數字鐘設計畢業(yè)設計

1、<p>　　畢業(yè)設計說明書（論文）</p><p>　　設計（論文）題目: 數字鐘的設計 </p><p>　　專 業(yè): 微電子技術 </p><p>　　班 級: 微電08-1班 </p><p>　　學 號:

2、 </p><p>　　姓 名: </p><p>　　指導教師: </p><p>　　二0一0 年 七 月 一 日</p><p><b>　　畢業(yè)設計任務書</b></p><p>　　備注：任務書由指導教師填寫，

3、一式二份。其中學生一份，指導教師一份。</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要1</b></p><p><b>　　第1章 緒 論2</b></p><p>　　1.1 設計背景2</p><p>　　1

4、.2 設計目的2</p><p>　　1.3 設計要求2</p><p>　　第2章 設計原理及其框圖4</p><p>　　2.1數字電子鐘的邏輯框圖4</p><p>　　2.2 數字鐘的工作原理4</p><p>　　第3章 系統單元電路設計5</p><p>　　3.1 5

5、55定時器時鐘脈沖產生電路5</p><p>　　3.2 時間計數器電路6</p><p>　　3.3 譯碼驅動電路8</p><p>　　3.4 數碼管顯示電路9</p><p>　　3.5 基本RS觸發(fā)器校正電路10</p><p>　　3.6 整點報時電路11</p><p>

6、　　3.7系統電路原理圖12</p><p>　　3.8系統電路工作原理13</p><p>　　第4章 數字電子鐘的仿真與調試14</p><p>　　4.1 Proteus介紹14</p><p>　　4.2 Proteus對本實驗的仿真14</p><p>　　4.3 數字鐘調試15</p>

7、;<p>　　4.4 仿真電路圖15</p><p><b>　　總 結16</b></p><p><b>　　致 謝17</b></p><p><b>　　參考文獻18</b></p><p>　　附錄1 元件明細表19</p>&

8、lt;p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本次設計使用的是555振蕩電路提供時鐘時間基準信號。與晶振電路相比使用芯片少，結構簡單明了。數字鐘實際上是一個對標準頻率（1HZ）進行計數的計數電路，時間計數電路由秒個位和秒十位計數器、分個位和分十位計數器及時個位和時十位計數器電路構成，其中秒個位和秒十位計數器、分個位和分十位計數器為60進制計數器，而根據設計要求，時個位和時十

9、位計數器為12進制計數器。</p><p>　　時間以12個小時為周期，顯示時、分、秒，有校時功能，可以分別對時及分進行單獨校時，使其校正到標準時間；計時過程具有報時功能，當時間到達整點前10秒進行蜂鳴報時； 為了保證校正信號的穩(wěn)定及準確采用RS觸發(fā)消振校正電路提供校正基準信號。</p><p>　　關鍵詞 數字鐘；譯碼器；數碼管；計數器；</p><p><

10、;b>　　第1章 緒 論</b></p><p><b>　　1.1 設計背景</b></p><p>　　集成電路有體積小、功耗小、功能多等優(yōu)點，因此在許多電子設備中被廣泛使用。</p><p>　　數字電子鐘采用數字電路實現對時、分、秒數字顯示的計時裝置，它具有顯示時、分、秒的功能，本設計采用時序電路制成的數碼管顯示的數字

11、電子鐘，與機械式時鐘相比具有更高的準確性和直觀性，且比機械裝置具有更長的使用壽命，因此得到了廣泛的使用。電子鐘是人們日常生活中常用的計時工具，而數字式電子鐘它具有走時準確、穩(wěn)定性能好和使用方便等的特點。具有快速校準時、分、秒的功能。廣泛用于個人家庭、車站、碼頭辦公室等公共場所，成為人們日常生活中不可少的必需品，由于數字集成電路的發(fā)展和石英晶體振蕩器的廣泛應用，使得數字鐘的精度，運用超過老式鐘表，鐘表的數字化給人們生產生活帶來了極大的方便

12、，而且大大地擴展了鐘表原先的報時功能。數字集成電路技術的發(fā)展和采用了先進的石英技術，使數字鐘具有走時準確、性能穩(wěn)定、攜帶方便等優(yōu)點，它還用于計時、自動報時及自動控制等各個領域。</p><p>　　本次設計以數字電子為主，分別對1Hz時鐘信號源、秒計時顯示、分計時顯示、小時計時顯示、整點報時及校時電路進行設計，然后將它們組合，來完成時、分、秒的顯示并且有整點報時和走時校準的功能。并通過本次設計加深對數字電子技術的

13、理解以及更熟練使用計數器、觸發(fā)器和各種邏輯門電路的能力。電路主要使用集成計數器，例如74LS390、CD4511譯碼集成電路，LED數碼管及各種門電路和基本的觸發(fā)器等，電路使用5號電池供電，很適合在日常生活中使用。因此，研究數字鐘及擴大其應用，有著非?，F實的意義。</p><p><b>　　1.2 設計目的</b></p><p>　　熟悉集成電路的引腳安排;掌握各

14、芯片的邏輯功能及使用方法;了解面包板結構及其接線方法;了解數字鐘的組成及工作原理;熟悉數字鐘的設計與制作。</p><p><b>　　1.3 設計要求</b></p><p>　　時間以12小時為一個周期；顯示時、分、秒；有校時功能，可以分別對時及分進行單獨校時，使其校正到標準時間；計時過程具有報時功能，當時間到達整點前10秒進行蜂鳴報時；為了保證計時的穩(wěn)定及準確須

15、本次設計使用的是555振蕩電路來實現的時鐘脈沖。</p><p>　　第2章 設計原理及其框圖</p><p>　　2.1數字電子鐘的邏輯框圖</p><p>　　數字電子鐘的邏輯框圖如圖2-1：</p><p>　　2.2 數字鐘的工作原理</p><p>　　數字鐘實際上是由振蕩電路來產生一個標準頻率（1HZ）時鐘

16、脈沖，再對其進行計數的計數電路。由于計數的起始時間不可能與標準時間（如北京時間）一致，故需要在電路上加一個校時電路，同時到達整點前10秒報時。</p><p>　　第3章 系統單元電路設計</p><p>　　3.1 555定時器時鐘脈沖產生電路　　</p><p>　　數字鐘1HZ時間信號必須做到準確穩(wěn)定，一般時鐘是以晶體振蕩器電路給數字鐘提供一個頻率穩(wěn)定準確的

17、32768Ｈz的方波信號。不管是指針式的電子鐘還是數字顯示的電子鐘都使用了晶體振蕩器電路。但是晶體振蕩器電路復雜，而且晶振容易毀壞，還要運用分頻器才能實現秒脈沖。而555定時器電路簡單，只需要555定時器和電阻電容就能產生秒脈沖，元器件使用少、電路圖結構清晰簡單。因此本次設計本次設計使用的是555振蕩電路來實現的時鐘脈沖。555振蕩器內部結構如圖3-1所示。</p><p>　　圖3-1 555振蕩器內部結構&l

18、t;/p><p>　　用555定時器組成多諧振蕩器電路如圖3-2所示。R3、R4和C2為外接定時元器件，高、低電平觸發(fā)輸入端相連并接到定時電容C2上，R3和R4的節(jié)點與放電端相連，電壓控制端不用，通常接0.01uf電容。</p><p>　　接通電源后，Vcc通過R3、R4對電容C2充電，Uc上升。開始時 Uc <1/3 Vcc，即高電平觸發(fā)端TH<2/3 Vcc，低電平觸發(fā)端TR

19、<1/3 Vcc，定時器置位，Q=1，放電管截止。</p><p>　　隨后 Uc 越充越高，當Uc >=2/3 Vcc時，高電平觸發(fā)端TH > 2/3 Vcc,低電平觸發(fā)端TR>1/3Vcc,定時器復位，Q=0，放電管飽和導通，C2通過R3經VT放電，U c下降。</p><p>　　當Uc<=1/3 Vcc 時又回到高電平觸發(fā)端TH < 2/3 Vc

20、c，低電平出發(fā)端TR<1/3 Vcc，定時器又置位，Q=1，放電管截止，C2停止放電而重新開始充電。如此反復，形成矩形脈沖。</p><p>　　多諧振蕩器的振蕩周期T為：T=Tw1+Tw2=0.7（R3+R4）C2+0.7R3C2=0.7(R4+2R3)C2</p><p>　　圖 3-2多諧振蕩器電路</p><p>　　3.2 時間計數器電路　　<

21、/p><p>　　時間計數單元有時計數、分計數和秒計數等幾個部分。</p><p>　　時間計數電路由秒個位和秒十位計數器、分個位和分十位計數器及時個位和時十位計數器電路構成，其中秒個位和秒十位計數器、分個位和分十位計數器為60進制計數器，其輸出為兩位8421BCD碼形式；而根據設計要求，時個位和時十位計數器為12進制計數器，其輸出也為8421BCD碼。</p><p>

22、;　　一般采用10進制計數器74HC390來實現時間計數單元的計數功能。為減少器件使用數量，可選74HC390，其引腳圖和內部邏輯框圖如圖3-3所示。該器件為雙2—5－10異步計數器，并且每一計數器均提供一個異步清零端（高電平有效）。</p><p>　　圖3-3 74HC390引腳圖和內部邏輯框圖</p><p>　　秒個位計數單元為10進制計數器，無需進制轉換，只需將Q0與CPB（下降

23、沿有效）相連即可。CPA（下降沒效）與1Hz秒輸入信號相連，Q3可作為向上的進位信號與十位計數單元的CPA相連，電路在秒脈沖的作用下數碼管從0—9顯示，如圖3-4。</p><p>　　圖3-4 74390十進制計數器電路</p><p>　　秒十位計數單元為6進制計數器，需要進制轉換。將10進制計數器轉換為6進制計數器的電路連接方法如圖3-5所示，其中Q2可作為向上的進位信號與分個位的計

24、數單元的CPA相連，電路在秒脈沖的作用下數碼管從0—6顯示。</p><p>　　圖3-5 10進制——6進制計數器轉換電路</p><p>　　分個位和分十位計數單元電路結構分別與秒個位和秒十位計數單元完全相同，只不過分個位計數單元的Q3作為向上的進位信號應與分十位計數單元的CPA相連，分十位計數單元的Q2作為向上的進位信號應與時個位計數單元的CPA相連。</p><

25、p>　　時個位計數單元電路結構仍與秒或個位計數單元相同，但是要求，整個時計數單元應為12進制計數器，不是10的整數倍，因此需將個位和十位計數單元合并為一個整體才能進行12進制轉換。利用2片74HC390和與門實現12進制計數功能的電路如圖3-6所示。</p><p>　　圖3-6 12進制計數器電路</p><p>　　3.3 譯碼驅動電路　　</p><p>

26、;　　譯碼驅動電路將計數器輸出的8421BCD碼轉換為數碼管需要的邏輯狀態(tài)，并且為保證數碼管正常工作提供足夠的工作電流。</p><p>　　計數器實現了對時間的累計以8421BCD碼形式輸出，選用顯示譯碼電路將計數器的輸出數碼轉換為數碼顯示器件所需要的輸出邏輯和一定的電流，選用CD4511作為顯示譯碼電路。譯碼驅動引腳圖及顯示單元如圖3-7。</p><p>　　圖3-7 譯碼驅動引腳圖

27、及顯示單元</p><p>　　3.4 數碼管顯示電路　　</p><p>　　數碼管由譯碼驅動電路提供電流，并顯示出譯碼驅動電路輸出的數碼。</p><p>　　數碼管通常有發(fā)光二極管（LED）數碼管和液晶（LCD）數碼管，本設計使用的為LED數碼管，如圖3-8。</p><p><b>　　圖3-8多位數碼管</b>

28、</p><p>　　LED數碼有共陽和共陰兩種，把些LED發(fā)光二極管的正極接到一塊（一般拼成一個8字加一個小數點）而作為一個引腳，就叫共陽的，相反的，就叫共陰的，那么應用時這個腳就分別的接VCC和GND。再把多個這樣的8字裝在一起就成了多位的數碼管了。 </p><p>　　找公共共陰和公共共陽首先，我們找個電源（3到5伏）和1個1K（幾

29、百的也歐的也行）的電阻，　VCC串接個電阻后和GND接在任意2個腳上，組合有很多，但總有一個LED會發(fā)光的找到一個就夠了。然后用GND不動，VCC（串電阻）逐個碰剩下的腳，如果有多個LED（一般是8個）亮，那它就是共陰的了?！∠喾从肰CC不動，GND逐個碰剩下的腳，如果有多個LED（一般是8個）亮，那它就是共陽的了。（相應的圖形如圖3-9，3-10所示）</p><p>　　圖3-9共陰極二極管

30、 圖3-10共陽極二極管</p><p>　　3.5 基本RS觸發(fā)器校正電路</p><p>　　基本RS觸發(fā)器屬于電頻直接控制方式，即輸入信號直接可控制觸發(fā)器的輸出端的狀態(tài)。這種無抖動開關又稱為邏輯開關。</p><p>　　當重新接通電源或走時出現誤差時都需要對時間進行校正。通常，校正時間的方法是：首先截斷正常的計數通路，然后再進行人工出觸發(fā)計

31、數或將頻率較高的方波信號加到需要校正的計數單元的輸入端，校正好后，再轉入正常計時狀態(tài)即可。</p><p>　　根據要求，數字鐘應具有分校正和時校正功能，因此，應截斷分個位和時個位的直接計數通路，并采用正常計時信號與校正信號可以隨時切換的電路接入其中。</p><p>　　根據要求，數字鐘應具備有分校正和時校正功能，因此，應截斷分個位和時個位的直接計數通路，并采用正常計數和和校正信號可以隨

32、時切換的電路接入其中，而且在校時和校分時不能相互影響。圖3-11所示為本次設計的校正電路。</p><p>　　校正信號實際上就是通過開關的開和閉合接通電源或地形成下降沿脈沖。在機械開關按動過程中，一般都存在彈簧片接觸抖動而使電壓或電流波形產生“毛刺”，這些“毛刺”持續(xù)時間大約幾十毫秒，人眼不易察覺。但是這種現象在數字系統中會造成電路誤動作，是絕對不允許的。為了克服這種現象，可在電源和輸出端之間接入一個基本RS觸

33、發(fā)器，構成防抖動開關電路，如圖3-11所示。假設開關的初始位置在5端，則3端輸出為0；在開關由5端扳到1端過程中，基本RS觸發(fā)器保持，3端仍為0；當開關扳到1端時，1端的電位由于抖動而產生“毛刺”。但此時由于5端已經為高電平，1端一旦出現低電平，3端就會翻轉為1.即使1點出現高電平也不會改變觸發(fā)器的狀態(tài)，所以3端的波形不會出現“毛刺”。因此也實現了無抖動校正電路。</p><p>　　圖3-11 校正電路圖<

34、;/p><p>　　3.6 整點報時電路</p><p>　　一般時鐘都應具備整點報時電路功能，即在時間出現整點前數秒內，數字鐘會自動報時，以示提醒。其作用方式是發(fā)出連續(xù)的或有節(jié)奏的音頻聲波，較復雜的也可以是實時語音提示。</p><p>　　根據要求，電路應在整點前10秒鐘內開始整點報時，即當時間在59分50秒到59分59秒期間時，報時電路報時控制信號。報時電路選74

35、HC30，選蜂鳴器為電聲器件。74HC30引腳圖如圖3-12。蜂鳴器接通電源就會發(fā)出連續(xù)的響聲，再把74HC30的3端與秒脈沖信號相連，就形成了間隙的蜂鳴聲。整點報時電路如圖3-13。</p><p>　　圖3-12 74HC30引腳圖如圖 圖3-13 整點報時電路圖</p><p>　　3.7系統電路原理圖</p><p>　　利用

36、兩個六十進制和一個十二進制連接成一個時、分、秒都會進位的電路總圖，如圖3-14。</p><p>　　圖3-14 系統電路原理圖</p><p>　　3.8系統電路工作原理</p><p>　　1.脈沖進位開關同時打到自動位置：</p><p>　　由555多諧振蕩器電路得到1Hz的秒脈沖，輸入到秒個位74LS390芯片的CP0端，通過相應地

37、譯碼器CD4511顯示計數。當秒計數器達到“60”時，通過與門74LS08自動清零重新計數并向分計數器個位74LS290的CP0端進位。分計數器達到“60”時，通過與門74LS08自動清零并向時計數器個位74LS290的CP0端進位，時計數器通過相應地譯碼器顯示數字。當時計數器計到“12”時，清零端自動清零。完成12小時的計時。</p><p>　　在計時的過程中，當分計到“59”分時，而等到秒計數到“50”秒時

38、，然后通過74HC30相“與”后1s標準秒信號去控制喇叭鳴叫，到10秒時，鳴叫結束，完成整點報時。</p><p>　　2.開關分進位開關打到手動位置時：</p><p>　　按一次按鈕開關，電路產生一個單次脈沖，對分進行校正。同理，當開關時進位開關打到手動位置時，是進行的時校正。</p><p>　　第4章 數字電子鐘的仿真與調試</p><p

39、>　　4.1 Proteus介紹</p><p>　　Proteus軟件引入到數字電子技術設計型教學中，為我們學生提供了一個大膽思維、充分發(fā)揮創(chuàng)造性的實驗環(huán)境。Proteus軟件的設計試驗區(qū)好像一塊“面包板”，在上面可以建立各種電路進行仿真實驗。與其他電路仿真軟件相比，具有界面直觀、操作方便等優(yōu)點。它改變了一般電路仿真軟件輸入電路必須采用文本方式的不便，創(chuàng)建電路的元器件和測試儀器等均可直接從屏幕上器件庫和儀

40、器庫中直接選取。</p><p><b>　　該軟件的特點：</b></p><p>　　1.仿真的手段和實際相符，儀器和元器件的選用和實際情形非常相似。可以通過對電路的仿真，既掌握電路的性能，又熟悉儀器的正確的使用方法。</p><p>　　2.有齊全豐富和可擴充的元器件庫。提供了數千種元器件供選用，不僅提供了元器件的理想值，而且有的元器件還

41、提供了實際廠家的元器件模型。</p><p>　　3.具有完整的混合模擬與數字信號模擬的功能。可任意地在系統中集成數字及模擬元器件，會自動地進行信號轉換。測試具有即時的顯示功能。</p><p>　　4.2 Proteus對本實驗的仿真</p><p>　　Proteus對于本設計的仿真步驟如下：</p><p>　　1.打開Proteus軟

42、件。</p><p>　　2.單擊component（元件）按鈕,然后單擊P，彈出元件選擇對話框(Pick Devices)</p><p>　　3.為了快速查找元件，直接在搜索框中輸入要查找的元件名稱，可以不用輸入全稱，只需輸入開頭幾個字母就可以篩選出所需的元件。</p><p>　　4.在Pick Devices對話框內輸入74LS再在里面查找選擇74LS390

43、，再點擊OK， 74LS290元件就放在Pick Devices內，要用元件時直接點擊Pick Devices內的74LS290，再在Proteus界面上點擊就會出現該元器件。</p><p>　　5.同上面的操作再選出設計所需的所有元器件。</p><p>　　6.根據原理圖放置元器件，調整元器件位置再連線并完成仿真原理圖。</p><p><b>　　

44、4.3 數字鐘調試</b></p><p><b>　　調試步驟如下：</b></p><p>　　1.點擊開始打開電源。</p><p>　　2.將脈沖進位開關打到自動進位端。</p><p>　　3.檢查振蕩電路是否產生秒脈沖。</p><p>　　4.檢查數碼管是否正常顯示時、分

45、、秒；并與其他正常時間相比較是否正常；再檢查時、分、秒進制是否正常。</p><p>　　5.將脈沖進位開關打到手動端，檢查校正電路是否正常校時。</p><p>　　6.將時間調到59分50秒，檢查報時電路是否產生蜂鳴，并在10后停止蜂鳴。</p><p><b>　　4.4 仿真電路圖</b></p><p>　　仿

46、真電路圖如圖4-1所示。</p><p>　　如圖4-1 仿真電路圖</p><p><b>　　總 結</b></p><p>　　本次設計使用的是555振蕩電路提供時鐘時間基準信號。與晶振電路相比使用芯片少，結構簡單明了。數字鐘實際上是一個對標準頻率（1HZ）進行計數的計數電路，時間計數電路由秒個位和秒十位計數器、分個位和分十位計數器及時個

47、位和時十位計數器電路構成，其中秒個位和秒十位計數器、分個位和分十位計數器為60進制計數器，而根據設計要求，時個位和時十位計數器為12進制計數器。</p><p>　　時間以12個小時為周期，顯示時、分、秒，有校時功能，可以分別對時及分進行單獨校時，使其校正到標準時間；計時過程具有報時功能，當時間到達整點前10秒進行蜂鳴報時； 為了保證校正信號的穩(wěn)定及準確采用RS觸發(fā)消振校正電路提供校正基準信號。</p>

48、;<p>　　通過這次畢業(yè)設計使我懂得了理論與實際相結合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來，從理論中得出結論，才能真正為社會服務，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。畢業(yè)設計是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識,發(fā)現,提出,分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學生實際工作能力的具體訓練和考察過程.回顧此次畢業(yè)設計，感慨頗多，的確，從選題到定稿，從理論到實踐，在短短的兩個星期

49、的日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學到很多很多的的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識。在摸索該如何設計程序使之實現所需功能的過程中,特別有意義,培養(yǎng)了我的設計思維,增加了實際操作能力.在讓我體會到了設計的艱辛的同時,更讓我體會到成功的喜悅和快樂。 </p><p>　　生活就是這樣，汗水預示著結果也見證著收獲。勞動是人類生存生活永恒不變的話題。通過此次設計，我才

50、真正領略到“艱苦奮斗”這一詞的真正含義，我才意識到老一輩電子設計為我們的社會付出。我想說，設計確實有些辛苦，但苦中也有樂，在如今單一的理論學習中，很少有機會能有實踐的機會，但我們可以，確實很累，但當看到自己所做的成果時，心中也不免產生興奮，這也是一份成就一份收獲！</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　光陰似箭，轉眼大學三年學習生涯即將結束

51、。兩個月的設計指導學習，我得到了指導老師**老師的真誠教誨和同學們的熱情幫助。值此離別之際，向曾經給予我?guī)椭睦蠋煛W員和朋友表示最衷心的感謝!</p><p>　　首先我要感謝我們的熊建云書記、李懷蒲主任和導師朱清溢老師，大學三年來他們在生活上和學習上給于了我們無私的關懷和熱情的幫助。在此真誠地祝愿他們工作順利！幸福美滿！</p><p>　　感謝**老師，**老師淵博的知識、嚴謹求實的

52、作風、開明謙和的處事、敏銳的洞察力、孜孜不倦的工作精神深深感染了我，**老師給了我很多的啟迪與關懷，拓展了我的視野，讓我在學習上受益匪淺。</p><p>　　感謝我的學友，正是有了你們，我的學習生活才不顯得孤單，謝謝你們在學習和生活中給予了我熱情鼓勵和無私幫助。正是你們摯深的親情成為我不斷求學進取的精神動力。我十分珍惜和你們共同學習的日子，這將成為我人生中難以忘懷的美好時光。</p><p&

53、gt;　　感謝**學院！給予我優(yōu)良的學習工作環(huán)境。</p><p>　　祝愿**永葆青春！ </p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 唐程山．數字電子技術．第四版，人民郵電出版社，2005年</p><p>　　[2] 康華光．電子技術基礎．第五版，高等教育出版社，2002年</

54、p><p>　　[3] 《中國集成電路大全》編委會．TTL集成電路．北京．國防工業(yè)出版社，1985年</p><p>　　[4] 王憲偉．電子技術實驗與畢業(yè)設計．清華大學出版社，2006年</p><p>　　[5] 康華光．電子技術基礎（第五版）數字部分．高教出版社，2006年</p><p>　　[6] 朱定華．電子技術基礎畢業(yè)設計華中科技大