数电课程设计--耿泽浩 - 图文

武汉理工大学《数字电子技术》课程设计说明书

课程设计任务书

学生姓名： 耿泽浩 专业班级： 通信1305班 指导教师： 李政颖 工作单位： 信息工程学院 题 目: 多功能数字钟电路设计 初始条件：

本设计既可以使用集成译码器、计数器、定时器、脉冲发生器和必要的门电路等，也可以使用单片机系统构建多功能数字钟。用数码管显示时间计数值。

要求完成的主要任务:

基本功能：1、准确计时，以数字形式显示时、分、秒的时间；2、小时得计时为十二进制（或二十四进制），分和秒的计时要求为60进制；3、校正时间。

扩展功能：1、定时功能；2、整点报时功能；3、仿广播电台整点报时。

时间安排：

1、2015年7月2日，做课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求说明。 2、2015年7月2日至2015年7月5日，查阅相关资料，确定方案，仿真调试。 3、2015年7月5日至2015年7月8日，焊接实物，电路调试和设计说明书撰写。 4、2015年7月9日上交课程设计成果及报告，同时进行答辩。 课设答疑地点：鉴主十七楼七号实验室

指导教师签名： 年 月 日

系主任（或责任教师）签名： 年 月 日

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目录

摘要 ................................................................................................................................................. 1 Abstract ........................................................................................................................................... 2 1 系统原理框图 ............................................................................................................................. 3 2 方案设计与论证 ......................................................................................................................... 4

2.1 振荡器 ............................................................................................................................. 4 2.2 分频器 ............................................................................................................................. 5 2.3 时分秒计数器 ................................................................................................................. 5 2.4 校时电路 ......................................................................................................................... 6 2.5 定时控制电路 ................................................................................................................. 8 3 单元电路的设计 ....................................................................................................................... 10

3.1 译码及驱动显示电路的设计： ................................................................................... 10 3.2 时钟电路的设计 ........................................................................................................... 11 3.3 时钟脉冲电路的设计 ................................................................................................... 11 3.4 校时电路的设计 ........................................................................................................... 13 3.5 闹钟电路的设计 ........................................................................................................... 13 3.6 报时电路的设计 ........................................................................................................... 14 4 仿真结果及分析 ....................................................................................................................... 15

4.1 仿真结果 ....................................................................................................................... 15 4.2 仿真结果分析 ............................................................................................................... 16

4.2.1 时钟脉冲仿真结果 ........................................................................................... 16 4.2.2 时钟电路和校时电路仿真 ............................................................................... 18 4.2.3 闹钟电路及报时电路仿真 ............................................................................... 19

5 实物焊接及调试 ....................................................................................................................... 20 6 收获及体会 ............................................................................................................................... 21 7 元件清单 ................................................................................................................................... 22 8 参考文献 ................................................................................................................................... 23

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摘要

有更高的准确性和直观性 广泛的使用。

数字钟从原理上讲是一种典型的数字电路，其中包括了组合逻辑和时序电路。数字式闹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。 数字式闹钟从原理上讲是一种典型的数字电路，其中包括了组合逻辑电路和时序电路。目前，数字式闹钟的功能越来越强，并且有多种专门的大规模集成电路可供选择。数字式闹钟适用于自动打铃、自动广播，也适用于节电、节水及自动控制多路电器设备。

关键词：数字式闹钟；组合逻辑电路；时序逻辑电路。

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Abstract

Digital clock is a kind of when using a digital circuit technology, minutes and seconds timer device has higher accuracy compared with the mechanical clock and intuitive, and no mechanical device, has a longer service life. So has been more widely used.

Digital clock in principle is a typical digital circuit, including the combinational logic and sequential circuits. Digital alarm clock is a kind of when using a digital circuit technology, minutes and seconds timing device, has higher accuracy compared with the mechanical clock and intuitive, and no mechanical device, has a longer service life, therefore has been widely used. Digital clock in principle is a typical digital circuit, including the assembly logic circuit and sequential circuits. At present, the digital alarm clock function is stronger and stronger, and there are a variety of special selection of large scale integrated circuit. Digital alarm clock is suitable for automatic ringing the bell, automatic radio, can also be applied to electricity saving, water saving and automatic control multi-channel electrical equipment. Keywords: digital alarm clock; Combinational logic circuit; Temporal logic circuit.

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多功能数字钟的设计与实现

1 系统原理框图

时电路校时 分电路校时 时钟脉冲 秒电路十位 秒电路个位 时电路十位 时电路个位 分电路十位 分电路个位

闹钟比较器 闹钟比较器 闹钟比较器 闹钟比较器

扬声器电路 图1 系统原理框图

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2 方案设计与论证

2.1 振荡器

方案一：

振荡器的频率越高，计时精度越高。通常选用石英晶体构成振荡器电路（如图2）。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。

图2 石英晶体振荡器 如果精度要求不高也可以采用由集成逻辑门与R、C组成的时钟源振荡器或由集成电路定时器555与R、C组成的多谐振荡器。 方案二:

定时器555与RC组成的多谐振荡器作为时间标准信号源。

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图3 555振荡器 综上分析，选择方案二，用555组成的脉冲产生电路作为信号源，他工作稳定而且误差较小，在本次课设中可以较好的满足要求。

2.2 分频器

分频器的功能主要有两个：一是产生标准脉冲信号二是提供功能扩展电路所需要的信号，如仿电台报时用的1KHz的高音频信号和500KHz的低音频信号等。因此，可以选用3片我们较熟悉的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，即每1片Q0端输出频率为500Hz,每2片Q3输出为10Hz，每3片的Q3端输出1Hz。

2.3 时分秒计数器

一般采用10进制计数器来实现时间计数单元的计数功能。为减少器件使用数量，可选74LS90，其内部逻辑框图如图4所示。该器件为双2-5-10异步计数器，并且每一计数器均提供一个异步清零端（高电平有效）。

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图4 74LS90内部逻辑图

秒个位计数单元为10进制计数器，无需进制转换，只需将Ｑ0与ＣＰ1（下降沿有效）相连即可。ＣＰ0（下降沿有效）与1Hz秒输入信号相连，Ｑ３可作为向上的进位信号与十位计数单元的ＣＰ0相连。

秒十位计数单元为6进制计数器，需要进制转换,可以利用74LS90的有两个清零端的特点，在不用门电路的情况下实现10进制转6进制，具体电路见下面设计图。 分个位和分十位计数单元电路结构分别与秒个位和秒十位计数单元完全相同。 时计数单元电路是一个“24翻1”的特殊进制计数器，即当数字钟运行到23时59分59秒，秒的个位计数器再输入一个脉冲时，数字钟应自动显示00时00分00秒，实现日常生活习惯用的计时规律。

2.4 校时电路

方案一：

通常，校正时间的方法是：首先截断正常的计数通路，然后再进行人工出触发计数或将频率较高的方波信号加到需要校正的计数单元的输入端，校正好后，再转入正常计时状态即可。根据要求，数字钟应具有分校正和时校正功能，因此，应截断分个位和时个位的直接计数通路，并采用正常计时信号与校正信号可以随时切换的电路接入其中。图5所示

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为所设计的校时电路。

图5校时电路1

方案二：

校时电路是有与非构成的组合逻辑电路，开关S1或S2为“0”或“1”时，可能会产

生抖动，接电容C1、C2可以缓解抖动。

图6 校时电路2

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2.5 定时控制电路

方案一：

例 要求上午7时59分发出闹时信号，持续时间1分钟。

解 7时59分对应数字钟的时个位计数器的状态为(Q3Q2Q1Q0)H1=0111,分十位计数器的状态为（Q3Q2Q1Q0M2=0101，分个位计数器的状态为（Q3Q2Q1Q0M1=1001。若将上述计数器输出为“1”的所有输出端经过与门电路去控制音响电路，可以使音响电路正好在7点59分响，持续1分钟后（即8点时）停响。所以闹时控制信号Z的表达式为 Z?（Q2Q1Q0）H1*（Q2Q0)M2*M （1.1）

式中，M为上午的信号输出，要求M=1。

如果有与非门实现式（1.1）所表示的逻辑功能，则可以将Z进行布尔代数变换，即 Z?(Q2Q1Q0)H1*M*(Q2Q0)M2*(Q3Q0)M1 （1.2）

实现上式的逻辑电路如图6所示，其中74LS20位四输入2与非门，74LS03为集电极开路（OC门）的2输入4与非门，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Rp,Rp的值通过计算，取RL=3.3k欧姆。如果控制1kHz高音和驱动音响电路的两级与非也采用OC门，则Pp的值应重新计算。

图7 闹时电路 方案二

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利用《数字电子技术基础》中的所学过得知识，4片4位数值比较器74LS85串联比较时、分的十位个位，当时间到达与所定时的时间相同时，即A=B时，输出高电平，从而驱动音响电路。

综上所述，方案二利用4片数值比较器74LS85芯片串联法时，可以很方便的定时。而且思路很简单，易实施。

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3 单元电路的设计

3.1 译码及驱动显示电路的设计：

电路由数码显示管和译码器组成。译码器选择CD4511，其中a b c d 为 BCD 码输入，a为最低位。LT为灯测试端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检查显示器是否有故障。a～g是 7 段输出，可驱动共阴LED数码管。

芯片引脚图及功能表如图：

图8 CD4511管脚图

电路由秒、分、时三部分单元电路构成，全部采用两块74LS90芯片进行级联扩展。利用异步清零法，得到“秒”和“分”六十进制计数器以及“时”二十四进制计数器。芯片由下降沿触发，通过反馈可实现清零状态，实现循环。

芯片引脚图以及功能表如下：

图9 CD4511功能图

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图10 74LS90功能图 图11 74LS90管脚图 3.2 时钟电路的设计

状态起始时，由R01、R02直接进入清零状态，当R91、R92均置0时，在CP脉冲信号作用下，电路开始进入计数状态。秒和分电路个位为十进制计数器，可0～9循环，当个位循环一次，取其高位QD连接CPA，在下降沿作用下，实现十进制进位操作。秒和分电路十位为六进制计数器，可0～5循环。循环一次后利用下一状态的暂态控制R01、R02使电路实现清零操作。时电路为二十四进制计数，利用同样思路实现。将秒和分电路的十位QC端接下一电路的个位CPA端可实现电路之间的进位操作。电路完成一次大循环，数码管显示23：59：59，时电路反馈控制R01、R02使状态回到起始（00：00：00）。

时钟电路原理图如下：

3.3 时钟脉冲电路的设计

图12时钟电路 时钟脉冲电路由LM555和74LS90芯片组成。下面分别是555的内部逻辑图、管脚图和功能表。

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图14 555管脚图

图13 555内部逻辑图

图15 555功能表 脉冲电路选择由LM555组成的多谐振荡器发出1Khz脉冲，再经过由计数器74LS90

组成的分频器，分出1hz脉冲。电路如下：

图16 时钟脉冲电路 分频器的功能主要有两个：一是产生标准秒脉冲信号；二是提供功能扩展电路所需的

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信号。分频电路由3个74LS90计数器进行三次分频。7490是二－五－十进制异步计数器，将计数器组合成为十进制输出计数器，只需将CP1与Q0接，以CP0做输入，则Q3为十进制输出。电路原理图(如图16)

1khz脉冲由第一块芯片的INA输入，1hz脉冲由第三块芯片的QD输出。

3.4 校时电路的设计

当数字钟接通电源或者计时出现误差时，需要校正时间。校时是数字钟应具有的基本功能。

对校时电路的要求是，在小时校正事不影响分和秒的正常计数；在分校正时不影响秒和小时的正常计数。校时电路由开关控制，使计数器对1Hz的校时脉冲计数。电路图如下：

图17 校时电路 其中，A端输入1Hz标准时钟脉冲，D、E端分别接入分和秒电路的十位进位脉冲，C、B接至时和分的个位计数器端。电路S2为校“分”用的控制开关，S1为校“时”用的控制开关。闭合开关进行校时。

3.5 闹钟电路的设计

闹钟电路采用四个74LS85数据选择芯片串联。数值比较器就是对两数A、B进行比较，以判断其大小的逻辑电路。比较结果有A>B、A

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图18 74LS85功能真值表中的输入变量包括A3与B3、A2与B2、A1与B1、A0与B0和A与B的比较结果。其中A和B是另外两个低位数，IA>B、IA

本电路将时和分电路的四个输出端从高到低接到85芯片的A0A1A2A3，芯片的B0B1B2B3端接至四位拨码开关。利用拨码开关的四位高低电平输入组成一个十六进制的控制端。四个85芯片采用级联形式，当四个芯片的A=B端同时满足时，最后一个芯片的A=B端输出高电位。

原理图如下：

图19 闹钟电路 3.6 报时电路的设计

报时电路利用分秒电路的脉冲，将分电路十位的74LS90芯片QA、QC输出端，个位的QA、QD输出端以及秒电路十位的QA、QC六个信号输入端共同接入一个六位输入与门。当六个脉冲都为高电平时，与门输出高电平，三极管导通，扬声器发声。同时利用单刀双

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掷开关可关闭报时功能。（在仿真过程中使用六位输入与门，实际操作中可利用二位输入的与非门实现。）

电路图如下：

图20 报时电路 注：或门的另一端为闹钟电路的脉冲输入

4 仿真结果及分析

4.1 仿真结果

总电路仿真如下：

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图21 总电路图 该电路图实现了时以24进制，分和秒以60进制的准确计时，通过开关S1、S2分别实现时、分的校时。并且通过4片四位数值比较器完成了可以任意定时的功能。以及完成了整点报时的功能。

4.2 仿真结果分析

4.2.1 时钟脉冲仿真结果

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用示波器观察555芯片组成的多谐振荡器发出的脉冲信号如图：

由仿真结果可知，555芯片组成的多谐振荡器可稳定得发出频率为1Khz的方波脉冲。其可以提供扩展电路所需要的信号。

图22 1kHz脉冲

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将此脉冲信号经过分频器分频，脉冲信号波形如下：（由于经三次分频的1Hz脉冲信号在仿真过程中由于时间过长不易采集，所以此处的波形为经过两次分频后的频率为10hz的脉冲信号）

4.2.2 时钟电路和校时电路仿真

图23 10Hz脉冲 将时钟脉冲接入时钟电路，对电路进行仿真（在实际仿真过程中选择使用100hz 脉冲减少仿真等待时间）。仿真图如下：

图24 时钟仿真图 利用校时电路快速观察时电路和分电路的进位情况，仿真显示分电路和秒电路在显示“59”时下一状态跳转至“00”。时电路在显示“23”时下一状态跳转至“00”，成功实现二十四进制和六十进制的进位。

闭合校时电路开关，可以实现分电路和时电路以秒电路的频率计时，校时电路成功。

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4.2.3 闹钟电路及报时电路仿真

将闹钟电路的拨码开关调成“11：11”状态，用示波器观察闹钟电路输出波形，波形如下：

图25 闹钟仿真图 利用校时电路将分和时电路与秒电路以同一频率计时以缩短仿真时间，可观察到当显示“11：11”时，电路产生一个一分钟的脉冲。闹钟响铃一分钟。

用同样的方法模拟整点报时的情况，利用校时电路加快分电路计时，仿真波形如下：

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当分秒电路显示“59：50”，报时电路会产生一个10秒的高电平，用以驱动扬声器电路发生。

图 26整点报时仿真图 5 实物焊接及调试

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图27 实物图1

图28 实物图2 6 收获及体会

通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关数字电子技术方面的知识，在设计过程中，刚开始毫无头绪，后来经过自己的思考，决定采用化整为零的方法，分模块来完成，再把它们整合起来。有了清晰的思路，逐步完成各个单元电路。然而这一过程同样充满荆棘，许多电路都经过了很多次的修改、优化。

本次课程设计中我深刻体会到做课程设计不仅需要清晰的思路还要谨慎的态度，必须要对各个芯片都真正了解，对课本知识熟悉才能又快又好的完成。

在实物制作过程中遇到了更大的难题，由于此次课程设计所用的实验芯片众多，电路复杂，在焊接过程中遭遇了很多问题。从刚开始的二十多块芯片的布置，到后来密密麻麻的线路连接，再到最后的功能调试，每一步都走得异常艰辛。这也让我更加明白了细心认真的重要性。制作实物需要我们沉下心来，仔仔细细得去完成。

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回顾此次课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，差别真的很大，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。

7 元件清单

元件 七段数码管 74LS90计数器 74LS04非门 开关 四位拨码开关 3.3k电阻 1kΩ电阻 5.1kΩ电阻 0.1uF电容

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数量 6 9 1 2 4 2 1 1 1 元件 CD4511译码器 74LS00与门 74LS85 单刀双掷开关 9013三极管 22Ω电阻 2kΩ电阻 0.01uF电容 1kΩ电阻 数量 6 2 4 1 1 1 1 3 2

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8 参考文献

【1】 《电子线路设计、实验、测试》 电子工业出版社 谢自美 【2】 《数字逻辑电路与系统设计》 电子工业出版社 蒋立平 【3】 《电子技术基础》（数字部分 第五版）高等教育出版社 康光华 【4】 《数字电子技术基础》 清华大学出版社 吴友宇

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/j6n3.html