数电课程设计电子钟讲解.docx
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数电课程设计电子钟讲解
电气控制技术课程设计
病床呼叫系统
系部：
电气与信息工程系
学生姓名：
姚佳杰
指导教师：
陈艳职称：
讲师
专业：
电气自动化技术
班级：
电气1002班
完成时间：
2012年12月20日
前言
数字电子钟是一种用数字显示秒、分、时的计时装置，与传统的机械钟相比，他具有走时准确，显示直观、无机械传动装置等优点，因而得到了广泛的应用；小到人们的日常生活中的电子手表，大到车站、码头、机场等公共场所的大型数显电子钟
本课程设计要用通过简单的逻辑芯片实现数字电子钟。
虽然现在市场上已有现成的数字钟集成电路芯片出售，价格便宜、使用也方便，但是这里介绍的自制数字电子表可以满足使用者的一些特殊要求，输出方式灵活，如可以随意设置时、分、秒的输出，改变显示数字的大小等等。
并且由于集成电路技术的发展，特别是MOS集成电路技术的发展，使数字电子钟具有体积小、耗电省、计时准确、性能稳定、维护方便等优点。
供扩展的方面涉及到校时系统（可以分别对时、分进行校时）、定时提醒系统（闹钟功能）等。
要点在于用555芯片连接输出为一秒的多谐振荡器用于时钟的秒脉冲，用74LS161（10进制计数器）74LS00（与非门芯片）等连接成60和24进制的计数器，再通过七段数码管显示，构成了简单数字电子钟。
数字钟是一个将“时”，“分”，“秒”显示与人的视觉器官的计时装置。
它的计时周期为24小时，显示满刻度为23时59分59秒，另外应有校时的功能。
校时电路时用来对“时”、“分”、“秒”显示数字进行校对调整的。
关键词：
分频计数译码清零校时
前言………………………………………………………………………………2
第一章方案比较及论证………………………………………………………4
1.1设计方案的比较…………………………………………………………4
1.2设计方案的论证……………………………………………………5
第二章设计原理及其框图…………………………………………………6
2.1数字钟的构成…………………………………………………………6
2.2秒脉冲产生电路………………………………………………………6
2.3分频器电路……………………………………………………………8
2.4记数电路………………………………………………………………10
2.5数码管驱动电路………………………………………………………12
2.6译码显示电路…………………………………………………………14
2.7时分校正电路…………………………………………………………15
第三章电子钟的仿真………………………………………………………17
3.1仿真软件ProteusProfessional的介绍……………………………17
3.2电子钟仿真结果………………………………………………………17
第四章电路调试与误差分析………………………………………………19
4.1 调试前的检查…………………………………………………………19
4.2 通电调试………………………………………………………………19
4.3误差分析………………………………………………………………19
第五章设计结论………………………………………………………………20
5.1设计过程中遇到的问题及其解决方法………………………………20
5.11显示器与译码器的调试…………………………………………20
5.12时间计数电路的调试……………………………………………20
5.13校正电路的调试…………………………………………………20
5.14555振荡电路的调试……………………………………………20
5.15整体电路的测试…………………………………………………20
5.2设计结论………………………………………………………………21
参考文献…………………………………………………………………………22
附表A：
元器件清单……………………………………………………………23
附录B电路总原理图…………………………………………………………24
第一章方案比较及论证
1.1设计方案的比较
方案一：
采用小规模的数字集成电路来制作数字钟，首先用555振荡器产生高频脉冲信号，接着用分频器对该脉冲信号进行处理，得到频率为1Hz的稳定脉冲信号，将其输入计数器，采用8421BCD码计数，然后译码器将8421BCD信号译成十进制信号输送到显示器显示出时间，在分频器和计数器还连接一个校正电路，可完成对小时和分的校正。
基本原理框图如下：
图2.2数字钟原理框图
方案二：
用晶体振荡器代替555振荡器。
方案三：
用软硬结合的方式实现。
以单片机为中心组建一个硬件电路系统，然后通过对单片机进行编程，在设定的引脚输出所需要的脉冲信号，然后推动LED显示芯片，以实现电子钟的功能。
其基本原理方框图如下：
图1.2方案三基本组成框图
1.2设计方案的论证
第三种运用了单片机知识，此设计方案电路结构相对简单，但要求设计者熟悉单片机和数字电路知识，并且有一定的单片机编程能力。
由于我们要做的是需要运用数电知识的数电课程设计，尽管结构更简单易实施，但弃而不用。
而第二种方案中所要的晶体管难以寻找，实行不便，所以只好决定放弃可行性和功能性更好的方案二，选择以555普通振荡器的方案一。
从设计成本和技术要求出发，本设计选用第一种方案，即通过一个555时基芯片来产生秒脉冲，在通过几个记数器记数，推动对应的数码管驱动电路驱动对应的数码管来实现记时。
这种原理方案简单明了，结构也相对简单，比较适合我们设计与制作。
该电路的工作原理是：
振荡电路产生高频脉冲信号，作为数字钟的时间基准信号，经过分频电路输出标准的秒脉冲。
秒计数以60进制向分进位，分计数以60进制向时进位，时计数以24进制计数。
计数器的输出经译码器通过显示器显示时间。
计时误差通过校正电路进行校正，达到准确输出时间的目的。
第二章设计原理及其框图
2.1数字钟的构成
数字钟实际上是一个对标准频率（1HZ）进行计数的计数电路。
由于计数的起始时间不可能与标准时间（如北京时间）一致，故需要在电路上加一个校时电路，同时标准的1HZ时间信号必须做到准确稳定。
我们这里的设计采用555振荡器电路构成数字钟。
如图所示为数字钟的一般构成框图：
2.2秒脉冲产生电路
秒脉冲的产生有很多方法，用定时芯片，或用压控震荡器，或用LC，RC震荡电路等都能产生较理想的脉冲信号，要想获得较精确的脉冲信号，就须用石英晶体震荡器。
按理为了保证秒脉冲的精确性，宜采用石英晶体震荡器来产生一个频率精确稳定的计数脉冲，然后由分频电路准确分频来获得秒脉冲。
这里考虑到电路的复杂性和成本的问题，采用一个555时基芯片与外围电路组成一个多谐震荡器来产生秒脉冲，虽然准确度不高，但基本上满足要求。
用555实现多谐振荡，需要外接电阻R1，R2和电容C，并外接+6V的直流电源。
当在+Ucc端接上+6V的电源，就能在3脚产生周期性的方波。
其基本电路图如下：
图2.1555内部电路图
电路工作原理：
接通电源
后，它经过电阻
和
对电容C充电，当
上升略高于2/3Ucc时，比较器C1的输出为“0”，将触发器置“0”，
为“0”。
这时，
＝1，放电管T导通，电容C通过
和T放电，
下降。
当
下降略低于1/3Ucc时，比较器C2的输出为“0”，将触发器置“1”，
又由“0”变为“1”。
由于
＝0，放电管T截止，
又经过
和
对电容C充电。
如此重复上述过程，
为连续的矩形波。
第一个暂稳状态的脉冲宽度
，即
从1/3Ucc充电上升到2/3Ucc所需的
（
＋
）Cln2＝0.7（
＋
）C
第二个暂稳状态的脉冲宽度
，即
从
放电下降到
所需的时间：
Cln2＝0.7
C
振荡周期T=
+
0.7（
＋2
）C
振荡频率
我们在做电子钟时，用了一个555定时器来产生1HZ的脉冲信号。
如下图
图2.2555震荡电路图
图2.2所示电路输出为矩形波的555振荡电路，这个电路中，由555定时器、电容和电阻、构成555振荡器电路，由于555振荡器具有较高的频率稳定性及准确性，从而保证了输出频率的稳定和准确。
2.3记数电路
根据设计要求，设计的数字钟的秒电路和分电路都为60进制的计数器，时电路为24进制的计数器。
即秒分电路的个位为十进制，十位为6进制。
本设计选用74LS161来组成记数电路。
这里我们60进制计数器：
低位是连接成为一个十进制计数器，它的clk端接的是低位的进位脉冲。
高位接成了六进制计数器。
当输出端为0101的时候在下个时钟的上升沿把数据置数成0000这样就形成了6进制计数器，连个级联就成为了60进制计数器，分别可以作为秒和分记时。
74LS161是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器，他可以灵活的运用在各种数字电路，以及单片机系统种实现分频器等很多重要的功能，：
图2.374ls161引脚图
管脚图介绍：
时钟CP和四个数据输入端P0~P3
清零/MR
使能CEP，CET
置数PE
数据输出端Q0~Q3
以及进位输出TC.（TC=Q0·Q1·Q2·Q3·CET）
输入
输出
CR
CP
LD
EP
ET
D3
D2
D1
D0
Q3
Q2
Q1
Q0
0
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
0
0
0
0
1
↑
0
Ф
Ф
d
c
b
a
d
c
b
a
1
↑
1
0
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
Q3
Q2
Q1
Q0
1
↑
1
Ф
0
Ф
Ф
Ф
Ф
Q3
Q2
Q1
Q0
1
↑
1
1
1
Ф
Ф
Ф
Ф
状态码加1
<74LS161功能表>
从74LS161功能表功能表中可以知道，当清零端CR=“0”，计数器输出Q3、Q2、Q1、Q0立即为全“0”，这个时候为异步复位功能。
当CR=“1”且LD=“0”时，在CP信号上升沿作用后，74LS161输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与并行数据输入端D3，D2，D1，D0的状态一样，为同步置数功能。
而只有当CR=LD=EP=ET=“1”、CP脉冲上升沿作用后，计数器加1。
74LS161还有一个进位输出端CO，其逻辑关系是CO=Q0·Q1·Q2·Q3·CET。
60进制计数器电路如下图2.5
图2.560进制计数器电路
24进制计数器：
24进制计数器的个位也是用置数法连接成了十进制计数器。
与门的两个输入引脚接到了十位的Q1和个位的Q2上输出引脚接到了电路板上所有161芯片的Rest端。
如下图2.6所示。
图2.624进制计数器图
2.5数码管驱动电路
综合成本及各种因素，数码管驱动电路由译码器4511组成，它能将161输出的标准BCD码转换成数字信号，本设计选用HCF4511来驱动数码管其外型及引脚功能如下图：
图2.74511外观功能图
HCF4511为8421BCD码译码芯片，为14脚双列直插式，其中A1—A4为编码输入，A-G为译码输出端，LT`，BI`，EL`为控制端。
编码由A1，A2，A3，A4输入，由A，B，C，D，E，F，G输出，推动LED数码管发光。
其内部逻辑图如下：
图2.84511内部逻辑图
由HCF4511的内部逻辑图可以看出，其为中小规模组合逻辑电路，由此可得到输出真值表：
图2.94511真值表
下图是我们电子钟的译码器电路图：
图2.104511译码器电路图
2.6译码显示电路：
随着各种高新技术的发展和应用，显示电路日趋多元化，从原来的二极管矩阵显示电路到后来的LCD显示再到PDF和等离子显示技术，由于水平有限和显示内容较简单，本设计选用LED显示，经译码以后的输出信号，用七段数码管来显示输出的数字。
在类型上选用共阴极型。
其外型即引脚功能如下图：
图2.11LED外观图
图2.12LED显示字符图
与驱动电路的连接于下：
图2.13LED驱动连接电路图
电路工作原理：
把显示译码器各输出端与数码管引脚对应连接起来，因为本设计选用的是共阴极LED显示器，因此将公共端COM接地，便能在数码管上按我们设定的数字依次显示出来。
2.7时分校正电路：
其组成原理图如下：
图2.14时分校正电路图
校正电路由两个微动开关组成。
电路工作原理：
用两个微动开关控制74LS161时分计数器的CLK端。
通过调整微动开关，使74LS161计数器clk端接低电平，脉冲信号进入计数器，从而实现对数字钟时分校正位的选择。
第三章电子钟的仿真
3.1仿真软件ProteusProfessional的介绍
ProteusProfessional单片机模拟仿真软件，Proteus（海神）的ISIS是一款Labcenter出品的电路分析实物仿真系统，可仿真各种电路和IC，并支持单片机，元件库齐全，使用方便，是不可多得的专业的单片机软件仿真系统。
该软件的特点：
①全部满足我们提出的单片机软件仿真系统的标准，并在同类产品中具有明显的优势。
②具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS-232动态仿真、C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。
③目前支持的单片机类型有：
68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。
④支持大量的存储器和外围芯片。
总之该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大，可仿真51、AVR、PIC。
Proteus软件破解版是根据官方放出的Demo版制作而成，其中有很多器件由于没有仿真模型而无法使用，该软件最大的优点在于能够对常用微控制器进行仿真，适合于刚刚接触单片机以及进行数模电综合仿真的用户使用，但是由于仿真精度等等原因，仿真结果不够精细，甚至可能有错误，不要盲目信任仿真结果。
3.2电子钟仿真结果
根据我们设计的原理图，我们进行了仿真。
基本过程：
1、按照电路原理图将仿真分成几部分依次连接电路并调试；
2、连接555振荡电路和分频电路并调试，观察发出的是否是1HZ的信号。
3、连接60、24进制计数器电路并调试，观察是否符合要求；
4、将分频电路输出的信号连接到计数器电路，观察时钟是否正常运行。
555振荡电路输出波形：
得到电子钟仿真结果：
3.1仿真结果图
当我们接通电源开关时，555振荡器产生的稳定的高频脉冲信号，作为数字钟的时间基准，再经分频器输出标准秒脉冲。
秒计数器计满60后向分计数器进位，分计数器计满60后向时计数器进位，时计数器计满24后，各计数器清零，重新计数，计数器的输出经译码器送显示器，当我们按下时分校正按钮，其通过改变计数器的进位，从而实现对数字钟时分校正位的选择，由此产生出仿真结果。
第四章电路调试与误差分析
4.１ 调试前的检查
元件安装完毕后，不能急于通电，先要认真检查一下。
包括：
（1）对照原理图，检查元器件是否安装有误；检查元器件特别是集成电路引脚之间有无短路，连接处有无接触不良；是否存在虚焊，脱焊等现象；电容的极性和地方是否安装有误。
（2）检查电源供电，信号源连接是否正确，接地线是否接触良好。
（3）用万用表测量电源线是否有短路现象。
若电路经过上述检查，并确认无误后，就可以转入调试阶段。
4.2 通电调试
接通电源，用万用表监测电源电压是否存在大幅度降低，观察数码管显示是否正常，观察各位数之间是否有进位，按动微动开关，看时间调整电路是否工作正常。
用手触摸个电路各元器件特别是集成电路的主体部分，看是否存在非正常发热，发烫现象，以判断是否存在短路和电路接错，插错等现象。
如果有烫手或温度过高，应马上关掉电源检查，直至找出问题所在。
4.3误差分析
（1）误差计算
记时过快，通电时出现乱码
（2）误差原因
综合分析可以知道在测试电路的过程中可能带来的误差因素有:
一555时基电路的非理想性
二555外接元件存在误差
三各计数器译码电路存在误差
第五章设计结论
5.1设计过程中遇到的问题及其解决方法。
5.1.1显示器与译码器的调试
把显示器与译码器相连时，数码管完全没有显示数字，检查后发现是数码管未接地而造成的，接地后发现还是无法正确显示数字，用万用表检测后，发现是因芯片引脚有些接触不良而造成的，所以确认芯片是否接触良好是非常重要的一件事。
5.1.2时间计数电路的调试
六进制、十进制都没有什么大的问题，只是芯片引脚的老问题，我们把芯片重新插过就解决了。
但在六十进制时，按图接线后发现，显示器上的数字总是100进制的，而不是六十进制，检测后发现无论是线路的连通还是芯片的接触都没有问题。
最后，在重对连线时发现是线路接错引脚造成的，改过之后，显示就正常了。
5.1．3校正电路的调试
在测试时，开始进行时校时时，没有出现问题，但当进行到分校时时，发现计数电路的秒电路开始乱跳出错，肯定又有地方出错了，在反复对照后，发现是因为在接入校正电路时忘了把秒十位和分个位之间的连线拿掉而造成的，因此，在接线时一定要注意把不要的多余的线拿掉。
5.1．4555振荡电路的调试
这部分花了我们很多时间来改进和调试。
开始在面包板上测试时发现总是无法输出稳定且符合要求频率的信号，对比其他同学的晶振电路后我们换了晶体振荡管，信号稳定下来了，但是输出的频率还是不符合要求，经过反复检测发现又是芯片555出了问题，更换芯片后终于得到了稳定且频率也符合要求的脉冲信号。
但在按照该电路完成焊接之后发现又出了问题，检查后是少了一根连接线，添加后以为没问题了，但电路好像是故意和我们作对似的，仍然不输出所要求的信号，无奈之下只好将该部分电路卸下来重新在面包板上测试，终于发现好像又是电容出了问题，更换电容后调试没问题,焊接之后输出的还是标准信号,终于成功了!
5.1.5整体电路的测试
完成全部焊接后插上芯片，接入电源，结果发现显示器全部显示零，再拆开电路用面包板依次对各部分进行测试已经不太可能，于是只好分部分地对每个焊接点进行检查，对稍微有点焊接不好的点进行重新焊接，并且对照电路图仔细的检查，以防止出现任何微小的错误，因为任何微小纰漏都使整个电路失败。
经过一番仔细的检查，发现又少接了一根线，连接上之后，终于没问题了！
5.2设计结论
在此次的数字钟设计过程中，我们更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法。
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。
在设计电路中，往往是先仿真后连接实物图，但有时候仿真和电路连接并不是完全一致的，例如仿真的连接示意图中，往往没有接高电平的16脚或14脚以及接低电平的7脚或8脚，因此在实际的电路连接中往往容易遗漏。
又例如74LS161芯片，其本身就是一个十进制计数器，在仿真电路中必须连接反馈线才能正常显示，而在实际电路中无需再连接，因此仿真图和电路连接图还是有一定区别的。
在设计电路的连接图中出错的主要原因都是接线和芯片的接触不良以及接线的错误所引起的。
参考文献
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高等教育出版社,1998
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高等教育出版社，1999
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机械工业出版社，1994
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中国电力工业出版社，1998
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复旦大学出版社，1998
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北京邮电大学出版社，1995
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高等教育出版社，1993
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高等教育出版社,1995
[9]杨晖,张风言.大规模可编程逻辑器件与数字系统设计.北京:
电子工业出版社,1993
[10]谢自美.电子线路设计、实验、测验.武汉:
华中理工大学出版社,1994
附表A：
元器件清单
元件
型号
规格
数量
LED共阴七段数码管
六个
按键开关
二个
芯片
74LS161
八片
74LS00
八片
HCF4511
八片
电阻
4.7K
一个
10K
二个
电容
1nf
1个
0.1nf
1个
0.1nf
1个
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