数电-课程设计多功能数字钟的设计与实现-本科论文.doc

大学《数字电子技术》课程设计
课程设计任务书

题 目: 多功能数字钟的设计与实现
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: （包括课程设计工作量及技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
1、课程设计工作量：1周。
2、技术要求：
1）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。
2）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。
3）有译码、七段数码显示功能，能显示时、分、秒计时的结果。
4）设计提供连续触发脉冲的脉冲信号发生器，
5）具有校时单元、闹钟单元和整点报时单元。
6）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。
3、查阅至少5篇参考文献。按《******大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。

时间安排：
1、 2013年 3 月 18 日，布置课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求说明。
2、 2013 年 3 月 22日至 2013 年 5 月 10 日，方案选择和电路设计。
3、 2013 年 5 月 25 日至 2013 年 7 月 2 日，电路调试和设计说明书撰写。
4、 2013 年 7 月 5 日，上交课程设计成果及报告，同时进行答辩。

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 引言 1
1.1 数字钟简介 1
1.2 EWB简介 1
2 方案选择 3
3 系统框图 4
4 分电路设计 5
4.1 脉冲产生电路 5
4.1.1设计要求 5
4.1.2所需元件 5
4.1.3元件介绍 5
4.1.4参数计算 6
4.1.5电路设计 7
4.2计数电路 8
4.2.1秒电路 8
4.2.2分电路 9
4.2.3时电路 11
4.3显示电路 12
4.3.1所需元件 12
4.3.2元件介绍 12
4.3.3原理说明 12
4.3.4电路设计 12
4.4整点报时电路 13
4.4.1设计要求 13
4.4.2所需元件 13
4.4.3元件介绍 13
4.4.4参数计算 13
4.4.5原理说明 14
4.4.6电路设计 14
4.5校时电路 15
4.5.1设计要求 15
4.5.2所需元件 15
4.5.3元件介绍 15
4.5.4原理说明 15
4.5.5电路设计 15
4.6闹钟电路 16
4.6.1设计要求 16
4.6.2所需元件 16
4.6.3元件介绍 16
4.6.4原理说明 18
4.6.5电路设计 18
5总电路图 19
6心得体会 20
7元件清单 21
8参考文献 23

摘 要
数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的钟表。与机械钟相比具有更高的准确性和直观性，具有更长的使用寿命，如今已得到广泛的使用。数字钟的设计方法有许多种，例如可用中小规模集成电路组成数字钟，也可以利用单片机来实现数字钟等等。这些方法都各有其特点。本次设计用的是中小规模集成电路,以实现数字钟的显示、校时、闹钟、报时等功能。
EWB软件，全称为ELECTRONICS WORKBENCH EDA，是交互图像技术有限公司在九十年代初推出的EDA软件，用于模拟电路和数字电路的混合仿真。EWB是一款小巧，但是仿真功能十分强大的软件。本次设计将用EWB软件进行仿真。

关键词:数字钟；设计；EWB；仿真

I

Abstract
Digital clock is a sort of clock which can be made to time hours、minutes and seconds through digital circuit technology. Compared with mechanical clock, digital clock has higher accuracy and intuition and longer service life. It has been widely used nowadays. There are mang kinds of methods to design the digital clock. For example, small and medium scale integrated circuit can be used to design it. Micro controller can also de used to design digital clock and etc. There are different characteristics in different methods. This time, small and medium scale integrated circuit will be used to achieve the functions of the digital clock such as display、timing、alarm clock、giving the correct time.
EWB, whose full name is ELECTRONICS WORKBENCH EDA, is the Interactive Image Technology Ltd launched in the early ninety’s EDA software, which can be used to achieve the mixed simulation of analogous circuit and digital circuit. EWB is a small software but it has a powerful function of simulation. The simulation of this design will be made through EWB.

Keywords：digital clock；design；EWB；simulation

II

1 引言
1.1 数字钟简介
数字钟是日常生活中常见的一种工具，大到机场等公共场所的时间屏幕，小到我们的手表、闹钟等。数字钟实际上是一个对标准频率进行计数的计数电路。它的计时周期是24小时，由于计数器的起始时间不可能与标准时间（如北京时间）一致所以采用校准功能和报时功能。
数字钟是由振荡器、计数器、译码器、显示器、校时电路、报时电路、闹钟电路组成，振荡器产生的信号作为秒脉冲，秒脉冲送入计数器，计数结果通过时、分、秒译码器显示时间。秒脉冲是整个系统的时基信号，它直接决定计时系统的精度，将标准秒信号送入“秒计数器”，“秒计数器”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分钟，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进制计时器，可实现对一天24小时的计时。译码显示电路将“时”、“分”、“秒”计数器的输出状态通过显示驱动电路，七段显示译码器译码，在经过六位LED七段显示器显示出来。整点报时电路时根据计时系统的输出状态产生一个脉冲信号，然后去触发一音频发生器实现报时。校准电路时用来对“时”、“分”、“秒”显示数字进行校对调整的。闹钟电路则是通过数值比较器来实现。

1.2 EWB简介
EWB是一种电子电路计算机仿真软件，它被称为电子设计工作平台或虚拟电子实验室，英文全称为Electronics Workbench。EWB是加拿大Interactive Image Technologies公司于1988年开发的。EWB以SPICE3F5为软件核心，增强了其在数字及模拟混合信号方面的仿真功能。SPICE3F5是SPICE的最新版本，SPICE自1972年使用以来，已经成为模拟集成电路设计的标准软件。
相对其它EDA软件而言，它是个较小巧的软件，只有16M，功能也比较单一，就是进行模拟电路和数字电路的混合仿真，但它的仿真功能十分强大，可以几乎100%地仿真出真实电路的结果，而且它在桌面上提供了万用表、示波器、信号发生器、扫频仪、逻辑分析仪、数字信号发生器、逻辑转换器等工具，它的器件库中则包含了许多大公司的晶体
管元器件、集成电路和数字门电路芯片，器件库中没有的元器件，还可以由外部模块导入，在众多的电路仿真软件中，EWB是最容易上手的，它的工作界面非常直观，原理图和各种工具都在同一个窗口内，未接触过它的人稍加学习就可以很熟练地使用该软件，对于电子设计工作者来说，它是个很好的EDA工具，许多电路无需动用烙铁就可得知它的结果，而且若想更换元器件或改变元器件参数，只需点点鼠标即可，它也可以作为电学知识的辅助教学软件使用。

2 方案选择
方案一：采用中小规模集成电路实现
采用中小规模集成逻辑电路设计可以实现数字钟的时、分、秒计时功能、定点报时功能、校时功能、闹钟功能，计时模块采用时钟信号触发，不需要程序控制。所有功能模块的主要部件都使用集成芯片。此方案正是所学的知识的实际应用，可以加深对逻辑电路的了解，符合此次设计的要求。
方案二：EDA技术实现
采用EDA作为主控制器外围电路进行电压，时钟控制、键盘和LED控制。但此方案逻辑电路复杂，外围设备多，灵活性较低，不利于扩展。且涉及的大多是未学的知识，不能达到此次设计的目的。
方案三：单片机编程实现
利用AT89S51单片机和74HC573八位锁存器以及利用C语言对AT89S51进行编程来实现数字钟的时间显示。单片机的相关知识尚未学习，而且运用单片机也不符合运用数字电路完成设计的初衷，不能达到此次设计的目的。
综上，根据自身的知识和方案比较，采用方案一，因为方案一简便灵活，扩展性好，而且正好是所学知识的应用，可以对逻辑器件的使用增加经验，同时符合此次数字电路知识设计的要求。

3 系统框图
计数电路

分电路
秒电路
时电路

个位显示
十位显示
个位显示
十位显示
个位显示
十位显示

译码器
译码器
译码器
译码器
译码器
译码器

计数器
计数器
计数器
计数器
计数器
计数器

校时电路
报时电路
脉冲振荡器

闹钟电路

图3.1 系统框图

4 分电路设计
4.1 脉冲产生电路
4.1.1设计要求
要求设计出一个能产生一秒周期信号的电路。用555定时器作为基础，调节外界参数R和C，使得振荡周期为1秒。
4.1.2所需元件
导线若干、555定时器、1000kΩ、200kΩ、20kΩ、1kΩ、300Ω、40Ω、8Ω电阻各一个、1μF、0.01μF电容各一个。
4.1.3元件介绍
555定时器：555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。
内部结构图：

图4-1 555定时器内部结构图
引脚图：

引脚功能注释：
表4-1 555定时器引脚功能

功能表：
表4-2 555定时器功能表
清零端
高触发端TH
低触发端
Q
放电管T
功能
0
×
×
0
导通
直接清零
1
0
1
x
保持上一状态
保持上一状态
1
1
0
1
截止
置1
1
0
0
1
截止
置1
1
1
1
0
导通
清零

4.1.4参数计算
由555定时器构成的多谐振荡器由电阻R1、R2，电容C以及旁路电容Cp等组成。输出频率为：

当f=1Hz时，若选C为1μF的电解电容，取ln2=0.693，得R1+2R2=1449.2695kΩ。令R1=1MΩ，R2=221.348kΩ。若R2用200kΩ+20kΩ+1kΩ+300Ω+40Ω+8Ω的形式替换，可得到周期为1.00002839s的脉冲。

4.1.5电路设计

图4-2 脉冲产生电路
该电路的仿真结果为:

图4-3 脉冲电路仿真波形

4.2计数电路
4.2.1秒电路
4.2.1.1所需元件
导线若干、两输入与门一个、74LS290芯片两块
4.2.1.2元件介绍
与门
表达式∶F=A·B
真值表：
A
B
F
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1

74LS290芯片
引脚图：

4.2.1.3原理说明
由脉冲产生电路产生的秒信号经右边芯片的时钟信号输入端CLKA输入，秒电路开始计时。当个位显示从零变到九时，十位显示由于没有脉冲信号，它的显示保持不变。在第十个脉冲到来之际，个位显示由零变为九，同时向十位发出一个脉冲信号，十位的显示增加一。当十位的是5，此时再从个位来一个脉冲信号，十位的输出由0101变为0110，和的1经与门相与后输出1，将这个1送至个位和十位的异步清零端，使得个位和十位的输出强制制0，同时这个1也将被当作脉冲信号输出给分电路，秒电路的计数重新开始。这样便实现了秒电路的60进制。
4.2.1.4电路设计

图4-4 秒计时电路
4.2.2分电路
4.2.2.1所需元件
导线若干、两输入与门一个、74LS290芯片两块
4.2.2.2元件介绍
与门
表达式∶F=A·B
真值表：
A
B
F
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
74LS290芯片
引脚图：

4.2.2.3原理说明
由秒电路产生的信号经右边芯片的时钟信号输入端CLKA输入，分电路开始计时。当个位显示从零变到九时，十位显示由于没有脉冲信号，它的显示保持不变。在第十个脉冲到来之际，个位显示由零变为九，同时向十位发出一个脉冲信号，十位的显示增加一。当十位的是5，此时再从个位来一个脉冲信号，十位的输出由0101变为0110，和的1经与门相与后输出1，将这个1送至个位和十位的异步清零端，使得个位和十位的输出强制制0，同时这个1也将被当作脉冲信号输出给时电路，分电路的计数重新开始。这样便实现了分电路的60进制。
4.2.2.4电路设计

图4-5 分计时电路
4.2.3时电路
4.2.3.1所需元件
导线若干、74LS290芯片两块
4.2.3.2元件介绍
74LS290芯片
引脚图：

4.2.3.3原理说明
由分电路产生的信号经右边芯片的时钟信号输入端CLKA输入，时电路开始计时。当个位显示从零变到九时，十位显示由于没有脉冲信号，它的显示保持不变。在第十个脉冲到来之际，个位显示由零变为九，同时向十位发出一个脉冲信号，十位的显示增加一。当十位的是2，个位的显示是3，此时再从,分位来一个脉冲信号，十位的输出由0变为1，个位的输出由0变为1，将这个两个1送至个位和十位的异步清零端，使得个位和十位的输出强制制0，计数重新开始。这样便实现了时电路的24进制。
4.2.3.4电路设计

图4-6 时计时电路
4.3显示电路
4.3.1所需元件
导线若干、74LS47芯片一块、7段数码管一个
4.3.2元件介绍
共阳极7段数码管：

4.3.3原理说明
从时、分、秒各电路输出的信号经74LS47芯片译码后输入7段数码管显示出电路。
4.3.4电路设计

图4-7 译码显示电路
4.4整点报时电路
4.4.1设计要求
当分电路向时电路发送脉冲信号时，说明已经是整点。若将该信号直接送给蜂鸣器，激励时间只有一下，要使响应持续五秒，需将信号送入一个暂稳态时间为5秒的单稳态触发器，在由单稳态触发器的输出接到蜂鸣器上，这样整点报时便可以持续5秒。
4.4.2所需元件
导线若干、一个非门、555定时器一个、1mF电容一个、0.01F电容一个、蜂鸣器一个、1000电阻4个、500电阻一个、10电阻4个、5电阻一个、0.5电阻一个
4.4.3元件介绍
蜂鸣器：

非门：

真值表：
A
F
1
0
0
1

4.4.4参数计算
要使报时的时间延续5秒，则单稳态触发器输出脉冲宽度为=5s，脉冲宽度公式为：

若用555定时器构成单稳态触发器，则1.1RC，则RC4.5455s。取C=1mF，则R=4545.5。把R用1000*4+500+10*4+5+0.5代替。

4.4.5原理说明
当分电路向时电路发出脉冲信号时,电平由低变高再变低,形成一个上跳信号,但单稳态触发器是电平下跳触发,所以需在报时电路的输入端接一个反向器。触发单稳态触发器后电路输出一个5秒的信号,使蜂鸣器鸣叫持续5秒。
4.4.6电路设计

图4-8 整点报时电路
该电路的仿真结果为:

图4-9 结果仿真
4.5校时电路
4.5.1设计要求
当时间不准时需进行手动校时，将时间调至准确时间。手动校时需断开原来的脉冲信号，并进行手动输入脉冲。
4.5.2所需元件
导线若干、单刀双掷开关6个
4.5.3元件介绍
单刀双掷开关：

4.5.4原理说明
原脉冲输入在开关1和开关2的下端。当需要校时时,若需要校分电路,则将开关1向上拨,然后将开关5向下拨以后向上拨.然后手动输入脉冲:将开关3向上拨后立即向下拨,形成一个输入脉冲,分电路输入一个信号。
4.5.5电路设计

图4-10 校时电路
4.6闹钟电路
4.6.1设计要求
人为地给电路设定一个时间，经数值比较器与原本的时间进行比较，并将比较的结果送至蜂鸣器，设定闹钟时间为30秒。当蜂鸣器响的时间超过5秒，说明闹钟功能实现。
4.6.2所需元件
导线若干、74LS290芯片两块、74LS85芯片两块、蜂鸣器一个、两输入与门两个、单刀双掷开关9个
4.6.3元件介绍
单刀双掷开关：

蜂鸣器：

与门
表达式∶F=A·B
真值表：
A
B
F
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1

74LS290芯片
引脚图：

74LS85芯片

引脚图：

功能表：
表4-3 74LS85芯片功能表

4.6.4原理说明
单刀双掷开关的右端接在原输入译码电路端,开关上方接在七段显示管的各个输入端。当需要设定闹钟时，将开关拨向左侧，同时七段数码管制零，开关Y手动输入脉冲，直到设定预期的时间，输出端与原计数电路的输出端同时接入数值比较器，数值比较器的输出端接在脉冲宽度为10秒的单稳态触发器，单稳态触发器的输出接在蜂鸣器上。当闹钟起作用时，蜂鸣器会鸣叫10秒。
4.6.5电路设计

图4-11 闹钟电路

5总电路图

图5-1 总电路图
6心得体会
经过这段时间的课程设计，我学到了许多东西，对课本上的内容的理解加深了印象，同时也学会了一种学习的态度。
对于大一就学了数电的我来说，这次课程设计的难度无异于登天。本来一些知识就一知半解，到了突然要用起来，发现学到的知识寥寥无几。为了这次课程设计，只好把书里的知识又从头学一遍。
看书的同时也在思考此次课程设计要用到的内容，不仅如此，我还借了好多有关电子设计的书籍来参考，研究书中设计的实例和那些对自己的此次设计有帮助的知识。
在学习完理论知识后，就开始实践了。EWB仿真，给我的印象是简洁实用，很多电路都能在上面先进行仿真，不过我这个题目的线路太过庞大，只好分部分一点一点进行仿真。可即使如此，有时还是仿真调试不成功，于是我就想到，可能有些理论上的知识与实际的调试有偏差，于是我便在仿真电路中进行调整，最终解决了问题。
这次课程设计也让我看到理论与实践的差别和联系，理论固然重要，然而我们要在实践中发现错误，并解决错误，也提高了自己的动手能力和实际解决问题的能力。
虽然学习EWB的时间虽然很短，但却让我了解到了它的强大和它的功能。学习最终还是要靠自己。我相信在摸索过程中，我们会发现和体会学习的快乐！

7元件清单
74LS290 74LS85
引脚图如下： 引脚图如下：

74LS47 共阳极7段数码管
引脚图如下：

接地 电源

与门 非门

单刀双掷开关 蜂鸣器

电阻 电容

555定时器

8参考文献
[1] 《电路仿真与实验》. 王丽敏、邓舒勇主编哈尔滨工业大学出版社.2000年出版
[2] 《数字电子电路与逻辑电路》. 刘可文主编. 科学出版社.2013年出版
[3] 《实用电子电路设计与调试》.孙丽霞、殷侠主编.中国电力出版社.2011年出版
[4] 《轻松解读数字实用电路》.孙余凯、项绮明、吴鸣山等编著.电子工业出版社.2007年版
[5] 《电子电路设计与实践》.姚福安主编.山东科学技术出版社.2006年版

24

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：多功能数字钟的设计与实现
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