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自动报时数字钟重点讲义资料
电子技术课程设计
自动报时数字钟
学院:
电子信息工程学院
班级:
自动化051501班
姓名:
白云龙
学号:
200515040101
指导教师:
闫晓梅
2008年1月
自动报时数字钟
1、设计任务与要求
1.用数字显示时、分、秒。
12小时循环一次。
2.可以在任意时刻校准时间,要求可靠方便。
3.能以音响自动正点报时,12小时循环一次。
4.秒信号不必考虑时间精度,可利用实验仪上所提供的连续脉冲(方波)。
注:
本人主要负责时分秒计时电路和校时电路。
二、总体框图
设计思想:
自动报时数字钟主要分为数码显示器、60进制和12进制计数器、频率振荡器、正点报时和校时这几个部分。
数字钟要完成显示需要6个数码管,七段的数码管需要译码器械才能显示,为了简便起见,我用的四段的数码管,然后要实现时、分、秒的计时需要60进制计数器和12进制计数器,在在仿真软件中发生信号可以用函数发生器仿真,频率可以随意调整。
60进制可能由10进制和6进制的计数器串联而成,而小时的12进制可以采用74LS191的十进制计数器和D触发器来产生计数和进位。
频率振荡器可以由由555定时来产生1KHZ的脉冲。
主体思路如下图所示:
1.振荡器
振荡器是整个数字钟的核心。
振荡器的稳定度及频率的准确度决定了数字钟计时的准确程度。
一般来说,振荡器的频率越高,计时精度越高。
如果精度要求不高也可采用集成逻辑门与RC组成的时钟源振荡器或由集成定时器555与RC组成的多谐振荡器。
这里选用555组成的多谐振荡器,设振荡频率f=1KHZ.
2.时间计时器
秒信号经秒计数器、分计数器、时计数器之后,分别得到“秒”个位、十位、“分”个位、十位以及“时”个位、十位的计时输出信号,然后送至译码显示电路,以便实现用数字显示时、分、秒的要求。
“秒”和“分”计数器应为六十进制,而“时”计数器应为十二进制.
⑴.六十进制计数器
可以由两块中规模集成计数器构成,一块组成十进制,另一块组成六进制,组合起来就构成六十进制计数器。
⑵.十二进制计数器
用脉冲反馈法。
由两片中规模集成计数器(或一片中规模集成计数器、一片小规模集成触发器)构成,低位仍构成十进制计数器,当高位出现0001状态,低位为0011状态,即计到第13个来自“分”计数器的进位信号时,通过外加的控制电路输出一个信号(注意:
该信号的电平应视计数器的功能而定,有时需高电平,有时需低电平),将“时”计数器的十位计数器强制置为0000状态,同时,将“时”的个位计数器强制置为0001状态,从而实现从12→01的十二进制计数。
3.数码显示
从数字钟计时器出来的是8421BCD码,需要经译码变成七段字型代码,用数码管显示出来,或着直接接四段数码管。
七段译码显示管显示时分秒。
对于“时”十位的译码显示,在设计时应注意:
一是在显示1点至9点时,“时”的十位均是0,此时应使“时”十位上的“0”显示0;二是“时”的十位实际上只
是显示“0”和“1”两种状态;分电路显示从“00”至“60”向时进位;秒电路同理,然后循环。
时分秒总共要选用六个七段译码显示管。
4.校时电路
(1)在计时开始或计时出现误差时,必须和标准时间校准,这一功能由校时电路完成。
校时电路的方法是给被校的计时电路引入一个快速脉冲,从而使计时电路快速达到校准时间。
(2)校时原理:
在刚接通电源或者时钟走时出现误差时,则需要进行时间的校准。
通常可以在整点时刻和利用电台或电视台的信号进行校准,也可以在其他时刻利用别的时间标准进行校对。
我们知道,校对时间总是在我们选定的标准时间到来之前进行的,一般来说,分四个步骤:
首先把小时计数器置到所需的数字;然后再将分计数器置到所需数字;在此同时或之后,应将秒计数器清零,时钟暂停计数,处于等待启动阶段;当选定的标准时刻到达的瞬间,按起动按钮,电路则从所预置时间开始计数。
由此可知,校时电路应具有预置小时,预置分、等待启动、计时四个阶段,因此,在设计校对电路时,应能方便、可靠地实现这四个阶段所要求的功能。
必须注意,增加校对电路不能影响时钟的正常计时。
5.报时电路
当数字钟快达到正点时开始报时,最后一响为正点。
三、选择器件
1.4位同步二进制计数器74LS161
74LS161是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器,他可以灵活的运用在各种数字电路,以及单片机系统种实现分频器等很多重要的功能,这里介绍一下他的资料:
<74ls161引脚图>
管脚图介绍:
时钟CP和四个数据输入端P0~P3
清零/MR
使能CEP,CET
置数PE
数据输出端Q0~Q3
以及进位输出TC. (TC=Q0·Q1·Q2·Q3·CET)
<74LS161功能表>
输 入
输 出
CR
CP
LD
EP
ET
D3
D2
D1
D0
Q3
Q2
Q1
Q0
0
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
0
0
0
0
1
↑
0
Ф
Ф
d
c
b
a
d
c
b
a
1
↑
1
0
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
Q3
Q2
Q1
Q0
1
↑
1
Ф
0
Ф
Ф
Ф
Ф
Q3
Q2
Q1
Q0
1
↑
1
1
1
Ф
Ф
Ф
Ф
状态码加1
从74LS161功能表功能表中可以知道,当清零端CR=“0”,计数器输出Q3、Q2、Q1、Q0立即为全“0”,这个时候为异步复位功能。
当CR=“1”且LD=“0”时,在CP信号上升沿作用后,74LS161输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与并行数据输入端D3,D2,D1,D0的状态一样,为同步置数功能。
而只有当CR=LD=EP=ET=“1”、CP脉冲上升沿作用后,计数器加1。
74LS161还有一个进位输出端CO,其逻辑关系是CO=Q0·Q1·Q2·Q3·CET。
合理应用计数器的清零功能和置数功能,一片74LS161可以组成16进制以下的任意进制分频器。
2.与非门74LS00
表174LS00功能表图274LS00内部结构图
图374LS00逻辑符号图474LS00管脚图
3.74LS08是四2输入与门,其逻辑符号,逻辑功能表,内部原理图分别如下:
表374LS08功能表图874LS08内部原理图
图974LS08逻辑符号图1074LS08管脚图
4.74LS04为六反向器其逻辑功能表如下:
输入
输出
A
Y
0
1
1
0
其内部结构如下:
74LS04管脚图如下:
5.74LS160为同步十进制计数器。
其逻辑符号如下:
其管脚图如下:
其功能表如下:
74LS160逻辑功能表
CP
EPET
工作状态
×
0
×
××
置零
脉冲
1
0
××
预置数
×
1
1
01
保持
×
1
1
×0
保持(RCO=0)
脉冲
1
1
11
计数
其内部原理图如下:
74LS160内部原理图
由逻辑图与功能表知,在CT74LS160中LD为预置数控制端,D0-D3为数据输入端,C为进位输出端,RD为异步置零端,Q0-Q3位数据输出端,EP和ET为工作状态控制端。
当RD=0时所有触发器将同时被置零,而且置零操作不受其他输入端状态的影响。
当RD=1、LD=0时,电路工作在预置数状态。
这时门G16-G19的输出始终是1,所以FF0-FF1输入端J、K的状态由D0-D3的状态决定。
当RD=LD=1而EP=0、ET=1时,由于这时门G16-G19的输出均为0,亦即FF0-FF3均处在J=K=0的状态,所以CP信号到达时它们保持原来的状态不变。
同时C的状态也得到保持。
如果ET=0、则EP不论为何状态,计数器的状态也保持不变,但这时进位输出C等于0。
当RD=LD=EP=ET=1时,电路工作在计数状态。
从电路的0000状态开始连续输入16个计数脉冲时,电路将从1111的状态返回0000的状态,C端从高电平跳变至低电平。
利用C端输出的高电平或下降沿作为进位输出信号。
逻辑功能:
当CLR,LOAD,EP,ET均接高电平时,时钟CP端每来一个上升沿,计数器在原来的基数上加1,并从QA,QB,QC,QD,输出相应的十进制BCD码。
利用74LS160的这个功能特点可以设计出十分频器,计数器。
6.555定时器。
国产双极型定时器CB555电路结构图。
它是由比较器C1和C2,基本RS触发器和集电极开路的放电三极管TD三部分组成。
555定时器是一种中规模集成电路,只要在外部配上适当阻容元件,就可以方便地构成脉冲产生和整形电路。
其功能表如下:
输入
输出
阈值输入(vI1)
触发输入(vI2)
复位(
)
输出(
)
放电管T
×
×
0
0
导通
1
1
截止
1
0
导通
1
不变
不变
555定时器功能表
其管脚图如下:
其内部结构图如下:
由图可知,当5脚悬空时,比较器C1和C2比较电压分别为2/3VCC和1/3VC
当vI1>2/3VCC,vI2>1/3VCC时,比较器C1输出低电平,比较器C2输出高电平基本RS触发器被置0,放电三极管T导通,输出端vO为低电平。
当vI1<2/3VCC,vI2<1/3VCC时,比较器C1输出高电平,比较器C2输出低电平,基本RS触发器被置1,放电三极管T截止,输出端vO为高电平。
当vI1<2/3VCC,vI2>1/3VCC时,基本RS触发器R=1、S=1,触发器状态不变,电路亦保持原状态不变。
附:
元器件清单
4ls1615片
74ls1601片
74ls0010片
74ls055片
74ls085片
74ls402片
开关3个
七段数码显示管6个
二级管
信号发生器若干
电阻
滑动变阻器
扩音器(由于未找到该器件改用彩灯代替)
四、功能模块
1.电路结构与原理图
(1)数码显示器
在Multisim10仿真器件中,数码管分为需要译码器显示的和无需译码直接显示的两种,需要译码器的数码管有共阳极和共阴极之分,此电路采用的是不需译码直接显示的数码管(如图1所示),这样就简化了电路,增加了调试的正确性。
如图2所示的数码管需要译码器才能显示,74LS47是驱动共阳极数码管的器件,74LS48是驱动共阴极数码管的器件。
图1不需译码管的数码管图2需译码器的双数码显示
图3译码器驱动共阴极数码管电路
如图3所示电路,从74LS48的A,B,C,D端输入二进制数便可完成显示功能,而图1的数码管直接输入二进制数便可显示。
(2)60进制计数和12进制计数
在设计数字钟电路中,进制是最主要的一部分,它关系着显示的正确与否。
关键在于了解各种器件的作用及功能,而且在调试的过程中容不容易出问题,电路会不会变得复杂,器件的选择最好要统一,以便调试成功。
①分和秒的六十进制:
从常理可知,数字钟需要六十进制和十二进制计数器,而六十进制可通过十进制和六进制串联而成,从而完成数码显示。
因为同步加法计数器74LS161可构成16进制以下的计数器,所以此电路中分和秒的计时都采用74LS161来进行设计。
而小时是12进制计数,用74LS161和74LS160共同组成,但电路作了改进。
在数字钟的控制电路中,分和秒的控制都是一样的,都是由一个十进制计数器和一个六进制计数器串联而成的,在电路的设计中我采用的是统一的器件74LS161N的反馈置数法来实现十进制功能和六进制功能,十进制的同步加法计数器有74160和74192,而没有现成的六进制同步加法计数器。
图4是用74LS161构成六进制计数器的结构图,根据74LS161的结构把输出端的0110(十进制为6)用一个与非门74LS00引到Load端便可置0,这样就实现了六进制计数。
图5是用74LS161构成十进制计数器的结构图,同样,在输出端的1001(十进制为9)
用一个与非门74LS00引到Load端便可置0,这样就实现了十进制计数。
在分和秒的进位时,用秒计数器的Load端接分计数器的CLK控制时钟脉冲,脉冲在上升沿来时计数器开始计数。
图474LS161构成六进制计数器图574LS161构成十进制计数器
②小时的十二进制:
数字钟的小时要用到十二进制,要用到十进制,并且在计数到12时要清零,所以不能用单纯的十进制计数器,考虑到要设计12小时一循环,计数应从1到12,过了12应为1,用1个74LS161和1个74LS160来实现。
具体的电路图如图6。
图6控制小时显示的进位电路图
(3)校时
由于Multisim可以仿真,并有函数发生器,最简单的校时方法就是通过开关用函数发生器对CLK端输入脉冲以改变显示的数值。
此电路的设计就是采用这种方法校时的,虽可以只用一个函数发生器来实现同步,但调试时结果不能体现出来,所以用另外的函数发生器来实现校时。
校时的具体设计方法是:
用一个单刀双掷开关切换计数功能与校时功能,另一端接计数器的脉冲输入端,开关置于函数发生器这一端便可以校时,置于计数器的进位端便是计时。
不校正时间时开关都应打在与非门的那一端,校时时才用键盘操作改变开关的状态。
(4)振荡器如图7所示:
图7多谐振荡器
(5)报时电路
5、总设计电路图
1.总设计电路图
2.仿真结果
(1)显示电路仿真结果
如图8所示,为进位信号图,即当秒计时器为60,分计时器为59的时候分与时的进位情况。
图8进位信号图9报时信号
(2)报时电路仿真结果
当快到正点的时候,彩灯开始亮,共亮4下,最后一下为正点
3.设计总结
整个过程花了我不少时间,可当做完时才发现做这个数字钟是多么简单的一件事,尤其设计时时计数器花了我不少时间,最后还是在各位高手的帮助下仿真成功。
调试也花了我不少时间,有时无法找出错误便更换器件重新接线以使电路正常运行。
调试的过程并不是想象中的那样简单,需要耐心、仔细地分析和解决问题,可以让我的性格更加沉稳。
这样的课程设计很能培养我们的能力,让我们不再局限于书本上的知识。
在实际的操作过程中,能把理论中所学的知识灵活地运用起来,并在调试中会遇到各种各样的问题,电路的调试提高了我们解决问题的能力,学会了在设计中独立解决问题,也包括怎样去查找问题。
似乎所有的事都得自己新手去操作才会在脑海中留下深刻的印象,这个小小的课程设计让我可以熟练的操作Multisim软件,也了解了不少器件的功能的应用,也加深了对数字电路认识和理解。
本次课程设计主要是用软件仿真,如果是实际加工电路板就更加锻炼我们的动手能力了,因此,我们的能力还有待提高。
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