多功能数字钟设计与制作本科学位论文.docx
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多功能数字钟设计与制作本科学位论文
电子技术综合训练
设计报告
项目名称:
多功能数字钟设计与制作
班级:
自动化2班
学号:
13220217
姓名:
郭琦
指导教师:
李晓英
摘要
这次课程设计我的题目是多功能电子钟的设计与制作,为了实现电子钟的功能我们选用了石英晶体振荡器、24进制计时器、60进制计数器、显示器、译码器、TTL门电路组成的校时电路。
实现了秒脉冲发生电路;电子钟的时、分、秒显示与进位;校时电路。
选用74LS160计时,CD4511译码,LED数码显示管显示,74LS00、74LS08、74LS32、74LS04实现校时,晶振发生2HZ脉冲。
关键字:
数字钟显示校时译码
摘要·······························II
第一章设计任务和要求·······················1
1.1设计任务···························1
1.2设计要求···························1
第二章系统设计··························2
2.1系统设计方案·························2
2.2系统构思及其工作原理·····················2
第3章元器件的选择························3
3.1CD4511显示译码器······················3
3.2晶体振荡器··························6
3.374LS160十进制计数器·····················8
3.474HC04六反相器························9
3.574LS20P2-4输入与非门·····················10
3.674HC084-2输入与门······················12
3.774HC004-2与非门·······················13
第4章单元电路设计························15
4.1“时”、“分”、“秒”发生电路················15
4.2“分”、“秒”之间显示“:
”电路················18
4.3译码、显示、计数电路······················19
4.4手动校时电路·························20
4.5整点报时电路·························21
第5章稳压电源的设计·························22
5.1设计所需器材和工具·······················22
5.2设计内容及步骤·························22
第6章电路的安装、调试与测试····················25
6.1电路的安装、调试与测试·····················25
6.2调试过程中出现问题级解决方法·················25
第7章总结与心得体会························27
7.1数字钟在生活中的应用······················27总结······························31
参考文献·······························32
附录Ⅰ································33
第一章设计任务和要求
1.1设计任务
设计一个多功能电子钟
1.2设计基本要求
(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)以24小时为一个计时周期;
(3)有校时功能,能够在任何时刻对电子钟进行方便的校正;
(4)整点时刻通过扬声器给出提示(发挥部分);
(5)按照以上技术要求设计电路,使其具备所要求的逻辑功能。
对设计的电路用Multisim进行必要的仿真、计算参数、安装、调试电路、绘制电路图;
第二章系统设计
2.1系统设计方案
拿到课题后,我们首先将《数字电子技术》中有关本次设计的内容复习了一遍,比如七段译码显示器、计数器、振荡器等等。
然后根据设计要求,我去图书馆查阅了相关的资料,对整体框架做了一个初步的了解。
做完准备工作后就正式开始设计、仿真及绘图。
先将秒、分和时分别设计出来,再进行整体排版、连接。
2.2系统构思及其工作原理
这次设计让我熟练掌握了课本上的一些理论知识。
我选用的是74LS160十进制脉冲计数器、4511BD译码器及一些必要的与门、或门、非门等器件,我使用的振荡器是由555定时器与RC组成的,用来得到1Hz脉冲。
数字钟计时周期是24小时,因此必须设置24小时计数器,我用74LS160十进制脉冲计数器、4511BD译码器和振荡器作为时计数器、分计数器、秒计数器发生电路的元器件,同时由七段数码管显示。
为使数字钟走时与标准时间一致,校时电路是必不可少的,设计中采用开关控制校时直接用秒脉冲先后对“时”“分”“秒”计数器进行校时操作。
第三章元器件的选择
3.1CD4511显示译码器
(1)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,特点如下:
具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。
可直接驱动LED显示器。
CD4511引脚图:
图3—1CD4511引脚图
其功能介绍如下:
BI:
4脚是消隐输入控制端,当BI=0时,不管其它输入端状态如何,七段数码管均处于熄灭(消隐)状态,不显示数字。
LT:
3脚是测试输入端,当BI=1,LT=0时,译码输出全为1,不管输入 DCBA 状态如何,七段均发亮,显示“8”。
它主要用来检测数码管是否损坏。
LE:
锁定控制端,当LE=0时,允许译码输出。
LE=1时译码器是锁定保持状态,译码器输出被保持在LE=0时的数值。
A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。
a、b、c、d、e、f、g:
为译码输出端,输出为高电平1有效。
CD4511的内部有上拉电阻,在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作。
CD4511具有锁存、译码、消隐功能,通常以反相器作输出级,通常用以驱动LED。
其引脚图如3-2所示。
各引脚的名称:
其中7、1、2、6分别表示A、B、C、D;5、4、3分别表示LE、BI、LT;13、12、11、10、9、15、14分别表示 a、b、c、d、e、f、g。
左边的引脚表示输入,右边表示输出,还有两个引脚8、16分别表示的是VDD、VSS。
(2)CD4511的工作原理
译码器的锁存电路由传输门和反相器组成,传输门的导通或截止由控制端LE的电平状态。
当LE为“0”电平导通,TG2截止;当LE为“1”电平时,TG1截止,TG2导通,此时有锁存作用。
(3)译码
CD4511译码用两级或非门担任,为了简化线路,先用二输入端与非门对输入数
据B、C进行组合,得出、、、四项,然后将输入的数据A、D一起用或非门译码。
(4)消隐
BI为消隐功能端,该端施加某一电平后,迫使B端输出为低电平,字形消隐。
消隐控制电路如图3-4所示。
消隐输出J的电平为J= =(C+B)D+BI
如不考虑消隐BI项,便得J=(B+C)D
据上式,当输入BCD代码从1010---1111时,J端都为“1”电平,从而使显示器中的字形消隐。
8421BCD码对应的显示见下图 :
图3—3LED显示图
图3—4消隐控制电路图
输 入
输 出
LE
BI
LI
D
C
B
A
a
b
c
d
e
f
g
显示
X
X
0
X
X
X
X
1
1
1
1
1
1
1
8
X
0
1
X
X
X
X
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
1
1
0
0
0
1
0
1
1
0
0
0
0
1
0
1
1
0
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
2
0
1
1
0
0
1
1
1
1
1
1
0
0
1
3
0
1
1
0
1
0
0
0
1
1
0
0
1
1
4
0
1
1
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
1
5
0
1
1
0
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
6
0
1
1
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
7
0
1
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
8
0
1
1
1
0
0
1
1
1
1
0
0
1
1
9
0
1
1
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
1
0
1
1
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
1
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
消隐
1
1
1
X
X
X
X
锁 存
锁存
表3-5CD4511的真值表
3.2
石英振动器简称晶振,它是利用具有电压效应的石英晶体片制成的。
这种石英晶体薄片受到外加交变电场的作用会产生机械振动,当交变电场的频率与石英晶体的固有频率相同时,振动便变得很强烈,这就是晶体谐振特性的反应。
利用这种特性,就可以用石英谐振取代LC(线圈和电容)谐振回路、滤波器等。
由于石英谐振器具有体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度高等优点,因此秒脉冲用石英晶体多谐振荡器产生。
秒脉冲信号发生器是数字电子钟的核心部分,它的精度和稳定性决定了数字钟的质量,由振荡器与分频器组合产生脉冲信号。
振荡器:
利用石英晶体与RC构成的多谐振荡器,经过CD4060、74LS74获得1Hz标准秒脉冲。
其电路图如下
振荡电路原理图
振荡电路Multisim仿真波形
3.374LS160十进制计数器
74LS160 芯片同步十进制计数器(直接清零)
·用于快速计数的内部超前进位
·用于n 位级联的进位输出
·同步可编程序
·有置数控制线
·二极管箝位输入
·直接清零
·同步计数
本电路是由4 个主从触发器和用作除2计数器及计数周期长度为除5的3位2进制计数器所用的附加选通所组成。
有选通的零复位和置9输入。
为了利用本计数器的最大计数长度(十进制),可将B输入同QA 输出连接,输入计数脉冲可加到输入A上,此时输出就如相应的功能表上所要求的那样。
LS90可以获得对称的十分频计数,办法是将QD 输出接到A输入端,并把输入计数脉冲加到B输入端,在QA输出端处产生对称的十分频方波。
引脚功能表:
图3—9引脚功能表
开关选择方式真值表:
*SR
PE
CET
CEP
工作模式
0
x
x
x
清零
1
0
x
x
置数
1
1
1
1
计数
1
1
0
x
保持
1
1
x
0
保持
图3—10开关选择方式真值表
引脚图:
图3—11引脚图
逻辑图:
图3—12逻辑图
3.474HC04六反相器
引脚功能表:
图3—13引脚功能表
真值表:
输入
输出
A
Y
0
1
1
0
图3—14真值表
使用要求:
电源电压 -0.5 to +7.0V
直流输入电压 -1.5 to Vcc+1.5V
直流输出电压 -0.5 to Vcc+0.5V
钳位二极管电流 ±20mA
直流输出电流每个引脚(输出) ±25mA
功耗 600mW
3.574LS20P2-4输入与非门
实物图:
图3—15实物图
功能引脚图:
图3—16引脚图
真值表:
输入
输出
ABCD
Y
0000
1
0001
1
0010
1
0011
1
0100
1
0101
1
0110
1
0111
1
1000
1
1001
1
1010
1
1011
1
1100
1
1101
1
1110
1
1111
0
图3—17真值表
3.674HC084-2输入与门
4—2输入与门
简要说明:
74HC08为四组2输入端与门
引出端符号
1A-4A输入端
1B-4B输入端
1Y-4Y输出端
74HC08引脚图:
图3—18引脚图
74HC08功能表:
Y=AB
输入输出
A
B
Y
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
图3—20真值表
极限值:
电源电压——7v
输入电压——5.5v
A-B间电压——5.5v
输出截止电压——7v
工作环境——(0~70摄氏度)
存储温度——(—65~150摄氏度)
3.774HC004-2与非门
二输入端四与非门
74HC00引脚图及功能表:
图3—21引脚图
真值表:
A
B
Y
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
1
0
图3—22真值表
极限值:
电源电压:
-0.5~+7v
直流输入电压:
-0.5~+7.5v
直流输出电压:
-0.5~+7.5v
直流输出电流:
+-25mA
功耗:
0.5W
储藏温度:
-65~+150摄氏度
焊接温度:
300摄氏度
第四章单元电路设计
4.1“时”、“分”、“秒”发生电路
4.1.1“秒”实现电路设计
“秒”脉冲发生器是数字钟的核心部分,它的精度和稳定度决定了数字钟的质量,通常用晶体振荡器产生标准频率信号经过整形、分频获得1Hz的“秒”脉冲。
但由于实验器材条件受限,本实验只得采用555多谐振荡器获得1Hz的脉冲输出,电路图如图4-1所示。
图4—1“秒”脉冲发生器
4.1.2“分”实现电路设计
“分”计数器同秒计数器一样为M=60的计数器,即显示00~59,采用中规模集成电路双十进制计数器至少需要2片,因为10 < M < 100。
它的个位为十进制,十位为六进制。
与“秒”实现电路一样用两片74LS160芯片实现,个位为十进制,十位为六进制。
当秒计数器十位计数至0110时清零,达到0000时产生下降沿脉冲送入分计数器的个位开始计数。
当个位计数至1010时清零产生下降脉冲送给十位。
十位计数至0110时继续清零。
4.1.3“时”实现电路设计
“时”为二十四进制计数器,显示为00~23,个位仍为十进制,而十位为三进制,但当十进位计到2,而个位计到4时清零,就为二十四进制了。
时计数进位类似于分和秒。
都用74LS160芯片实现,译码器都使用CD4511。
4.2“分”、“秒”之间显示“:
”电路
“分”、“秒”之间“:
”的显示,它的显示频率与秒显示一致,采用555多谐振荡器获得1Hz的脉冲输出。
电路图如图4—2所示。
图4—2“:
”的显示
4.3译码、显示、计数电路
图4—3译码、显示、计数电路图
计数模块采用74LS160十进制计数器做“秒”脉冲计数;译码显示模块采用4511BD做译码,共阴极七段数码管做显示。
4.4手动校时电路
图4—4手动校时电路
校时模块采用手动校时方式,“时”、“分”、“秒”均可校正。
4.5整点报时电路
图4—5整点报时电路
整点报时模块通过利用分钟进位的跳变信号,给由555定时器构成的单稳态触发电路触发信号控制。
第五章稳压电源的设计
本次设计的数字钟由于要用到+5v的直流稳压电源,所以首先要设计一个直流稳压电源。
直流稳压电源的功能要求:
输入220v交流电压,输出+5v直流电压,且输出电压稳定,能够使数字钟正常运行。
5.1设计所需器材和工具
表5—1
元件名称
元件型号
元件数量
元件封装
元件说明
变压器
220v/9v
1
10w左右
降压变压器
电解电容
100uF
2
耐压
极性电容器
电阻
2KΩ
1
16v/25v
电阻
集成稳压器
750
1
AXIAL0.4
集成稳压器
整流桥堆
210w
1
三端
整流
5.2设计内容及步骤
直流稳压电源一般由电源变压器,整流滤波电路及稳压电路所组成。
变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。
整流器把交流电变为直流电。
经滤波后,稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。
本设计主要采用直流稳压构成集成稳压电路,通过变压,整流,滤波,稳压过程将220V交流电,变为稳定的直流电,并实现+5V电压稳定输出。
(1)电路原理
考虑到直流电流电源,我们用四个1N40007晶体管构成桥式整流桥,将220vHz的交流电转换为直流电,以电容元件进行整流,因为最终要得到+5v直流稳压电压,所以选用LM7805。
(2)变压器变压
220v交流电端子连一个降压变压器把电压值降到8v左右如下图:
图5—1
(3)单相桥式全波整流电路
图5—2
(4)电容滤波
本设计我们使用电容滤波,滤波后,输出电压平均值增大,脉动变小。
C越大,RL越大,时间常数越大,放电越慢,脉动越小,
(5)直流稳压
因为要输出5v的电压所以选用LM7805三端稳压器件
(6)总电路
电路原理图如下图所示:
图5—3稳压电源电路原理图
如图5—3所示电路为输出电压+5v、输出电流1.5A的稳压电源。
它由电源变压器T,桥式整流电路D1~D4,滤波电容C1、C3和一只固定式三端稳压器(7805)极为简捷方便的搭成的。
220v交流市电通过变压器变换成交流低压,再经过桥式整流电路D1~D4和滤波电容C1的整流和滤波,在固定式三端稳压器LM7805的Vin和GND两端形成一个并不稳定的直流电压。
此直流电压,经过LM7805的稳压和C3的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定性好的直流输出电压。
此稳压电源可作为数字钟的如入电压。
三端稳压器是一种标准化、系列化的通用线性稳压电源集成电路,以其体积小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用简捷方便等特点,成为目前稳压电源中应用最为广泛的一种单片式集成稳压器件。
第六章电路的安装、调试与测试
6.1电路的安装、调试与测试
6.1.1电路设计及焊接
在仿真完成之后,开始电路的安装和调试。
在拿到了工具的和器材之后,首先对各元器件进行测试,检查是否芯片存在问题。
在确认没有问题之后,就可以按照布线方案来进行布线了。
我的布线方案:
首先安装驱动和计数模块。
对译码驱动电路和计数电路同时布线,但是,先只进行它的一个显示管和一块CD4518安装,当验证产生的计数没有问题时,才尽一步对它进行扩展,安装秒的十位,分的个位和十位,以及时的个位和十位,并进行检验,再次安装的模块是校时模块。
然后和计数模块相连接。
的设计我觉得在数字电子的设计中是常见的。
一种典型的接法。
最后要接的是整点报时电路。
我们原方案是让整点报时每隔2秒发一次声,4次低电平驱动,一次高电平驱动,但由于电路复杂,加重焊接难度,最终我们将整点报时方案修改为,把分钟的进位产生的触发脉冲信号给由555定时器构成的单稳态触发电路,这样,单稳态电路输出一段时间的高电平驱动蜂鸣器鸣叫。
完成了布线的过程之后,就是一个综合的测试,由于在各个模块的安装,布线的认真和有条理性,综合测试,一次成功。
在检测面包板状况的过程中,出现本该相通的地方却未通的状况,,经检验发现主要是由于接触不良的问题,其中包括线的接触不良和芯片的接触不良,发现没有脉冲信号产生,但是,当用手接触晶振时,就会产生信号脉冲。
后来查阅了相关的资料,最终在晶振的表面固定了一段钢丝,脉冲就可以自动发生了。
6.2调试过程中出现问题级解决方法
在仿真结果出来后我们就统计要用的所有元器件进行采购,紧接着就设计电路及进行焊接工作。
在完成了三分之一的焊接工作后,我们迫不及待地想知道我们的努力成果,紧接着就进行了第一次测试。
(1)乱码问题:
在安装好芯片后,紧张的开始第一次测试,从0到9我们很兴奋的期待着,从10以后让人大失所望,一堆乱码让人心情很沉痛,两天的努力,我们却查不出问题所在,最后询问了一个电气的和我们课题一样的同学,他说可能是芯片问题。
接着我们在电脑上进行了针对74LS161的仿真,结果果然和我们的乱码出现顺序一样,所以问题应该是我们买的芯片是用74LS161翻新的。
最后在换了芯片后结果令人振奋。
(2)分秒不动:
测试完“秒”后,我们趁热打铁,赶工接完了“分”的线,又一次见证成果的时刻,三个人都很激动,插上电源后,静待结果,然而眼前呈现出来的一幕让人大跌眼镜,“分”和“秒”都“00”:
“00”,只有中间的“:
”以频率为“1Hz”闪烁着,所有人都在苦思冥想问题的出处,明明早上测试的“秒”好好的到了晚上就怎么都不对了?
最后在端详了几遍电路板后才发现信号源那边断接了,所以一直没有脉冲信号。
在接上后我们迫不及待地拿去测试,在60秒以后所有人都在期待着“分”的进位,在我们的欢呼声中,“分”进位了,终于,我们的辛苦没有白费。
第七章总结与心得体会
7.1数字钟在生活中的应用
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,具有更长的使用寿命,已得到广泛的使用。
数字钟的设计方法有许多种,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
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