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1、設(shè)計(jì)利用數(shù)字集成電路（如74LS160、161、290、390、00，NE555等）和分立元器件設(shè)計(jì)一數(shù)字電子鐘。2、設(shè)計(jì)要求（1）基本要求①時間顯示：××?xí)r××分××秒（24小時制）；②計(jì)時精度：≤±60s/D（設(shè)計(jì)保證，可不測試）；③整點(diǎn)聲音提示：59m55s、56s、57s、58s、59s、60s（提示間隔0.3~0.5s）④時分調(diào)整；（2）發(fā)揮部分①計(jì)時精度：≤±10s/D（設(shè)計(jì)保證，可不測試）；②時間連續(xù)增減快速調(diào)整。
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數(shù)字鐘是用數(shù)字集成電路構(gòu)成，用數(shù)碼管顯示的一種現(xiàn)代化計(jì)數(shù)器。它一般由振蕩器、分頻器、計(jì)數(shù)器、譯碼器、顯示器、矯時電路等部分組成，這些都是數(shù)字電路中應(yīng)用最廣的基本電路。振蕩器和分頻器構(gòu)成組成標(biāo)準(zhǔn)秒信號發(fā)生器，不同進(jìn)制的計(jì)數(shù)器、譯碼器和顯示器組成計(jì)時系統(tǒng)，通過校時校時校分電路實(shí)現(xiàn)對時、分的校準(zhǔn)。數(shù)字鐘實(shí)際上是一個對標(biāo)準(zhǔn)頻率（1HZ）進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)電路。由于計(jì)數(shù)的起始時間不可能與標(biāo)準(zhǔn)時間（北京時間）一致，故需要在電路上加一個校時電路，同時標(biāo)準(zhǔn)的1HZ時間信號必須做到準(zhǔn)確穩(wěn)定。通常使用石英晶體振蕩器電路構(gòu)成數(shù)字鐘。
1.設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求
1.1設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求
①可以顯示時、分、秒。
②具有校時功能，可以分別對時及分進(jìn)行單獨(dú)校時，使其校正到標(biāo)準(zhǔn)時間。
③計(jì)時過程具有報時功能，當(dāng)時間到達(dá)整點(diǎn)前10秒進(jìn)行蜂鳴報時。
④鬧鐘功能：可按設(shè)定的時間報時。
2.系統(tǒng)原理及系統(tǒng)框圖2.1數(shù)字鐘的構(gòu)成
⑴信號發(fā)生器
由函數(shù)信號發(fā)生器給數(shù)字鐘提供一個頻率2Hz?的信號，再進(jìn)行分頻處理可保證數(shù)字鐘的走時準(zhǔn)確及穩(wěn)定。
⑵時間計(jì)數(shù)器電路
時間計(jì)數(shù)電路由秒個位和秒十位計(jì)數(shù)器、分個位和分十位計(jì)數(shù)器及時個位和時十位計(jì)數(shù)器電路構(gòu)成。其中秒個位和秒十位計(jì)數(shù)器、分個位和分十位計(jì)數(shù)器為60進(jìn)制計(jì)數(shù)器。而根據(jù)設(shè)計(jì)要求，時個位和時十位計(jì)數(shù)器為24進(jìn)制計(jì)數(shù)器。
⑶譯碼驅(qū)動電路
譯碼驅(qū)動電路將計(jì)數(shù)器輸出的8421BCD碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管需要的邏輯狀態(tài)，并且為保證數(shù)碼管正常工作提供足夠的工作電流。
⑷數(shù)碼管
數(shù)碼管通常有發(fā)光二極管（LED）數(shù)碼管和液晶（LCD）數(shù)碼管。本設(shè)計(jì)提供的為LED數(shù)碼管。
2.2工作原理
⑴函數(shù)信號發(fā)生器
產(chǎn)生矩形脈沖波作為時鐘信號，因?yàn)槭菙?shù)字鐘，所以應(yīng)選擇的頻率為1HZ,但為校時高赫茲信號，特改為2HZ。方便校時并使用分頻器進(jìn)行分頻修改部分電路實(shí)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)走時相同。
⑵時間計(jì)數(shù)單元
六片74LS390芯片構(gòu)成計(jì)數(shù)電路,按時間進(jìn)制從右到左構(gòu)成從低位向高位的進(jìn)位電路,并通過譯碼顯示。在六位LED 七段顯示上顯示對應(yīng)的數(shù)值。
⑶校時電源電路
當(dāng)重新接通電源或走時出現(xiàn)誤差時都需要對時間進(jìn)行校正。通常,校正時間的方法是:首先截斷正常的計(jì)數(shù)通路,然后再進(jìn)行人工出觸發(fā)計(jì)數(shù)或?qū)㈩l率較高的方波信號加到需要校正的計(jì)數(shù)單元的輸入端,校正好后,再轉(zhuǎn)入正常計(jì)時狀態(tài)即可。
根據(jù)要求,數(shù)字鐘應(yīng)具有分校正和時校正功能。因此,應(yīng)截斷分個位和時個位的直接計(jì)數(shù)通路,并采用正常計(jì)時信號與校正信號可以隨時切換的電路接入其中。
表3-1 電路配件
555時基電路引腳圖
數(shù)字鐘實(shí)際上是一個對標(biāo)準(zhǔn)頻率（1HZ）進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)電路。由于計(jì)數(shù)的起始時間不可能與標(biāo)準(zhǔn)時間（如北京時間）一致，故需要在電路上加一個校時電路，同時標(biāo)準(zhǔn)的1HZ時間信號必須做到準(zhǔn)確穩(wěn)定。利用555產(chǎn)生2100Hz的時鐘信號，再利用四個74LS160串聯(lián)分頻，產(chǎn)生1Hz的時鐘信號供給系統(tǒng)使用
74LS74是一個D觸發(fā)器，觸發(fā)器具有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，即"0"和"1"，在一定的外界信號作用下，可以從一個穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到另一個穩(wěn)定狀態(tài)。分頻用同一個時鐘信號通過一定的電路結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成不同頻率的時鐘信號。而二分頻就是通過有分頻作用的電路結(jié)構(gòu)，在時鐘每觸發(fā)2個周期時，電路輸出1個周期信號。
（2）74LS390
74ls390是LSTTL型雙四位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。A和B觸發(fā)器都有獨(dú)立的時鐘，可以構(gòu)成兩個2分頻和兩個5分頻計(jì)數(shù)器每個計(jì)數(shù)器都有直接清除有效提高系統(tǒng)密度緩沖輸出減小集電極轉(zhuǎn)換的可能性。這種雙單片電路有八個主從觸發(fā)器和附加門，以構(gòu)成兩個獨(dú)立的4位計(jì)數(shù)器，可以實(shí)現(xiàn)等于2分頻、5分頻乃至100分頻的任何累加倍數(shù)的周期長度。當(dāng)連成二—五進(jìn)制計(jì)數(shù)器時，可以用獨(dú)立的2分頻電路在最后輸出級形成對稱波形（矩形波）。每個計(jì)數(shù)器又有一個清除輸入和一個時鐘輸入。由于每個計(jì)數(shù)級都有并行輸出，所以系統(tǒng)定時信號可以獲得輸入計(jì)數(shù)頻率的任何因子。
（3）CD4511
CD4511 是一片 CMOS BCD—鎖存/7 段譯碼/驅(qū)動器，用于驅(qū)動共陰極LED （數(shù)碼管）顯示器的 BCD 碼-七段碼譯碼器。具有BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動功能的CMOS電路能提供較大的拉電流�？芍苯域�(qū)動共陰LED數(shù)碼管。其中a b c d 為BCD 碼輸入，a為最低位。LT為燈測試端，加高電平時，顯示器正常顯示，加低電平時，顯示器一直顯示數(shù)碼“8”，各筆段都被點(diǎn)亮，以檢查顯示器是否有故障。BI為消隱功能端，低電平時使所有筆段均消隱，正常顯示時， B1端應(yīng)加高電平。另外 CD4511有拒絕偽碼的特點(diǎn)，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)越過十進(jìn)制數(shù)9(1001)時，顯示字形也自行消隱。LE是鎖存控制端，高電平時鎖存，低電平時傳輸數(shù)據(jù)。a～g是 7 段輸出，可驅(qū)動共陰LED數(shù)碼管。所謂共陰 LED 數(shù)碼管是指 7 段 LED 的陰極是連在一起的，在應(yīng)用中應(yīng)接地。
（4）撥碼開關(guān)
撥碼開關(guān)（也叫DIP開關(guān)，撥動開關(guān)，超頻開關(guān)，地址開關(guān)，撥拉開關(guān)，數(shù)碼開關(guān)，指撥開關(guān)）是一款用來操作控制的地址開關(guān)，采用的是0/1的二進(jìn)制編碼原理。每一個鍵對應(yīng)的背面上下各有兩個引腳，撥至ON一側(cè)，這下面兩個引腳接通；反之則斷開。這四個鍵是獨(dú)立的，相互沒有關(guān)聯(lián)。此類元件多用于二進(jìn)制編碼。
（5）數(shù)碼管
數(shù)碼管，也稱作輝光管，是一種可以顯示數(shù)字和其他信息的電子設(shè)備。玻璃管中包括一個金屬絲網(wǎng)制成的陽極和多個陰極。大部分?jǐn)?shù)碼管陰極的形狀為數(shù)字。管中充以低壓氣體，通常大部分為氖加上一些汞和/或氬。給某一個陰極充電，數(shù)碼管就會發(fā)出顏色光，視乎管內(nèi)的氣體而定，一般都是橙色或綠色。led數(shù)碼管（LED Segment Displays）是由多個發(fā)光二極管封裝在一起組成“8”字型的器件，引線已在內(nèi)部連接完成，只需引出它們的各個筆劃，公共電極。led數(shù)碼管常用段數(shù)一般為7段有的另加一個小數(shù)點(diǎn)，還有一種是類似于3位“+1”型。位數(shù)有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等等，led數(shù)碼管根據(jù)LED的接法不同分為共陰和共陽兩類。靜態(tài)驅(qū)動也稱直流驅(qū)動。
（6）74ls160芯片
74LS160功能簡介： CLK是脈沖輸入端；RCO是進(jìn)位信號輸出端；ENP和ENT是計(jì)數(shù)器工作狀態(tài)端；CLR是異步清零端；LOAD是置數(shù)端；VCC接正電源，GND接地；A～D是數(shù)據(jù)輸入端，QA～QD是計(jì)數(shù)器狀態(tài)輸出端。電源電壓5V，輸入電壓5V。其狀態(tài)表下所示：
3.2工作原理
函數(shù)信號發(fā)生器發(fā)出2HZ信號經(jīng)過74LS74構(gòu)成的分頻器電路提供1HZ信號，該信號經(jīng)過門電路與74LS390構(gòu)成的計(jì)數(shù)器電路產(chǎn)生8421BCD碼再經(jīng)過譯碼器交由數(shù)碼管顯示。校時電路則采用2HZ信號通過74LS00與74LS51與非門將信號傳入74LS390控制端實(shí)現(xiàn)快速校時。鬧鐘電路則通過撥碼開關(guān)與門電路將定時時間傳入計(jì)數(shù)器中并通過產(chǎn)生一分鐘高電平驅(qū)動二極管發(fā)光。將計(jì)數(shù)器產(chǎn)生5、9、5信號與門電路結(jié)合驅(qū)動控制三極管開關(guān)從而實(shí)現(xiàn)蜂鳴器報時。
1.設(shè)計(jì)時鐘脈沖發(fā)生器石英晶體振蕩器的特點(diǎn)是振蕩頻率準(zhǔn)確、電路結(jié)構(gòu)簡單、頻率易調(diào)整。它還具有壓電效應(yīng)，在晶體某一方向加一電場，則在與此垂直的方向產(chǎn)生機(jī)械振動，有了機(jī)械振動，就會在相應(yīng)的垂直面上產(chǎn)生電場，從而機(jī)械振動和電場互為因果，這種循環(huán)過程一直持續(xù)到晶體的機(jī)械強(qiáng)度限止時，才達(dá)到最后穩(wěn)定。這用壓電諧振的頻率即為晶體振蕩器的固有頻率。一般來說，振蕩器的頻率越高，計(jì)時精度越高，但耗電量將增大。如果精度要求不高也可以采用由集成電路定時器555與RC組成的多諧振蕩器。根據(jù)理論知識運(yùn)用，運(yùn)用CB555定時器與電阻電容組合設(shè)計(jì)
多諧振蕩器的振蕩器的周期為1秒，即周期T=1
（1）秒計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)秒脈沖信號經(jīng)過6級計(jì)數(shù)器，分別得到“秒”個位、十位，“分”個位、十位以及“時”個位、十位的計(jì)時�！懊搿薄ⅰ胺帧庇�(jì)數(shù)器為60進(jìn)制，小時為24進(jìn)制。60進(jìn)制計(jì)數(shù)器數(shù)字鐘的“分”和“秒”計(jì)數(shù)器均為模60的計(jì)數(shù)器，它們的個位都是十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，而十位則是六進(jìn)制計(jì)數(shù)器，要想實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能，可以選用74LS90芯片級聯(lián)組成模數(shù)為60的計(jì)數(shù)器，也可以用4518雙重BCD加法計(jì)數(shù)器芯片，采用反饋歸零法實(shí)現(xiàn)秒60進(jìn)制，還可以用74LS160十進(jìn)制芯片來實(shí)現(xiàn)。若選用74LS90級聯(lián)的話，只要一級出現(xiàn)問題，則整個計(jì)數(shù)功能模塊都會受到影響，從而使計(jì)數(shù)出現(xiàn)問題。所以，綜合考慮，選用74LS160十進(jìn)制芯片，它不僅造價便宜，使用普遍，而且使用方便。
（2）分計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)同樣通過整體置數(shù)法運(yùn)用兩片74LS160、與非門和兩片顯示譯碼器連接成60進(jìn)制的計(jì)數(shù)器作為分的計(jì)數(shù)電路。兩個芯片的復(fù)位端CLR和分個位芯片的工作狀態(tài)控制端ENP、ENT接高電平，分十位芯片的工作狀態(tài)控制端ENP、ENT接分個位芯片的進(jìn)位輸出端。分個位計(jì)數(shù)單元為10進(jìn)制計(jì)數(shù)器，無需進(jìn)制轉(zhuǎn)換，當(dāng)QDQCQBQA變成1001時，通過與非門把它接回到置數(shù)端，計(jì)數(shù)器的輸入置為0000，使計(jì)數(shù)器又從0000開始，如此重復(fù)。
分十位計(jì)數(shù)單元為6進(jìn)制，當(dāng)QDQCQBQA變成0101時，通過與非門把它接回置數(shù)端，計(jì)數(shù)器的輸入置為0000，計(jì)數(shù)器又從0000開始，如此重復(fù)，十位和個位合起來就是60進(jìn)制。同時兩個分計(jì)數(shù)芯片的脈沖輸入端接秒計(jì)數(shù)器的進(jìn)位輸出端，當(dāng)各個芯片開始工作時，秒計(jì)數(shù)器的進(jìn)位輸出端給分計(jì)數(shù)器的兩片分計(jì)數(shù)芯片的輸入高電平脈沖，使分計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，當(dāng)分計(jì)數(shù)器的輸出為59狀態(tài)時使兩個芯片的置數(shù)端工作，進(jìn)行置數(shù)，同時分十位上的進(jìn)位信號傳輸給“時”個位的計(jì)數(shù)單元。
3）時計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)時計(jì)數(shù)單元為24進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其輸出為8421BCD碼。同樣采用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74160N來實(shí)現(xiàn)時間計(jì)數(shù)單元的計(jì)數(shù)功能。數(shù)字鐘的“時”計(jì)數(shù)器為模24的計(jì)數(shù)器，它的個位是四進(jìn)制計(jì)數(shù)器，而十位則是二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其計(jì)數(shù)規(guī)律為：即當(dāng)數(shù)字時鐘運(yùn)行到“23時59分59秒”時計(jì)數(shù)器再加一個秒脈沖時數(shù)字鐘自動運(yùn)行到“00時00分00秒”，實(shí)現(xiàn)日常生活的24小時計(jì)數(shù)制。計(jì)數(shù)功能的原理，由振蕩器給秒個位每秒送一個脈沖，當(dāng)個位由0循環(huán)到9時，個位向十位送一個脈沖，這樣依次的，就可以完成計(jì)數(shù)的功能。
振蕩器
石英晶體振蕩器的特點(diǎn)是振蕩頻率準(zhǔn)確、電路結(jié)構(gòu)簡單、頻率易調(diào)整。它還具有壓電效應(yīng)，在晶體某一方向加一電場，則在與此垂直的方向產(chǎn)生機(jī)械振動，有了機(jī)械振動，就會在相應(yīng)的垂直面上產(chǎn)生電場，從而機(jī)械振動和電場互為因果，這種循環(huán)過程一直持續(xù)到晶體的機(jī)械強(qiáng)度限止時，才達(dá)到最后穩(wěn)定。這用壓電諧振的頻率即為晶體振蕩器的固有頻率。一般來說，振蕩器的頻率越高，計(jì)時精度越高，但耗電量將增大。如果精度要求不高也可以采用由集成電路定時器555與RC組成的多諧振蕩器。如圖3-4-1所示。設(shè)振蕩頻率f=1KHz，R為可調(diào)電阻，微調(diào)R1可以調(diào)出1KHz輸出。
分頻器
由于振蕩的頻率很高，要得到秒脈沖，需要分屏電路。本實(shí)驗(yàn)由集成電路定時器555與RC組成的多諧振蕩器，產(chǎn)生1KHz的脈沖信號。故采用3片中規(guī)模集成電路計(jì)數(shù)器74LS60來實(shí)現(xiàn)，得到需要的秒脈沖信號。
4.單元電路設(shè)計(jì)4.1時鐘電路
數(shù)字鐘實(shí)際上是一個對標(biāo)準(zhǔn)頻率（1HZ）進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)電路。由于計(jì)數(shù)的起始時間不可能與標(biāo)準(zhǔn)時間（如北京時間）一致，故需要在電路上加一個校時電路，同時標(biāo)準(zhǔn)的1HZ時間信號必須做到準(zhǔn)確穩(wěn)定。利用函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生2Hz的時鐘信號，再利用74LS47構(gòu)成分頻電路分頻，產(chǎn)生1Hz的時鐘信號供給系統(tǒng)使用，如圖4-1。
圖4-1 脈沖信號電路
4.2報時電路
報時電路設(shè)計(jì)如圖4-2，原理說明：利用蜂鳴器、與非門及開關(guān)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)“分”計(jì)數(shù)電路為59時，四與門會產(chǎn)生一個高平進(jìn)位信號，當(dāng)秒計(jì)數(shù)電路十位為5時經(jīng)過二與門輸出高電平，兩路信號再經(jīng)過與門為高電平，再經(jīng)過非門變?yōu)楦唠娖剑雮€位輸出為0到9時信號上路高電平經(jīng)過三與門成為高電平，從而使蜂鳴器發(fā)出響聲。
圖4-2報時電路
整點(diǎn)報時電路設(shè)計(jì)見下圖，原理說明：利用蜂鳴器、與非門及開關(guān)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)“分”計(jì)數(shù)電路為 59 時，四與非門會產(chǎn)生一個低平進(jìn)位信號，當(dāng)“秒”計(jì)數(shù)電路為 60 時經(jīng)過二與非門變成低電平，兩路信號再經(jīng)過或門為低電平，再經(jīng)過非門變?yōu)楦唠娖�，“秒”個位輸出為0時信號到達(dá)74LS11D和上路高電平經(jīng)過三與門成為高電平，從而使蜂鳴器發(fā)出響聲。
4.3按鍵調(diào)時電路
電路下方的點(diǎn)動開關(guān)為校時按鍵“時”、“分”校時按鍵為加計(jì)數(shù)，按下按鍵不動會有時鐘脈沖到達(dá)74LS160的時鐘計(jì)數(shù)端，數(shù)碼管顯示數(shù)值增加，起到校時功能
“秒”開關(guān)為“秒”的清零復(fù)位開關(guān)，按下按鍵會有時鐘脈沖到達(dá)74LS160的時鐘復(fù)位端，數(shù)碼管顯示數(shù)值清零。
4.4計(jì)數(shù)器電路與鬧鐘
時間計(jì)數(shù)電路由六個計(jì)數(shù)器組成，他們分別是：“秒”個位、“秒”十位計(jì)數(shù)器、“分”個位、“分”十位計(jì)數(shù)器及“時”個位、“時”十位計(jì)數(shù)器電路。其中“秒”個位、“分”個位和“時”個位計(jì)數(shù)器采用的是10進(jìn)制計(jì)數(shù)器、“秒”十位和“分”十位計(jì)數(shù)器為6進(jìn)制計(jì)數(shù)器，“時”十位計(jì)數(shù)器可以采用3進(jìn)制計(jì)數(shù)器。這樣六個計(jì)數(shù)器就安排好了。在時個位計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)時，當(dāng)時十位計(jì)數(shù)器為2時，個位計(jì)數(shù)器為4進(jìn)制計(jì)數(shù)器。（即時鐘為23后，下一個狀態(tài)為00）“秒”計(jì)數(shù)電路和“分”計(jì)數(shù)電路設(shè)計(jì)見下圖，原理說明：利用74LS390和與非門分別構(gòu)成0-5循環(huán)計(jì)數(shù)器和0-9循環(huán)計(jì)數(shù)器，如圖4-3-1。
圖4-3-1 計(jì)數(shù)器電路
時間計(jì)數(shù)電路由六個計(jì)數(shù)器組成，他們分別是：“秒”個位、“秒”十位計(jì)數(shù)器、“分”個位、“分”十位計(jì)數(shù)器及“時”個位、“時”十位計(jì)數(shù)器電路。其中“秒”個位、“分”個位和“時”個位計(jì)數(shù)器采用的是10進(jìn)制計(jì)數(shù)器、“秒”十位和“分”十位計(jì)數(shù)器為6進(jìn)制計(jì)數(shù)器，“時”十位計(jì)數(shù)器可以采用3進(jìn)制計(jì)數(shù)器。這樣六個計(jì)數(shù)器就安排好了。在時個位計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)時，當(dāng)時十位計(jì)數(shù)器為2 時，個位計(jì)數(shù)器為4進(jìn)制計(jì)數(shù)器。（即時鐘為23后，下一個狀態(tài)為00）“秒”計(jì)數(shù)電路和“分”計(jì)數(shù)電路設(shè)計(jì)，原理說明：利用十六進(jìn)制的74LS160和與非門分別構(gòu)成0-5循環(huán)計(jì)數(shù)器和0-9循環(huán)計(jì)數(shù)器。
鬧鐘的實(shí)現(xiàn)由4位撥碼開關(guān)采用8421BCD碼確定定時時間，四個撥碼開關(guān)分別對應(yīng)時鐘小時的十位、個位，分鐘的十位、個位。撥碼開關(guān)與門電路結(jié)合在定時點(diǎn)提供一分鐘的高電平提示定時，如圖4-3-2。
圖4-3-2 鬧鐘電路
4.5校時電路
電路下方的點(diǎn)動開關(guān)為校時按鍵“時”、“分”校時按鍵為加計(jì)數(shù)，按下按鍵不動，會有2HZ時鐘脈沖經(jīng)過74LS51到達(dá)74LS390的時鐘計(jì)數(shù)端，數(shù)碼管顯示數(shù)值增加，起到校時功能如圖4-4。
電路下方的點(diǎn)動開關(guān)為校時按鍵“時”、“分”校時按鍵為加計(jì)數(shù)，按下按鍵不動會有時鐘脈沖到達(dá)74LS160的時鐘計(jì)數(shù)端，數(shù)碼管顯示數(shù)值增加，起到校時功能
“秒”開關(guān)為“秒”的清零復(fù)位開關(guān)，按下按鍵會有時鐘脈沖到達(dá)74LS160的時鐘復(fù)位端，數(shù)碼管顯示數(shù)值清零。
圖4-4校時電路
校時功能的實(shí)現(xiàn)
當(dāng)重新接通電源或走時出現(xiàn)誤差時都需要對時間進(jìn)行校正.通常,校正時間的方法是:首先截斷正常的計(jì)數(shù)通路,然后再進(jìn)行人工出觸發(fā)計(jì)數(shù)或?qū)㈩l率較高的方波信號加到需要校正的計(jì)數(shù)單元的輸入端,校正好后,再轉(zhuǎn)入正常計(jì)時狀態(tài)即可.
根據(jù)要求,數(shù)字鐘應(yīng)具有分校正功能,因此,應(yīng)截斷分個位的直接計(jì)數(shù)通路,并采用正常計(jì)時信號與校正信號可以隨時切換的電路接入其中.
在實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)過程中使用的是通過開關(guān)（普通開關(guān)）來實(shí)現(xiàn)高低電平的切換，手動賦予需要的高低電平來實(shí)現(xiàn)脈沖的供給，將脈沖提供到所需要的輸入（CLK）端口，實(shí)現(xiàn)校時，仿真過程中能夠正常校時并且在校時的時候達(dá)到了預(yù)定的效果；而在我們進(jìn)入實(shí)際電路連接的時候，利用開關(guān)（手控導(dǎo)線點(diǎn)觸實(shí)現(xiàn)）來實(shí)現(xiàn)校時再不像仿真那樣的精確了，原因分析是由于使用的是普通的開關(guān)同時利用的是手動的對CLK端口賦予脈沖信號，在實(shí)現(xiàn)手動生成脈沖信號的過程中產(chǎn)生了擾動，即相當(dāng)于產(chǎn)生了多個的脈沖信號對需要的數(shù)碼管進(jìn)行校時，如此，并沒有達(dá)到仿真的精確效果，但是在實(shí)驗(yàn)中通過改進(jìn)電路的校時方式，不是用手觸開關(guān)產(chǎn)生脈沖信號（如若需用手觸則需要使用一個鎖存器實(shí)現(xiàn)去抖動，才能夠在脈沖生成時候不產(chǎn)生干擾的脈沖，實(shí)現(xiàn)正常的校時），而是使用信號發(fā)生器實(shí)現(xiàn)信號的提供，對需要校時的數(shù)碼管在相對應(yīng)的CLK端口提供脈沖信號實(shí)現(xiàn)校時，利用此方式實(shí)現(xiàn)校時則比手觸開關(guān)方式效果要好。
5.仿真結(jié)果及分析
5.1預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)仿真結(jié)果
5.3分析
校時電路能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)校正，分頻電路能夠?qū)崿F(xiàn)，計(jì)數(shù)電路能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)數(shù)，鬧鐘功能由于成本問題未能實(shí)現(xiàn)，各項(xiàng)功能均能實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)初期，我們以完善設(shè)計(jì)為主，建立和收集了許多設(shè)計(jì)方案與實(shí)驗(yàn)知識，并通過仿真與軟件進(jìn)行了大刀闊斧的設(shè)計(jì)制作，并在理論上完美實(shí)現(xiàn)了該有的設(shè)計(jì)思路的同時掌握了數(shù)字電子鐘的技術(shù)要求，但實(shí)際上在面臨實(shí)際應(yīng)用時由于多方原因，在時間安排，技術(shù)提升上出現(xiàn)了諸多問題，使得我們在實(shí)物交付階段走入了死胡同，并面臨了思路流產(chǎn)，因此不得不面對現(xiàn)實(shí)，將設(shè)計(jì)理念與現(xiàn)實(shí)交接，拿出新的設(shè)計(jì)思路，因此不得不忍痛放棄經(jīng)營許久的舊方案，最終僅僅實(shí)現(xiàn)了時鐘的基本功能，這樣的局面與我們犯下的錯誤有很大關(guān)系，與我們的經(jīng)驗(yàn)不足也有很大關(guān)系。但不得不說這是一次很不錯的設(shè)計(jì)經(jīng)歷，為以后的我們留出了很大提升空間，我相信我們將來會做的更好。實(shí)驗(yàn)最終實(shí)現(xiàn)了校時，在芯片選用以及電路制作上沒有問題，計(jì)時精度、計(jì)數(shù)電路可以保證準(zhǔn)確，整點(diǎn)報時僅僅實(shí)現(xiàn)了部分，原計(jì)劃的鬧鐘功能未能實(shí)現(xiàn)，但是有實(shí)現(xiàn)的工藝技術(shù)，整體實(shí)驗(yàn)就學(xué)習(xí)來說是成功的，但如果用標(biāo)準(zhǔn)來看尚有進(jìn)步空間。
5.4 最終成品仿真圖
圖6-2 最終成品仿真總圖
6.硬件調(diào)試
在本設(shè)計(jì)中，為了設(shè)計(jì)的順利進(jìn)行，在焊接的時候進(jìn)行了部分調(diào)試，由于電路過于復(fù)雜，我們根據(jù)電路的工作原理進(jìn)行分步調(diào)試，保證電路各項(xiàng)功能順利實(shí)現(xiàn)。電路調(diào)試總圖如圖6-1。我們的多功能數(shù)字電子鐘在設(shè)計(jì)完成并仿真成功后，開始著手焊接實(shí)際電路。實(shí)際電路焊接時，我們按功能模塊來依次焊接各個部分。最先焊接好的是顯示模塊。（包括七片七段顯示譯碼器和七片與之對應(yīng)的74LS48芯片。）顯示模塊焊接好后，我們先通過分別給每一片74LS48的四個輸入端不同的電平來獨(dú)立地測試顯示模塊的功能。（74LS系列芯片的管腳懸空為高電平，所以只需要把電平為零的輸入端接地即可。）但給定輸入端電平后，顯示譯碼器并沒有顯示任何字形。仔細(xì)觀察后發(fā)現(xiàn)，原來顯示譯碼器上是顯示出了數(shù)字，但由于顯示的亮度太小，導(dǎo)致在正常日光下不易被觀察到。對比其他人的口袋實(shí)驗(yàn)板的顯示模塊，我們發(fā)現(xiàn)，原來我們所使用的七段顯示譯碼器的型號和他們的有所不同，我們這種型號的顯示譯碼器所需要的驅(qū)動電流較大，所以在電流達(dá)不到要求時只會顯示微弱的光。在更換為驅(qū)動電流較小的顯示譯碼器后，顯示模塊可以正常地工作。校準(zhǔn)模塊包括星期校準(zhǔn)、時校準(zhǔn)和分校準(zhǔn)三個部分。在焊接完成進(jìn)行測試時發(fā)現(xiàn)，只有分校準(zhǔn)部分具有正常的校準(zhǔn)功能，（即按下校準(zhǔn)點(diǎn)動開關(guān)會持續(xù)校準(zhǔn)，松開校準(zhǔn)停止。單次按下開關(guān)為無效校準(zhǔn)，）星期校準(zhǔn)和時校準(zhǔn)在按下點(diǎn)動開關(guān)時，都無法進(jìn)行連續(xù)校準(zhǔn)，只可以進(jìn)行無效的單次按下開關(guān)操作。分析電路圖后發(fā)現(xiàn)，按下開關(guān)進(jìn)行連續(xù)校準(zhǔn)的功能是通過將一個基本RS鎖存器的輸出端與時鐘信號一同送進(jìn)與門后實(shí)現(xiàn)的。而時校準(zhǔn)部分和星期校準(zhǔn)部分都用到了74LS51芯片的雙三輸入與或非門，于是對這部分電路的各個節(jié)點(diǎn)的電壓進(jìn)行測量。通過測量發(fā)現(xiàn)，無論基本RS鎖存器的輸出端是高電平還是低電平，時鐘信號和它相與的結(jié)果都是時鐘信號本身，并且考慮到部分芯片（包括74LS51）是從網(wǎng)上購置的，質(zhì)量有可能得不到保，所以這兩個校準(zhǔn)部分有問題極有可能是74LS51芯片本身的問題。將這兩片芯片用實(shí)驗(yàn)室的74LS51替換后，時校準(zhǔn)和星期校準(zhǔn)模塊回復(fù)正常，證明之前的推斷是正確的。
圖6-3 調(diào)試電路總圖
電路的仿真調(diào)試
連好仿真電路圖后，打開仿真開關(guān)，進(jìn)行仿真。由于軟件仿真很慢，要等很久數(shù)碼管才會跳“1”。故用信號發(fā)生器，設(shè)置較高的頻率并使其產(chǎn)生方波，如下圖所示。從而能夠更快的驗(yàn)證仿真結(jié)果，1．將電路VCC總線接5V電源，GND總線接地，觀察數(shù)碼管是否全亮。2. 時校、分校、秒校開關(guān)都往上撥，這時，電路產(chǎn)生的連續(xù) 1HZ脈沖將接入秒個位時鐘端，觀察各個數(shù)碼管顯示是否連續(xù)正確跳變，即秒個位跳變速度是否為1HZ，各個數(shù)碼管的進(jìn)位是否常。在測跳變速度是否為1HZ時，可以將電路產(chǎn)生的連續(xù)1HZ脈沖與標(biāo)準(zhǔn)1HZ脈沖共同接到兩個發(fā)光二極管上，觀察兩發(fā)光二極管是否同步變化。3. 撥動開關(guān)，分別對秒、分、時進(jìn)行校時，撥動校時開關(guān)，觀察校時是否正常。4. 用校時開關(guān)將時間調(diào)至23：59：00，接入1HZ脈沖，如果一分鐘后時間變成00:00:00，則說明功能正常。
J1為仿真脈沖切換開關(guān)，J2為時鐘仿真暫停開關(guān)。
7.總結(jié)
通過這次數(shù)字時鐘的設(shè)計(jì)，不僅加深了我對這門課的了解，同時也深知模電與數(shù)電的重要性，而且讓我對Multisim仿真軟件有了初步的了解和認(rèn)識。使用Multisim仿真軟件，可以讓我們在虛擬的環(huán)境中實(shí)行實(shí)驗(yàn),不需要真實(shí)電路環(huán)境的介入，不必顧及儀器設(shè)備的短缺與時間環(huán)境的限制，能夠極大提高實(shí)驗(yàn)效率。
這是一次綜合性很強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)，從最初的模型規(guī)劃，到具體功能的實(shí)現(xiàn)，再到電路的連接，直至最后的電路調(diào)試，每一個環(huán)節(jié)都讓我加深了對實(shí)際問題的思考，同時也讓我動手能力有了很大的提高。
在此次的數(shù)字鐘設(shè)計(jì)過程中，更進(jìn)一步地熟悉了芯片的結(jié)構(gòu)及掌握了各芯片的工作原理和其具體的使用方法。也鍛煉了自己獨(dú)立思考問題的能力和通過查看相關(guān)資料來解決問題的習(xí)慣。雖然這只是一次簡單的設(shè)計(jì)，但通過這次設(shè)計(jì)我們了解了設(shè)計(jì)的一般步驟，和設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題。設(shè)計(jì)本身并不是有很重要的意義，而是其他人對待問題時的態(tài)度和處理事情的能力。至于設(shè)計(jì)的成績無須看的太過于重要，而是設(shè)計(jì)的過程，設(shè)計(jì)的思想和設(shè)計(jì)電路中的每一個環(huán)節(jié)，電路中各個部分的功能是如何實(shí)現(xiàn)的。各個芯片能夠完成什么樣的功能，使用芯片時應(yīng)該注意那些要點(diǎn)。同一個電路可以用那些芯片實(shí)現(xiàn)，各個芯片實(shí)現(xiàn)同一個功能的區(qū)別。在這次設(shè)計(jì)過程中，我也對word 、截圖等軟件有了更進(jìn)一步的了解，這使我在以后的學(xué)習(xí)中更加得心應(yīng)手。
首先，本次實(shí)驗(yàn)均能按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求的各項(xiàng)功能完成，包括秒脈沖電路，時鐘顯示，校時電路，整點(diǎn)報時電路，以及鬧鐘電路。完成的電路可以做到顯示２４進(jìn)制小時，六十進(jìn)制分鐘和六十進(jìn)制秒鐘。并能夠在時間顯示不準(zhǔn)確的時候進(jìn)行校時。有整點(diǎn)報時功能，并且在晚上２３點(diǎn)到第二天的五點(diǎn)報時關(guān)閉。此外還有任意時刻的鬧鐘功能。
其次，在設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，在選擇芯片上面，我們同組的人會產(chǎn)生一些分歧，比如在選擇六十進(jìn)制和十進(jìn)制的計(jì)數(shù)器中，我們選擇用74SL160，而他們想選擇使用74SL290，盡管不同但經(jīng)過大家的調(diào)試最后決定使用74SL160。
還有，任意時刻鬧鐘電路是最后做的一個環(huán)節(jié)，因?yàn)橛X得電路連接有些復(fù)雜，當(dāng)此部分接入主電路時，使整體顯得較為凌亂，第一次給師傅看過后，給出了指導(dǎo)意見，回去后在師傅的指點(diǎn)下又改正和完善了電路圖，明顯的簡化了電路結(jié)構(gòu)，看來做什么都應(yīng)該多思考，盡量化繁為簡。
這次最大的收獲就是學(xué)會了系統(tǒng)地去解決一個實(shí)際問題，學(xué)會了巧妙運(yùn)用模塊化的思想。在整個電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)中，最成功的地方就是有條理地將功能細(xì)化，分成一個一個小的功能來實(shí)現(xiàn)。每做好一個小功能實(shí)現(xiàn)的電路，就將其集成為一塊具有此功能的芯片，這樣，在之后的電路連接中就只要將這塊芯片接入即可，最后就這樣一級一級地將電路集成，最后生成的電子鐘電路就只是一塊芯片，只要加一些其他外部控制開關(guān)與顯示電路就能實(shí)現(xiàn)此多功能電子鐘的各功能。
雖然這只是一次設(shè)計(jì)，但通過這次設(shè)計(jì)我們了解了設(shè)計(jì)的一般步驟、方法和設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的些問題。我覺得這次設(shè)計(jì)是很有重要意義的，它鍛煉了我對待問題時的態(tài)度和處理事情的能力，了解了各個芯片能夠完成什么樣的功能，使用芯片時應(yīng)該注意那些要點(diǎn)，同一個電路可以用那些芯片實(shí)現(xiàn)，各個芯片實(shí)現(xiàn)同個功能的區(qū)別。
8 .體會
經(jīng)過此次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，我受益匪淺。在了解并掌握數(shù)字時鐘的原理后開始著手設(shè)計(jì)，通過翻閱工具書了解到一些設(shè)計(jì)理念，并運(yùn)用仿真軟件對電路進(jìn)行仿真。期間發(fā)現(xiàn)許多問題，經(jīng)過反復(fù)改正電路中的錯誤，不斷地仿真，終于將本次設(shè)計(jì)做完了。在本次設(shè)計(jì)過程中，不僅提高了自己對問題的分析能力而且增強(qiáng)了自己獨(dú)立思考的能力。通過和大家的交流，發(fā)現(xiàn)到自己的不足并及時加以改正。
學(xué)貴以致用，通過幾天的數(shù)字鐘設(shè)計(jì)過程，將從書本上學(xué)到的知識應(yīng)用于實(shí)踐，學(xué)會了初步的電子電路仿真設(shè)計(jì),雖然過程中遇到了一些困難，但是在解決這些問題的過程無疑也是對自己自身專業(yè)素質(zhì)的一種提高。當(dāng)最終調(diào)試成功的時候也是對自己的一種肯定。在當(dāng)前金融危機(jī)大的社會背景下，能夠增加自身砝碼的不僅僅是一紙文憑證書，更為重要的是是否能夠適應(yīng)社會大潮流的需要，契合企業(yè)的要求即又較硬的動手操作及設(shè)計(jì)能力。此次的設(shè)計(jì)作業(yè)不僅增強(qiáng)了自己在專業(yè)設(shè)計(jì)方面的信心，鼓舞了自己，更是一次興趣的培養(yǎng)，為自己以后的學(xué)習(xí)方向的明確了重點(diǎn)。
另外在這次實(shí)驗(yàn)中我們遇到了不少的問題針對不同的問題我們采取不同的解決方法，最終一一解決設(shè)計(jì)中遇到的問題。還有在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中我們曾遇到多塊芯片以及數(shù)碼管損壞的情況造成了數(shù)字鐘的顯示沒有達(dá)到預(yù)期的效果，或是根本不顯示，通過錯誤排除最終確認(rèn)是元件問題，并向師傅咨詢跟換元件最終的到解決。在我們曾經(jīng)遇到不懂的問題時，利用網(wǎng)上的資源，搜索查找得到需要的信息。懂得了理論和實(shí)踐相結(jié)合的必要性以及團(tuán)隊(duì)合作的重要性。由于長期的理論知識的學(xué)習(xí)使得自己在實(shí)踐方面有所欠缺，因此在以后的學(xué)習(xí)中,我不僅要把理論知識掌握牢固,更要提高自己的動手能力、創(chuàng)新能力以及培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作的意識。
不斷地改正錯誤，學(xué)習(xí)細(xì)微之處的知識，使我收獲頗多。
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