1、学 号 09070023数字逻辑与系统课程设计说明书多功能数字时钟设计起止日期： 2010 年 12 月 27 日 至 2010 年 12 月 31 日学生姓名 蒲栋良班级 09 计算机 1 班成绩指导教师 渠丽岩计算机工程系2010 年 12 月 27 日多功能数字时钟电路设计天津理工学院中环信息学院课程设计任务书20102011 学年第 1 学期计算机工程 系 计算机科学与技术 专业 09 计算机 1 班 班级课程设计名称： 数字逻辑与系统课程设计 设计题目： 多功能数字时钟设计 完成期限：自 2010 年 12 月 27 日至 2010 年 12 月 31 日共 1 周设计依据、要求及主
2、要内容（可另加附页）：一、设计目的熟悉数字逻辑设计的基本概念和原理。掌握计数器、定时器等逻辑芯片的工作原理及应用设计。熟悉数字逻辑集成芯片的外围电路设计与使用。二、主要任务与要求设计一个数字电子钟，具体功能如下：（1）准确计时，以数字形式显示时、分、秒的时间；（2）有校正时间功能；（3）整点报时。该课程设计是在完成电工电子学、数字逻辑与系统、电工电子学实验和数字逻辑与系统实验等课程学习之后进行，已具备了完整的电子技术知识之后进行的综合应用训练。它对于巩固所学的电工电子技术理论知识，加强综合性工程训练，提高独立解决问题的能力有积极的帮助。在课程设计中独立完成一个小型电子电路的设计与仿真分析，查阅
3、手册进行单元电路及元件的选择，充分利用 EDA 技术和仿真来实现设计思想。指导教师： 渠丽岩 批准日期： 2010 年 12 月 27 日多功能数字时钟电路设计多功能数字时钟摘要数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒 计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。数字钟从原理上讲是一种典型的数字电路，该数字钟具有基本功能和扩展功能两部分。其中，基本功能部分的有准确计时，以数字形式显示时、分、秒的时间和校时功能。扩展功能部分则具有：定时控制、仿广播电台正点报时、自动报整点时数的功能。数字钟的电路也是由主体电路和扩展电路两部分构成
4、，在电路中，基本功能部分由主体电路实现，而扩展功能部电路实现。这两部分都有一个共同特点就是它们都要用到振荡电路提供的 1Hz 脉冲信号。在计时出现误差时电路还可以进行校时和校分，为了使电路简单所设计的电路不具备校秒的功能。并且要用数码管显示时、分、秒，各位均为两位显示，扩展部分要有相应的响应电路。分则由扩展。关键字：555 芯片 数字时钟 分频器 时间计数器 定时控制多功能数字时钟电路设计目 录1.绪论 11.1 设计目的 11.2 设计任务及要求 12.设计功能要求 13.方案设计与论证 .24.系统原理框图 35.2 各电路原理 45.2.1 分频器电路 .45.2.2 时间计数器电路 4
5、5.2.3 60 进制计数器 .55.2.4 24 进制计数器 85.2.5 译码及驱动显示单元电路 .85.2.6 校时电路 95.2.8 定时控制电路 .106.完整电路 .127.收获与体会 128.参考文献 .12附录 原件清单 .13多功能数字时钟电路设计11.绪论1.1 设计目的熟悉数字逻辑设计的基本概念和原理。掌握计数器、定时器等逻辑芯片的工作原理及应用设计。熟悉数字逻辑集成芯片的外围电路设计与使用。1.2 设计任务及要求设计一个数字电子钟，具体要求如下：（1）准确计时，以数字形式显示时、分、秒的时间；（2）有校正时间功能；（3）整点报时。2.设计功能要求基本功能：（1）时的计时
6、要求为 24 进制，分和秒的计时要求为 60 进制（2）准确计时，以数字形式显示时，分，秒的时间（3）校正时间扩展功能：（1）定时控制；（2）仿广播电台报时功能；（3）自动报整点时数；多功能数字时钟电路设计23.方案设计与论证方案一：由集成电路定时器 555 与 RC 组成的多谐振荡器作为时间标准信号源。方案二:振荡器是数字钟的核心。振荡器的稳定度及频率的精确度决定了数字钟计时的准确程度，通常选用石英晶体构成振荡器电路。石英晶体振荡器的作用是产生时间标准信号。因此，一般采用石英晶体振荡器经过分频得到这一时间脉冲信号。用 555 组成的脉冲产生电路: 经计算，当滑动变阻器阻值为 2.1K 时，可
7、以产生 1000Hz 的脉冲。石英晶体振荡电路:采用的 32768 晶体振荡电路,其频率为 32768Hz,然后再经过 15 分频电路可得到标准的 1Hz 的脉冲输出.R 的阻值,对于 TTL 门电路通常在 0.72K 之间;对于 CMOS 门则常在 10100M 之间。多功能数字时钟电路设计3经分析，方案二石英晶体振荡电路能够作为最稳定的信号源。但综合各方面考虑，本设计采用方案一进行设计。4.系统原理框图对标准频率（1HZ）进行计数的计数电路。由于计数的起始时间不可能与标准时间（如北京时间）一致，故需要在电路上加一个校时电路，同时标准的1HZ 时间信号必须做到准确稳定。通常使用石英晶体振荡器
8、电路构成数字钟。图 3.1 所示为数字钟的一般构成框图。图 3.1 整体电路设计方框图555 振荡器电路：555 振荡器电路给数字钟提供一个频率稳定的 1000z的方波信号，可保证数字钟的走时准确及稳定。分频器电路：分频器电路将 1000HZ 的高频方波信号经分频后得到 1Hz 的方波信号供秒计数器进行计数。分频器实际上也就是计数器。时间计数器电路：时间计数电路由秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器及时个位和时十位计数器电路构成，其中秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器为 60 进制计数器，而根据设计要求，时个位和时十位计数器为 24 进制计数器。译码驱动电路：译码驱动电路将计数器
9、输出的 8421BCD 码转换为数码管需要的逻辑状态，并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。整点报时电路：一般时钟都应具备整点报时电路功能,即在时间出现整点前数秒内,数字钟会自动报时,以示提醒.其作用方式是发出连续的或有节奏的音频声波,较复杂的也可以是实时语音提示。时显示器 分显示器 秒显示器时译码器 分译码器 秒译码器时计数器 分计数器 秒计数器校时电路振荡器 分频器定时控制仿电台报时整点报时主体部分扩展 部分多功能数字时钟电路设计45.2 各电路原理5.2.1 分频器电路通常，数字钟的振荡器输出频率较高，为了得到 1Hz 的秒信号输入，需要对振荡器的输出信号进行分频。分频器的功能主要
10、有两个：一是产生标准脉冲信号；二是功能扩展电路所需的信号，如仿电台用的 1KHz 的高频信号和 500Hz的低频信号等. 本设计选用 3 片中规模集成电路计数器 74LS90 可以完成上述功能。因每片为1/10 分频，3 片级联则可获得所需要的频率信号，即第一片的 Q0 端输出频率为500Hz，第二片的 Q3 端输出频率为 10Hz，第三片的 Q3 端输出频率为 1Hz。5.2.2 时间计数器电路计数器是一种计算输入脉冲的时序逻辑网络，被计数的输入信号就是时序网络的时钟脉冲，它不仅可以计数而且还可以用来完成其他特定的逻辑功能，如测量、定时控制、数字运算等等。数字钟的计数电路是用两个六十进制计数
11、电路和一个 24 进制计数电路实现的。数字钟的计数电路的设计可以用反馈清零法。当计数器正常计数时，反馈门不起作用，只有当进位脉冲到来时，反馈信号将计数电路清零，实现相应模的循环计数。以六十进制为例，当计数器从 00，01，02，59 计数时，反馈门不起作用，只有当第 60 个秒脉冲到来时，反馈信号随即将计数电路清零，实现模为 60 的循环计数。多功能数字时钟电路设计55.2.3 60 进制计数器电路中，74LS92 作为十位计数器，在电路中采用六进制计数；74LS90 作为个位计数器在电路中采用十进制计数。当 74LS90 的 14 脚接振荡电路的输出脉冲1Hz 时 74LS90 开始工作，它
12、计时到 10 时向十位计数器 74LS92 进位。下面对电路中所用的主要元件及功能介绍。十进制计数器 74LS90 74LS90 是二五十进制计数器，它有两个时钟输入端 CKA 和 CKB。其中，CKA 和 组成一位二进制计数器；CKB 和 组成五进制计数器；若将0Q321Q与 CKB 相连接，时钟脉冲从 输入，则构成了 8421BCD 码十进制计数器。ACP74LS90 有两个清零端 R0（1） 、R0（2） ，两个置 9 端 R9（1）和 R9（2） ，其 BCD码十进制计数时序如表 1，二五混合进制计数时序如表 2，74LS90 的管脚图如下图。多功能数字时钟电路设计6表 1 BCD 码
13、十进制计数时序 表 2 二五混合进制计数时序 异步计数器 74LS92所谓异步计数器是指计数器内各触发器的时钟信号不是来自于同一外接输入时钟信号，因而触发器不是同时翻转。这种计数器的计数速度慢。一异步计数是 74LS92 是二六十二进制计数器，即 CKA 和 组成二进制计数器，CKB0Q和 在 74LS92 中为六进制计数器。当 CKB 和 相连，时钟脉冲从 CKA 输321Q入，74LS92 构成十六进制计数器。74LS92 的管脚图如下图。CK DQCBAQ0 0 0 0 01 0 0 0 12 0 0 1 03 0 0 1 14 0 1 0 05 0 1 0 16 0 1 1 07 0
14、1 1 18 1 0 0 09 1 0 0 1CK ABQCD0 0 0 0 01 0 0 0 12 0 0 1 03 0 0 1 14 0 1 0 05 1 0 0 06 1 0 0 17 1 0 1 08 1 0 1 19 1 1 0 0多功能数字时钟电路设计760 进制计数器电路仿真如下图： 多功能数字时钟电路设计85.2.4 24 进制计数器设计方法与 60 进制计数器相同，采用 2 片 74LS90 即可以实现要求，基本电路如图所示：电路仿真如下：5.2.5 译码及驱动显示单元电路译码电路的功能是将“秒”、“分”、“时”计数器的输出代码进行翻译，变成相应的数字。用于驱动 LED 七段
15、数码管的译码器常用的有 74LS48。74LS48多功能数字时钟电路设计9是 BCD-7 段译码器/驱动器，其输出是 OC 门输出且低电平有效，专用于驱动LED 七段显示数码管。若将“秒”、“分”、“时”计数器的每位输出分别接到相应七段译码器的输入端，便可进行不同数字的显示。以下为 74LS48 和七段显示数码管图示：74LS48 七段显示数码管5.2.6 校时电路如图所示，直接在进位端加入一个开关脉冲，来实现校时。电路实现简单，且不会影响整体电路的正常运行。5.2.7 报时电路仿广播电台正点报时的功能要求是：每当数字钟计时快要到正点时，通常多功能数字时钟电路设计10按照 4 低音 1 高音的
16、顺序发出间断声响，以最后一声高音结束的时刻为正点时刻。采用仿广播台整点报时的功能：每当数字钟计时快要到正点时候发出响声，通常按照四低音、一高音的顺序发出间断声，以最后一声高音结束的时刻为正点时刻。4 低音（约 500Hz）分别发生在 59 分 51 秒、发生在 59 分 53 秒、发生在 59 分 55 秒、发生在 59 分 57 秒、，最后一声高音（约 1KHz）发生在 59 分59 秒，他们的持续时间均为一秒。5.2.8 定时控制电路数字钟在指定的时刻发出信号，或驱动音响电路“闹时” ；或对某装置的电源进行接通或断开“控制” 。不管是闹时还是控制，都要求时间准确，即信号的开始时刻与持续时间
17、必须满足规定的要求。在这里将举例来说明它的工作原理。要求上午 7 时 59 分发出闹时信号，持续 1 分钟。设计如下：7 时 59 分对应数字钟的时时个位计数器的状态为 ，分3210()HQ多功能数字时钟电路设计11十位计数器的状态为 ，分个位计数器的状态为32102()MQ，若将上述计数器输出为“1”的所有输出端经过与门电路3210()MQ去控制音响电路，就可以使音响电路正好在 7 点 59 分响，持续 1 分钟后（即 8点）停响。所以闹时控制信号 Z 的表达式为01S21020301()()()HMZQQ式中，M 为上午的信号输出，要求 M=1。如果用与非门实现的逻辑表达式为： 21023
18、01()()()HMZ在该电路图中用到了 4 输入二与非门 74LS20，集电极开路的 2 输入四与非门 74LS03，因 OC 门的输出端可以进行“线与” ，使用时在它们的输出端与电源+5V 端之间应接一电阻 RL。RL 的值由下式决定：minmaxCOHLIVR maxminCOLLIVR=0.4V, =0.4mA, =2.4V, =50uA, =8mA, =100Ua;m 为负载门OILinLIHIH输入端总个数。取 RL=3.3K。如果控制 1KHz 高音和驱动音响电路的两极与非门也采用 OC门，则 RL 的值应该重新计算。由电路图可以看见，上午 7 点 59 分，音响电路的晶体管导通
19、，则扬声器发出 1KHz 的声音。持续 1 分钟到 8 点整晶体管因为输入端为“0”而截止，电路停闹。多功能数字时钟电路设计126.完整电路电路的工作原理：就是由脉冲发生器产生一个 1kHz 的方波脉冲，经过分频器分频成为 1Hz 的脉冲，送入计数器计数，计数器由一个 24 进制计数器和 2 个 60进制计数器组成。定时控制电路和整点报时电路的输入信号都由计数器所产生的计数脉冲决定。7.收获与体会通过本次设计，使我明白了很多。学到了很多，加深了对电子技术知识的理解。通过这次设计的学习，也使我懂得了很多人生哲理。无论做什么，都要有恒心，不要为了一点小小的挫折就放弃。碰到的问题越让人绝望，解决问题
20、之后的喜悦程度就越高。作为工科类的学生，以后工作了难免要碰到许许多多的问题，不要绝望，坚持，直到看到胜利的曙光。8.参考文献1，数字电子技术基础康华光 主编 北京：高等教育出版社 。2，电子线路设计实验测试（第三版）谢自美 主编 北京：华中科技大学出版社。3，数字电子技术基础康华光 主编 北京：高等教育出版社。多功能数字时钟电路设计13附录 原件清单器件型号 用途介绍 数量7seg-com-cat 数码显示器 674LS48 译码器 674LS90 二-五,十进制计数器 774LS92 十二分频计数器 2555 555 定时器 1Res 电阻 5Cap 电容 2Speaker 扬声器 2Button 开关 2Nand 与非门 5Nand_4 4 输入与非门 2Not 非门 474LS20 4 输入端双与非门 274LS03 集电极开路 2 输入端四与非门 274LS00 2 输入端四与非门 1NPN NPN 1
