课程设计多功能数字钟的设计仿真与制作

课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 电信09XX班 指导教师： 黄晓放 工作单位： 信息工程学院 题 目: 多功能数字钟的设计仿真与制作 初始条件：利用集成译码器、计数器、定时器、数码管、脉冲发生器和必要的门电路等数字器件实现系统设计。（也可以使用单片机系统设计实现）要求完成的主要任务: 技术要求：设计一个数字钟。要求用六位数码管显示时间，格式为00：00：00。具有60进制和24进制（或12进制）计数功能，秒、分为60进制计数，时为24 进制（或12进制）计数。有译码、七段数码显示功能，能显示时、分、秒计时的结果。设计提供连续触发脉冲的脉冲信号发生器，具有校时单元、闹钟单元和整点报时单元。确定设计方案，按功能模块的划分选择元、器件和中小规模集成电路，设计分电 路，画出总体电路原理图，阐述基本原理。时间安排：1、 2011 年 6 月 2728 日，查阅相关资料，学习设计原理。2、 2011 年 6 月 2829 日， 方案选择和电路设计仿真。3、 2011 年 6 月 307月1 日， 电路调试和设计说明书撰写。4、 2011 年 7 月 2 日上交课程设计成果及报告，同时进行答辩。参考文献：1）数字电子技术基础伍时和主编，清华大学出版社，2009.042）数字电路实验与课程设计吕思忠 施齐云，哈尔滨工程大学出版社，2001.093）电子技术基础（数字部分）康华光，高等教育出版社，2006.01指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目 录1 绪论11.1 多功能数字钟的设计要求11.2 设计目的及意义12 Multisim软件介绍22.1 Multisim概述22.2 Multisim 10功能简介22.3 Multisim 10操作步骤43 数字钟基本原理与方案设计53.1 设计方案原理构思53.1.1 设计主要原理53.1.2 设计电路原理框图53.2 多功能数字钟总体设计电路图63.3 各模块电路分析73.3.1 1Hz标准脉冲发生器73.3.2 译码显示电路73.3.3 计数器电路93.3.4 校时电路103.3.5 闹钟电路113.3.6 整点报时电路124 仿真调试134.1 总体仿真图134.2 各个功能仿真调试144.2.1 校时电路仿真调试144.2.2 闹钟电路仿真调试144.2.3 整点报时电路仿真调试165 结果分析与总结175.1 分析总结175.2 遇到问题及解决方法176 心得体会187 元件清单198 参考文献209 附表211 绪论1.1 多功能数字钟的设计要求设计一个数字钟。要求用六位数码管显示时间，格式为00：00：00。具有60进制和24进制（或12进制）计数功能，秒、分为60进制计数，时为24 进制（或12进制）计数。有译码、七段数码显示功能，能显示时、分、秒计时的结果。设计提供连续触发脉冲的脉冲信号发生器，具有校时单元、闹钟单元和整点报时单元。确定设计方案，按功能模块的划分选择元、器件和中小规模集成电路，设计分电 路，画出总体电路原理图，阐述基本原理。1.2 设计目的及意义1）培养学生正确的设计思想，理论联系实际的工作作风，严肃认真、实事求是的科 学态度和勇于探索的创新精神。2）锻炼学生自学软件的能力及分析问题、解决问题的能力。3）通过课程设计，使学生在理论计算、结构设计、工程绘图、查阅设计资料、标准 与规范的运用和计算机应用方面的能力得到训练和提高。4）巩固、深化和扩展学生的理论知识与初步的专业技能。5）为今后从事电子技术领域的工程设计打好基础基本要求。2 Multisim软件介绍2.1 Multisim概述Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。2.2 Multisim 10功能简介1、NI Multisim 10是美国国家仪器公司（NI,National Instruments）推出的目前Multisim中运用最广泛版本。2、目前美国NI公司的EWB的包含有电路仿真设计的模块Multisim、PCB设计软件Ultiboard、布线引擎Ultiroute及通信电路分析与设计模块Commsim 4个部分，能完成从电路的仿真设计到电路版图生成的全过程。Multisim、Ultiboard、Ultiroute及Commsim 4个部分相互独立，可以分别使用。Multisim、Ultiboard、Ultiroute及Commsim 4个部分有增强专业版（Power Professional）、专业版（Professional）、个人版（Personal）、教育版（Education）、学生版（Student）和演示版（Demo）等多个版本，各版本的功能和价格有着明显的差异。3、NI Multisim 10用软件的方法虚拟电子与电工元器件，虚拟电子与电工仪器和仪表，实现了“软件即元器件”、“软件即仪器”。NI Multisim 10是一个原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。 4、NI Multisim 10的元器件库提供数千种电路元器件供实验选用，同时也可以新建或扩充已有的元器件库，而且建库所需的元器件参数可以从生产厂商的产品使用手册中查到，因此也很方便的在工程设计中使用。5、NI Multisim 10的虚拟测试仪器仪表种类齐全，有一般实验用的通用仪器，如万用表、函数信号发生器、双踪示波器、直流电源；而且还有一般实验室少有或没有的仪器，如波特图仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真仪、频谱分析仪和网络分析仪等。6、NI Multisim 10具有较为详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、 时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等电路分析方法，以帮助设计人员分析电路的性能。7、NI Multisim 10可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工学、模拟电路、数字电、射频电路及微控制器和接口电路等。可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察不同故障情况下的电路工作状况。在进行仿真的同时，软件还可以存储测试点的所有数据，列出被仿真电路的所有元器件清单，以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据等。8、NI Multisim 10有丰富的Help功能，其Help系统不仅包括软件本身的操作指南，更要的是包含有元器件的功能解说，Help中这种元器件功能解说有利于使用EWB进行CAI教学。另外，NI Multisim10还提供了与国内外流行的印刷电路板设计自动化软件Protel及电路仿真软件PSpice之间的文件接口，也能通过Windows的剪贴板把电路图送往文字处理系统中进行编辑排版。支持VHDL和Verilog HDL语言的电路仿真与设计。9、利用NI Multisim 10可以实现计算机仿真设计与虚拟实验，与传统的电子电路设计与实验方法相比，具有如下特点：设计与实验可以同步进行，可以边设计边实验，修改调试方便；设计和实验用的元器件及测试仪器仪表齐全，可以完成各种类型的电路设计与实验；可方便地对电路参数进行测试和分析；可直接打印输出实验数据、测试参数、曲线和电路原理图；实验中不消耗实际的元器件，实验所需元器件的种类和数量不受限制，实验成本低，实验速度快，效率高；设计和实验成功的电路可以直接在产品中使用。10、NI Multisim 10易学易用，便于电子信息、通信工程、自动化、电气控制类专业学生自学、便于开展综合性的设计和实验，有利于培养综合分析能力、开发和创新的能力。2.3 Multisim 10操作步骤1）启动操作双击图标，启动Multisim 10，出现窗口界面。选择文件/新建/原理图，即弹出空白的主设计窗口。2）添加元件打开元件库工具栏，单击需要的元件图标按钮，然后在主设计电路窗口中适当的位置，再次单击鼠标左键，所需要的元件即可出现在该位置上。双击此元件，会出现该元件的对话框，可以设置元件的标签、编号、数值和模型参数。3） 元件的移动选中元件，直接用鼠标拖拽要移动的元件。4）元件的复制、删除与旋转选中元件，用相应的菜单、工具栏或单击鼠标右键弹出快捷菜单，进行需要的操作。5）放置电源和接地元件选择“放置信号源按钮”弹出对话框，可选择电源和接地元件。6）导线的操作连接。鼠标指向某元件的端点，出现小圆点后按下鼠标左键拖拽到另一个元件的端点，出现小圆点后松开左键。删除。选定该导线，单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中单击“delete”。7）实时仿真左上角菜单栏下方是仿真开关，连接好电路后用鼠标左键单击仿真开关，就开始实时仿真。3 数字钟基本原理与方案设计3.1 设计方案原理构思3.1.1 设计主要原理该设计主要由以下几部分组成:震荡器、分频器、秒计数器、分计数器、时计数器、BCD-七段显示译码/驱动器、LED七段显示数码管、时间校准电路、整点报时电路还有闹钟电路。数字钟数字显示部分，采用译码与二极管串联电路，将译码器、七段数码管连接起来，组成十进制数码显示电路，即时钟显示。要完成显示需要6个数码管，七段的数码管需要译码器才能正常显示，然后要实现时、分、秒的计时需要60进制计数器和24进制计数器，在在仿真软件中发生信号可以用函数发生器仿真，频率可以随意调整。60进制可能由10进制和6进制的计数器串联而成，频率振荡器可以由晶体振荡器分频来提供，也可以由555定时来产生脉冲并分频为1Hz。计数器的输出分别经译码器送倒显示器显示。计时出现误差时,可以用校时电路校时、校分。整点报时电路利用逻辑门，使当各译码器输出满足整点时，蜂鸣器导通。闹钟电路通过比较器比较当前时间与设计的闹钟时间，相等时同样蜂鸣器导通。3.1.2 设计电路原理框图3.2 多功能数字钟总体设计电路图3.3 各模块电路分析3.3.1 1Hz标准脉冲发生器振荡器可由晶振组成，也可以由555与RC组成的多谐振荡器。由555定时器得到1kHz的脉冲，功能主要是产生标准秒脉冲信号和提供功能扩展电路所需要的信号。多谐振荡器也称无稳态触发器，它没有稳定状态，同时无需外加触发脉冲，就能输出一定频率的矩形脉冲（自激振荡）。用555集成电路实现多谐振荡，需要外接电阻R1、R2和电容C，并外接+5V的直流电源。脉冲频率为：下图为标准脉冲发生器电路图：3.3.2 译码显示电路数字钟的译码显示电路由译码器4511BP和共阴极LED七段显示数码管组成,为避免译码器输出的电压过高，在译码器的输出和数码管的输入之间串联一个100的电阻。译码驱动电路将计数器输出的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。4511BP是一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码七段码译码器，特点如下：具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器。下面是4511BP的逻辑功能表：要使译码器能正常工作，LT和BI脚要接高电平，EL要接低电平，译码器的输入接计数器的输出端，而译码器的输出端则接对应数码管的输入端。在数字钟的设计中，一共需要6块译码显示器，分别是小时显示的2块，分钟显示的2块，秒钟显示的2块，它们在设置上基本相同，只不过译码器的输入接不同的计数器。由计数器得到的4位二进制码的必须通过译码后转为人们习惯的数字显示，如12：54：30的二进制码为0001 0010：0101 0100：0011 0000。译码之后再驱动LED七段数码管显示时、分、秒。下图为其中一块译码显示电路的连接图：3.3.3 计数器电路在数字钟的控制电路中，分和秒的控制都是一样的，都是由一个十进制计数器和一个六进制计数器串联而成的。在此次电路的设计中采用的是统一的器件74LS161N的反馈置数法来实现十进制功能和六进制功能，根据74LS161的结构把输出端的0101（十进制为5）用一个与非门74LS00引到Load端便可置0，这样就实现了六进制计数。同样，在输出端的1001（十进制为9）用一个与非门74LS00引到Load端便可置0，这样就实现了十进制计数。在分和秒的进位时，用秒计数器的Load端接分计数器的CLK控制时钟脉冲，脉冲在上升沿来时计数器开始计数。时计数器可由两个十进制计数器串接并通过反馈接成二十四制计数器。下图为分和秒的计数器电路：下图为时的计数器电路：3.3.4 校时电路时钟出现误差时，需校准。当数字钟接通电源或者计时出现误差时，需要校正时间。校时是数字钟应具备的基本功能。对校时电路的要求是，在小时校正时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。校时方式有快校时和慢校时两种，快校时是，通过开关控制，使计数器对1Hz的校时脉冲计数。慢校时是用手动产生单脉冲作校时脉冲下图所示为校时电路和校分电路。其中S1是校分用的控制开关，S2为校时用的控制开关，它们的控制功能下表所示。校时脉冲采用分频器输出的1Hz脉冲，当S1或S2分别为0时可进行快校时。如果校时脉冲由单脉冲产生器提供，则可以进行慢校时。Multisim仿真软件校时的具体设计方法是：用一个单刀双掷开关切换计数功能与校时功能，另一端接计数器的脉冲输入端，开关置于函数发生器这一端便可以校时，置于计数器的进位端便是计时。下图为校时电路部分电路图：3.3.5 闹钟电路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”。不管时闹时还是控制，都要求时间准确，即信号的开始时刻与持续时间必须满足规定的要求。在本数字钟设计中，选用了四片74LS85三位比较器实现。下表是74LS85的逻辑功能表：74LS85比较器的一对输入接小时和分钟时计数器的输出，另外一对接四位拨码开关，当小时和分钟计数器的输出与拨码开关的值完全相等时，四片比较器输出都为高电平，经四位与非门后输出到蜂鸣器，在一分钟内蜂鸣器导通，例如，拨码开关依次为0000,0111,0011,1001,此时表示为7点59分，当计数器的输出也为7点59分时，OAEQB输出都为高电平。右图是闹钟电路图：3.3.6 整点报时电路整点报时的功能要求是，每当数字钟计时快到整点时发出声响。当时钟还有十秒到整点时，蜂鸣器开始响，持续时间为十秒。此电路是通过五个与门和一个蜂鸣器来实现的，每当分钟的十位为5，个位为9，并且秒钟的十位为5时，蜂鸣器接高电平，开始工作，直到到达整点停止。下图为整点报时电路图：4 仿真调试4.1 总体仿真图开始仿真后，秒钟部分开始以1s为周期开始递增，并能向分钟和时钟部分进位，完成数字钟的基本功能。4.2 各个功能仿真调试4.2.1 校时电路仿真调试当数字钟时间不准确时，则需要手动调整时间。如下图所示，单刀双掷开关J2、J1分别对应着时钟与分钟部分。当开关掷向上方时，数字钟正常工作；当J1掷向下方时，则分钟部分开始以1s为周期开始递增，当J2掷向下方时，时钟部分则开始以1s为周期开始递增。秒钟部分则由J7控制，当开关闭合时秒钟以1s为周期递增；当开关闭合时，秒钟则停止走动。调整时拨动开关，当调整到正确时间后将开关拨回即可。4.2.2 闹钟电路仿真调试将拨码开关调至如图状态，即将闹钟定为16：25，则开始仿真。当数字钟还未运行到16：25时，探针不亮，即闹钟不会响起，状态如下图所示：当时钟与分钟到达16：25时，在此一分钟内，探针亮，即闹钟响，过了此时间后，闹钟停。闹钟响时的电路仿真如下图所示：4.2.3 整点报时电路仿真调试当数字钟离整点还差10秒以上时间时，探针不亮，蜂鸣器无反应，状态如下图所示：当数字钟离整点差10秒时，探针亮起，蜂鸣器响，如此持续10秒，过了整点后停止。整点报时的电路仿真如下图所示：5 结果分析与总结5.1 分析总结1） 数字钟计数功能测试：接通电源，在秒脉冲的作用下，电路开始计数，且时、分、秒 分别为24、60、60进制。计数功能符合设计要求。2） 校时功能测试：在显示时钟时间时，按动时钟调时、时钟调分按钮开关时，时、分均 可以调节，且不按动时，计数电路能正常工作，校时功能符合设计要求。3） 闹钟功能测试：通过拨码开关调节定时的时和分，当时钟到达定时时刻时，蜂鸣器响 起，探针发亮，闹钟时间为1分钟。闹钟功能符合设计要求。4） 整点报时功能测试：在每一个小时时刻，当时钟到达59分50秒时，电路发出整点报 时信号，持续10秒钟后，报时停止。整点报时功能符合设计要求。5） 通过以上测试，表明此次设计的电路符合了实验设计要求，达到了实验目的。5.2 遇到问题及解决方法1） 开始仿真时，发现探针一直是亮的状态，不符合理论分析结果。 解决方法：忘了在闹钟电路与蜂鸣器之间加上一个非门，使闹钟电路出现反效果。加 上非门后问题解决。2） 调动拨码开关定时后，发现闹钟不能在指定时刻响起。 解决方法：弄错了拨码开关与时间的对应关系，即拨码开关表示的时间与自己所想的 时间不对应。理解后，重新调试可以成功。3） 一直无法使蜂鸣器发出声音，不能实现闹钟与报时提醒功能。 解决方法：在蜂鸣器那里接上一个指示探针，探针亮即表示蜂鸣器响，探针不亮即蜂 鸣器不响。6 心得体会7 元件清单序 号名 称数 量规 格1LM555CM224511BP63SEVEN-SEG-COM-K6474LS161N6574LS85N4674LS00N6774LS04N7874LS08N5974LS20N11074LS32N1117400N4127408N4137432N214BUZZER115SWITCH3SPDT 2/SPST 116DSWPK-4417RESISTOR50452/50 2/100 42/10M 418CAPACITOR4100nF 2/10uF 28 参考文献1) 数字电子技术基础伍时和主编，清华大学出版社，2009.042) 电子技术基础（数字部分）康华光，高等教育出版社，2006.013) 数字电路实验与课程设计吕思忠 施齐云，哈尔滨工程大学出版社，2001.094) 数字电子技术基础杨颂华 冯毛官，西安电子科技大学出版社，2003.035) 电子线路设计 试验 测试（第三版）谢自美，华中科技大学出版社，2006.086) 电子技术基础实验&Multisim 10仿真蒋黎红，黄培根，电子工业出版社，2010.079 附表本科生课程设计成绩评定表姓 名性 别专业、班级课程设计题目：课程设计答辩或质疑记录：成绩评定依据：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定） 指导教师签字： 年 月 日