數字鐘的設計與仿真
2.設計要求:
(1)設計壹個具有“時”、“分”、“秒”顯示(12小時59分59秒)並具有時間校正功能的電子鐘；
(2)顯示器采用六個LED數碼管分別顯示分和秒；
(3)時間的小時和分鐘可以手動調整；
(4)使用+5V電源。
三。話題分析:
根據題目，我們可以分析出數字電子鐘是由幾個數字集成電路組成的，包括振蕩器、分頻器、時間校正電路、計數器、解碼器和顯示器。振蕩器和分頻器構成標準的秒信號發生器，不同十進制的計數器產生計數，由解碼器和顯示器顯示。時間和分鐘由時間校準電路校準。
1)振蕩器包括由集成電路555和RC組成的多諧振蕩器、由應時晶體組成的振蕩器和由邏輯門和RC組成的時鐘源振蕩器。三種方案如下圖所示:
方案壹:用集成電路定時器555和RC組成的多諧振蕩器作為時間標準信號源。
555和RC組成的多諧振蕩器圖
方案2:振蕩器是數字鐘的核心。振蕩器的穩定性和頻率的準確性決定了數字鐘計時的準確性，通常采用應時晶體構成振蕩器電路。石英晶體振蕩器的作用是產生時間標準信號。所以壹般用石英晶體振蕩器分頻後得到這個時間脈沖信號。
石英晶體振蕩器圖
方案三:集成邏輯門和RC組成的時鐘源振蕩器。
門電路構成的多諧振蕩器圖
集成電路555和RC組成的多振蕩器電路:如果精度要求不高，可以使用集成電路定時器555和RC組成的多振蕩器。如上圖所示。設振蕩頻率f=1KHz，R為可調電阻。微調R1可以帶出1KHz的輸出。
應時晶振電路:32768晶振電路的頻率是32768Hz，然後通過1.5的分頻電路可以得到1Hz的標準脈沖輸出。對於TTL門電路，R的阻值通常在0.7-2kω之間；對於CMOS門，往往在10到100 mω之間。
門電路構成的多諧振蕩器的振蕩周期不僅與時間常數RC有關，還取決於門電路的閾值電壓VTH。由於VTH易受溫度、電源電壓和幹擾的影響，其頻率穩定度較差，只能用於頻率穩定度不高的場合。
綜上所述，由於該電路對精度要求不高，所以我們選擇了由集成電路555和RC組成的多諧振蕩器。
2)計時員有兩種方案:
方案壹:通常校正時間的方法是:先切斷正常計數通道，然後手動觸發計數或將頻率較高的方波信號加到需要校正的計數單元輸入端，再切換到正常計時狀態。根據要求，數字鐘應具有分鐘校正和時間校正功能。因此，應切斷分位和時位的直接計數通路，采用能隨時在正常定時信號和校正信號之間切換的電路接入。圖1顯示了設計的時間校準電路。
圖1方案壹校正電路圖
方案2:校準電路由壹個基本的RS觸發器和壹個與門組成。基本RS觸發器的作用是產生單脈沖，主要作用是起到穩像的作用。當開關K沒有撥動時，與非門G2的壹個輸入接地，基本RS觸發器處於“1”狀態，表示數字鐘工作正常，分進位脈沖可以進入分計數器。當開關K被撥動時，與非門G1的壹個輸入端接地，因此基本RS觸發器變為“0”狀態。第二種狀態可以直接進入“分”計數器，而“分”進位脈沖被阻止進入，因此可以快速校準分計數器的計數值。校準後，校準開關將恢復到原來的位置，數字鐘將繼續正常工作。
圖2方案2的校正電路
通過對比可以看出，方案壹的穩像措施比方案二更好更完善，但電路更復雜，成本更高。通過比較，選擇方案壹既能實現圖像穩定器的功能，又能使事情更經濟。
四。總體計劃:
在該電路中，由555定時器組成的多諧振蕩器用作頻率發生器。多諧振蕩器產生65，438+0，000 Hz的振蕩波，該振蕩波被分頻器分頻並分解成65，438+0 Hz的脈沖波。然後它通過第二個計數器，這是壹個60位計數器。當計數器計數到60時，它產生壹個進位脈沖並到達分鐘計數器。分鐘計數器也是60位計數器。當分計數器計數到60時，再次產生較高電平的進位脈沖，該脈沖被送到時間計數器，從而實現分方向進位。需要校準時，打開相應的開關，在相應的位置進行校準，此時計數進位脈沖無效。
計數器的工作是在外部時鐘脈沖CP的作用下，壹秒加法計數器開始計數，通過譯碼器和數碼管顯示數字，即計數器。10個脈沖信號後，秒位計數器完成壹個周期，秒位計數器的CP與秒位計數器的CP同步，秒位計數器的Qcc使秒位計數器的P、T端同時為1，從而秒位計數器開始計數，工作1次，通過譯碼器和數碼管將秒位數加65438+。當60個脈沖信號通過時，秒部分完成壹個周期，分位數計數器的CP通過秒位數計數器的Q2Q1得到壹個脈沖，分位數計數器工作壹次，分位數通過譯碼器和數碼管加1。切片的工作方式與第二部分完全相同。經過3600個脈沖信號，分鐘部分完成壹個周期，小時單位計數器的CP通過對十單位計數器的Q2Q1分頻得到脈沖，小時單位計數器工作壹次，小時單位數通過譯碼器和數碼管加上1。時數部分完成壹個周期時，時數計數器的CP與時數計數器的CP同步，時數計數器的Qcc使時數的P、T端同時1，這樣時數計數器開始計數，時數計數器工作1次。通過譯碼器和數碼管，將小時數字加上1。當小時小數部分計數到2，小時小數部分計數到4時，小時小數計數器的清零端和小時小數計數器的清零端通過小時小數計數器的Q2和小時小數計數器的Q1得到信號，小時小數部分清零，完成1次24小時計數。
動詞 （verb的縮寫）具體實現:
(1)數字鐘基本原理的邏輯框圖如下圖3所示:
從圖3可以看出，振蕩器產生的信號經過分頻器產生秒脈沖，送到計數器，計數結果經過“時”、“分”、“秒”，解碼器和顯示器顯示時間。其中，振蕩器和分頻器構成標準的秒脈沖信號發生器，計時系統由不同十進制的計數器、譯碼器和顯示電路組成。秒信號送至計數器計數，累計結果顯示為“時”、“分”、“秒”。“時間”顯示器由壹個24位計數器、壹個解碼器和壹個顯示器組成；“分”和“秒”顯示器分別由六十進制計數器、解碼器和顯示器組成；計時電路實現了時間和分鐘的校準。
(2)數字鐘的原理圖如附圖所示，其功能原理與系統框圖壹致。
不及物動詞各部分的定性描述和定量計算:
1.振蕩器
第二代電路——振蕩器是定時器的核心，振蕩器的穩定性和頻率精度決定了定時器的精度。壹般來說，振蕩器的頻率越高，定時精度越高，但功耗也越大。所以設計電路的時候要根據需要來設計最好的電路。
在本次設計中，我采用了由集成電路555和RC組成的低精度多諧振蕩器。具體電路如下圖4所示:
圖4振蕩器電路圖
555定時器是模擬和數字混合集成電路。555定時器是壹種應用廣泛的中型集成電路。該電路使用靈活方便，只需增加少量阻容元件即可構成單穩態、多諧波和施密特觸發器。因此它被廣泛應用於信號產生、變換、控制和檢測。
目前生產的定時器有雙極型和CMOS兩種，型號有NE555(或5G555)和C7555等。它們的結構和工作原理基本相同。壹般雙極定時器驅動能力強，CMOS定時器功耗低，輸入阻抗高。555定時器的電源電壓很寬，可以承受大的負載電流。雙極定時器的電源電壓範圍為5 ~ 16V，最大負載電流可達200mA。CMOS定時器的電源電壓範圍為3 ~ 18V，最大負載電流在4mA以下。
555的引腳圖如下圖5所示:
圖5
555的內部電路和功能如下圖6所示:
圖6
上圖6是555定時器的內部組成框圖。它主要由兩個高精度電壓比較器A1和A2、壹個rs觸發器、壹個放電三極管和三個5kω電阻的分壓器組成。
其各種引腳功能如下:
1腳:外接電源負端為VSS或接地，通常接地。
8號引腳:外接電源VCC，雙極時基電路VCC範圍為4.5 ~ 16V，CMOS時基電路VCC範圍為3 ~ 18V。壹般用5V。
引腳3:輸出Vo
2英尺:低觸發端
6針:第高觸發端
4針:是直接清零端。當端子連接到低電平時，時基電路將不工作。此時，無論TH處於什麽電平，時基電路的輸出都將是“0”，不使用時端子應接高電平。
引腳5: VC是控制電壓端子。如果此端子外部連接電壓，則兩個內部比較器的參考電壓可以改變。不使用此端子時，應串聯壹個0.01μF電容以防止幹擾。
引腳7:放電端子。該端子與放電管的集電極相連，用於在定時器期間對電容器進行放電。
1腳接地，5腳不外接電壓。兩個比較器A1和A2的參考電壓分別為
在的情況下，其功能如下:
555定時器菜單
觸發器的清零端
高觸發端th低觸發端
Qn+1放電管測試功能
0開啟，直接清零
1
打開0以設置0。
1
1截止設置1
1
Qn不變維護
接通電源後，電容C1充電，vC上升。當vC上升到2/3vCC以上時，觸發器復位，放電管T導通。此時VO處於低電平，電容C1通過R2和T放電，使VC下降。當vC下降到小於1/3VCC時，觸發器置位，v0翻轉到高電平。當電容器C1放電結束時，所需時間為:
當C1放電結束後，T關斷，vCC將通過R1和R2給電容C1充電。VC從1/3VCC上升到2/3VCC所需的時間為:
當vC上升到2/3VCC時，觸發器復位翻轉，以此類推，在輸出端得到壹個周期性方波，其頻率為:
在本設計中，從電路圖中可以知道R1、R2和C的值，然後根據公式F: f=1KHz計算出輸出頻率。
2.分頻器
分頻器主要有兩個功能:壹是產生標準的秒脈沖信號；二是提供功能擴展電路所需的信號，如用於模擬無線電報時的1000Hz高音頻信號和500Hz低音頻信號。
在這個設計中，由於振蕩器產生的信號頻率太高，需要對信號進行分頻才能得到標準的秒信號。這裏使用的分頻電路是由三個總刻度計數器74LS90組成的三級1/10分頻。
電路圖如下圖7所示:
圖7分頻器電路圖
74LS90的引腳圖和功能圖如下圖所示:
74LS90引腳圖
74LS90菜單
3.計數器
本設計采用十進制計數器74SL160，根據時、分、秒各部分的不同功能，設計成不同的十進制計數器。每秒需要壹個10的十進制計數器，每十位數需要壹個十六進制計數器(計數到59時清零進位)。第二部分的設計和分鐘壹模壹樣。小時部分的設計是當時鐘計數到24時，清除計數器的小時部分，從而實現整體循環計時的功能。
74LS160菜單和真值表如下表1和表2所示:
表1
輸入輸出
(CR)？(LD)？cttctpcpd 0d 1d 2d 3 q 0q 1q2q 3
0 × × × × × × × × 0 0 0 0
1 0××↓d0d 1d2d 3d 0d 1d2d 3
1 1 1 1 =××××Count
1 1 0×××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××
1 1××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××
表2
74LS160的真值表
CLKQ
Q
Q
Q
0 0 0 0 0
1 0 0 0 1
2 0 0 1 0
3 0 0 1 1
4 0 1 0 0
5 0 1 0 1
6 0 1 1 0
7 0 1 1 1
8 1 0 0 0
9 1 0 0 1
10 0 0 0 0
74LS160的引腳介紹如下表3所示:
表3
74LS160邏輯符號各引腳名稱
滴滴滴滴
設置結束
Q Q Q Q
輸出端
工作狀態控制終端
預置數控制終端
Rd異步調零(復位)端子
Co進位輸出端
CLK信號輸入端子
計數部分:計數器由74LS160芯片和74LS00芯片組成，兩者異步連接，采用外標1Hz脈沖信號計數。
顯示部分:將74LS160的6個Q0Q1Q2Q3引腳連接到實驗箱上的數碼管上，根據脈沖數顯示時間。
秒信號通過計數器分別得到顯示電路，從而實現數字顯示時、分、秒的要求。計時電路分為三部分:計秒、計分、計時。其中，計秒和記分用十六進制，計時用十六進制。十進制計數器74LS160可以用來實現十六進制和十六進制計數器。
(1)六十進制計數
來自分頻器的秒脈沖信號首先被送到“秒”計數器進行累加和計數。第二個計數器應在壹分鐘內累計秒數，並在達到60秒時產生進位信號。因此選擇兩片74LS160和壹片74LS00組成壹個六進制計數器，通過歸零的方法實現六進制計數。其中，“秒”的十位是十六進制，“秒”的十位是十進制。
第二部分的具體設計如圖8所示:
圖8
秒的壹位部分是每十進制壹，十位部分是每十六進制壹，這樣* * *同時完成十六進制計數，計數到59時清零，重新開始計數。如圖，1腳接高電平，7腳，9腳，10腳接1腳。當7腳和10腳都為1時，計數器處於計數狀態。單元11腳與十分之壹秒的腳連接，第十秒的腳、第九秒的腳、第六秒的腳、第七秒的腳和第六秒的腳分別與單元1的腳連接。當單位計數器從Q3Q2Q1Q0(0000)2增加到(1001)2時，產生進位，從而實現10中的計數和進位功能。當秒數達到0110時，被與非門清零，實現十六進制。
分鐘部分的設計與秒鐘完全相同。
(2)二十四個計數器:
選用兩片74LS160和壹片74LS00組成24進制計數器，通過反饋歸零實現24進制計數。當十位為0010，壹位為0100時，兩個芯片異步清零。
小時部分的具體設計如圖9所示:
圖9
4.解碼器和顯示器
解碼是指翻譯給定代碼的過程。計數器采用不同的編碼系統，解碼電路也不同。74LS48驅動器是壹個七段解碼驅動器，與8421BCD編碼計數器配合使用。74LS48配有燈測試LT、動態燈關閉輸入RBI、燈關閉輸入/動態燈關閉輸出BI/RBO。當LT=0時，74LS48出到1。
該系統使用七個發光二極管來顯示解碼器輸出的數字。顯示器有兩種:* *陽極顯示器或* * *陰極顯示器。對應於74LS48解碼器的顯示器是壹個* * *陰極顯示器。
本實驗采用了由74LS48解碼器和實驗箱中* *陰極顯示器組成的顯示系統。
5.計時電路
數字鐘啟動後，每當數字鐘的顯示與實際時間不壹致時，就需要按照標準時間進行校準。校正“秒”時，等待要校正的時間。校正“分”、“時”的原理比較簡單，采用加速時間校正。
對定時電路的要求是:
1)在小時校正時不影響分鐘和秒鐘的正常計數。
2)分科學校的計時不影響秒和小時的正常計數。
如圖10所示，當數字鐘有誤差時，需要校正時間。時間校準電路實現了“時”、“分”、“秒”的校準。電路中有正常的計時和校對位置。本實驗實現了“時”和“分”的校對。應當註意，定時校正電路是由與非門組成的組合邏輯電路。當開關S1或S2為“0”或“1”時，可能會出現抖動。為了防止這種情況發生，我們接入壹個由RS觸發器組成的穩像電路來控制它。
定時電路圖10
定時開關的菜單如下:
定時開關菜單
s 1 S2函數
1 1計數
0 1校對
1 0時間校正
6.報時電路
整點計時，只有時間，沒有積分。從59分50秒開始，每2秒發壹次信號，連續5次，最後壹次結束時達到準時。其原理圖如下:
圖11
電路圖如下圖12所示:
圖12
將上述電路合成並連接起來，形成壹個具有時、分、秒計數功能的數字電子鐘，可以手動校正時、分、報時。
七。實驗模擬:
在電子電路計算機仿真軟件Multisim中對數字電子鐘進行調試和仿真，得到的仿真電路圖如附圖2所示。
從模擬電路實驗可知，當高頻信號通過分頻器時，標準秒脈沖信號將進入60位小數的“秒”計時，“秒”的小數部分將進入60位小數的“分”計時，最後，從分的“時”開始進入24位小數的“時”計時。另外，由門電路和開關組成的定時校正電路對電路的“時”和“分”進行校正，從而得到正確的時間。
八。組件列表
(1)74LS160( 6片)(2)74LS00(15片)
(3)數字顯示器(6件)(4)74LS90(3件)
(5)74LS30(1片)(6)74LS04(1片)
(7)74LS02(1芯片)(8)555定時器(1芯片)
(9)可變電容器(1) (10)電容器(2個)
(11)蜂鳴器(1) (12)電阻(2)
(13)數字電路實驗箱(14)+5V電源
(15)導線，幾個開關。
9.設計經驗
在這個數字鐘的設計過程中，我更加熟悉了芯片的結構，掌握了各個芯片的工作原理和具體用法。使我對電路、數字電、模擬電等電子技術知識有了更深入的了解。，並鍛煉和培養自己用所學知識分析和解決實際問題的能力。對我以後的學習和工作有很大的幫助。
剛開始做這個設計的時候，覺得自己什麽都不懂，頭腦浮躁，亂七八糟。但通過壹段時間的努力，復習數字電、模擬電等電子技術方面的書籍，查閱相關的設計技巧和壹些參考資料，在老師的指導和身邊同學的幫助下，我已經熟練掌握了自己的設計。
在整個設計過程中，我充滿了渴望和意圖。記得在精工實習的時候，我也是以飽滿的熱情完成各項實習任務，每個實習項目都取得了優異的成績。所以我相信自己的實踐能力，也壹直在加強這方面的努力。這個電子技術設計也是如此。我用自己的雙手和熱情完成了所有的環節，並不斷查閱圖書館的相關資料和期刊，尤其是網上的，收獲了很多新鮮的東西。這個設計讓我熟悉了壹些常用的集成邏輯電路及其相應芯片的使用方法。
雖然本次設計采用的方案不是最好的，但我認為原理是最基本的；雖然可能有錯誤，但這些問題在楊老師的問答課上已經基本解決了。
最後，衷心感謝楊老師給我壹個實踐的機會，在平時的學習中給了我很大的幫助，讓我更加深刻的了解和認識到自己的優勢和不足。通過這次課程設計，我發現自己對很多知識都不熟悉，甚至完全不了解，這讓我覺得要學的東西還有很多。所以我更加堅定了在以後的學習中夯實基礎，拓寬知識面的決心。越是絕望的問題，解決後的欣喜程度越高。作為壹個工科生，以後工作的時候難免會遇到很多問題。不要絕望，堅持下去，直到看到勝利的曙光。
X.參考
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彭傑華主編。電子技術課程設計指導。北京:高等教育出版社。
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