定时控制器逻辑电路设计大连工业大学数字电路课程设计.docx
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定时控制器逻辑电路设计大连工业大学数字电路课程设计
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一．概述……………………………………………………………………2
二．任务设计要求…………………………………………………………3
三．可选用器材……………………………………………………………3
四．原理与说明……………………………………………………………4
石英晶体振荡器…………………………………………………..4
分频器……………………………………………………………..5
计数器…………………………………………….……………….6
？
同步十进制加法计数器74160功能介绍…….………………..6
六十进制计数器…………………………….…………………..6
二十四进制计数…………………………….………………….7
译码显示电路……………………………….……………………7
校准电路……………………………….…………………………7
报时电路……………………………….…………………………8
定时器预置开关………………………………………….………8
定时控制电路……………………………………………………..9
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五．整体电路……………………………………………………………….10
六．实验设备及元件……………………………………………………….12
七．整机电路图…………………………………………………………….13
八．心得与体会…………………………………………………………….14
九．参考文献……………………………………………………………….15
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一·概述
数字钟是采用数字电路实现对时、分、秒数字显示的计时装置，以其显示的直观性、走时准确稳定而受到人们的欢迎，广泛用于个人家庭、车站、码头、办公室等公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来了极大的方便，已成为人们日常生活中不可少的必需品，由于数字集成电路的发展和石英晶体与555振荡器的广泛应用，使得数字钟的精度远远超过老式钟表，钟表的数字化给人们生产生活带来了极人的方便，而目大大地扩展了钟表原先的报时功能。
诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、通断动力设备、以及各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。
因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。
本次课程设计旨在加强对数字电子技术基础的进一步掌握和实际应用，该电子时钟设计包括振荡器、分频器、计数器、译码器、显示器等几部分组成。
其涉及芯片分别有74LS160、74LS90及逻辑与非门电路构成。
且由于本人对知识的掌握运用能力有限，本报告中难免回出现一些疏漏和错误之处，恳请读者及老师批评指正。
关键词：
时钟、计数器、门电路
二·设计任务和要求
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1．设计一个带数组电子钟的定时控制器逻辑电路，具体任务要求如下：
2．可设定定时启动（开始）时间与定时结束（判定）时间
3.定时开始，指示灯亮；定时结束，指示灯灭。
4.定时范围可以选择
三·可选用器材
1．数字电子技术实验室
2．直流稳压电源
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3．8421拨码开关
4．集成电路：
CD4060·74LS90·74LS92·74LS48·74LS112·74LS84
5．石英晶振32768HZ
6．继电器DC-12V
7．电阻·电容·三极管。
8显示器：
LC5011-11,发光二极管
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四·.原理与说明
数字钟一般由振荡器、分频器、计数器、译码器、显示器等几部分组成。
这些都是数字电路中应用最广的基本电路，原理框架图如图所示。
石英晶体振荡器产生的时标信号送到分频器，分频电路将时标信号分成每秒一次的方波秒信号。
秒信号送入计数器进行计时，并把累计的结果以“时”、“分”、“秒”的数字显示出来。
“秒”的显示由两级计数器和译码器组成的六十进制计数电路实现；“分”的显示电路与“秒”相同，“时”的显示由两级计数器和译码器组成的二十四进制计数电路实现。
所有计时结果结果由六位数码管显示。
石英晶体振荡器
振荡器是电子钟的核心，用它产生标准频率信号，再由分频器分成秒时间冲。
振荡器振荡频率的精度与稳定度基本上决定了钟的准确度。
振荡器是由石英晶体，微调电容与集成反相器等元件构成，原理图如图所示。
石英晶体振荡器电路给数字钟提供一个频率稳定准确的32768Ｈz的方波信号，可保证数字钟的走时准确及稳定。
不管是指针式的电子钟还是数字显示的电子钟都使用了晶体振荡器电路。
图中1门、2门是反相器，1门用于振荡，2门用于缓冲整形，R1为反馈电阻，反馈电阻的作用是为反相器提供偏置，使其工作在放大状态。
反馈电阻R1的值选取太大，会使放大器偏置不稳甚至不能正常工作；R1值太小又会使反馈网络负担加重。
图中C1是频率微调电容，一般取5-35pF。
C2是温度特性校正电容，一般取20-40pF。
电容C1、C2与晶体共同构成∏形网络，以控制振荡频率，并使输入输出相移180度。
从有关手册中，可查得C1、C2均为30pF。
当要求频率准确度和稳定度更高时，还可接入校正电容并采取温度补偿措施。
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石英晶体振荡器XTAL的振荡频率选为32768HZ。
该元件专为数字钟电路而设计，其频率较低且稳定，有利于减少分频器级数，可用反相器整形而得到矩形脉冲输出。
由于CMOS电路的输入阻抗极高，因此反馈电阻R1可选为10MΩ。
较高的反馈电阻有利于提高振荡频率的稳定性。
非门电路可选74HC00。
分频器
在数字电路中，分频器是一种可以进行频率变换的电路，其输入、输出信号是频率不同的脉冲序列。
输入、输出信号频率的比值称为分频比。
例如，2分频器的输出信号频率是输入信号频率的
，8分频器的输出信号频率是输入信号频率的
。
通常实现分频器的电路是计数器电路，一般采用多级2进制计数器来实现。
例如，将32768Hz的振荡信号分频为1Hz的分频倍数为32768（
），即实现该分频功能的计数器相当于15级2进制计数器。
常用的２进制计数器有７4HC393等。
本次课程设计中采用CD4060来构成分频电路。
CD4060在数字集成电路中可实现的分频次数最高，而且CD4060还包含振荡电路所需的非门，使用更为方便。
CD4060计数器为14级2进制计数器，可以将32768Hz的信号分频为２Hz，其内部框图如图所示，从图中可以看出，CD4060的时钟输入端两个串接的非门，因此可以直接实现振荡和分频的功能。
计数器
同步十进制加法计数器74160功能介绍
·
同步十进制加法计数器74160电路如图1所示，此电路增加了预置数、保持和异步置零的功能。
图1中LOAD′为预置数控制端,RCO为进位输出端,CLR′为异步置零端，ENP和ENT为工作状态控制端。
CLK为脉冲控制端，QA、QB、QC、QD为输出控制端。
六十进制计数
秒计数器的电路形式很过，一般都是由一级十进制计数器和一级六进制计数器组成，是用两块中规模集成电路74LS160按反馈置零法串接而成。
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”计数器的输入信号。
当第一个脉冲来到时两个数显同步置零，显示00状态，即两个同步十进制加法计数器的输出分别为0000和0000，当第二个脉冲来到时个为脉冲作用下第一个同步十进制加法计数器的输出变为0001，而第二个同步十进制加法计数器的工作状态控制端接的为低电平，所以不工作，继续保持为0000状态不变，当第一个同步十进制加法计数器输入第九个脉冲后，RCO进位输出端会置1，同时第二个同步十进制加法计数器的工作状态控制端接的为高电平，所以开始工作，输出由0000变为0001，然后保持至第一个同步十进制加法计数器的输出再次变为1001。
当第一个同步十进制加法计数器的输出为0101，同时第二个同步十进制加法计数器的输出为1001时，两个同步十进制加法计数器的预置数控制端被同时置为0，即两个同步十进制加法计数器的输出均变为0000，从而完成六十进制计数
二十四进制计数
下图所示为二十四进制小时计数器，是用两片74LS160构成的。
也可用两块中规模集成电路74LS160和与非门构成。
当第一个脉冲来到时两个数显同步置零，显示00状态，即两个同步十进制加法计数器的输出分别为0000和0000，当第二个脉冲来到时个为脉冲作用下第一个同步十进制加法计数器的输出变为0001，而第二个同步十进制加法计数器的工作状态控制端接的为低电平，所以不工作，继续保持为0000状态不变，当第一个同步十进制加法计数器输入第九个脉冲后，RCO进位输出端会置为1，同时第二个同步十进制加法计数器的工作状态控制端接的为高电平，所以开始工作，输出由0000变为0001，然后保持至第一个同步十进制加法计数器的输出再次变为1001。
当第一个同步十进制加法计数器的输出为0010，同时第二个同步十进制加法计数器的输出为0011时，两个同步十进制加法计数器的预置数控制端被同时置为0，即两个同步十进制加法计数器的输出均变为0000，从而完成二十四进制计数
译码显示电路
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译码就是把给定的代码进行翻译，变成相应的状态，用于驱动LED七段译码管，只有在他的输入端输入8421BCD码，七段数码管就能显示十进制数了。
校准电路
校准电路实质上是一个由R-S触发器组成的单脉冲发生器，如下图所示，从图中可知，未按按钮SB时，与非门G2的一个输入端接地，基本R-S触发器处于1状态，即Q=1,
=0。
这时数字钟正常工作，分脉冲能进入分计数器，时脉冲也能进入时计数器。
按下SB时，与非门G1的一个输入端接地，于是基本R-S触发器翻转为0状态，Q=0,
=1。
若所按的是校分的按钮SB1，则秒脉冲可以直接进入分计数器而分脉冲被阻止进入，因而能较快地校准分计数器的计数值。
若所按的是校时的按钮SB2，则秒脉冲可以直接进入时计数器而时脉冲被封锁，于是就能较快地对时计数器值进行校准。
校准后，将校正按钮释放，使其恢复原位，数字钟继续进行正常的计时工作。
报时电路
一般时钟都应具备整点报时电路功能，即在时间出现整点前数秒内，数字钟会自动报时，以示提醒。
其作用方式是发出连续的或有节奏的音频声波，较复杂的也可以是实时语音提示。
当分计到59min时，将分触发器QH置1，而等到秒计数器到54s时，将秒触发器QL置1，然后通过QL与QH相“与”后，再和1s标准秒信号相“与”，输出控制低音喇叭鸣叫，直到59s时，产生一个复位信号，使QL清零，低音鸣叫停止；同时59s信号的反相又和QH相“与”，输出控制高音喇叭鸣叫。
当分、秒计数从59：
59变为00：
00时，鸣叫结束，完成整点报时。
电路中的高、低音信号分别由CD4060分频器的输出端Q5和Q6产生。
Q5输出频率为1024Hz，Q6为512Hz。
高、低两种频率通过或门输出驱动三极管VT，带动喇叭鸣叫。
定时器预置开关
定时器控制的功能是姜数字钟的时间与预置的开、关时间进行比较，并完成相应的开关动作。
…
在定时预置开关电路中，有两组开关——其实定时时间开关和中止定时时间开关每组有四个开关（拨码开关）他们输出的都是BCD码。
控制电路
U8~U9数字钟输出和定时拨码开关输出是通过异或们74LS86进行一位一位的比较，当定时开关时间到，即所有的数值全相等，在U1474LS30与非门输出端输出一个负脉冲，使控制触发器U1374LS112变为高电平。
Q为高电平，使得继电器RL1和RL2接通，定时器开始定时。
RL1的接通，使得+5V从加入起始定时开关而转加到中止定时开关上，由于控制触发器U13Q=1（Q=0）,使定时器的定时开始指示灯亮
当运行时间到中止时间设定值时，U14又一次输出一个负脉冲，使得控制触发器U13翻转，Q=0U13的低电平是T1和T2关断，RL1继电器释放，又回到定时前的工作状态。
同时Q=0又使定时结束指示灯亮
RL2用于外界所需控制的仪器。
按下S2，可以去掉可能预先存在的定时设定。
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五·整体电路
%
“秒计数器”采用60进制计数器，是由2片74LS160和1片74LS00采用异步置0法连接而成,第一片的74LS160的十进制输出经74LS00反向后接第二片的CP,当第1片的计数到9时,C输出高电平,此时第2片计数器CP=0,当下一个秒脉冲到达时第1片变为0,第2片变为CP脉冲成为上升沿,第2片计数器计数为1。
这样一直计数下去当计数到50以后,第2片计数器的LD接第2片的计数器输出接了74LS00的Q0和Q2对应的反向输出此时为LD=0,下一个脉冲到达第1片时，第1片计数从0开始计数，当第1片计为9时，第2片计数变为0；因为下一秒第1片将给第2片了一个CP脉冲，第2片的计数器输出接了74LS00的Q0和Q2对应的输出,并且第1片给第2片一因此在变为6的瞬间置零,也变为0,达到了计60的目的,这时从第2片中引出一个分脉冲作为分计数器的输入CP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，此计数原理与秒计数器完全相同。
从分计数器输出的该信号将被送到“时计数器”。
“时计数器”采用24进制计时器，也是有2片74LS160和1片74LS00采用清零法连接而成。
24进制计数器开始计数时第一片的74LS160的十进制输出接第二片的CP,当第1片的计数到9时,十进制输出高电平,此时第2片计数器开始计数,当下一个秒脉冲到达时第1片变为0,第2片变为1,这样一直计数下去但当计到23时,下一脉冲到达时由于时计数器的第1片的Q2和第2片的Q1接74LS00,对应的输出同时接了两片的R置零端,在要变成24的瞬间两片都变为0,实现对一天24小时的累计，这时从第二片中引出一个周脉冲作为周计数器的输入CP脉冲。
“周计数器”采用7进制计数器，用一片74LS160采用置数法连接而成。
计数器从1开始计数，到7后通过74LS00输出到74LS160的LD端，重新置数为1，从而实现对一周7天的累计。
译码显示电路将“周、时”、“分”、“秒”计数器的输出状态送到七段显示译码器译码，通过七位LED七段显示器显示出来。
只要接好电路图,输出的数码即可在数码管中对应显示。
定时器控制的功能是姜数字钟的时间与预置的开、关时间进行比较，并完成相应的开关动作。
在定时预置开关电路中，有两组开关——其实定时时间开关和中止定时时间开关每组有四个开关（拨码开关）他们输出的都是BCD码。
U8~U9数字钟输出和定时拨码开关输出是通过异或们74LS86进行一位一位的比较，当定时开关时间到，即所有的数值全相等，在U1474LS30与非门输出端输出一个负脉冲，使控制触发器U1374LS112变为高电平。
Q为高电平，使得继电器RL1和RL2接通，定时器开始定时。
RL1的接通，使得+5V从加入起始定时开关而转加到中止定时开关上，由于控制触发器U13Q=1（Q=0）,使定时器的定时开始指示灯亮
当运行时间到中止时间设定值时，U14又一次输出一个负脉冲，使得控制触发器U13翻转，Q=0U13的低电平是T1和T2关断，RL1继电器释放，又回到定时前的工作状态。
同时Q=0又使定时结束指示灯亮
RL2用于外界所需控制的仪器。
按下S2，可以去掉可能预先存在的定时设定。
六·实验设备及元件
1
十六进制计数器
74LS160
￥
七片
2
七段译码器
74LS48
七片
3
四—２输入与非门
74LS00
…
两片
4
二—4输入与非门
74LS20
两片
5
四—2输入与门
74LS08
\
三片
6
二—D触发器
74LS74
两片
7
六反相器
74LS04
<
一片
8
数码显示管
BS201A
七个
9
14分频器
CD4060
一个
10
石英晶体振荡器
32768Hz
一个
11
可变电阻
%
一个
12
电阻
22M
一个
13
电阻
10k
$
二个
14
电阻
1k
一个
15
电解电容
100uF
￥
一个
16
电容
22pF
一个
17
可变电容
3—20pF
;
一个
18
电源
5V
一个
19
三极管
8050
}
一个
20
蜂鸣器
一个
七·整机电路图
}
八·心得与体会
经过一个多星期的查阅资料和反复修改设计，终于完成了本次的课程设计。
通过此次对数字电子电路时钟的设计，让我了解了设计电路的程序，也让我了解了关于数字钟的原理与设计理念，加强了我们对数字电子技术的更深一步认识，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。
在此次的数字钟设计过程中,我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，知道了理论联系实际的重要性。
认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。
只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际运用能力和独立思考的能力。
诚然，在此次设计过程中，我也遇到不少困来，而且由于自己水平有限，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中我也发现了自己的不足之处，比如说对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。
总之，在此次课程设计中，我可谓获益匪浅，学到了很多书本上所没有的东西，也学会了发现问题，解决问题，分析问题的独立思考能力，知道了实践的重要性。
在以后的学习中，不仅要牢牢学好理论知识，更要努力提高自己的动手能力和实践操作能力。
九·参考文献
[1]贾秀美.数字电路实践技术（第一版）.中国科学技术出版社，2000.
[2]王毓银.脉冲与数字电路（第三版）.高等教育出版社，1999.
[3]路勇.电子电路实践及仿真（第一版）.清华大学出版社，2004.
[4]岳怡.数字电路与数字电子技术（第一版）.西北工业大学出版社，2001.
[5]刘常澍.数字逻辑电路（第一版）.国防工业出版社，2002.
[6]萧宝瑾.protel99SE操作指导与电路设计实例（第一版太原理工大学）。
[7]赵学良，张国华.电源电路[M].北京:
电子工业出版社,1995.
[8]张义申，陆坤等.电子设计技术[M].西安:
电子科技大学出版.1996.
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