电子技术综合训练设计报告多功能电子钟的设计.doc
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1、电子技术综合训练设计报告题目: 多功能电子钟的设计-2 姓名: 学号: 班级: 电气工程及其自动化4班 同组成员: 指导教师: 日期: 2011年12月30日 目录摘要3一、 设计任务和要求41.1设计任务41.2基本要求:41.3扩展功能:4二、系统设计:42.1系统基本要求42.2系统方案设计52.2.1总体设计原理方框图52.2.2系统工作原理52.3系统的单元电路设计62.3.1秒脉冲电路62.3.2时间计数器电路82.3.3在分和秒之间显示“:”的设计92.3.4.译码驱动及显示单元电路设计102.3.5 校时单元电路设计122.3.6整点报时的设计132.3.7.电源电路的设计14
2、三系统仿真16总仿真图12所示16四电路安装、调试与测试184.1电路安装焊接184.2电路的调试194.2.1数码管的调试194.2.2各个部分的调试。194.2.3总电路的调试214.3 电路测试214.3.1功能测试214.3.2性能测试21五、结论21六、参考文献22附录:251.器件清单252. 用到器件的管脚图253.电路调试的实物图28摘要电子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需品,因此,研究数字钟及扩大其应用,有着非常现实的意义。这份设计报告主要介绍了一种以555定时器与RC构成为脉
3、冲信号,以74ls161为主体,以数码管为显示器件的数字钟电路的设计。电子钟用555定时器与RC组成的多谐振荡器为脉冲信号,频率为1Hz。其主体分两个部分,计时电路和校时电路。计时电路以数字形式显示时、分、秒,其中秒和分为60进制,时为12进制,校时电路可对分和时进行校时,当达到整点时会自动报时关键词:数字钟、校时、555定时器、整点报时一、 设计任务和要求1.1设计任务 设计一个多功能电子钟并制作完成1.2基本要求:1、数字形式显示时、分、秒,在分和秒之间显示“:”,并按1次/秒的速度闪烁;2、每日以24小时为一个记时周期;3、有校正功能,能够在任何时刻对电子钟进行方便的校正;4、电源:22
4、0V/50HZ的工频交流电供电;注:直流电源部分仅完成设计即可,不需制作,用实验室提供的稳压电源调试,但要求设计的直流电源能够满足电路要求) 5、按照以上技术要求设计电路,绘制电路图,对设计的电路用Multisim进行仿真,用万用板焊接元器件,制作电路,完成调试、测试,撰写设计报告。1.3扩展功能:整点时刻通过扬声器给出提示。二、系统设计:2.1系统基本要求数字电子钟的设计方法很多种,例如,可用中小规模集成电路组成电子钟;也可以利用专用的电子钟芯片配以显示电路及其所需要的外围电路组成电子钟;还可以利用单片机来实现电子钟等。在本设计中电路是由中小规模集成电路组成多功能电子时钟,对于一个具有计时、
5、校时、报时、显示等基本功能的数字钟主要由振荡器、计数器、译码器、显示器、校时电路、报时电路等六部分组成。用石英晶体振荡器或通过555定时器构成振荡器产生的信号经过分频器得到秒脉冲,秒脉冲送入计数器计数,计数结果通过“时”、“分”、“秒”译码器译码,并通过显示器显示时间。 2.2系统方案设计2.2.1总体设计原理方框图如下图1:时显示器分显示器时译码器分译码器秒显示器秒译码器时计数器分计数器秒计数器秒振荡器校时电路扩展电路整点报时等图1.多功能电子钟系统组成框图2.2.2系统工作原理由振荡器产生的稳定的标准秒脉冲作为数字时钟的时间基准。秒计数器计满60后向分计数器进位,分计数器计满60后向时计数
6、器进位,小时计数器按照24进1的规律计数。计数器的输出经译码器送显示器。计时出现误差时可以用校时电路进行校时。1)振荡器电路:通过555定时器构成1Hz秒脉冲或通过石英晶体振荡器通过分频得到1Hz的秒脉冲2)时间计数器电路:时间计数电路由秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器及时个位和时十位计数器电路构成,其中秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器为60进制计数器,而根据设计要求,时个位和时十位计数器为24进制计数器。3)译码驱动电路:译码驱动电路将计数器输出的8421BCD码转换为数码管需要的逻辑状态,并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。4)校时电路:当重新接通电源或走时出现
7、误差时都需要对时间进行校正。5)整点报时电路:在时间出现整点前数秒内,数字钟会自动报时,以示提醒.其作用方式是发出连续的或有节奏的音频声波。6)直流稳压电源:在电子电路中,通常都需要电压稳定的直流电源供电它是由电源变压器、整流、滤波和稳压电路等四部分组成。本设计采用的直流稳压电源,输入为220V的交流电,输出为5V左右的稳定电压。2.3系统的单元电路设计2.3.1秒脉冲电路1. 方案选择方案一 晶体震振荡器电路采用石英晶体振荡器。使用振荡频率为32768Hz的石英晶体和反向器构成一个稳定性好、精度高的时间信号源。改变电容C可以对振荡器的频率进行微调,再通过一个反相器,输出32768Hz的方波,
8、将此方波的频率进行15次二分频后,在输出端刚好可得到频率为1Hz的脉冲信号。方案二 555振荡器电路采用集成电路555定时器与RC组成的多谐振荡器。(比较)振荡器是计时器的核心,其作用是产生一个标准频率的脉冲信号,秒信号发生器是数字电子钟的核心部分,它的精度和稳度决定了数字钟的质量,但考虑到本设计电路有相关校时电路且用石音晶体振荡电路时分频电路用的元件较多且价格较贵,用555构成的电路元件容易得,电路简单且易于实现,故选方案二2. 电路参数的选择 关于555定时器的相关参数以及构成多谢振荡器的原理参考数字电子技术基础阎石主编的相关章节 采用集成电路555定时器与RC组成的多谐振荡器。输出的脉冲
9、频率为1Hz, (2-1)周期T1s。由于脉冲的占空比对系统的影响不大,故把占空比设计为2/3。 由555定时器的特性参数可知,当电源电压取5V时,在100mA时的输出电流下输出电压的典型值为3.3V,所以取Vcc=5V可以满足对输出脉冲幅度的要求。 由 (2-2)故可得到R1=R2 又有T=1s,若取C=,则代入上式得到 3 R1Cln2=1 于是 (2-3)因R1=R2,所以选择两只的电阻与一个的电位器串联即可达到设计的要求,通过改变相应的电阻可使频率微调,不必使用分频器来对高频信号进行分频使电路复杂。3.电路的设计如图2所示:图2 555定时器和RC组成构成的秒信号发生器2.3.2时间计
10、数器电路1. 芯片的选择常见的TTL型MSI计数器有74LS160、74LS161、74LS163、74LS90、74LS193等,考虑到设计成本的限制以及常见性选择74LS161最为合理。2. 芯片的介绍74LS161为可预置的4 位二进制同步计数器,74LS161 的清除端是异步的。当清除端CLEAR 为低电平时,不管时钟端CLOCK 状态如何,即可完成清除功能。74LS161 的计数是同步的,靠CLOCK 同时加在四个触发器上而实现的。关于更详细的介绍请查看相关的数据手册,在此不再赘述。其引脚图见附录2。3.计数电路设计时时间计数单元有时计数、分计数和秒计数等几个部分。时计数单元一般为2
11、4进制计数器,其输出为两位8421BCD码形式;分计数和秒计数单元为60进制计数器,其输出也为8421BCD码。1)60进制计数器由74ls161构成的60进制计数器,将一片74ls161设计成10进制加法计数器,另一片设计成6进制加法计数器。两片74ls161按反馈清零法串接而成。秒/分计数器的十位和个位,输出脉冲除用作自身清零外,同时还作为分计数器的输入脉冲CP1。下图3所示电路即可作为秒/分计数器。图3 秒/时计数器电路2)24进制计数器由74ls161构成的二十四进制计数器,将一片74ls161设计成四进制加法计数器,另一片设置二进制加法计数器。即个位计数状态为Qd Qc Qb Qa
12、= 0100,十位计数状态为Qd Qc Qb Qa = 0010时,要求计数器归零。通过把个位Qc、十位Qb相与非后的信号送到个位、十位计数器的清零端,使计数器清零,另外还要考虑一个问题就是个位还必须达到10后向十位进位,如下图4构成24进制计数器。电路图如下:图4 24进制计数器2.3.3在分和秒之间显示“:”的设计1. 发光二极管的限流电阻的选择。不能让LED一直工作在最大额定值。所以正向电流IF最大额定值(一般是30mA)。根据常识我们可以知道,电流大,LED发光强,但消耗的功率大。电流小,LED发光小,消耗的功率小。通常电路用LED是做指示用途,电路的总体功耗要控制,不能都消耗在指示灯
13、上,当然还要考虑电源的功率要满足后面电路功耗的要求,并且最好要有富裕。所以这个LED的正向电流我们选取20mA,正向压降为3.3V。限流电阻可以根据下式计算: 限流电阻=(电源电压-LED正向稳压电压)/要求的工作电流 选取IF=20mA,VF=3.3V,电源电压Vcc=5V:限流电阻=(5V-3.3V)/20mA=85 故本设计电路中选择85*2=1701802. 电路原理图在秒计数器的前面加两个,采用两只发光二极管的串联,并加上180的限流电阻,共阳极接高电平,共阴极接到秒脉冲的输出端,则两个发光二极管按1次/秒的速度闪烁;在分计数器前面加两只发光二极管,阳极接高电平并加上180,阴极接低
14、电平,则两只二极管一支处于点亮状态。电路图5如下所示图5显示“:”电路的原理图2.3.4.译码驱动及显示单元电路设计计数器实现了对时间的累计以8421BCD码形式输出,为了将计数器输出的8421BCD码显示出来,需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,一般这种译码器通常称为7段译码显示驱动器。常用的7段译码显示驱动器有74LS48,CD4511等1) 数码管简介数码管是由八只发光二极管组成(其中一只显示小数点)。工作时,要求发光二极管的公共阴极接地。当某一发光二极管阳极加上高电平时,相应的发光二极管导通,这一段(或点)就会发光。若要显示十进制数的十个数
15、码09,只要在相应的字段阳极上加上高电平即可。例如,要显示5时,则应在a,c,d,f,g各段阳极上加上高电平。为限制个发光二极管的电流,可在它们的公共阴极上串联一只300左右的限流电阻。2)CD4511芯片简介CD4511是一个用于驱动共阴极 LED (数码管)显示器的 BCD 码七段码译码器,可直接驱动LED显示器。CD4511的里面有上拉电阻,可直接或者接一个电阻与七段数码管接口。其详细参数请查看相关的数据手册,不再赘述,其引脚图见附录2。CD4511也是一种BCD-7段显示译码器,它属于CMOS器件,高电平输出电流可达25mA。该器件用于驱动共阴极7段LED数码管。3)限流电阻的选择,数
16、码管点亮的电流值一般为3mA左右,正常工作电流范围为310mA,超过10mA的话会烧坏数码管。一般情况下红色的发光二极管点亮是的压降值是1.7V,故限流电阻的大小为 在本设计中需要数码管较亮的显示,选取的电阻4)基本电路图选用共阴极数码管,对于 CD4511 ,它与数码管的基本连接方式如下图6 :图6 CD4511与数码管的基本连接方式2.3.5 校时单元电路设计当重新接通电源或走时出现误差时都需要对时间进行校正。通常,校正时间的方法是:首先截断正常的计数通路,然后再进行人工出触发计数或将频率较高的方波信号加到需要校正的计数单元的输入端,校正好后,再转入正常计时状态即可。校“秒”时,采用等待校
17、时,校“分”、“时”的原理比较简单,采用加速(校时电路)校时。对校时电路的要求是 :l 在小时校正时不影响分和秒的正常计数 。l 在分校正时不影响秒和小时的正常计数 。校正电路如下图6所示,本校准电路由基本RS触发器和“与”非门组成,基本RS触发器的功能是产生单脉冲,还起到了防抖动作用。未拨动开关J1时,“与非”门U2B的一个输入端接地,基本RS触发器处于“1”状态,这是数字钟正常工作,“分”进位脉冲能进入“分”计数器。拨动开关J1时,“与非”门U6B的一个输入端接地,于是基本RS触发器转为“0”状态。秒状态可以直接进入“分”计数器,而“分”进位脉冲被阻止进入,因而能较快地校准分计数器的计数值
18、。校准后,将校正开关恢复原位,数字钟继续进行正常计时工作。小时的校正同理。图7 校正电路图本电路的防抖分析:在按压按键时,由于机械开关的接触抖动,往往在几十毫秒内电压会出现多次抖动,相当于连续出现了几个脉冲信号。显然,用这样的开关产生的信号直接作为电路的驱动信号可能导致电路产生错误动作。在本设计中将会出现“乱码”的状况。如上图7所示。S 0, Rl,可得出Ql, 0。当按压按键时,Sl,R0,可得出 Q0,1,改变了输出信号Q的状态。若由于机械开关的接触抖动,则R的状态会在0和1之间变化多次,若 Rl,由于Q0,因此U2B门仍然是“有低出高”,不会影响输出的状态。同理,当松开按键时, S端出现
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- 电子技术 综合 训练 设计 报告 多功能 电子钟

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