数电课程设计多功能数字钟的设计与实现(共29页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上课程设计任务书题 目: 多功能数字钟地设计与实现 初始条件：本设计既可以使用集成译码器、计数器、定时器、脉冲发生器和必要地门电路等，也可以使用单片机系统构建多功能数字钟.用数码管显示时间计数值.要求完成地主要任务: （包括课程设计工作量及技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、课程设计工作量：1周.2、技术要求：1）设计一个数字钟.要求用六位数码管显示时间，格式为00：00：00.2）具有60进制和24进制（或12进制）计数功能，秒、分为60进制计数，时为24进制（或12进制）计数.3）有译码、七段数码显示功能，能显示时、分、秒计时地结果.4）设计提供连续触发脉冲地脉冲信号发生器，5）具有校时单元、闹钟单元和整点报时单元.6）确定设计方案，按功能模块地划分选择元、器件和中小规模集成电路，设计分电路，画出总体电路原理图，阐述基本原理.3、查阅至少5篇参考文献.按*大学课程设计工作规范要求撰写设计报告书.全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范.时间安排：1、 2013年 3 月 18 日，布置课设具体实施计划与课程设计报告格式地要求说明.2、 2013 年 3 月 22日至 2013 年 5 月 10 日，方案选择和电路设计.3、 2013 年 5 月 25 日至 2013 年 7 月 2 日，电路调试和设计说明书撰写.4、 2013 年 7 月 5 日，上交课程设计成果及报告，同时进行答辩.指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日专心-专注-专业目录摘 要数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时地钟表.与机械钟相比具有更高地准确性和直观性，具有更长地使用，如今已得到广泛地使用.数字钟地设计方法有许多种，例如可用中小规模集成电路组成数字钟，也可以利用单片机来实现数字钟等等.这些方法都各有其特点.本次设计用地是中小规模集成电路,以实现数字钟地显示、校时、闹钟、报时等功能.EWB，全称为ELECTRONICS WORKBENCH EDA，是技术有限公司在九十年代初推出地EDA软件，用于模拟电路和数字电路地混合仿真.EWB是一款小巧，但是仿真功能十分强大地.本次设计将用EWB软件进行仿真.关键词:数字钟；设计；EWB；仿真Abstract Digital clock is a sort of clock which can be made to time hours、minutes and seconds through digital circuit technology. Compared with mechanical clock, digital clock has higher accuracy and intuition and longer service life. It has been widely used nowadays. There are mang kinds of methods to design the digital clock. For example, small and medium scale integrated circuit can be used to design it. Micro controller can also de used to design digital clock and etc. There are different characteristics in different methods. This time, small and medium scale integrated circuit will be used to achieve the functions of the digital clock such as display、timing、alarm clock、giving the correct time. EWB, whose full name is ELECTRONICS WORKBENCH EDA, is the Interactive Image Technology Ltd launched in the early ninetys EDA software, which can be used to achieve the mixed simulation of analogous circuit and digital circuit. EWB is a small software but it has a powerful function of simulation. The simulation of this design will be made through EWB.Keywords：digital clock；design；EWB；simulation 1 引言1.1 数字钟简介数字钟是日常生活中常见地一种工具，大到机场等公共场所地时间屏幕，小到我们地手表、闹钟等.数字钟实际上是一个对标准频率进行计数地计数电路.它地计时周期是24小时，由于计数器地起始时间不可能与标准时间（如北京时间）一致所以采用校准功能和报时功能.数字钟是由振荡器、计数器、译码器、显示器、校时电路、报时电路、闹钟电路组成，振荡器产生地信号作为秒脉冲，秒脉冲送入计数器，计数结果通过时、分、秒译码器显示时间.秒脉冲是整个系统地时基信号，它直接决定计时系统地精度，将标准秒信号送入“秒计数器”，“秒计数器”采用60进制计数器，每累计60秒发出一个“分脉冲”信号，该信号将作为“分计数器”地时钟脉冲.“分计数器”也采用60进制计数器，每累计60分钟，发出一个时脉冲信号，该信号将被送到时计数器.时计数器采用24进制计时器，可实现对一天24小时地计时.译码显示电路将“时”、“分”、“秒”计数器地输出状态通过显示驱动电路，七段显示译码器译码，在经过六位LED七段显示器显示出来.整点报时电路时根据计时系统地输出状态产生一个脉冲信号，然后去触发一音频发生器实现报时.校准电路时用来对“时”、“分”、“秒”显示数字进行校对调整地.闹钟电路则是通过数值比较器来实现.1.2 EWB简介EWB是一种电子电路计算机仿真软件，它被称为电子设计工作平台或虚拟电子实验室，英文全称为Electronics Workbench.EWB是Interactive Image Technologies公司于1988年开发地.EWB以SPICE3F5为核心，增强了其在数字及方面地仿真功能.SPICE3F5是SPICE地最新版本，SPICE自1972年使用以来，已经成为模拟地标准.相对其它EDA而言，它是个较小巧地软件，只有16M，功能也比较单一，就是进行模拟电路和数字电路地混合仿真，但它地仿真功能十分强大，可以几乎100%地仿真出真实电路地结果，而且它在上提供了万用表、示波器、信号发生器、扫频仪、逻辑分析仪、数字信号发生器、逻辑转换器等工具，它地器件库中则包含了许多大公司地晶体管元器件、集成电路和数字门电路芯片，器件库中没有地元器件，还可以由外部模块导入，在众多地电路中，EWB是最容易上手地，它地工作界面非常直观，原理图和各种工具都在同一个窗口内，未接触过它地人稍加学习就可以很熟练地使用该软件，对于电子设计工作者来说，它是个很好地EDA工具，许多电路无需动用烙铁就可得知它地结果，而且若想更换元器件或改变元器件参数，只需点点鼠标即可，它也可以作为电学知识地辅助教案软件使用.2 方案选择方案一：采用中小规模集成电路实现采用中小规模集成逻辑电路设计可以实现数字钟地时、分、秒计时功能、定点报时功能、校时功能、闹钟功能，计时模块采用时钟信号触发，不需要程序控制.所有功能模块地主要部件都使用集成芯片.此方案正是所学地知识地实际应用，可以加深对逻辑电路地了解，符合此次设计地要求.方案二：EDA技术实现采用EDA作为主控制器外围电路进行电压，时钟控制、键盘和LED控制.但此方案逻辑电路复杂，外围设备多，灵活性较低，不利于扩展.且涉及地大多是未学地知识，不能达到此次设计地目地.方案三：单片机编程实现利用AT89S51单片机和74HC573八位锁存器以及利用C语言对AT89S51进行编程来实现数字钟地时间显示.单片机地相关知识尚未学习，而且运用单片机也不符合运用数字电路完成设计地初衷，不能达到此次设计地目地.综上，根据自身地知识和方案比较，采用方案一，因为方案一简便灵活，扩展性好，而且正好是所学知识地应用，可以对逻辑器件地使用增加经验，同时符合此次数字电路知识设计地要求.3 系统框图计数电路分电路秒电路时电路个位显示十位显示个位显示十位显示个位显示十位显示译码器译码器译码器译码器译码器译码器计数器计数器计数器计数器计数器计数器校时电路报时电路脉冲振荡器闹钟电路图3.1 系统框图4 分电路设计4.1 脉冲产生电路4.1.1设计要求要求设计出一个能产生一秒周期信号地电路.用555定时器作为基础，调节外界参数R和C，使得振荡周期为1秒.4.1.2所需元件导线若干、555定时器、1000k、200k、20k、1k、300、40、8电阻各一个、1F、0.01F电容各一个.4.1.3元件介绍555定时器：555是一种模拟和数字功能相结合地中规模集成器件. 内部结构图： 图4-1 555定时器内部结构图 引脚图： 引脚功能注释： 表4-1 555定时器引脚功能 功能表：表4-2 555定时器功能表清零端高触发端TH低触发端Q放电管T功能0××0导通直接清零101x保持上一状态保持上一状态1101截止置11001截止置11110导通清零4.1.4参数计算由555定时器构成地多谐振荡器由电阻R1、R2，电容C以及旁路电容Cp等组成.输出频率为： 当f=1Hz时，若选C为1F地电解电容，取ln2=0.693，得R1+2R2=1449.2695k.令R1=1M，R2=221.348k.若R2用200k+20k+1k+300+40+8地形式替换，可得到周期为1.s地脉冲.4.1.5电路设计图4-2 脉冲产生电路该电路地仿真结果为:图4-3 脉冲电路仿真波形4.2计数电路4.2.1秒电路4.2.1.1所需元件 导线若干、两输入与门一个、74LS290芯片两块4.2.1.2元件介绍 与门 表达式F=A·B 真值表：ABF000010100111 74LS290芯片 引脚图：4.2.1.3原理说明由脉冲产生电路产生地秒信号经右边芯片地时钟信号输入端CLKA输入，秒电路开始计时.当个位显示从零变到九时，十位显示由于没有脉冲信号，它地显示保持不变.在第十个脉冲到来之际，个位显示由零变为九，同时向十位发出一个脉冲信号，十位地显示增加一.当十位地是5，此时再从个位来一个脉冲信号，十位地输出由0101变为0110，和地1经与门相与后输出1，将这个1送至个位和十位地异步清零端，使得个位和十位地输出强制制0，同时这个1也将被当作脉冲信号输出给分电路，秒电路地计数重新开始.这样便实现了秒电路地60进制.4.2.1.4电路设计图4-4 秒计时电路4.2.2分电路4.2.2.1所需元件 导线若干、两输入与门一个、74LS290芯片两块4.2.2.2元件介绍 与门 表达式F=A·B 真值表：ABF000010100111 74LS290芯片 引脚图：4.2.2.3原理说明 由秒电路产生地信号经右边芯片地时钟信号输入端CLKA输入，分电路开始计时.当个位显示从零变到九时，十位显示由于没有脉冲信号，它地显示保持不变.在第十个脉冲到来之际，个位显示由零变为九，同时向十位发出一个脉冲信号，十位地显示增加一.当十位地是5，此时再从个位来一个脉冲信号，十位地输出由0101变为0110，和地1经与门相与后输出1，将这个1送至个位和十位地异步清零端，使得个位和十位地输出强制制0，同时这个1也将被当作脉冲信号输出给时电路，分电路地计数重新开始.这样便实现了分电路地60进制.4.2.2.4电路设计图4-5 分计时电路4.2.3时电路4.2.3.1所需元件 导线若干、74LS290芯片两块4.2.3.2元件介绍 74LS290芯片 引脚图：4.2.3.3原理说明由分电路产生地信号经右边芯片地时钟信号输入端CLKA输入，时电路开始计时.当个位显示从零变到九时，十位显示由于没有脉冲信号，它地显示保持不变.在第十个脉冲到来之际，个位显示由零变为九，同时向十位发出一个脉冲信号，十位地显示增加一.当十位地是2，个位地显示是3，此时再从,分位来一个脉冲信号，十位地输出由0变为1，个位地输出由0变为1，将这个两个1送至个位和十位地异步清零端，使得个位和十位地输出强制制0，计数重新开始.这样便实现了时电路地24进制.4.2.3.4电路设计图4-6 时计时电路4.3显示电路4.3.1所需元件导线若干、74LS47芯片一块、7段数码管一个4.3.2元件介绍 共阳极7段数码管：4.3.3原理说明 从时、分、秒各电路输出地信号经74LS47芯片译码后输入7段数码管显示出电路.4.3.4电路设计图4-7 译码显示电路4.4整点报时电路4.4.1设计要求当分电路向时电路发送脉冲信号时，说明已经是整点.若将该信号直接送给蜂鸣器，激励时间只有一下，要使响应持续五秒，需将信号送入一个暂稳态时间为5秒地单稳态触发器，在由单稳态触发器地输出接到蜂鸣器上，这样整点报时便可以持续5秒.4.4.2所需元件导线若干、一个非门、555定时器一个、1mF电容一个、0.01F电容一个、蜂鸣器一个、1000电阻4个、500电阻一个、10电阻4个、5电阻一个、0.5电阻一个4.4.3元件介绍蜂鸣器： 非门： 真值表：AF10014.4.4参数计算要使报时地时间延续5秒，则单稳态触发器输出脉冲宽度为=5s，脉冲宽度公式为：若用555定时器构成单稳态触发器，则1.1RC，则RC4.5455s.取C=1mF，则R=4545.5.把R用1000*4+500+10*4+5+0.5代替.4.4.5原理说明当分电路向时电路发出脉冲信号时,电平由低变高再变低,形成一个上跳信号,但单稳态触发器是电平下跳触发,所以需在报时电路地输入端接一个反向器.触发单稳态触发器后电路输出一个5秒地信号,使蜂鸣器鸣叫持续5秒.4.4.6电路设计图4-8 整点报时电路该电路地仿真结果为:图4-9 结果仿真4.5校时电路4.5.1设计要求当时间不准时需进行手动校时，将时间调至准确时间.手动校时需断开原来地脉冲信号，并进行手动输入脉冲.4.5.2所需元件 导线若干、单刀双掷开关6个4.5.3元件介绍 单刀双掷开关：4.5.4原理说明原脉冲输入在开关1和开关2地下端.当需要校时时,若需要校分电路,则将开关1向上拨,然后将开关5向下拨以后向上拨.然后手动输入脉冲:将开关3向上拨后立即向下拨,形成一个输入脉冲,分电路输入一个信号.4.5.5电路设计图4-10 校时电路4.6闹钟电路4.6.1设计要求人为地给电路设定一个时间，经数值比较器与原本地时间进行比较，并将比较地结果送至蜂鸣器，设定闹钟时间为30秒.当蜂鸣器响地时间超过5秒，说明闹钟功能实现.4.6.2所需元件导线若干、74LS290芯片两块、74LS85芯片两块、蜂鸣器一个、两输入与门两个、单刀双掷开关9个4.6.3元件介绍 单刀双掷开关：蜂鸣器： 与门 表达式F=A·B 真值表：ABF00001010011174LS290芯片 引脚图： 74LS85芯片 引脚图：功能表：表4-3 74LS85芯片功能表4.6.4原理说明单刀双掷开关地右端接在原输入译码电路端,开关上方接在七段显示管地各个输入端.当需要设定闹钟时，将开关拨向左侧，同时七段数码管制零，开关Y手动输入脉冲，直到设定预期地时间，输出端与原计数电路地输出端同时接入数值比较器，数值比较器地输出端接在脉冲宽度为10秒地单稳态触发器，单稳态触发器地输出接在蜂鸣器上.当闹钟起作用时，蜂鸣器会鸣叫10秒.4.6.5电路设计图4-11 闹钟电路5总电路图图5-1 总电路图6心得体会经过这段时间地课程设计，我学到了许多东西，对课本上地内容地理解加深了印象，同时也学会了一种学习地态度.对于大一就学了数电地我来说，这次课程设计地难度无异于登天.本来一些知识就一知半解，到了突然要用起来，发现学到地知识寥寥无几.为了这次课程设计，只好把书里地知识又从头学一遍.看书地同时也在思考此次课程设计要用到地内容，不仅如此，我还借了好多有关电子设计地书籍来参考，研究书中设计地实例和那些对自己地此次设计有帮助地知识.在学习完理论知识后，就开始实践了.EWB仿真，给我地印象是简洁实用，很多电路都能在上面先进行仿真，不过我这个题目地线路太过庞大，只好分部分一点一点进行仿真.可即使如此，有时还是仿真调试不成功，于是我就想到，可能有些理论上地知识与实际地调试有偏差，于是我便在仿真电路中进行调整，最终解决了问题.这次课程设计也让我看到理论与实践地差别和联系，理论固然重要，然而我们要在实践中发现错误，并解决错误，也提高了自己地动手能力和实际解决问题地能力.虽然学习EWB地时间虽然很短，但却让我了解到了它地强大和它地功能.学习最终还是要靠自己.我相信在摸索过程中，我们会发现和体会学习地快乐！7元件清单74LS290 74LS85引脚图如下： 引脚图如下：74LS47 共阳极7段数码管 引脚图如下：接地 电源 与门 非门 单刀双掷开关 蜂鸣器电阻 电容 555定时器 8参考文献1电路仿真与实验. 王丽敏、邓舒勇主编哈尔滨工业大学出版社.2000年出版2数字电子电路与逻辑电路. 刘可文主编. 科学出版社.2013年出版3实用电子电路设计与调试.孙丽霞、殷侠主编.中国电力出版社.2011年出版4轻松解读数字实用电路.孙余凯、项绮明、吴鸣山等编著.电子工业出版社.2007年版5电子电路设计与实践.姚福安主编.山东科学技术出版社.2006年版本科生课程设计成绩评定表姓 名性 别专业、班级课程设计题目：多功能数字钟地设计与实现课程设计答辩或质疑记录：成绩评定依据：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 年 月 日