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1、近代電子技術(shù)設(shè)計報告 姓 名： 趙強 學(xué) 號： 2010051060 角 色： 成員 專 業(yè)： 應(yīng)用物理 題 目： 多功能數(shù)字鐘 成績: 指導(dǎo)教師: 冉耀宗 年 月 TONGREN UNIVERSITY 摘 要 加入世貿(mào)組織后，中國將面臨激烈的競爭。這場比賽將是一場科技實力，管理水平和人才素質(zhì)的 較量，風(fēng)險和機遇并存，及電子產(chǎn)品的發(fā)展變化迅速，不僅在通信技術(shù)的數(shù)字替代模擬信號，甚至在 我們?nèi)粘５纳钭寯?shù)字化取締.相比模擬鐘能給人一種一目了然的感覺，它不僅可以顯示在同一時間， 時、分和秒，并且可以完成準(zhǔn)確的校正。同時，數(shù)字時鐘可以準(zhǔn)確的時間，你的時間精確到報時的聲 音，提醒你在這個時候，需要做的

2、事情。老式時鐘比它更適合現(xiàn)代生活。一個數(shù)字時鐘電路精確時間 “小時” “分” “秒”與數(shù)字顯示，并需要校時電路，使其準(zhǔn)確的工作，也可有定時和計時功能。數(shù)字 鐘及擴大其應(yīng)用，有著非?，F(xiàn)實的意義。 關(guān)鍵詞： 晶振、數(shù)字鐘、數(shù)碼管、計數(shù)器、校時電路 ABSTRACT After Chinas accession to the wto, China will face fierce competition.The game is going to be a science and technology strength, management level and talents quality, ri

3、sks and opportunities coexist, and electronic products the development and changes rapidly, not only in the digital communication technology instead of analog signals, and even in our daily life to digital banned. Compared with the simulation clock can give people a feeling of be clear at a glance,

4、it not only can display at the same time, hours, minutes and seconds, and can complete the accurate calibration.At the same time, the digital clock can be the correct time, your time is accurate to the sound of the time, to remind you at this time, what needs to be done.Old clock than it more suitab

5、le for modern life.A digital clock circuit, precise time hours seconds and points, according to figures and need correction circuit, make its accurate work, also can have timing and timing function.Digital clock and expand its application, has very realistic significance. Key words: Crystal oscillat

6、or 、Digital clock、Digital tube、Counter、Timing circuit 目 錄 一 數(shù)字鐘的構(gòu)成 .4 二 數(shù)字鐘電路的設(shè)計 .4 2.1 數(shù)字鐘電路系統(tǒng)的基本原理 .4 2.2 秒脈沖發(fā)生器 .4 2.2.1 555 構(gòu)成多諧振蕩器（f=1HZ） .4 2.2.2 晶體振蕩器電路 .5 2.3 分頻器的設(shè)計 .6 2.4 秒、分、小時計數(shù)電路的設(shè)計 .6 2.5 譯碼、顯示電路設(shè)計 .7 2.6 校時電路設(shè)計 .7 2.7 整點報時功能 .7 2.8 數(shù)字鐘鬧時功能 .7 三 芯片硬件工作原理及引腳圖 .8 3.1 555 芯片 .8 3.2 32768H

7、Z 晶振 .9 3.3 CD4060 分頻器 .9 3.4 加法計數(shù)器 .9 3.5 7 段鎖存/譯碼/驅(qū)動器 .9 3.6 7 段（共陽極）數(shù)碼管 .10 3.7 與非門（74LS00） .10 四 MULTISIM 仿真原理圖 .11 五 總結(jié) .11 5.1 設(shè)計過程中遇到的問題及解決方法 .11 5.1.1 Multisim 仿真中的問題 .11 5.1.2 電路組裝、調(diào)試中的問題 .11 5.2 設(shè)計收獲和體會 .12 5.3 組裝成果圖.12 六 參考文獻 .13 七 附錄 .13 7.1 元件清單 .13 正文： 一 數(shù)字鐘的構(gòu)成 數(shù)字鐘主要由顯示器、譯碼器、計數(shù)器、邏輯門電路、

8、時鐘脈沖振蕩器等器件模塊組成，是組合 邏輯電路與時序邏輯電路的綜合應(yīng)用。 二 數(shù)字鐘電路的設(shè)計 2.1 數(shù)字鐘電路系統(tǒng)的基本原理 數(shù)字鐘電路系統(tǒng)由主體電路和 擴展電路兩大部分組成，其中主體電路完成數(shù)字鐘的基本功能，擴 展電路完成數(shù)字鐘的擴展功能。其系統(tǒng)組成原理框圖如下： 2.2 秒脈沖發(fā)生器 本電路主要由振蕩器和分頻器產(chǎn)生 1Hz（即 1 秒）的秒脈沖，用秒脈沖驅(qū)“秒”計數(shù)器，因每分鐘 有 60 秒，所以“秒”計數(shù)器應(yīng)為 60 進制計數(shù)器。計數(shù)輸出經(jīng)譯碼、顯示時鐘苗；利用“秒”計數(shù)器 的復(fù)位脈沖作為“分”計數(shù)器的計數(shù)脈沖，因每小時有 60 分，所以“分”計數(shù)器也應(yīng)是 60 進制計數(shù) 器，計數(shù)器

9、的輸出經(jīng)譯碼、顯示時鐘分；利用“分”計數(shù)器的復(fù)位脈沖作為“時”計數(shù)器的計數(shù)脈沖， 因每天有 24 小時，所以“時”計數(shù)器應(yīng)為 24 進制計數(shù)器，其輸出經(jīng)譯碼、顯示時鐘時。 2.2.1 555 構(gòu)成多諧振蕩器（f=1HZ） 多諧振蕩器是一種能產(chǎn)生矩形波的自激振蕩器，也稱矩形波發(fā)生器?！岸嘀C”指矩形波中除了基 波成分外，還含有豐富的高次諧波成分。多諧振蕩器沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)。在工作時，電路的 狀態(tài)在這兩個暫穩(wěn)態(tài)之間自動地交替變換，由此產(chǎn)生矩形波脈沖信號，常用作脈沖信號源及時序電路 中的時鐘信號。 1.電路組成： 用 555 定時器構(gòu)成的多諧振蕩器電路如圖 6- 11（a）所示：圖中電容 C、

10、電阻 R1 和 R2 作為振蕩器的定時元件，決定著輸出矩形波正、負(fù)脈沖的寬 度。定時器的觸發(fā)輸入端（2 腳）和閥值輸入端（6 腳）與電容相連；集電極開路輸出端（7 腳）接 R1、R2 相連處，用以控制電容 C 的充、放電；外界控制輸入端（5 腳）通過 0.01uF 電容接地。 2.工作原理： 多諧振蕩器的工作波形如圖 6-11(b)所示：電路 接通電源的瞬間，由于電容 C 來不及充電，Vc=0v，所以 555 定時器狀態(tài)為 1，輸出 Vo 為高電平。同 時，集電極輸出端（7 腳）對地斷開，電源 Vcc 對電容 C 充電，電路進入暫穩(wěn)態(tài) I，此后，電路周而復(fù) 始地產(chǎn)生周期性的輸出脈沖。多諧振蕩器

11、兩個暫穩(wěn)態(tài)的維持時間取決于 RC 充、放電回路的參數(shù)。暫穩(wěn) 態(tài)的維持時間，即輸出 Vo 的正向脈沖寬度 T10.7(R1+R2)C；暫穩(wěn)態(tài)的維持時間，即輸出 Vo 的 負(fù)向脈沖寬度 T20.7R2C。 因此，振蕩周期 T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C，振蕩頻率 f=1/T。正向脈沖寬度 T1 與振蕩周期 T 之比稱 矩形波的占空比，由上述條件可得 D=（R1+R2）/（R1+2R2），若使 R2R1，則 D1/2，即輸出信 號的正負(fù)向脈沖寬度相等的矩形波（方波）。 2.2.2 晶體振蕩器電路 圖 12 振蕩器及分頻器 2.3 分頻器的設(shè)計 晶體振蕩器采用 32768Hz，經(jīng)分頻后從 C

12、D4060 的腳輸出頻率為 2Hz 的信號，再經(jīng) 74LS74 組成的 2 分頻器，輸出 1Hz 的時鐘秒脈沖。 ，分頻器的主要功能有兩個：一是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號；二是提 供功能擴展電路所需的信號，如仿電臺報時電路用的 1000Hz 的高音頻信號和 500Hz 的低頻音頻信號 等。 選用中規(guī)模集成電路計數(shù)器 74LS90 可完成上述功能。 2.4 秒、分、小時計數(shù)電路的設(shè)計 60 進制計數(shù)器 “秒”和“分”的計數(shù)器都是 60 進制計數(shù)器，由一級十進制計數(shù)器和一級六進制計數(shù)器級聯(lián)而成。 十進制計數(shù)器的復(fù)位方法大家比較熟悉，六進制計數(shù)器的復(fù)位方法是：當(dāng) CP 輸入端輸入第六個脈沖 時，它的四個觸發(fā)

13、器輸出的狀態(tài)為“0110” ，這時 QbQC 均為高電平“1” 。將它們相“與” （用兩級 “與非”門，保證復(fù)位信號為高電平）后，送到計數(shù)器的清除端 Cr，使計數(shù)器復(fù)“0” ，從而實現(xiàn) 60 進制計數(shù)。 圖 1-3 60 進制 24 進制計數(shù)器 由兩級十進制計數(shù)器聯(lián)與及兩級反相器組成。原理為：當(dāng)“時”計數(shù)器個位輸入端CP脈沖到來第十 個觸發(fā)脈沖時，“時”的個位計數(shù)器復(fù)“0”，并向“時”的十位進位，在第24 個觸發(fā)脈沖到來時， “時”的個位計數(shù)器的四級觸發(fā)器狀態(tài)為“0100”，而“時”的十位計數(shù)器的狀態(tài)為“0010”，這時 “時”的個位計數(shù)器的Qc 和“時”的十位計數(shù)器的Qb輸出為“1”，把它們

14、相“與”經(jīng)兩級反相器反 相后，送到“時”計數(shù)器的清除端Cr，使計數(shù)器復(fù)“0”。使計數(shù)器復(fù)“0”。從而實現(xiàn)了24 進制計數(shù)。 圖1-4 24進制 2.5 譯碼、顯示電路設(shè)計 譯碼顯示電路：選擇共陽譯碼器 74LS47，譯碼器與數(shù)碼管之間要加限流電阻。 2.6 校時電路設(shè)計 當(dāng)數(shù)字鐘接通電源或者計時出現(xiàn)誤差時，均需要校正時間，校時電路是數(shù)字鐘的基本功能。對校時 電路的基本要求是，在進行小時校正時不影響分和秒的正常計數(shù)，同理，進行分校正時不影響秒的正 常計數(shù)。校正時間的方式有“快校時”和“慢校時”兩種，其中“快校時”是同過校時開關(guān)的控制， 使校時脈沖進入校時電路，則計數(shù)器對校時脈沖進行計數(shù)，當(dāng)計到需

15、要校正的時間時，再使計數(shù)器轉(zhuǎn) 入正常計數(shù)。“慢校時”是用單脈沖發(fā)生器的輸出作校時脈沖，通過校時開關(guān)的控制，每觸發(fā)一次輸 出一個單脈沖，則計數(shù)器加1，當(dāng)計到需要校正的時間時，再使計數(shù)器轉(zhuǎn)入正常計數(shù)。由此可見，兩種 校時方式的電路應(yīng)基本相同，不同的是校時脈沖的產(chǎn)生與控制方式有所區(qū)別。 分進位 秒進位 圖1-5校時電路 分進位脈沖 校時脈沖 秒進位脈沖 圖1-3 所示電路是由與非門構(gòu)成的組合邏輯電路，開關(guān)S1 或S2 為“0”或“1”時，可能會產(chǎn)生抖 動，必要時還應(yīng)將其該為去抖動開關(guān)電路。 2.7 整點報時功能 仿電臺整點報時功能的要求是：每當(dāng)數(shù)字鐘計數(shù)到整點（或快要到整點時）發(fā)出音響，通常按照 4

16、 低音 1 高音的順序發(fā)出間斷聲響，以最后一聲高音結(jié)束的時刻為整點時刻。 設(shè) 4 低聲（500Hz）分別發(fā)生在 59 分 51 秒、53 秒、55 秒、57 秒，最后一聲高音（1000Hz）發(fā) 生在 59 秒，它們的持續(xù)時間為 1 秒。由此可見，分十位和個位計數(shù)器的狀態(tài)分別為（QdQcQbQa） m2 0101， （QdQcQbQa）m11001；秒十位計數(shù)器的狀態(tài)為（QdQcQbQa） 。秒個位計數(shù)器 Qds1 的狀態(tài) 可用來控制 1000Hz 和 500Hz 的音頻。只有當(dāng) Qcm2Qam2 11，Qdm1Qam1 11，Qcs2Qas2 11 及 Qas1 1 時，音響電路才能工作。整點

17、報時電路如圖 1-4。 圖 1-6 仿電臺整點報時電路 2.8 數(shù)字鐘鬧時功能 有時需要數(shù)字鐘在規(guī)定的時刻發(fā)出信號，或驅(qū)動音響電路進行“鬧時” ；或控制某裝置電源的接通 或斷開進行“定時控制” 。不管是鬧時還是控制，都要求時間準(zhǔn)確，即信號的開始時刻與持續(xù)時間必須 滿足規(guī)定的要求。例如：要求上午 7 點 59 分發(fā)出鬧時信號，持續(xù)時間為 1 分鐘。7 點 59 分對應(yīng)數(shù) 字鐘的時個位計數(shù)器的狀態(tài)為（QdQcQbQa）h10111，分十位計數(shù)器的狀態(tài)對應(yīng)為（QdQcQbQa）m2 0101，分的個位計數(shù)器的狀態(tài)為（QdQcQbQa）m11001。若將上述計數(shù)器輸出為“1”的所有輸出經(jīng)過 與非門電路

18、去控制音響電路?？梢允挂繇戨娐氛迷?7 點 59 分響，持續(xù) 1 分鐘（即 8 點時）停響。 所以鬧時電路控制信號 Z 的表達(dá)式為 Z （QcQbQa）h1 （QcQa）m2 （QdQa）m1 M （1-1） 式中，M 為上、下午的信號輸出，要求 M 1 。如果用與非門實現(xiàn) 1-1 式所表示的邏輯功能，則可 Z 用布爾代數(shù)變化，即 Z （QcQbQa）h1 M （QcQa）m2 （QdQa）m1 （1-2）實現(xiàn)上式的邏 輯電路如圖 1-4 。由可見，上午 7 點 59 分時，音響電路的晶體管導(dǎo)通，則揚聲器發(fā)出 1000H z 的聲 音。8 點后晶體管因輸入端為“0”而截至，電路停鬧。 圖 1

19、-7 鬧時電路 三 芯片硬件工作原理及引腳圖 3.1 555 芯片 555 的 8 腳是集成電路工作電壓輸入端，電壓為 518V，以 UCC 表示；從分壓器上看出，上比較器 A1 的腳接在 R1 和 R2 之間，所以 5 腳的電壓固定在 2UCC/3 上；下比較器 A2 接在 R2 與 R3 之間，A2 的同相輸入端電位被固定在 UCC/3 上。1 腳為地。2 腳為觸發(fā)輸入端；3 腳為輸出端，輸出的電平狀態(tài) 受觸發(fā)器控制，而觸發(fā)器受上比較器 6 腳和下比較器 2 腳的控制。當(dāng)觸發(fā)器接受上比較器 A1 從 R 腳輸 入的高電平時，觸發(fā)器被置于復(fù)位狀態(tài)，3 腳輸出低電平；2 腳和 6 腳是互補的，

20、2 腳只對低電平起作 用，高電平對它不起作用，即電壓小于 1Ucc/3，此時 3 腳輸出高電平。6 腳為閾值端，只對高電平起 作用，低電平對它不起作用，即輸入電壓大于 2 Ucc/3，稱高觸發(fā)端，3 腳輸出低電平，但有一個先 決條件，即 2 腳電位必須大于 1Ucc/3 時才有效。3 腳在高電位接近電源電壓 Ucc，輸出電流最大可打 200mA。4 腳是復(fù)位端，當(dāng) 4 腳電位小于 0.4V 時，不管 2、6 腳狀態(tài)如何，輸出端 3 腳都輸出低電平。 5 腳是控制端。7 腳稱放電端，與 3 腳輸出同步，輸出電平一致，但 7 腳并不輸出電流，所以 3 腳稱為 實高（或低） 、7 腳稱為虛高。 圖

21、1-8 555 芯片 3.2 32768Hz 晶振 從數(shù)字鐘的精度考慮，晶振頻率越高，鐘的計時準(zhǔn)確度就愈高，但這將使振蕩器的耦電量增大，分 頻電路的級數(shù)也要增加，因此一般選取石英晶體頻率為 32678HZ（或 100KHZ） ，頻率為 32678HZ（或 100KHZ） ，這樣也便于分頻得到 1HZ 的信號 3.3 CD4060 分頻器 CD4060 內(nèi)部有一個振蕩器和 214 的分頻器，晶體振蕩器采用 32768Hz，經(jīng)分頻后從 CD4060 的 腳輸出頻率為 2Hz 的信號，再經(jīng) 74LS74 組成的 2 分頻器，輸出 1Hz 的時鐘秒脈沖。 圖 1-9 CD4060 3.4 加法計數(shù)器

22、74LS90 功能：十進制計數(shù)器（2 和5） 原理說明：由 4 個主從觸發(fā)器和用作除 2 計數(shù)器及計數(shù)周期長度為除 5 的 3 位 2 進制計數(shù)器所用的 附加選通所組成。有選通的零復(fù)位和置 9 輸入。為了利用本計數(shù)器的最大計數(shù)長度（十進制） ，可將 B 輸入同 QA 輸出連接，輸入計數(shù)脈沖可加到輸入 A 上，此時輸出就如相應(yīng)的功能表上所要求的那樣。 LS90 可以獲得對稱的十分頻計數(shù)，辦法是將 QD 輸出接到 A 輸入端，并把輸入計數(shù)脈沖加到 B 輸入 端，在 QA 輸出端處產(chǎn)生對稱的十分頻方波。 圖 1-10 74LS90 引腳圖 3.5 7 段鎖存/譯碼/驅(qū)動器 74LS47 是 BCD-

23、7 段數(shù)碼管譯碼器/驅(qū)動器， 74LS47 的功能用于將 BCD 碼轉(zhuǎn)化成數(shù)碼塊中的數(shù)字,通 過它解碼， 可以直接把數(shù)字轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管的顯示數(shù)字 74LS47 是 BCD-7 段數(shù)碼管譯碼器/驅(qū)動器， 74LS47 的功能用于將 BCD 碼轉(zhuǎn)化成數(shù)碼塊中的數(shù)字,通過它解碼， 可以直接把數(shù)字轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管的顯 示數(shù)字。 圖 1-11 74LS47 引腳圖 3.6 7 段（共陽極）數(shù)碼管 圖 1-12 共陽極數(shù)碼管 3.7 與非門（74LS00）74ls00 是常用的 2 輸入四與非門集成電路 圖 1-13 與非門（74LS00） 四 multisim 仿真原理圖 圖 1-14 multisim 仿真

24、電路圖 五 總結(jié) 5.1 設(shè)計過程中遇到的問題及解決方法 首先是元器件的選擇，結(jié)合實際選了譯碼器、計數(shù)器，32.768KHZ 的晶振、CD4060 和 74LS74 組成 的秒脈沖發(fā)生器。然后是 60 進制、24 進制的實現(xiàn)，校時電路的設(shè)計。 5.1.1 Multisim 仿真中的問題 在 multisim 中沒找到包含 CD4060 的元件庫，故秒發(fā)生器用脈沖信號源代替。接好電路在仿真時必 須有個虛擬接地，否則無法仿真。計數(shù)器的兩個置零端內(nèi)部是與的邏輯關(guān)系因此可省去三個與門即六 個與非門。仿真時數(shù)碼管顯示的數(shù)字會有跳變。 5.1.2 電路組裝、調(diào)試中的問題 在 multisim 中仿真中，秒

25、個位和分個位的計數(shù)器置零端可不接地，但實際電路中必須接地否則不 計數(shù)。由于采用的是面包板、芯片比較多，需要合理的布局。但還是由于插孔有限，我們把面包板內(nèi) 部的連線拆了兩條才把限流電阻放下。由于自己找的線比較細(xì)容易發(fā)生接觸不良、短路等問題。組裝 好之后數(shù)碼管能顯示但沒有計數(shù)，于是找了一個發(fā)光二極管測試了一下，發(fā)現(xiàn)晶振也起振了，最后才 發(fā)現(xiàn)是計數(shù)器的置零端沒接地。在校時電路中接好后不能實現(xiàn)功能，檢查了幾遍接的電路，我自己又 重新接了一遍后，調(diào)時的可以，調(diào)分的不可以，于是判斷是這個 74LS00 中與非門壞了。 5.2 設(shè)計收獲和體會 通過對軟件 Multisim10.0 的學(xué)習(xí)和使用，進一步加深了

26、對數(shù)字電路的認(rèn)識。在仿真過程中遇到許多 困難，但通過自己的努力和同學(xué)的幫助都一一克服了。首先，連接電路圖過程中，數(shù)碼管不能顯示， 后經(jīng)圖形放大后才發(fā)現(xiàn)是電路斷路了。其次，布局的時候因元件比較多，整體布局比較困難，因子電 路不如原電路直觀，最后在不斷努力下，終于不用子電路布好整個電路。 調(diào)試時有的器件在理論上可行，但在實際運行中就無法看到效果，所以得換不少器件，有時無法找出 錯誤便更換器件重新接線以使電路正常運行。在整個設(shè)計中，74LS90,74LS47 ，74LS74 的接線比較困 難，反復(fù)修改了多次， 同時，在最后仿真時，預(yù)置的頻率一開始用的是 24hz，結(jié)果仿真結(jié)果反應(yīng)很慢， 后把頻率加大

27、，這才在短時間內(nèi)就能看到全部結(jié)果?？傊ㄟ^這次對數(shù)字時鐘的設(shè)計與仿真，為以 后的電路設(shè)計打下良好的基礎(chǔ)，一些經(jīng)驗和教訓(xùn)，將成為寶貴的學(xué)習(xí)財富。 5.3 組裝成果圖 圖 1-15 組裝成果圖 六 參考文獻 1. 楊魯平、李良榮編著，近代電子學(xué)實驗.實驗一 多功能數(shù)字電子鐘. 貴州大學(xué)電子科學(xué)系. 2007 2. 百度文庫.555 定時器 、CD4060 3. 梁宗善， 電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計 ，華中科技大學(xué)出版社，2009.03 4. 毛哲等主編， 電路計算機設(shè)計仿真與測試 ，華中科技大學(xué)出版社，2003.04 5. 余孟嘗， 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)(簡明教程) ，高等教育出版社， 2006.01 七 附錄 7.1 近代電子技術(shù)課程元器件表 元器件名稱 型號或編號 數(shù)量 備注 共陽譯碼器 74LS47 6 計數(shù)器 74LS90 6 雙 D 觸發(fā)器 74LS74 1 與非門 74F00D 3 晶振 32.768KHZ 1 電容 25pF 2 共陽數(shù)碼管 6 振蕩器 CD4060 1 電阻 300/3.3K/1M 42/2/1 按觸開關(guān) 2 面包板 2 導(dǎo)線 若干 四輸入與非門 74LS20 2 非門 74LS04 2 與門 74LS08 2 三極管 2N3019 1 揚聲器 Speaker 1