多功能数字钟—数电课程设计报告

《多功能数字钟电路设计与制作》

课程设计报告

班级：建筑设施智能技术二班

姓名：*****

学号：********

指导教师：*****

2010年11月19日

目录

一、内容摘要 (3)

二、设计内容及要求 (3)

三、总设计原理 (3)

四、单元电路的设计 (6)

1、基于NE555的秒方波发生器的设计 (5)

2、基于74LS160的12\60进制计数器的设计 (7)

3、校时电路的设计 (9)

五、设计总电路图 (10)

六、主要仪器及其使用方法 (10)

七、设计过程中的问题及解决方案 (10)

八、心得体会 (12)

九、附录 (13)

多功能数字钟的电路设计与制作

一、内容摘要：

数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。

数字钟从原理上讲是一种典型的数字电路，其中包括了组合逻辑电路和时序电路。它可以实现数字电子时钟功能、仿电台整点报时功能、定时功能这三项基本功能。

二、设计内容及要求：

①基本功能：以数字形式显示时、分、秒的时间，小时计数器的计时要求为“12翻1”，并要求能手动快校时、快校分或慢校时、慢校分。

②扩展功能：定时控制，其时间自定；仿广播电台正点报时—自动报正点时数。

三、总设计原理：

（1）数字电子计时器组成原理

图1数字电子计时器的结构框图

（2）用74LS160实现12进制计数器

（3）校时电路

当刚接通电源或时钟走时出现误差时，都需要进行时间的校准。校时是数字钟应具有的基本功能，一般电子钟都有时、分、秒校时功能。为使电路简单，这里只进行分和小时的校准。校时可采用快校时和慢校时两种方式。校时脉冲采用秒脉冲，则为快校时；如果校时脉冲由单次脉冲产生器提供则为慢校时。图3中C 1、 C 2用于消除抖动。

图3 校时电路

CLK

图2 用整体置零法构成的12进制计数器

进位

1

校

4、时基电路

图4 由555定时器构成的多谐振荡器

5、定时控制电路

数字钟在指定的时刻发出信号，或驱动音响电路“闹时”，或对某装置进行控制，都要求时间准确，即信号的开始时刻与持续时间必须满足规定的要求。

例如，要求上午7点59分发出闹时信号，持续时间为1分钟。

7时59分对应数字钟的时计数器的状态为（Q 3Q 2Q 1Q 0）H1=0111，分十位计数器的状态为（Q 3Q 2Q 1Q 0）M2=0101，分个位计数器的状态为（Q 3Q 2Q 1Q 0）M1=1001。若将上述计数器输出为“1”的所有输出端经过与门电路去控制音响电路‘可以使音响电路正好在7点59分响，且持续时间1分钟停响。所以闹时控制信号Y 的表达式为：

Y=（Q 2Q 1Q 0）H1（Q 2Q 0）M2（Q 3Q 0）M1

如果用与非门和集电极开路门电路实现，上式可改写为：

M103M202H1012)Q Q ()Q Q ()Q Q (Q Y

6、仿电台正点报时电路

仿电台正点报时电路的功能要求是：每当数字钟计时快要到正点时发出声响，通常按照4低音1高音的顺序发出声响，以最后一声高音结束的时刻为正点

Q 0

分十位 分个位

时十位

Q 1

Q 2 图5 定时控制电路

时刻。

设4声低音（约500Hz）分别发生在59分51秒、53秒、55秒及57秒，最后一声高音（约1kHz）发生在59分59秒，它们的持续时间为1秒。

根据以上设定可得到电台正点报时时的分十位状态Q2M2Q0M2=11（0101），分个位的状态为Q3M1Q0M1=11（1001），秒十位状态为Q2S2Q0S2=11（0101），秒个位的状态为Q0S1=1（1、3、5、7、9）。而发低音还是高音只与秒个位有关，根据设定可列表如表1所示：

由表中的状态可总结出如下结论：秒个位的第三位Q3S1可用来作为鸣低音或高音的控制信号，即

Q3s1=0时，输入500Hz的低频信号至音响电路

Q3S1=1时，输入1kHz的高频信号至音响电路。

三、单元电路的设计：

1、基于NE555的秒方波发生器的设计

用NE555芯片以及外围电路搭建成一个多谐振荡器，通过设计外围电路的参数输出方波频率为1Hz，故称为秒方波发生器。由于脉冲的占空比对系统的影响不大，故把占空比设计为1/3。输出方波用作计数器及D触发器的clk信号。NE555定时器引脚图如图1所示，脉冲频率公式：

f=1／（R1+2R2）C㏑2

选择R1=47K，R2=47K，RV1=2K，C=10μF，形成电路图如图2所示：

图6

2kΩ

Key=A

图7秒脉冲发生器

（2）基于74ls160的12\60进制计数器的设计

A、数字钟的秒和分位都是从0到60循环计数的，所以可以用用异步清零法设

计60进制计数器作为秒和分的计数器。具体电路图如下

图8 74LS160引脚图

4图9采用异步清零法设计60进制计数器

图10采用同步置数法设计12进制计数器

（3）校时电路的设计

当刚接通电源或时钟走时出现误差时，都需要进行时间的校准。校时是数字钟应具有的基本功能，一般电子钟都有时、分、秒校时功能。为使电路简单，这里只进行分和小时的校准。校时可采用快校时和慢校时两种方式。校时脉冲采用秒脉冲，则为快校时；如果校时脉冲由单次脉冲产生器提供则为慢校时。图3中C1、C2用于消除抖动。当按钮一直按下的时候，输入的时钟脉冲可以一直通过与非门组成的逻辑电路输出，将输出接到计数器的计数脉冲上就可以实现快校时。

图11 校时电路

四、总电路设计图

图12 总电路图

五、主要仪器及其使用方法

主要仪器有：稳定电源，剥线钳，数字万用表，数字通用版，电烙铁，镊子等。其中稳定电源由函数信号发生器提供。使用电烙铁时注意不要手直接触摸。

六、设计过程中的问题及解决方案

1、仿真软件：本实验选用multisim软件以及protues软件相互辅助完成软件

进行仿真。

（1）合理选用芯片以及电阻电容

multisim软件中的芯片以及电阻电容等各种器件丰富，但是实验室不一定有仿真图中使用过的元器件，所以设计电路时要考虑实验室是否有这些元器件。（2）总体仿真结果不对时，针对仿真各个环节从底层开始中检测输出数据

仿真过程中，用计算所得的555参数进行连接电路，最终检测到得秒脉冲幅值太小，不足以触发74ls160进行计数，改用protues软件进行仿真可以实现。所以在multisim中用函数信号发生器代替555发生的秒脉冲进行仿真，便可以显示结果。

（3）multisim中仿真时间与实际时间的差别

对电路总体进行仿真时，发现仿真过程中秒的跳转要很长时间，跟实际中的1s中差距很大，但是秒计数脉冲是由1HZ的函数发生器产生的，后来了解到这是由于multisim中仿真步进时间设置的关系，仿真时间与实际时间并不是同步的，这并不会影响实际焊接电路后的计数时间，也就是说实际焊接后秒的跳转仍然是设定的1s。

2、焊电路板过程中的问题

（1）芯片的布局

不仅要讲求美观更要讲求电路连接的方便性。首先选定地线和电源正极线，然后规划大体芯片布局，从上到下逐级布局，最上面放置数码管，下一排放置74LS48译码芯片，第三排放置74LS160计数器，第四排放置各种与非门。最后根据电源线的分布以及芯片电源引脚以及其他需要接电源线的引脚进行合理调整，争取连线最短最少。

（2）合理利用万能版

要学会利用这块万能板的走线，比如板子过孔都是三个过孔相连的，把同一个节点的所有连线均匀地分布在这三个相连的过孔上。仿真的时候我们可以把很多线连载一个小小的节点上，但是实际焊万能板的时候却不能这样，因为每个导线或者芯片的引脚都是有一定体积的，焊接之前必须充分考虑到这一点。每隔留个过孔就又两行铜线，只要对这些铜线稍加处理就能使它们变成电源线和地线。由于每块芯片都必须接电源线和地线，所以好好利用者写平行的铜线同样能够起到减少飞线的效果。

（3）标记芯片管脚

实际上在万能板上焊接东西是一个比较麻烦的也考验焊接者耐心的事情，但是我们稍稍对板子做一些优化就能简化我们焊接的过程。比如固定好每块芯片的管座以后在管脚旁边标好引脚的标号，这样能够帮助我们更加准确的把每根导线焊道它该焊到的地方，同时也减少了我们看电路图纸的频率，节约了时间，减小了错误焊接的概率。

（4）合理安排焊接顺序

整个数字钟最核心最基础的部分应当是秒脉冲的产生了。如果秒脉冲发生器没有连接号，真个电路就不会有任何结果。所以首选选择焊接秒脉冲发生器。之后再按照设计的总体电路图，从底层开始逐层连接。

（5）严格按照电路图标号接线

有的芯片比如与非门芯片、非门芯片等，一块芯片中就有多个逻辑门，很多同学喜欢随意使用其中的逻辑门，而我想说的是我们一定要按照仿真图上面的标号选择逻辑门。这样做是非常有道理的，因为数字电子课程设计用到了大量的数字芯片，自然连线会非常多，我们很可能会不记得那根线连到了芯片的那个引脚，一旦不记得了我们得重新在密密麻麻的导线束中跟踪某跟导线的走势，这样做是非常消耗时间的。如果严格按照仿真图的标号联线则不会出现上述问题。

（6）调试基本功能电路

电路焊接完成并不意味着就会出现正确结果。连接完成通电之后往往还是会出现很多的问题。这时候要首先要从硬件连接上检查，排查有没有引脚接错位置，同时使用万用表测量是否连接完好。在我的电路板调试过程中，不管是分位还是秒位的十位都是在各位为跳到9的同时跳转，也就是提前1秒或者1分进行加一跳转，在确定硬件连接没有错误之后，从原理上寻找问题，发现multisim中的74ls160

时钟脉冲信号是下降沿有效，实际中7474ls160的脉冲信号是上升沿有效，由于74ls160的进位信号是在第九个脉冲打来时出现高电平第十个计数脉冲来到的时候回到低电平，所以按照仿真电路连接的时候就会出现在各位跳到9的时候十位就同时跳转的情况，为了解决这一问题，让进位输出经过一个非门反向后接到十位计数脉冲，结果显示为理想结果。

（7）拓展电路的设计与调试。

由于实验室中没有蜂鸣器，所以用发光而接管代替蜂鸣器来进行整点报时。在第59分钟的51秒53秒55秒57秒59秒让发光二极管点亮，其余时间均为熄灭状态。整个调试过程主要是通过发光二极管的电流的控制。之前由于使用的电阻不够大，通过发光二极管的电流电路的电流过大以至于都影响到前一级的与非门以及其他与非门的工作，使整个电路的计时结果都受到影响，每当第一次点亮二极管之后，计数器都自动清零了。思考许久之后试探着把分压电阻选成47k欧姆的，结果就实现了所需的现象。

七、心得体会

整体规划很重要，同时必须要有足够的耐心，脚踏实地一点一点的完成。

在拿到课程设计题目的时候，第一步要根据设计要求，思考原理以及实现方案。第二步要根据自己所选定的方案确定选用那些元器件，然后查阅相应芯片的资料，掌握其引脚分布以及用法。第三部将整体的设计分成各个子模块，然后一个模块一个模块的进行设计，最后将各个子模块整合在一起进行整体仿真。整个仿真过程中必须仔细认真，而且要有足够的耐心，不厌其烦的进行测量校正修改。直到得到预想的结果。

焊接过程中，要严格根据自己的仿真图逐层逐步的进行，防止出现漏焊或者焊接混乱的现象发生。第一步要对整体的布局做规划，不仅要美观，更要方便焊接。第二步，焊接过程中必须小心谨慎，在讲求美观的同时，更要保证焊接点可靠。第三步便是调试过程了，调试过程中出现的问题，要从原理分析找出问题的大概位置，然后对电路连接进行仔细检查。

也许是自己对电子设计方面很感兴趣，整个制作过程都是轻松愉快的。同时在焊接过程中比较仔细认真所以出现的问题不多，每次出现了问题也都是很认真仔细的去排查，最终将整个数字钟的设计基本完成。不过还是有部分问题没有得到很好的解决，按钮消抖部分做的不够好。在以后的相关设计制作中，必须更加仔细认真严谨的去对待。

八、附录

1、所用芯片及其参数：

2.参考文献

【1】数字电子技术基础（第五版）高等教育出版社

【2】74LS00、74LS04、74LS74、74LS153、74LS138、74LS160 NE555等芯片数据手册

【3】互联网上的资料