电容C充电，当电容C两端的电压

32、充电到大于 时，555定时器内部的RS触发器被复位，电路的输出为低电平。当电路的输出为低电平时，555定时器内部的三极管T导通，电容C通过电阻R2放电，当电容C两端的电压放电到小于 时，555定时器内部的RS触发器被置位，电路的输出又恢复到高电平。多谐振荡器周而复始地重复上述的过程输出高、低电平交替变化的方波信号。多谐振荡器上述工作过程的波形图如图5-9所示。根据RC电路充，放电过程的三要素公式可得多谐振荡器输出方波信号的频率。由图5-8和图5-9可见，电容充电过程的三要素为 ， ，=（R1+R2）C。根据三要素公式可得3. 74LS161图14. 74LS161的引脚图常用的同步4位二进制加

33、法计数器的集成芯片74LS161，它的功能简图如图5.17所示，它的功能表如表6.1所示。 图5.17 74LS161的功能简图表6.1 74LS161功能表CPD3D2D1D000000101111计数110保持110保持从表可见： 是异步清零端，当时，无论74LS161的其它各端信号如何，输出均为零。 同步并行置数端，当，有上升沿，且时，计数器输入端各状态置到输出端。为计数控制端，当，且时，计数器才处于计数状态。当，时，不管其它输入端状态如何，计数器的输出端均保持不变。是进位端，并且。五、系统功能、指标参数系统实现的功能：简易数显电子钟是一个以24小时为一周期的计数器，能准确地记录时间并显

34、示时间，具有整点报时功能，正点时发出10次声响，每次持续1秒，间隔1秒。系统指示参数测试与分析：本次实验的重点参数测试是单稳态持续时间的测试，脉冲信号的稳定准确性，和发声的音量（由频率确定）。 单稳态持续的时间由外接的R与C共同决定，只要Tw=1.1RC=20S就能确定单稳态时间。 脉冲信号由晶振提供32768Hz再分频所得，具有稳定的频率，主要参数由晶振提供。 发声的音量主要由通过喇叭的频率确定，频率越大发出的声音越大，所以在电源与喇叭之间的电阻的阻值是重点，但人类能听到声音的频率范围是20Hz1000Hz之间，电阻的阻值控制在几欧以内，就能达到人们所能听到的声音，完成报时效果。六.设计总结：通过此次的课程设计，初步了解到电子电路的设计过程、设计的方法。对以往学过的数字电子电路的有关知识进行了复习，温故而知新。对相关的元、器件和集成块的实际应用，有了更深一步的认识。对老师提出的问题能准确地进行分析和最终得到解决。学会了查找有关的工具书来解决设计中出现的问题。在设计过程中能发现一些平时没有遇见的问题。复习了Word的使用方法。