同济大学数字钟 课程设计

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电子电路课程设计说明书

同济大学
机械工程学院课程设计

指导老师： 姓名: 学号： 班级:机械

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电子电路课程设计说明书

目录
1、设计目的?????????????????????3 2、设计任务与要求??????????????????32.1、设计任务?????????????????????3 2.2、基本要求?????????????????????3

3、设计任务分析???????????????????4
3.1、设计要点?????????????????????4 3.2、工作原理?????????????????????4

4、电路设计部分???????????????????5
4.1、秒脉冲发生器???????????????????5 4.1.1 振荡器设计???????????????????5 4.1.2 振荡器参数确定?????????????????6 4.1.3 分频器设计???????????????????7 4.2、秒分时计数器电路设计???????????????7 4.2.1 秒分计数器???????????????????7 4.2.2 时计数器????????????????????8 4.3、译码显示电路设计?????????????????9 4.4、校时电路设计???????????????????10 4.5、上电复位电路???????????????????11 4.6、总体设计电路图??????????????????12

5、元器件使用说明??????????????????14
5.1、振荡器 （555 定时器）???????????????14

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5.1.1 NE555 的特点??????????????????14 5.1.2 NE555 引脚位配置说明??????????????14 5.2、计数器 74LS160D??????????????????15 5.3、译码器 74LS48N??????????????????16

6、电路仿真?????????????????????17
6.1、振荡器部分的仿真?????????????????18 6.2、分频器部分仿真??????????????????19

7、元器件清单????????????????????19 8、设计总结?????????????????????21 9、参考资料?????????????????????21

课程设计：数字钟
1、设计目的
●进一步掌握电子电路设计方法及相关设计软件使用； ●学会选择和使用集成芯片和各种元器件，熟悉各类器件的引脚安排，掌握 各芯片的逻辑功能及使用方法。 ●掌握电子电路的设计制作和调试方法。

2、设计任务与要求
2.1 设计任务
采用集成电路设计一台可以显示时、分、秒的数字钟。

2.2 基本要求

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●能直接显示时、分、秒的数字钟，要求二十四为一计数周期。 ●当电路发生走时误差时，要求电路具有校时功能。 ●要求电路具有整点报时功能，几点响几声。 ●要求电路主要采用中规模集成电路。 ●要求电源电压+5 伏— +10 伏。

3、设计任务分析
3.1 设计要点
●设计一个标准秒脉冲信号发生电路 ●设计 60 进制、24 进制计数器（时分秒计数电路） ●设计译码显示电路 ●设计操作方面的校时电路 ●设计整点报时电路 ●设计上电复位电路

3.2 工作原理
数字电子钟由信号发生器、“时、分、秒”计数器、译码器及显示器、校时 电路、整点报时电路等组成。秒信号产生器是整个系统的时基信号，它直接决定 计时系统的精度，本设计用由集成定时器 555 与 RC 组成的多谐振荡器作为时间 标准信号源，发出频率为 1KHZ，再经过 3 级十分频（3 个十进制计数器）后得到 1HZ。将标准秒脉冲信号送入“秒计数器”，该计数器采用 60 进制计数器，每累 计 60 秒发出一个“分脉冲”信号，该信号将作为“分计数器”的时钟脉冲。 “分 计数器”也采用 60 进制计数器，每累计 60 分，发出一个“时脉冲”信号，该信 号将被送到“时计数器”。“时计数器”采用 24 进制计数器，可以实现一天 24 h 的累计。译码显示电路将“时、分、秒”计数器的输出状态经七段显示译码器 译码， 通过六位 LED 显示器显示出来。整点报时电路是根据计时系统的输出状态 产生一个脉冲信号， 然后去触发音频发生器实现报时。 校时电路是来对 “时、 分、 秒”显示数字进行校对调整。其数字钟系统组成框图如下:

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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
图1

分频器
数字钟电路系统的组成框图

秒脉冲

4、电路设计部分
4.1 秒脉冲信号发生器

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秒脉冲信号发生器是数字电子钟的核心部分， 它的精度和稳定度决定了数字 钟的质量。由振荡器与分频器组合产生秒脉冲信号。 4.1.1 振荡器设计 一般说来，振荡器的频率越高，计时精度越高。本设计中采用由集成定时器 555 与 RC 组成的多谐振荡器，经过调整输出 1000Hz 脉冲。电路图如下图所示：

图2 4.1.2 振荡器参数确定

555 定时器振荡电路

555 定时器的脉冲时间是由于 RC 充放电确定的。根据三要素公式：

Vc1(t ) ? Vc1(?) ? ?Vc1(0 ?) ? Vc1(?)?e

?

t RC1

（1）

充电过程的方程式：
? 2 1 Vcc ? Vcc ? ( Vcc ? Vcc)e RC1 3 3 t1

(2)

充电时间为：

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t1 ? ( R1 ? R2)C1 ln 2 ? 0.7( R1 ? R2)C1
放电过程的方程式：
? 1 2 Vcc ? 0 ? ( Vcc ? 0)e RC1 3 3 t2

(3)

（4）

放电时间为：

t 2 ? R2C1 ln 2 ? 0.7 R2C1
总时间为：
t ? t1 ? t 2 ? 1 f

(5)

（6）

频率为：
1 1 1.43 f ? ? ? t 0.7( R1 ? 2 R2 )C1 ( R1 ? 2 R2 )C1

（7）

首先确定 C1=0.1uf，R2=5.1K?，需要输出频率 f=1KHZ，将充放电时间算 出，确定电阻 R1。通过确定 R1=4.1K?。 4.1.3 分频器设计 分频器功能主要有两个， 一是产生标准秒脉冲信号，一是提供功能扩展电路 所需要的信号，选用三片 74LS90 进行级联，74LS90 是二—五—十进制计数器。 因为 555 定时器产生 1KHZ 的信号，第一片的 Q3 输出 100HZ，第二片的 Q3 输 出 10HZ，第三片输出 1HZ。经过 3 次 1/10 分频后正好是 1HZ，为标准的秒输入 脉冲。电路图如下图所示：

图3

分频器电路

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4.2 秒、分、时计时器电路设计
秒、分计数器为 60 进制计数器，小时计数器为 24 进制计数器。实现这两种 模数的计数器采用中规模集成计数器 74LS160D 构成。 4.2.1 秒、分计数部分设计 分和秒一样，都采用 60 进制计数，本设计选 74LS160D 作为计数器，将一片 74LS160D 设计成 10 进制加法计数器，另一片设置 6 进制加法计数器。两片 74LS160D 按反馈清零法串接而成。秒计数器的十位和个位，输出脉冲除用作自 身清零外，同时还作为分计数器的输入脉冲 CP1。当分（秒）计数部分的个位接 受秒计数部分的信号（秒计数接受的信号为振荡器经分频后输出的 1HZ 的标准 脉冲） ，计数满 60 后向时计数部分的十位给出一个进位信号。分（秒）十位计数 部分接受个位的进位信号并进行计数，计满 6 就想前一级给出进位信号。当十位 和个位计满 60 个数后计数器清零。计数规律是从 00——59——00。设计电路图 如图 4。 4.2.2 时计数部分设计 时间计数设计为 24 进制计数，本设计选 74LS160D 作为计数器，将一片 74LS160D 设计成十进制加法计数器，另一片设置 2 进制加法计数器。既个位计 数状态为 Qd Qc Qb Qa = 0100 十位计数状态为 Qd Qc Qb Qa = 0010 时，要求计 数器归零。通过把个位 Qc、十位 Qb 相与后的信号送到个位、十位计数器的清 零端， 使计数器清零， 从而构成 24 进制计数器， 计数规律是从 00——23——00。 设计电路图如图 5。

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图4

秒、分计数部分电路

图5

时计数部分电路

4.3 译码显示电路设计
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，由数码管和译码器 74LS47D 组成。74LS47D 是 BCD-7 段译码器/驱动器， 输出高电平有效，专用于驱动 LED 七段共阳极显示数码管。若将秒、分、时计 数器的每位输出分别送到相应七段译码管的输入端，，便可以进行不同数字的显 示。在译码管输出与数码管之间串联电阻 R=510? 作为限流电阻。

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图6

译码显示电路

4.4 校时电路设计
校时电路是数字钟不可缺少的部分，每当数字钟与实际时间不符时，需要根 据标准时间进行校时。当数字钟接通电源或者计时出现错误是，需要校正时间， 校时是数字钟应具备的基本功能。为了电路简单，只对时和分进行校时。校时电 路要求在小时校正时不影响分和秒的正常计数， 在分校时时不影响秒和小时的计 数。时校时电路和分校时电路都是一致的，校时脉冲信号为 10HZ 脉冲，这样速 度正好适中，适合校时。 方法是控制六十进制的时钟输入端 CP，使用两个三态门或者把秒进位信号 （V2 信号源仿真）加入，或者把校分的按键信号 J1 加入，J2 用来控制校分和计 分切换，由于两个三态门 U10A 和 U11A 的使能端有效电平刚好相反，J2 接地时 为校分功能，J2 不接地时为计分功能。

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图7

校时电路

4.5 上电复位电路
在计数器清零端处接一个或门即可。

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4.6 总体设计电路图

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5、元器件使用说明
5.1 振荡器 （555 定时器）
5.1.1 NE555 的特点 ●只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围 极广，可由几微秒至几小时之久。 ●它的操作电源范围极大，可与 TTL，CMOS 等逻辑闸配合，也就是它的 输出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合。 ●其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。 ●它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。

5.1.2 NE555 引脚位配置说明 如右图 NE555 接脚图 Pin 1 (接地) -地线(或共同接地) ，通常被连接到电路共同接地。 Pin 2 (触发点) -这个脚位是触发 NE555 使其启动它的时间周期。 触发信号上缘电压须大于 2/3 VCC，下缘须低于 1/3 VCC 。 Pin 3 (输出) -当时间周期开始 555 的输出输出脚位，移至比电源 电压少 1.7 伏的高电位。周期的结束输出回到 O 伏左右的低电位。于高电位时的 最大输出电流大约 200 mA 。 Pin 4 (重置) -一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一 个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。 Pin 5 (控制) -这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。 当计时器经营在 稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。 Pin 6 (重置锁定) - Pin 6 重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从 1/3 VCC 电压以下移至 2/3 VCC 以上时启动这个动作。 Pin 7 (放电) -这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为 ON 时为 LOW，对地为低阻抗，当输出为 OFF 时为 HIGH，对地为高阻抗。 Pin 8 (V +) -这是 555 个计时器 IC 的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5 伏特(最小值)至+16 伏特(最大值)。 参数功能特性：

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?供应电压 4.5-18V ?供应电? 3-6 mA ?输出电? 225mA (max) ?上升/下?时间 100 ns NE555 的相关应用: NE555 的作用范围很广，但一般多应用于单稳态多谐振荡器（Monostable Mutlivibrator）及无稳态多谐振荡器(Astable Multivibrator)。

5.2 计数器 74LS160D
74LS160D 计数器是一种中规模二一五 -十进制计数器，下降 沿触发， R0(1),R0(2)是清零端，R9（1） ，R9(2)是置 9 端，CPA 和 QA 可组成一个二进制 计数器，CPB 和 QBQCQD 组成五进制计数器；若把 QA 和 CPB 相连，脉冲从 CPA 输入，则构成 8421BCD 码十进制计数器。由 74LS160D 的 truth table 可以 看出，选择 74LS160D 可以在数字钟进位和清零上有极大的方便，不需要其他门 电路辅助就能自己完成进位和清零。

表1

74LS160D 计数/复位真值表

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表2

74LS160D BCD 数码顺序

5.3 译码器 74LS48
74LS48 芯片是一种常用的七段数码管译码器驱动器， 下面是 74LS48 的引脚 图和功能表。

图9

74LS48 引脚图

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表3

74LS48 功能表

6、电路仿真
随着科技的发展， “计算机仿真技术”已成为许多设计部门重要的前期设计 手段。它具有设计灵活，结果、过程的统一的特点。可使设计时间大为缩短、耗 资大为减少，也可降低工程制造的风险。仿真软件有很多，multisim、protues 等 都可以电路仿真。本设计仿真过程是在 multisim 平台上完成的。课程设计、毕业 设计是学生走向就业的重要实践环节。由于 MULTISIM 提供了实验室无法相比 的大量的元器件库，提供了修改电路设计的灵活性、提供了实验室在数量、质量 上难以相比的虚拟仪器、仪表，因而也提供了培养学生实践精神、创造精神的平 台。

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6.1 振荡器部分的仿真

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6.2 分频器部分仿真

7、元器件清单

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序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

元件名称 NE555 定时器 74LS160D 74LS48N 共阴数码管 电阻 电阻 开关 导线 瓷片电容 74LS00 74LS20N（与非门） 74LS04D（非门） 按键 74LS125N （三态门）

数量 1 6 6 6 6 4 2 若干 4 3 4 12 2 2

规格

备注 DIP 封装 DIP 封装 DIP 封装

51? 105?

0.1uf

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74LS126D （三态门） 74LS90D 74LS32（或门）

2 3 1

8、设计总结
设计电路过程中， multisim 软件中出现了许多各种各样的错误， 在 虽然最后 经过不断的修改以及和同学的讨论得到了比较好的解决， 但从中却让我弄明白了 很多东西，很好的理解那句“失败乃成功之母”的含义。其中有一个问题弄的我 是焦头烂额，就是连接好译码显示电路后 LED 却不能显示出数字，最后查出原 来所选用的译码器型号不同连接方式也不同，74LS48D 需要用共阴极接法， 74LS47D 则需要用共阳极接法。还有就是设计六十进制计数器和二十四进制计 数器是各个计数器之间的连接、秒到分间的进位问题、分到时之间的进位问题、 校时电路的连接方式等等问题。 这次电子电路课程设计，也对电子电路设计的知识有了更深一步的了解，熟 悉了更多不同的数字芯片，比如 74LS90，74LS290,74LS00，74LS48，74LS47， 数码管等， 这为我以后的电路设计打了一定的基础。在连接六进制,十进制,六十 进制的进位及二十四进制的接法中,要求熟悉逻辑电路及其芯片各引脚的功能, 那么在电路出错时便能准确地找出错误所在并及时纠正了。 在这次的设计中，我 考虑了许多不同的方案， 做出过不同的选择，从理论上细致的比较各个方案的好 坏，同时又充分的考虑实际情况，以实际情况为主要，在此过程中学会了把理论 和实际充分结合起来的思维方式。 在设计的过程中我采用了 MULTISIM 仿真软件， 通过这次的课程设计使我对这个仿真软件的使用更加的熟练。 通过此次课程设计，总体来说，收获颇丰，无论是在培养自己的实验动手能 力还是培养自己的性情方面。

9、参考资料
秦曾煌 主编《电工学》电子技术下册 第六版 高等教育出版社

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