多功能数字钟电路的设计与仿真_上海大学.docx

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1、多功能数字钟电路的设计与仿真_上海大学 电子技术课程设计报告多功能数字钟电路的设计与仿真 上海大学机自学院自动化系 电气工程及其自动化专业 姓名:* 学号:* 指导老师:徐昱琳 2022年6月26日 一、任务及要求 用中小型规模集成电路设计一个多功能数字钟电路，在EDA软件上完场硬件系统的仿真。 多功能数字钟电路的技术指标如下： 时间以24小时为一个周期; 数值显示时、分、秒; 有校时功能,可以分别对时及分进行单独校时,使其校正到标准时间; 具有整点报时功能,当时间到达整点前5秒进行蜂鸣报时; 具有闹钟功能，当时间到达预设的时间进行蜂鸣闹铃； 为了保证计时的稳定及准确须由石英晶体振荡器提供时间

2、基准信号。 二、数字钟介绍。 数字钟的构成： 数字式计时器应由秒发生装置、计秒，计分，计时部分、时间显示部分、时间校正和闹钟报时等几部分组成。所涉及的电子器件主要有振荡器、加法计数器、译码器、显示器、寄存器、比较器等。其中，振荡器组成标准秒信号发生器；由不同进制的计数器、译码器和显示器组成计时，显示系统；寄存器和比较器构成定点报时系统。其结构原理图如下： 三、详细的电路模块及电路设计过程如下： （1）、秒脉冲器。秒脉冲器可以产生频率为1Hz的方波信号。其精确程度直接影响到电子钟计时的精确程度。实验要求使用石英晶体振荡器作为秒脉冲器，提供时间基准信号。 石英晶体构成的秒脉冲器结构图如下： CD4

3、060由一振荡器和14级二进制串行计数器位组成。其中的振荡器与石英电路构成石英振荡器，可产生频率为32768Hz=215Hz的方波信号。再通过14级二进制计数器分频。通过14次分频后可产生频率为2Hz的方波信号。再将2Hz 的方波信号通过D触发器进行分频，可获得频率为1Hz的秒脉冲信号。 74LS74芯片介绍： 74LS74是双路D 型上升沿触发器，带独立的数据（D）输入、时钟（CP）输入、设置（SD）和复位（RD）输入、以及互补的Q和Q输出。设置和复位为异步低电平有效，且不依赖于时钟输入。74LS74数据输入口的信息在时钟脉冲的上升沿传输到Q口。为了获得预想中的结果，D输入必须在时钟脉冲上升

4、沿来临之前，保持稳定一段就绪时间。 仿真中可用74LS74中的D触发器来对 2Hz的方波信号进行分频以获得频率 为1Hz的秒脉冲信号。 最终的石英晶体秒脉冲电路如下图所示： 由于Mulitisim软件不能仿真4060的晶体振荡电路，无法生成秒脉冲。故仿 真电路中暂时以电压为5V，频率为1Hz的方波信号代替石英晶体振荡电路。实际中则使用上图中的石英晶体秒脉冲电路。 （2）、计时电路： 分和秒的计时电路由60进制的计数器构成，其中个位为十进制计数器；十位为六进制计数器。二者级联即可构成60进制计数器。 小时的计时电路由24进制，其中个位为十进制计数器，只不过十位为2时个位需要满四清零；十位为二进制

5、计数器，实现方法是个位为4，十位为2时反馈清零。二者级联即可构成24进制计数器。 计数芯片选用74HC160。74HC160芯片的管脚与74HC161的管脚完全相同，不过160为10进制计数器，161位四位二进制即16进制计数器。相比之下160使用起来更简单。计数方法采用反馈清零法。 分秒计时电路如下： 其中IO18是状态输出端，接译码器；IO9是进位端，接下一个计时电路的CP端；IO10是初始CP输入端，接秒脉冲信号。 U2为十进制计数器，当个位计数到9时，RCO会输出一个高电平，个位清零时高电平立即消失，其余时刻均为低电平。即刚刚到9时，会输出上升沿，刚刚清零时，输出下降沿。通过非门，则可

6、以在刚刚清零时输出上升沿，从而实现对十位的进位。 U1为六进制计数器，通过反馈清零法实现计数。当清零信号与电源VCC信号的与非即可获得进位信号。 小时计时电路如下图： 其中IO18是状态输出端，接译码器；IO9是CP输入端，接分计时器的进位端。 U1为十进制计数器，当个位计数到9时，RCO会输出一个高电平，个位清零时高电平立即消失，其余时刻均为低电平。即刚刚到9时，会输出上升沿，刚刚清零时，输出下降沿。通过非门，则可以在刚刚清零时输出上升沿，从而实现对十位的进位。当小时的十位数值为2时，则U1必须满四清零，这个通过与非门U3A实现。 U2为二进制计数器，实现方法个位4和十位2的同时反馈清零。这

7、个通过与非门U3A实现。 （3）、译码电路及显示电路 为了能够使计时电路的状态能够变为十进制数字显示，必须要将计时电路输出的二进制数值通过译码器输出到显示器。译码芯片选择CD4511芯片。显示器选用七段数字显示器。 CD4511芯片介绍： CD4511 是一片CMOS BCD锁存/7 段译码/驱动器，用于驱动共阴极LED （数码管）显示器的BCD 码。特点：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。可直接驱动共阴LED数码管。 A0A3：二进制数据输入端 CD4511引脚图 BI：输出消隐控制端 LE：数据锁定控制端 LT：灯测试端 YaYg：数据输出

8、端 VDD：电源正 VSS：电源负 CD4511真值表如下 七段数字显示器介绍 它是将七个发光二极管按一定的方式排列起来，七段a、b、c、d、e、f、g 各对应一个发光二极管，利用不同发光段的组合，显示不同的阿拉伯数字。 (a)数字显示器分段布置图(b)段组合图 七段数字显示器的内部接法 (a)共阳极电路(b)供应及电路 译码电路及显示电路图如下： 其中电阻R1作用是稳定数值显示,IO14为计时状态输入端，接计时器的状态输出端。 （4）、时间校准电路 校时电路有各类开关组成，开关类型见图 校时电路图如下： 其中IO1与IO4串联在小时个位计时芯片CP端和分十位计时进位端之间，IO2与IO5串联

9、在分个位计时芯片CP端和秒十位计时进位端之间，IO3与IO5串联在秒个位计时芯片CP端和秒脉冲信号端之间。开关S4在上方是为校准状态，在下方为计时状态。S1为调时按钮，S2为调分按钮，S3为调秒按钮。 （5）、整点报时电路 整点报时电路要求在59分55到59分59秒均输出高电平供电给蜂鸣器，促使蜂鸣器发生。可以将计时芯片输出的二进制状态通过各种门组合，使其在特定的时间输出高电平。 整点报时电路图如下： 其中U1最上端为多余端，与非门多余端接高电平。IO1IO9分别接：分的十位的计时芯片Qc、Qa输出端，个位的计时芯片的Qd、Qa输出端，秒的十位的计时芯片的Qc、Qa输出端，个位的计时芯片的Qc

10、、Qb、Qc、Qa、Qd输出端。 （6）闹钟电路 闹钟电路由两部分电路组成，一个为定时电路，用来储存输入的预置的闹钟信号，另一个为比较电路，用来比较闹钟信号与计时电路的输出信号是否一致，若一致则输出高电平来促使蜂鸣器工作。 定时电路的电路与计时电路基本一致。去掉计时电路的秒，并且将小时、分的个位的芯片CP端接手动调成按钮，即可获得闹钟电路 闹钟电路的定时电路部分如下图所示 其中IO116分别按顺序连接比较电路的各B接口。同时为了显示方便，IO116还要接额外译码显示电路。 闹钟电路的比较电路部分，闹钟的比较部分需 要用到数值比较器。这里可以用74HC85芯片。 74HC85是四位数值比较器。

11、将四片74HC85芯片串联起来就可以得到16 位数值比较器。串联的方法便是将其中一片85芯 片的各I端口依次与另一个85芯片的Q端口相连。 各A端口和各B端口用于输入用来比较的数值。 74HC85的功能表如下 闹钟的比较部分的电路图如下 其中各A端口按序依次接计时电路的状态输出，各B端口按序依次接定时电路的状态输出 （7）、总电路图如下 其中为了连线方便以及连线整洁，电路图使用了总线连接的方法（粗线为总线）。 四、电路的仿真及指标验证。 （1）、打开仿真开关。 （2）、仿真校准时间功能：把校准开关往右拨，进入校准状态。调节计时时间为9点29分。然后将校准开关往左拨，进入计时状态。电子钟正常工作。如下图所示，已经走了7秒。 （3）仿真整点报时：为了显示清楚，蜂鸣器旁边再接一个指示灯。这样便于观察。将时间调到9点59分30秒，然后计时。到9点59分55秒时，指示灯亮，说明蜂鸣器工作，10点00分00秒时，指示灯熄灭，说明蜂鸣器停止工作。蜂鸣器工作持续5秒钟 调至59分30秒，初始灯不亮： 计入计时状态，到了59分55秒，灯亮：