多功能数字钟电路课程设计.docx
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多功能数字钟电路课程设计.docx
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多功能数字钟电路课程设计
课程设计任务书
学生姓名:
曾豪专业班级:
自动化1105
指导教师:
龚跃玲工作单位:
自动化学院
1、题目:
数字钟
任务:
设计一个数字钟电路。
要求:
1)能按时钟功能进行小时、分钟、秒计时;
2)可显示时间并具有校时功能;
3)具有整点报时功能,报时声响为四低一高,最后一响正好为整点;
4)时钟有闹铃功能
5)时钟有秒表功能
6)对设计电路进行仿真。
2、初始条件
1.实验室提供万用表、信号发生器、直流稳压电源、示波器等设备。
2.学生已学习了大学基础课程和《电路》、《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《电力电子变流技术》等专业基础课程。
3.主要参考文献
1)《新编电子电路大全》第1、2、3、4卷中国计量出版社
2)《传感器及其应用电路》何希才编著电子工业出版社
3)《电力电子变流技术》黄俊王兆安编机械工业出版社
4)《集成电路速查手册》王新贤主编山东科学技术出版社
5)《集成电路速查大全》尹雪飞陈克安编西安电子科技大学出版社
6)《晶体二极管手册》各种版本皆可
3、要求完成的主要任务
1.课程设计结束时每个学生要交一份按统一格式要求撰写的课程设计说明书,并装订成册。
2.课程设计说明书中每个题目要求有方案比较、绘制方框图、电原理图,阐述电路工作原理、每个元器件的主要参数、设计电路的性能指标及电路仿真效果图等。
3.说明书中除个人签名外,其它文字、符号、图形或表格一律用计算机打印。
4.文字、符号、图形等必须符合国家标准。
5.独立完成设计任务,严禁相互抄袭。
4、时间安排
设计时间为二周(6月17日—7月2日),安排如下:
1.6月17日上午,指导教师讲授课程设计的有关基本知识等。
2.6月17日下午——6月24日学生查阅资料,完成初步设计。
3.6月25日——6月26日检查设计进度,答疑、质疑。
4.6月27日——6月30日完善设计,形成设计说明书电子文档。
4.7月1日——7月2日课程设计打印、装订、提交。
指导老师签名:
2013年6月14日
系主任(或负责教师)签名:
2013年月日
目录
摘要Ⅰ
绪论1
1设计方案的比较和确定1
1.1秒脉冲1
1.2振荡器1
1.3分频器电路2
1.4校时电路设计3
1.5整点报时电路的设计4
2系统的工作原理6
2.1整体框图6
2.2整体电路图7
3各单元电路的设计8
3.1振荡器8
3.2分频电路9
3.3计数器电路10
3.3.1分、秒计数器设计10
3.3.2时计数器设计11
3.4译码显示电路12
3.5校时电路设计13
3.6整点报时电路14
3.7闹钟定时电路16
3.8时间比较电路17
3.9秒表18
4调试与仿真19
4.1使用的主要仪器和仪表19
4.2调试电路的方法和技巧19
4.3调试过程中出现的故障、原因及排除方法19
总结20
致谢21
参考文件22
成绩评定表23
摘要
随着数字钟在现实生活中应用越来越广泛,数字钟的多功能化使对其的性能要求越来越高,多功能数字钟是采用数字电路实现用数字显示时间的计时装置。
主要由振荡器、分频器、计数器、译码显示及扩展电路几部分构成。
扩展电路要具有时间显示、校时校分、秒表功能及闹钟设置、整点报时功能等扩展功能.其中报时电路中报时声响为四低一高,最后一响正好为整点,多功能数字钟具有走时准确、显示稳定等点
关键词:
校时校分、报时、秒表、闹钟。
数字钟课题设计
1设计方案的比较及确定
1.1秒脉冲
方案一:
采用1kHz的秒脉冲。
方案二:
采用1Hz的秒冲。
由于秒表功能的实现要求100Hz的脉冲,故选择方案一1kHz的秒脉冲。
1.2振荡器
振荡器是数字钟的核心。
振荡器的稳定度及频率的精确度决定了数字钟的准确程度。
一般来说,振荡器的频率越高,计时精度越高,但耗电量增大且分频级数多。
一般有如下几种方案构成振荡器电路:
方案1.、如图1-1所示为电子手表集成电路(如5c702)中的晶体振荡器电路,常取晶振的频率为32768Hz,因其内部有15级2分频集成电路,所以输出端可得到1Hz的标准脉冲。
方案2、由集成电路定时器555与RC组成的多谐振器,电路图如图1-2。
输出频率为1000Hz。
该方案的优点是起振容易,振荡周期调节范围广。
方案3、由集成逻辑门与RC组成的对称式多谐振荡器,可以输出频率为1MHz的脉冲。
该方案的优点是精度高,集成简单,所需元器件少。
由于此次设计所提供的芯片主要是74ls00,而且不用做出实物。
方案二555大家很熟悉而且参数设置简单,连线简单所以选用方案二。
图1-1晶体振荡电路
图1-2555多谐振荡电路
1.3分频器电路
分频器的功能主要有两个:
一是产生标准秒脉冲信号,二是提供功能扩展电路所需要的信号。
选用中规模集成芯片74ls90可以完成上述功能,用3个级联即可以得到1Hz的脉冲,该方案原理简单,易于调试,且可以得到各种频率的脉冲,适合功能的扩展。
因此此次设计选用该方案。
1.4校时电路设计
首次使用数字钟,或当数字钟计时出现误差时,必须对时间进行校正,通常称为“校时”。
校时是数字钟的基本功能,一般要求能对时和分分别进行校对。
对校时电路的要求是在小时校正时不影响分、秒的正常计数,在分校正时不影响秒和小时的正常计数。
方案1:
简单的手动开关,如图1-3所示,正常工作时,s指向A,校时时只需使s指向B。
这种电路简单,但是开关的通断产生随机的机械抖动信号,不易控制其稳定性。
方案2:
如图1-4所示,用三个与非和一个可调电位实现信号的转换,也可以消除抖动
方案3:
如图1-5所示,三个与非门和基本RS触发器。
基本RS触发器可以完全消除开关的机械抖动,是很好的一种校时校分电路。
综上所述,方案二方案三都可以选择,小组方案选择方案二。
图1-3手动开关电路图
图1-4与非门校时电路图
图1-5RS触发器校时电路图
1.5整点报时电路的设计
方案一:
可采用模仿电台的报时方式,每当到59min51s、53s、55s、57s时发出一低音(约100Hz),而到59min59s时发出一高音(约1kHz),声音持续时间均为1s,最后一声高音结束的时刻为整点时刻。
如图1-6所示。
方案2:
定时控制电路。
定时控制电路可以使数字钟在规定的时刻发出信号,或驱动音响电路进行“闹时”;或控制某装置电源的接通或断开实现定时控制。
具体电路图见图1-7
方案3:
报整点时数电路。
功能是:
每当数字钟计时到整点时发出声响,且几点响几声。
实现这一功能的电路要经过三个阶段的工作:
分进位脉冲到来时小时计数器加1;报时计数器应记录此时的小时数;报时计数器开始做减法计数,每减一个脉冲,音频电路鸣叫一声,直到计数器的值为零。
具体电路如图1-8。
此方案较为复杂。
选择简单且功能实用的方案一。
图1-6电台报时电路
图1-7闹时电路
图1-8报整点时数电路
2系统的工作原理:
2.1整体框图
振荡器产生稳定的高频脉冲信号,作为数字中的时间基准,然后经分频器输出标准秒脉冲。
秒计数器满60后向分计数器进位,分计数器满60后向小时计数器进位,小时计数器按照“24翻1”规律计数。
计数器的输出分别经译码器送显示器显示,计时出现误差时可以进行校时、校分。
各扩展电路必须在主体电路正常运行的情况下才能进行功能扩展。
图2-1主体框图
2.2整体电路图
如图A所示,数字钟电路系统由主体电路和扩展电路两大部分组成。
其中主体电路完成数字钟的基本功能,即:
能准确计时,以数字形式显示小时、分秒的时间;小时计时以“24进1”,分和秒的计时以“60进1”;具有校正时和分的功能。
扩展电路完成数字钟的扩展功能。
整个电路图如下:
图2-2整体电路图
3.各单元电路的设计:
3.1振荡器
“脉冲信号发生器”是采用“555”定时器如图3-1,555芯片的引脚图如图3-2所示:
图3-1“秒脉冲信号发生器”的设计、原理图
图3-2555芯片引脚图
参数计算:
根据公式:
脉冲周期T=0.7(R1+2R2)C2
脉冲频率f=1/T
R2=5.1k欧姆,C1=0.1uF,C2=0.1uF.
把R1换成25k欧姆可微调的滑动变阻,调节R1输出1kHz脉冲
3.2分频电路
采用1kHz输入信号为时间标准信号源,要得到秒脉冲,需要分频电路。
产生1KHz的脉冲信号。
故采用3片中规模集成电路计数器74LS90来实现,得到需要的秒脉冲信号。
图3-3秒信号发生器电路图
3.3计数器电路
3.3.1分、秒计数器设计
有了时间标准“秒”信号后,就可以根据设计要求设定时、分、秒计数器:
分和秒计数器都采用60进制计数器,计数规律均为00,01,02------58,59,00,01------,这里均选用十进制计数器74LS90。
74LS90有两个置零度端,通过与输出信号连接得到任意小于十进制的计数器。
例如六进制计数器。
然后与十进制计数器级联可得到六十进制计数器。
图3-4分、秒计数器电路图
3.3.2时计数器电路
时计数器是一个24小时制的计数器,当数字钟运行到23h59min59s时,秒的个位计数器再输入一个秒脉冲,数字钟应自动显示出00h00min00s。
图3-5时计数器电路图
3.4译码显示电路
本设计使用BS201和CD4511配套使用实现译码显示功能。
左图为一个一码显示的配套电路,本次设计中需使用6套来显示我们所需要观察到的数字。
3.5校时电路设计
首次使用数字钟,或当数字钟计时出现误差时,必须对时间进行校正,通常称为“校时”。
校时是数字钟的基本功能,一般要求能对时和分分别进行校对。
对校时电路的要求是在小时校正时不影响分、秒的正常计数,在分校正时不影响秒和小时的正常计数。
图3-6校时电路图
3.6整点报时电路
仿电台整点报时要求在快到整点时按4低音1高音的顺序发出间断声响,一最后一声高音结束的时刻为整点时刻。
设4声低音(采用50HZ分别发生在59分51秒、53秒、55秒、57秒、59秒,它们的持续时间为1S。
由此可见,分十位和个位的计数器的状态分别为秒十位计数器的状态为
,秒十位计数器的状态为
。
秒个位计数器
的状态可用来控制500HZ和50HZ的音频。
表2-6-1列出了秒各位计数器的状态,由表可得只有当
,
及
时,音响电路才能工作。
音响电路中采用射级输出端,推动8欧德蜂鸣器,三极管基极串接1K欧限流电阻,是为了防止电流过大损坏蜂鸣器,三极管选用高频功率管即可,本设计使用8085NPN型三极管,具有方向特性可以节约一个非门。
整点报时的电路图如图2-6-2
图3-6整点报时电路图
表1整点报时逻辑功能表
CP/秒
功能
50
0
0
0
0
51
0
0
0
1
鸣低音
52
0
0
1
0
停
53
0
0
1
1
鸣低音
54
0
1
0
0
停
55
0
1
0
1
鸣低音
56
0
1
1
0
停
57
0
1
1
1
鸣低音
58
1
0
0
0
停
59
1
0
0
1
鸣高音
60
0
0
0
0
停
3.7闹钟定时电路
采用时计数器、分计数器和显示电路组合设计而成。
图3-8闹钟定时电路
3.8时间比较电路
采用异或门和非门组成同或门,比较当前时间是否走到定时电路设定的时间。
图3-9比较电路
3.9秒表
采用三个单刀双掷开关控制,一个单刀双掷开关控制秒表与走时电路100Hz和1Hz频率的转换,一个开关控制6X10进制与10X10进制的转换,最后一个开关控制两个进制间清零的转换。
如图:
图3-10秒表电路
4调试与仿真
4.1使用的主要仪器和仪表
用Proteus仿真时,主要观察译码显示电路行使各项功能时是否工作正常。
4.2调试电路的方法和技巧
电路调试首先要进行电气规则检查,连线比较多要注意别误接漏接,组合逻辑器件着重检查使能端和控制端。
4.3调试中出现的故障、原因及排除方法
实验调试时发现秒的十位从5先是跳到9然后才清零,再三检查后发现是秒表与走时电路转换的时候一个端口接错了。
改正之后电路仿真正常。
总结
我觉得课程设计很能锻炼我们学生的能力,以往我们在上各种理论课的时候总是三天打鱼两天晒网,上课经常玩手机不认真听讲,总是靠着考试前几天的突击有惊无险的度过考试,而这种模式让我们对那些理论课的知识很快就忘之脑后,然而课程设计却逼迫学生自己动手查资料,把以前学的很多理论课的知识全部都要回忆复习然后在串接起来综合应用,不仅巩固了以前学的知识,而且激励我们动脑筋想方法解决生活中的实际问题,让学生学的更有针对性,而且感觉到自己学的东西在现实生活中还是很有用处的,也增加了学生学习的乐趣。
在此次的数字电子时钟设计过程中,我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。
在这次的实验中,我对一些测试硬件、软件及其使用有了更深刻的认识。
这次课程设计是我人生中第一次课程设计,但让我感觉收获了很多而且这个课程设计很有意义!
致谢
这次课程设计非常感谢龚老师异常耐心详细的讲解,龚老师为人很幽默,和蔼可亲,对我们实验方案优点和不足之处都指出来了,对方案的一些发展地方也指出来让我们可以进一步完善自己,对实验报告的一些小细节错误也都耐心的教我们改正。
让我各方面的能力都有了很大的提高。
同时也很感谢同组实验同学李春强,他经常在寝室琢磨方案,很辛苦的一点点的连线仿真,方案改了几次也都一如既往的认真做,有时也会经常熬夜查资料,也培养出了并肩作战的感情,我相信这次培养出来的默契会伴随着我们以后的大学生活越来越高,感情也会越来越深!
参考文献
[1]《数字电子技术基本教程》伍时和主编清华大学出版社
[2]《数字电子技术——从电路分析到技能实践》WilliamKleitz编科学出版社
[3]《数字电子技术简明教程与实训》贾海瀛编机械工业出版社
[4]《新编电子电路大全》第1、2、3、4卷中国计量出版社
[5]《集成电路速查大全》尹雪飞陈克安编西安电子科技大学出版社
本科生课程设计成绩评定表
姓名
曾豪
性别
男
专业、班级
自动化1105
课程设计题目:
多功能数字钟
课程设计答辩或质疑记录:
问题1:
如何在不增加译码显示器的情况下使用秒表功能时不影响时钟电路的走时的时间?
回答:
可以在控制秒、分、时的6个74ls90计数器的输出端都接入寄存器,在要使用秒表功能之前,用开关控制控制寄存器锁存当时时钟电路的数值,当脉冲转换到100Hz使用秒表时,秒脉冲依然继续工作,使寄存器里的数值仍然随着秒脉冲依次增加,当停用秒表功能时,时钟依然显示的是继续走时的时间。
问题2:
课程设计中你遇到的最大的难题是什么?
回答:
我遇到的最大难题就是把闹钟功能的定时电路、比较电路、起闹部分想好之后,想向电子手表一样,将秒表功能和闹钟功能全都只用走时的6块译码显示器显示,而不多用显示器,使电路更精简,功能更强大,尽量少使用芯片。
但最后只用秒表功能叠加在一起显示了,闹钟部分仍然没想出来。
成绩评定依据:
设计方案和内容(30分)
制作与调试(30分)
说明书内容和规范程度(20分)
答辩(10分)
考勤(10分)
总分(100分)
最终评定成绩(以优、良、中、及格、不及格评定)
指导教师签字:
2013年7月日
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- 多功能 数字 电路 课程设计