基于proteus仿真的数字钟.doc

摘要 数字钟是一个对 1Hz 频率进行计数的电路 振荡器产生的时钟信号经过分频器形 成秒脉冲信号 秒脉冲信号输入计数器进行计数 显示出时间 秒计数器电路计满 60 后触发分计数器电路 分计数器电路计满 60 后触发时计数器电路 当计满 24 小时后 重零开始计数 一般由振荡器 分频器 计数器 译码器 数码显示器等几部分组成 振荡电路 主要用来产生时间标准信号 石英晶体振荡器可以提高时间信号的稳 定度 分频器 振荡器产生的标准信号频率很高 要得到 秒 信号 需一定级数的分 频器进行分频 计数器 有了 秒 信号 则可以根据 60 秒为 1 分 24 小时为 1 天的进制 分别 设定 时 分 秒 的计数器 分别为 60 进制 60 进制 24 进制计数器 并输出 一分 一小时 一天的进位信号 译码显示 将 时 分 秒 显示出来 将计数器输入状态 输入到译码器 产生驱动数码显示器信号 呈现出对应的进位数字字型 关键词 数字钟 振荡 计数 校正 目录 1 前言 2 2 系统总体方案设计 3 2 1 方案比较 4 2 2 方案选择 6 3 单元模块设计 7 3 1 时间计数电路的设计 7 3 2 译码显示电路 9 3 3 三个按键的电路 11 3 3 1 按键一 光标的移位与闪烁 12 3 3 2 按键二 时间的上翻让时间得到修改 14 3 3 3 按键三 确定 15 4 系统调试 15 5 系统功能和指标参数 15 5 1 系统功能 16 5 2 系统指标参数 16 6 设计总结和体会 17 6 1 设计总结 17 6 2 设计的收获体会 17 致 谢 18 参考文献 18 附录 数字电子钟电路总图 19 1 前言 数字电子钟是一个用数字电路实现的时 分 秒计时的装置 与机械式时钟相比 具有更高的准确性 本次的数字电子钟的设计原理就是一种典型的数字电路 其中还 包括了一些组合逻辑电路和时序电路 本次的数字电子钟的设计主要目的是为了让我们更好的掌握数字电子钟的原理 从而掌握逻辑电路的一些典型运用 学会自己制作电子钟 通过对数字电子钟得设计 进一步的了解各种中小规模集成电路的作用和实用方法 我们这次设计的数字电子钟 是以 24 小时为一个时间周期 显示的满刻度是 23 时 59 分 59 秒 在六位 7 段共阴极 的数码管上准确显示其相应的时 分 秒 并设置了三个时间的按键 分别控制时间 的移位闪烁 时间的上翻修改 时间的确认 方便认为控制和设置时间 同时为了保 证计时的稳定性和计时的准确性我们采用了用 32 768K 的晶体振荡器来产生时钟信号 来提供表针时间的基准信号 时 十 位 2 系统总体方案设计 数字电子钟的整体设计原理框图如图一所示 图 2 1 数 字 电 子 钟 的 原 理 框 图 整 个 设 计 的 计 时 周 期 为 24小 时 显 示 的 满 刻 度 是 23时 59分 59秒 然 后 自 动 清 零 从 00时 00分 00秒 开 始 重 新 计 时 另 外 还 加 进 了 按 键 部 分 的 操 作 方 便 人 们 对 时 间 时 个 位 秒 个 位 秒 十 位 分 个 位 分 十 位 译码驱动 译码驱动 译码驱动 译码驱动 译码驱动 译码驱动 时计数 时计数 分计数 分计数 秒计数 秒计数 分频器 CD4060 二分频器晶体振荡电路 32768HZ 2HZ 1HZ 按键一 按键三按键二 的 控 制 设 置 调 整 秒 信 号 产 生 器 是 整 个 系 统 的 时 基 信 号 它 直 接 决 定 了 计 时 系 统 的 精 度 在 这 次 设 计 中 采 用 的 是 石 英 晶 体 振 荡 器 加 分 频 器 来 实 现 将 得 到 的 标 准 信 号 1HZ送 入 秒 计 数 器 中 秒 计 数 器 采 用 的 是 60进 制 的 计 数 器 每 累 计 都 60秒 得 时 候 就 会 发 出 一 个 分 脉 冲 信 号 该 信 号 将 作 为 分 计 数 器 的 时 钟 脉 冲 分 计 数 器 也 是 采 用 的 60进 制 的 计 数 器 每 累 计 到 60分 钟 发 出 一 个 时 脉 冲 信 号 该 信 号 将 被 作 为 时 脉 冲 时 钟 脉 冲 式 计 数 器 采 用 的 24进 制 的 计 数 器 这 样 就 可 以 实 现 一 天 24小 时 的 累 计 2 1 方案比较 方案一 555 构成的多谢振荡器 如图二 由于 f 1 43 R1 2R2 C1 我们可以通过调整 R1 R2 C1 的值 改变其输出的频率 图 2 2 方案二 晶体振荡器分频电路石英晶体振荡电路 1 采用频率 fs 32768HZ 的石英晶体 图三 D1 D2 是反向器 D1 用于振荡 D2 用于缓冲整形 Rf 为反馈电电阻 10 100M 反馈电阻的作用为 COMS 反相器提供偏置 使其工作在放大状态 电容 C1 C2 与晶体共同构成 pi 型网络 完成对振荡器频率的控制 并提供必要的 180 度相移 最后输出 fs 32768HZ 图三 2 多级分频电路 将 32768HZ 脉冲信号输入到 CD4060 如图四 CD4060 的引脚图介绍 组成 的脉冲振荡的 14 位二进制计数器 所以从最后一级 Q14 输出的脉冲信号频率为 32768 16384 2HZ 再经过二次分频 得到最后的 1HZ 的标准信号脉冲 即秒脉 冲 如图五 就是所得到最后的脉冲信号 图四 CD4060 引脚图 图五 1HZ 的信号产生的波形 2 2 方案选择 1 采用 555 多谢振荡器 优点 555 内部的比较器灵敏度较高 而且采用差分电路形式 它的振荡频率受电 源电压和温度变化的影响很小 缺点 要精确的输出 1HZ 的脉冲 对电容和电阻的数值精度要求很高 所以输出 脉冲既不够准确也不够稳定 2 采用晶体振荡分频电路 优点 由于晶体的阻抗频率响应可知 它的选频特性非常好 有一个极为稳定 的串联谐振频率 fs 且等效品质因数 Q 很高 只有频率为 fs 的信号最容易通过 且其他频率的信号均会被晶体所衰减 3 比较的结果 由于振荡器是数字钟的核心 振荡器的稳定度及频率的精度决定了数字钟计时的准 确程度 为了达到设计要求 获得更高的计时精度 我们在设计中选用了方案二即用晶体振荡 器构成振荡电路 一般来说振荡器的频率越高 计时精度就越高 如图六 图六 3 单元模块设计 3 1 时间计数电路的设计 将分频器产生的标准基信号即秒信号经过秒计数器 分计数器 时计数器 分别 得到 秒 个位 十位 分 个位 十位以及 时 个位 十位的计时输出信号 然 后送至译码显示电路 以便实现用数码管显示时 分 秒的要求 在设计中 秒 和 分 的计数器应该为六十进制的计数器 而 时 计数器应该为二十四进制的计数 器 在设计中采用的 10 进制的计数器 74LS160 来实现时间的计数单元的计数功能 74LS160 的芯片引脚图如图七所示 图七 74LS160 引脚图 P0 P1 P2 P3 计数器的输入端 QO Q1 Q2 Q3 计数器的输出端 CEP CET 计数器的计数端 CP 计数器的触发端 TC 计数器的进位端 R 计数器的清零端 PE 计数器的置数端 74LS160 计数器是同步计数 异步清零 表 1 是 74LS160 的逻辑表 计数器部分计数的原理图八 图八 计数器的原理图 此图为 秒 计数器部分 用两片 74LS160 来构成 60 进制的计数器 由于 160 本 身就是 10 进制的计数器 故在 秒 个位当自动的加到 10 时就会自动清零 同时向 秒 十位的计数器的进位 在这片 160 当 秒 十位和个位分别显示到 5 和 9 时向下一级的 分 计数器进位 同理当 分 的十位和个位分别显示 5 和 9 时向 时 计数器进位 当 时 计数器的十位和个位分别显示 2 和 4 时 用反馈清零的方法将其清零 其 分 计数器 时 计数器的原理图同 秒 计数器 的原理图大致相同 3 2 译码显示电路 设计中 时 分 秒 的显示是选择共阴极的七段数码管显示的 共阴极七 段数码管译码显示电路是将计数器输出的 8421BCD 码译成数码显示所需要的高低电平 其引脚如图九 在译码显示电路中采用的是 CD4511 7 段译码驱动器 其芯片的引脚如 图十 译码器的 A B C D 分别与十进制的计数器的四个输出端相连接 a b c d e f g 即为驱动七段数码管的信号 其根据 A B C D 所得的计数信号 数码管就显示出相对 应的字型 图九 共阴极七段数码管的引脚图 图十 CD4511 的引脚图 其中 A B C D BCD 码得输入端 a b c d e f g 译码的输出端 输出为 1 有效 用来驱动共阴极 LED 数码管 LT 测试输入端 LT 0 时 译码输出全为 1 BI 消隐输入端 BI 0 时 译码输出全为 0 LE 锁定器 LE 1 时译码器处于锁定 保持 状态 译码器输出保持在 LE 0 时的数值 LE 0 为正常译码 其译码的显示电路如图十一所示 图十一 译码器的驱动显示电路 3 3 三个按键的电路 本次设计还用到了按键部分 设计中用到了三个按键 其功能分别是移位并闪烁 时间的上翻 时间的确定 设置这三个按键的目的其主要是为了人们能很好的控制和 调整时间 方便人们对时间的调整 按键部分主要是采用各种逻辑门与计数芯片 译 码芯片的有理结合来实现各个按键的功能的 如图十二 图十二 三个按键 3 3 1 按键一 光标的移位与闪烁 以为部分 下之后计数器停止计数即在这里给 秒 计数器输入的无效的信号脉 冲 此时数码管保持先前记下的时间不在走动 采用计数器 160 和译码器 138 的结合 给计数器 160 送一个初始数 1 即此时 D3D2D1D0 0001 将计数器的 Q2Q1Q0 分别与 138 的输入端 CBA 相连接 且在 138 输出端的 Y0 接一个反相器保证在正常的情况下计数器 能正常的计数 将输出端得 Y0 Y1 Y2 Y3 进行与运算 并将输出的值与产生的信号 脉冲进行与运算 在未按下按键的时候则不会影响到脉冲的正常输入 计数器的正常 计数 其中 74LS138 的引脚图如图十三 图十三 74LS138 引脚图 A2 A1 A0 译码器的 3 位二进制输入端 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 译码器的 8 个输出信号 并且输出的均为低 电平有效 S3 S2 S1 译码器的三个使能端 当 S1 1 且 S2 0 S3 0 时 译码器处于正常 的工作状态 闪烁部分 由于要使光标移位 需要判断以为在了那只数码管上 所以想到使数 码管闪烁的方法 产生明显的视觉效果从而准确的判断需要改变那只数码管的时间值 考虑到译码器 CD4511 的一个使能端 BI 当 BI 为高电平的时候会产生消隐的现象 故 在使数码管闪烁的这一功能 选择从译码器寻找方法 数码管的闪烁与高低脉冲相连 当按键一被按下之后 译码器 138 的输出端 Y1 Y2 Y3 的值不断的变化且有且只有一个为有效的点平 0 当它们分别与信号脉冲 进行或运算后输出的的结果取决与信号脉冲 当脉冲为高点平的时候则数码管就熄灭 当脉冲输出的是低电平的时候数码管就点亮 如此的亮灭亮灭 从而达到视觉上的 数码管的闪烁功能 按键一电路如图十四 十五 十六 图十四 计数器与 138 的结合 图十五 与运算产生 kk 控制信号脉冲 图十六 光标的闪烁 3 3 2 按键二 时间的上翻让时间得到修改 按键二的功能主要是修改时间 在这里让时间上翻改变即当按键二被按下一次对 应闪烁的数码管的值就加一次 一直到所得的值是我们自己想要的值为止 按键二必 须在按键一被按下之后才有效 故当按键一被按下后译码器 Y1 Y2 Y3 有且有一个 输出的是有效的低电平 按键二被按下后也会得到一个有效的低电平 将 Y1 Y2 Y3 分别与按键二得到的低电平进行或运算 并在得到的结果后面加一个反 相器 这样就只有当输出的值均为 0 时才能得到 1 这样就可以得到三个信号 clk1 clk2 clk3 同时要使计数器加数 只要给相应的计数器输入有效的正脉冲就可 以了 故在设计中将得到的三个信号对应的与计数器的脉冲输入相连接 如图十七 图十七 产生有效的信 3 3 3 按键三 确定 按键三的功能就是确定键即恢复正常有效的脉冲信号 让计数器正常的计数 译码器正常的译码 数码管正常的显示时间 使按键部分的那些功能都消失 当按键 三被按下后即马上得到一个低电平的信号 将按键三得到的信号与计数器的清零端相 连接 即可控制其的能否正常工作 从而让输出的 kk 为高电平 这样在 kk 与产生的 信号脉冲进行与运算的时候就取决于产生的脉冲信号 这样产生的脉冲信号又恢复成 为有效的脉冲信号 使计数器正常的计数工作 4 系统调试 单个元件的调试 数码管共阴 共阳的检测 在 proteus 的仿真软件中将数码管的的 a b c d e f g 的任意一段或者几段置于高电平 数 码管剩下的另一管脚置于低电平 如果数码管发亮且输出的字符是对应输入的字符的 那么此数码管为共阴数码管 如果数码管不亮 没有反应则说明数码管是共阳的数码 管 时钟电路的调试 将晶体振荡器电路产生的信号脉冲通过 proteus 软件进行仿真 1 将仿真的示波器记到晶体振荡电路的波形的输出端 在示波器上显示出波 形信号的频率为 32768HZ 2 再将仿真的示波器接到经过 CD4060 分频器后的输出端 得到的输出波形信 号的频率为 2HZ 3 最后将仿真里面的示波器接到二分频器后的输出端得到的信号波形的频率 为 1HZ 即为整个设计需要的标准基信号 计数电路的调试 在秒计数器上加入一个标准的 1HZ 脉冲信号 在 proteus 仿真软件上进行计数器的准 确计数的调试 这部分主要调试的是 秒 计数器 分 计数器的 60 进制得到调试 当 秒 或 分 的计数达到 59 时 秒 或者 分 能够正确的清零并向前一 计数器进位 其数码管的显示如图十八 图十八 时间的准确显示 5 系统功能和指标参数 5 1 系统功能 该电路主要实现了时间的准确计数 在设计中将计数器 74LS160 与译码器 CD4511 计数器 74LS160 和译码器 74LS138 分频器与晶体振荡电路有效的集中在了一起 得到 比较准确的时间显示 此外 加上三个按键的设置 方便了人们随时对时间的调整 从而更好的控制时间 5 2 系统指标参数 1 基信号的频率 1HZ 2 电路供电 5v 3 工作温度范围 co0o7 6 设计总结和体会 6 1 设计总结 本次课程设计经过为期 2 周的不懈努力 目前基本达到了预期的要求 能够准确 的以一秒为周期的在数码管上显示时间 并且三个按键也能准确的实现它们各自的功 能 让人们能很好的调节时间 在设计中所采用的各个芯片都在运行很好的实现了它 们各自在设计中的功能作用 整个设计的原理简单 可靠性能高 成本低 功能很容 易实现 并且实现的效果也非常的良好 6 2 设计的收获体会 由于这次设计是在放假期间独立完成的 所以在各模块之间的衔接上 以及某些 参数的确定上可能还存在一定的问题 但通过这次设计 收获也颇多 总体上来说这次设计电路原理其实不难 但是在设计过程虽然很多东西自己明白 该那么做 但是在真正的运用中却是实在是无从下手 遇到的很多小问题比自己想象 中的要复杂得很多 让自己怀疑是不是考虑错了或者是走错了方向 在设计中 很多 芯片的功能是自己不是很熟悉的 不同芯片之间的衔接更是让自己感到陌生 比如 在晶体振荡电路中产生的 32768HZ 的信号与分频器 CD4511 的链接 分频的原理对当时 设计自己来说是很模糊的 但是通过询问同学和老师后让自己对分频的原理有了了解 并且还从很多的方法中选择了 32768HZ 的晶体振荡器和 CD4511 分频器来产生标准的基 信号 在计数器的选择上 虽然自己对这部分比较熟悉 但是当真正的接触它时 才 知道很多的东西不是自己想象中的那样容易 很多的小错误就让自己感到寸步难行 通过不断的查阅资料了解选择了十进制的 74LS160 实现了准确的计数功能 在按键部 分 这是整个设计让我受益最多的部分 按键部分是自己在设计最后才做的部分 刚 开始真的是无从下手 感觉考虑的东西很多 而且很多的东西自己又不会 在老师和 同学的帮助下才让自己有了一个比较清晰的思路 在设计中将计数器 74LS160 和译码 器 74LS138 有机的结合来实现了三个按键的基本功能 通过这次的设计让自己熟悉了很多东西 学会了很多东西 学习了自己已经学过 的东西 也学习了自己没有接触过的东西 对计数器 74LS160 译码器 74LS138 CD4511 分频器 CD4060 都有了一个很清楚的认识 同时不但对这次设计中使 用到的芯片自己有了了解 对其他得芯片如 74LS190 74LS161 触发器等也有了解 和认识 对设计中的芯片的其他功能也有所了解 如 计数器在一定的时候也可以做 为分频器使用等 这次为期两周的课程设计 让我对各种电路有所了解 也让我了解了关于数字时 钟的原理和设计理念 通过自己的亲手实践 才让我认识到自己的不足 所以说 坐 而言不如立而行 对于这些电路和连接还是需要自己亲手的实际操作才会真正的了解 和掌握 才会有深刻的印象 致 谢 在这里我首先要感谢我们这组的指导老师林竟力老师对我们的设计过程中的细心 指导 在设计和论文写作过程中 得到了老师的指点和点拨 使得我的理论和实践操 作能力都得到了提高 同时也要感谢我们这和我一起合作的组员以及在我设计过程中 遇到问题请教的同学 他们的虚心帮助和提醒也是让我的设计能顺利的完成的重要原 因之一 参考文献 1 康华光 电子技术基础 模拟部分 第五版 北京 高等教育出版社 2006 1 2 康华光 电子技术基础 数字部分 第五版 北京 高等教育出版社 2006 1 3 徐学彬 电子技术实验指导书 四川成都 西华大学电工电子实验中心 2010 10 4 谢自美 电子线路设计 实验 测试 第三版 华中科技大学出版社 2006 8 附录 数字电子钟电路总图 数字电子钟的总电路图