1、摘要数字电子钟是一种用数字显示秒分时的记时装置，与传统的机械钟相比，他具有走时准确显示直观无机械传动装置等优点，因而得到了广泛的应用：小到人们的日常生活中的电子手表，大到车站码头机场等公共场所的大型数显电子钟。本课程设计要用通过简单的逻辑芯片实现数字电子钟。要点在于用 555 芯片连接输出为一秒的多谐振荡器用于时钟的秒脉冲, 用 74LS160(10 进制计数器)74LS00(与非门芯片)等连接成 60 和 24 进制的计数器, 再通过七段数码管显示，构成了简单数字电子钟。关键词：数字电子钟、555 芯片、计数器、数码管目录摘要1第 1 章 概述 3第 2 章 课程设计任务及要求 42.1 设
2、计任务 42.2 设计要求 4第 3 章 系统设计 53.1 方案论证 53.2 系统设计 53.2.1 结构框图及说明 53.2.2 系统原理图及工作原理 63.3 单元电路设计 73.3.1 单元电路工作原理 73.3.2 元件参数选择 10第 4 章 软件仿真 134.1 仿真电路图 134.2 仿真过程 144.3 仿真结果 15第 5 章 安装调试 165.1 安装调试过程 165.2 故障分析 18第 6 章 结论 19第 7 章 使用仪器设备清单 20参考文献 20收获、体会和建议 21第 1 章 概述所 谓 电 子 技 术 ,是 指 “含 有 电 子 的 、 数 据 的 、 磁
3、 性 的 、 光 学 的 、 电 磁 的 、或 者 类 似 性 能 的 相 关 技 术 ”。 电 子 技 术 可 以 分 为 模 拟 电 子 技 术 、 数 字 电 子 技术 两 大 部 分 。 模 拟 电 子 技 术 说 是 整 个 电 子 技 术 的 基 础 ， 在 信 号 放 大 、 功 率放 大 、 整 流 稳 压 、 模 拟 量 反 馈 、 混 频 、 调 制 解 调 电 路 领 域 具 有 无 法 替 代 的 作用 。 例 如 高 保 真 (Hi-Fi)的 音 箱 系 统 、 移 动 通 讯 领 域 的 高 频 发 射 机 等 。与 模 拟 电 路 相 比 ， 数 字 电 路 具
4、有 精 度 高 、 稳 定 性 好 、 抗 干 扰 能 力 强 、 程序 软 件 控 制 等 一 系 列 优 点 。 随 着 计 算 机 科 学 与 技 术 突 飞 猛 进 地 发 展 ， 用 数 字电 路 进 行 信 号 处 理 的 优 势 也 更 加 突 出 。 为 了 充 分 发 挥 数 字 电 路 在 信 号 处 理 上的 强 大 功 能 ， 我 们 可 以 先 将 模 拟 信 号 按 比 例 转 换 成 数 字 信 号 ， 然 后 送 到 数 字电 路 进 行 处 理 ， 最 后 再 将 处 理 结 果 根 据 需 要 转 换 为 相 应 的 模 拟 信 号 输 出 。 自20 世
5、纪 70 年 代 开 始 ， 这 种 用 数 字 电 路 处 理 模 拟 信 号 的 所 谓 “数 字 化 ”浪潮 已 经 席 卷 了 电 子 技 术 几 乎 所 有 的 应 用 领 域 ， 如 数 字 滤 波 器 等 。很有幸我们这学期学习了电子技术这门学科，并且是我们这个学期的重点课程，在上课和实验的过程中，渐渐的我喜欢上了它。每一节课我都认真学习，每次实验我都认真的去完成。但是做课程设计是第一次做，以前都是照着做，现在所有的都是自己做，真的很有难度。要想做出来一个好的东西，就要去图书馆，到网上去找资料。根据我自己的自身情况和查阅的资料，我决定做一个数字电子时钟，这个相对比较是比较简单的，
6、由于我们以前的数电实验做过任意进制计数器，所以电子钟计数器制作没有问题，两个 60 进制计数器，一个 24 进制计数器。经过不懈的努力终于完成了，在这个过程中收获了很多。第 2 章 课程设计任务及要求2.1 设计任务1、设计一个有“时”，“分”，“秒”（23 小时 59 分 59 秒）显示且有校时功能的电子钟；2、 用中小规模集成电路组成电子钟。2.2 设计要求1用 555 定时器设计一个秒钟脉冲发生器，输入 1HZ 的时钟；（对已有1kHz 频率时钟脉冲进行分频）；2能显示时、分、秒，24 小时制；3. 设计晶体震荡电路来输入时钟脉冲；4.用同步十进制集成计数器 74LS160 设计一个分秒
7、钟计数器,即六十进制计数器.；5.用同步十进制集成计数器 74LS160 设计一个 24 小时计数器,6. 译码显示电路显示时间。第 3 章 系统设计3.1 方案论证秒、分、时分别为 60、60 和 24 进制计数器。秒、分均为六十进制，即显示 0059，它们的个位为十进制，十位为六进制。分秒功能的实现：用两片74LS160 组成 60 进制递增计数器。时为二十四进制计数器，显示为 0023，个位仍为十进制，而十位为三进制，但当十进位计到 2，而个位计到 4 时清零，就为二十四进制了。时功能的实现：用两片 74LS160 组成 24 进制递增计数器。3.2 系统设计3.2.1 结构框图及说明图
8、 1 设计框架图译码显示 译码显示 译码显示 二十四进制时计数器六十进制 分计数器六十进制 秒计数器晶体 振荡器分频器3.2.2 系统原理图及工作原理 系统原理图，如图 2 所示。图 2 系统原理图用 555 电路构成的 1KHz 多谐振荡器，调节电阻 R3 可以改变输出信号频率。74LS160 是二，五，十进制同步加法器，用三片 74LS90 构成三级十分频器，将1KHz 矩形波分频得到 1Hz 基准秒计时信号。由于 74LS160 是十进制计数器，分别将个位接成十进制计数器，十位接成六进制计数器，分别将个位的 RCO 输出端接十位的 9 脚端，就构成 60 进制计数器，用两个相同的 60
9、进制计数器分别做作为秒，分计时，并在个位和十位输出端接上数码显示管显示小时计数器直接采用整体反馈清零法构成 24 进制计数器。工作原理：振荡电路产生的 1KHZ 脉冲信号经三级十分频电路分频后产生的 1HZ脉冲信号输入 74LS90N 连成的 60 进制秒计数器，再由秒计数器每 60 秒进位输出给 60 进制分钟计数器，分钟计数器满 60 后产生进位信号输入给 24 进制小时计数器，从而实现 24 小时制电子钟的功能。3.3 单元电路设计3.3.1 单元电路工作原理1、时功能 24 进制计数器，如图 3 所示。图 3 24 进制计数器说明：采用同步时序信号控制，用个位的进位端控制十位的使能端，
10、当个位有进位时，芯片工作，输入十位的脉冲信号有效，当十位为 2，个位为 3 的时候，同时给两个芯片的预置端一个有效信号，使之清零。2、分秒功能 60 进制计数器，如图 4 所示。图 4 60 进制计数器说明：采用异步时序电路控制，在十位计数到 5 时，下一个脉冲一到来就置数。74LS160 构成的 60 进制计数器和 24 进制计数器如图 3 和图 4 所示。秒、分、时分别为 60、60 和 24 进制计数器。秒、分均为六十进制，即显示0059，它们的个位为十进制，十位为六进制。3、晶体振荡器电路图 如图 5 所示。图 5 晶体振荡电路555 电路构成的 1KHz 多谐振荡器原理如图 5 所示
11、。调节电阻 R2 可以改变输出信号频率，用以得到所需的信号频率。4、分频器电路 ，如图 6 所示。图 6 三级十分频器电路74LS90 是二，五，十进制异步加法器，用三片 74LS90 可以构成三级十分频器，将 1KHz 矩形波分频得到 1Hz 基准秒计时信号。原理如图 6 所示3.3.2 元件参数选择1、 电阻 20K，5.1K2、 电容 10nF，100nF3、 滑动变阻器 10K，KEY=A，20%4、与门 7400N5、数码管 DCD_HEX_GREEN5、555_TIMER_RATED 管脚图如图 7图 7 555_TIMER_RATED 管脚图6、74LS90N 管脚图如图 8 功
12、能表如图 9图 8 74LS90N 管脚图图 9 74LS90N 功能表7、74LS160N 管脚图如图 10 功能表如图 11图 10 74LS160N 管脚图图 11 74LS160N 功能表第 4 章 软件仿真4.1 仿真电路图仿真图 如图 12图 12 数字电子钟仿真图4.2 仿真过程电路的连接与仿真是我们这次课程设计的主要任务之一，也是整个过程的最难的阶段。仿真这部分工作在 multisim 仿真软件上进行。对于电路的仿真分为几个部分，分别对电路各个部分的功能都进行仿真调试之后，每连接一部分都要调试一次，才能确保最后的成功。Multisim 这个仿真软件以前用的很少，对它的基本仿真过
13、程不是很了解，而且有些器件的位置也不是很明确，只能一边学习，一边仿真，过程很慢但收获很多。基本过程：1、按照电路原理图将仿真分成几部分依次连接电路并调试；2、连接晶体振荡电路并调试，观察发出的是否是 1KHz 的信号；3、连接分频电路并调试，观察输出是否是 1Hz 的信号；4、连接 60、24 进制计数器电路并调试，观察是否符合要求；5、将分频电路输出的信号连接到计数器电路，观察时钟是否正常运行。4.3 仿真结果电路成功实现了 24 小时制数字电子钟的功能，可精确计时，每 60 秒进 1 分并清零秒计数器，每 60 分进 1 小时并清零分钟计数器，每 24 小时清零所有计数器并重新开始计时。仿
14、真结果如图 13图 13 电子钟仿真图第 5 章 安装调试5.1 安装调试过程在实验室按照如图 14 电路图连接电路，由于电路图比较复杂在连接过程中必须认真细心。首先必须明确实验原理，在此基础上连接电路会相对比较清晰明了，同时注意集中精力。并且由于导线比较多，为了避免不必要的麻烦，在连接前需要检测每一条导线是否损坏。调试过程分为单元电路检测和整机电路调试。图 14 数字式抢答器单元电路检测1、抢答电路把主持人的控制开关设置为“清除”位置，输出端全部为低电平。于是CD4511 控制显示器灭灯；74LS148 的选通输入端，即 5 端/ST=0，74LS148处于工作状态，此时锁存电路不工作。然后
15、把主持人的控制开关拨到“开始”位置，优先编码电路和锁存电路同时处于工作状态，即抢答器处于等待工作状态，给 8 路抢答端口即输入端给上低电平的输入信号，如当有选手将抢答按键按下时，显示器显示相应的数字 。此外，CTR=1，使74LS148 仍处于禁止工作状态，其它按键的输入信号不会被接收。2、定时电路用示波器检查 555 的输出波形是否为 1Hz 的方波信号，如不是对 555 的外围电路进行调整达到要求为止。观察显示器的显示时间是否进行加计数。有问题按原理进行修改。3、时序控制 1） 、主持人将控制开关拨到“开始”位置时，抢答电路和定时电路进入正常抢答工作状态。2） 、当参赛选手按动抢答按键时，
16、抢答电路和定时电路停止工作，显示器显示。3） 、当设定的抢答时间到，无人抢答时，抢答电路和定时电路停止工作。整机电路调试1） 、开始时，主持人将控制开关接地， 抢答电路无显示；与此同时，在计时 电路部分，将事先的预置数送入减法计数器中。当主持人按键弹起时，计数器开始计数工作，抢答开始。2） 、在没有人按键且抢答时间没到时，优先编码器/Yex 输出为 1，计数器 BO2输出为 1，74LS148 的 5 端,而优先编码器和计数器都正常工作；3） 、当在规定时间有人按下抢答按键时，/YEX 输出为“0” ， CTR=1，/ST=1，优先编码器停止工作，此后选手的抢答无效，电路将按键者的编号显示在L
17、ED 上；同时，CTR=1，计数部分的计数脉冲 =0，计数器停止工作，此时的倒计时时间记录并显示在 LED 上；74148 的/Ys 端由 1 跳变到 0，74121有状态 2，即 Q 输出暂态高电平。如果在规定时间内无人抢答，BO2 由 1跳变到 0，74121 有状态 2；ST=1，抢答电路停止工作，此后的抢答按键无效。5.2 故障分析没能实现预想的功能，就要一个一个部分的检查，若哪一个功能不能实现，再根据故障分析和排除的方法，找出故障，并加以改进，排除故障。调试并不是一件易事，需要准确找到故障处，否则只能乱碰，却达不到效果，只是白费时间，经过实践，我觉的缩小范围的方法很实用，可以省去很大
18、的工作量，大大提高了排障的效率。第 6 章 结论经过假期的课程设计，我完成了这次的设计要求，成功的设计了一个数字电子时钟，完成了预想的功能。首先提出可行的执行方案，多提出几种方案，集思广益。然后对方案进行理论上的论证。选择方便可行而且价格便宜的元件，进行设计，注意性价比。通过对本次设计的方案理论论证并且应用 Multisim 仿真软件进行分析仿真，可证明此方案可行。采用先提出问题，再建立模型，思索方法，对比比较，选用器材，最后仿真测试的方法，是解决此类问题的关键。第 7 章 使用仪器设备清单LED 数码管 6 个74LS160N 芯片 6 个74LS90N 芯片 3 个555 集成定时器 1
19、个7400N 与非门 2 个5V 电源 1 个滑动变阻器 1 个电阻 若干电容 若干导线 若干参考文献1.李景宏，马学文.电子技术实验教程.沈阳：东北大学出版社.2002.王永军，李景华编著.数字逻辑与数字系统.北京：电子工业出版社，20023.高吉祥，易凡编著.电子技术基础实验与课程设计.北京：电子工业出版社，20024.陈大钦编著. 电子技术基础实验. 北京：高等教育出版社，20005.李晶皎，李景宏，曹阳编著. 逻辑与数字系统设计.北京：清华大学出版社，2009收获、体会和建议整个过程花了我不少时间，可当做完时才发现做这个数字钟是多么简单的一件事，主要是在调试时花了不少时间，其间换了不少器件，有的器件在理论上可行，但在实际运行中就无法看到效果，所以调试花了我不少时间，有时无法找出错误便更换器件重新接线以使电路正常运行。在实际的操作过程中，能把理论中所学的知识灵活地运用起来，并在调试中会遇到各种各样的问题，电路的调试提高了我们解决问题的能力，学会了在设计中独立解决问题，也包括怎样去查找问题。似乎所有的事都得自己新手去操作才会在脑海中留下深刻的印象，这个小小的课程设计让我可以熟练的操作multisim 软件，也了解了不少器件的功能的应用，也加深了对数字电路认识和理解。本次课程设计主要是用软件仿真，如果是实际加工电路板就更加锻炼我们的动手能力了，因此，我们的能力还有待提高。
