三 設(shè)計(jì)要求

• 時(shí)鐘的“時(shí)”要求用兩位顯示;上、下午用發(fā)光管作為標(biāo)志；
• 時(shí)鐘的“分”、“秒”要求各用兩位顯示；
• 整個(gè)系統(tǒng)要有校時(shí)部分（可以手動(dòng)，也可以自動(dòng)），校時(shí)時(shí)不能產(chǎn)生進(jìn)位；
  

四 數(shù)字時(shí)鐘原理框圖

該系統(tǒng)的工作原理是：

• 由石英晶體多諧振蕩器和分頻器產(chǎn)生1HZ標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖。
• “秒電路”、“分電路”均為00—59的六十進(jìn)制計(jì)數(shù)、譯碼、顯示電路；
• “時(shí)電路”為00—23的二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)、譯碼、顯示電路。
  

五 電路設(shè)計(jì)

整體電路設(shè)計(jì)：

在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到整體集成電路的承受能力，我們?cè)谶x擇器件時(shí)盡可能的選用同種型號(hào)的器件。在進(jìn)行芯片選擇時(shí)我們選用TTL集成芯片，在確保功能完整的前提下，整個(gè)電路盡可能的少用芯片。

5.1 秒脈沖電路設(shè)計(jì)

它是數(shù)字電子鐘的核心部分，它的精度和穩(wěn)定度決定于數(shù)字中的質(zhì)量。通常晶體振蕩器發(fā)出的脈沖經(jīng)過整形、分頻獲得1Hz的秒脈沖。

多諧振蕩器電路與分頻電路如下圖所示。多諧振蕩器與分頻電路為計(jì)數(shù)器提供計(jì)數(shù)脈沖和為計(jì)數(shù)器提供校時(shí)脈沖。

圖1晶體振蕩器電路與分頻電路

可得多諧振蕩器的頻率為1Hz，R1為10M歐,C1為15~20pF，C2為5~30pF

使多諧振蕩器產(chǎn)生頻率為1Hz的方波信號(hào)。

5.2  晶體振蕩器工作原理

晶體振蕩器產(chǎn)生32.768K赫茲的頻率，經(jīng)過十五分頻電路后產(chǎn)生1赫茲的方波，進(jìn)而送到74ls160進(jìn)行計(jì)數(shù)。十五分頻電路是有一片CD4060在加上一片74ls74產(chǎn)生。其中CD4060是14分頻，74ls74是一個(gè)D觸發(fā)器，在這里相當(dāng)于一個(gè)二分頻。

                    圖二 D觸發(fā)器二分頻示意圖

                       圖3  4060引腳圖

5.3時(shí)、分、秒計(jì)數(shù)器電路

一般采用10進(jìn)制計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)時(shí)間計(jì)數(shù)單元計(jì)數(shù)功能，要實(shí)現(xiàn)這一要求，可選用的中規(guī)模集成計(jì)數(shù)器較多，這里推薦74LS160。

                     圖4   74ls60

如果采用反饋清零方式時(shí)在計(jì)數(shù)一遍后進(jìn)入重新計(jì)數(shù)時(shí)時(shí)間間隔不是一個(gè)時(shí)間脈沖而是兩個(gè)，會(huì)造成計(jì)數(shù)不準(zhǔn)，例如十進(jìn)制從0000—0001—0010—……1001—1010（此狀態(tài)雖不會(huì)顯示但已經(jīng)出來）—0000。  故現(xiàn)在采用反饋置數(shù)法實(shí)現(xiàn)，以十進(jìn)制為例0000——0001——0010——……1001 ——0000（不會(huì)出現(xiàn)1010狀態(tài)，故很準(zhǔn)）  其接法電路如圖5圖6。

秒信號(hào)經(jīng)秒計(jì)數(shù)器、分計(jì)數(shù)器、時(shí)計(jì)數(shù)器之后。分別得到顯示電路，以便實(shí)現(xiàn)用數(shù)字顯示時(shí)、分、秒的要求�！懊搿焙汀胺帧庇�(jì)數(shù)器應(yīng)為六十進(jìn)制，而“時(shí)”計(jì)數(shù)器應(yīng)為二十四進(jìn)制。

（1） 六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。它由兩塊中規(guī)模集成十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS160，一塊組成十進(jìn)制，另一塊組成六進(jìn)制。采用置數(shù)法時(shí)，當(dāng)高位出現(xiàn)0101狀態(tài)，低位為1001狀態(tài)，即計(jì)到59（第60個(gè)脈沖），如圖5所示六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。

（2） 二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器。它由兩塊中規(guī)模集成十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS160構(gòu)成。當(dāng)高位出現(xiàn)0010狀態(tài)，低位為0011狀態(tài)，即計(jì)到第24個(gè)來自“分”計(jì)數(shù)器的進(jìn)位信號(hào)時(shí)，產(chǎn)生反饋置數(shù)信號(hào)，如圖6所示為二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器。

              圖 5兩塊74LS160構(gòu)成的六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器

  采用置數(shù)法74LS160 的3、4、5、6引腳接地，低位的7、10、1引腳和高位1引腳接高電平，高位7、10引腳接低位15引腳。其14—11引腳接顯示譯碼器的7、1、2、6引腳。

              圖6兩塊74LS160構(gòu)成的二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器

5.4 譯碼顯示電路

選用器件時(shí)應(yīng)當(dāng)注意譯碼器和顯示器件相互配合。一是驅(qū)動(dòng)功率要足夠大，二是邏輯電平要匹配秒計(jì)數(shù)器、分計(jì)數(shù)器、和時(shí)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)分別輸送給各自的顯示譯碼器74LS48，在數(shù)送給各自的數(shù)碼管，顯示出時(shí)、分、秒的計(jì)時(shí)。電路如圖7所示為計(jì)數(shù)、譯碼顯示電路。

圖7譯碼顯示電路

圖8    74LS48引腳圖

這里采用74LS48作為顯示譯碼器，A0~A3接74LS160的QA~QD端3、 4、 5引腳都接高電平，9~15端接七段數(shù)碼管。七段數(shù)碼管引腳圖如下圖（共陰極）

圖9  七段數(shù)碼管引腳圖

5.5校時(shí)電路

在剛接通電源或者時(shí)鐘走時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí)，則需要進(jìn)行時(shí)間的校準(zhǔn)。因此，應(yīng)截?cái)鄷r(shí)分的直接計(jì)數(shù)通路，并采用正常計(jì)數(shù)信號(hào)與校時(shí)信號(hào)可以切換的電路接入其中。故我們?cè)O(shè)計(jì)了對(duì)時(shí)、分、秒各自校時(shí)的電路。設(shè)計(jì)原理是：將74ls160的兩個(gè)使能端接在一起后接到單刀雙擲開關(guān)的公共端，再將進(jìn)位端和高電平分別接到另外兩端。當(dāng)開關(guān)按下時(shí)接入高電平，反之便會(huì)接到進(jìn)位端。

                 圖10 校時(shí)部分電路

5.6 定時(shí)電路設(shè)計(jì)

每當(dāng)數(shù)字時(shí)鐘計(jì)時(shí)與所設(shè)定的時(shí)間相同時(shí)開始發(fā)出5s的響聲，響聲是從第1s開始到第6s,響聲的頻率一樣，即所發(fā)出的聲音是一樣的沒有變化。定時(shí)電路即邏輯見下圖。

                      圖11 定時(shí)響5s真值表

由卡諾圖可以計(jì)算出定時(shí)響5s的邏輯，其邏輯電路連接見下圖

                     圖12  響5s邏輯電路連接

鬧鐘電路的工作原理是利用秒的計(jì)數(shù)器控制其響5s，控制5s的電路與控制時(shí)間相等的電路用一個(gè)與門連接就可以構(gòu)成定時(shí)電路�？刂茣r(shí)間的電路如下圖所示

                          圖13 定時(shí)電路

5.7  顯示上下午電路

顯示上下午電路的工作原理是當(dāng)小時(shí)模塊的計(jì)數(shù)器跳過12的時(shí)候，指示上下午的發(fā)光二極管通過邏輯電路的輸出而變亮，而且其亮將一直持續(xù)到23:59，控制顯示上下午的邏輯真值表如下變所示：

　　　　　　　　　　　圖１4　顯示上下午真值表

根據(jù)真值表用卡諾圖可以得到顯示上下午的邏輯表達(dá)式，根據(jù)邏輯表達(dá)式用ＴＴＬ門電路可以電路連線圖如下：

  　　　　　　　圖１5　顯示上下午邏輯電路

六 元器件清單

由multisim生成的元器件清單如下所示：

序號(hào)	器件名稱	數(shù)量	器件作用
1	74LS248	6	譯碼器
2	74LS00	8	二輸入與非門
3	74LS20	3	四輸入與非門
4	74LS08	6	二輸入與門
5	74LS160	6	二進(jìn)制計(jì)數(shù)器
6	74LS74	3	雙D觸發(fā)器
7	74LS04	5	非門
8	CD4060	1	分頻器
9	74LS32	1	二輸入或門
10	8050	1	三極管
11	10pF電容	2	晶體振蕩器
12	1 K電阻	3
13	2.2 K滑動(dòng)變阻器	1
14	200 電阻	1
15	100uF電容	3
16	10 K電阻	2

     圖16 multisim輸出器件

七 總電路圖

八總結(jié)與收獲

   十多天的數(shù)字電子課程設(shè)計(jì)馬上就要畫上圓滿的句號(hào)，在這期間的收獲很多，高興過沮喪過，當(dāng)電路終于能夠符合設(shè)計(jì)指標(biāo)和要求的時(shí)候，心情無比的舒暢。但是mutisim本身的一個(gè)缺陷使得無法在仿真的時(shí)候使用晶振加上4060產(chǎn)生1赫茲的方波，但是在現(xiàn)實(shí)的情況下，這樣是完全能夠產(chǎn)生的。所以在做仿真的時(shí)候就用了555多諧振蕩電路來代替，以檢驗(yàn)其他功能模塊是否符合設(shè)計(jì)的要求。在這次課設(shè)期間是我更加熟練的掌握了仿真軟件multisim的一些用法，原來沒有發(fā)現(xiàn)的功能在這次做課設(shè)的時(shí)候?qū)W會(huì)了，我想這是一大收獲。另外這次課設(shè)也讓我更加了解一些元器件的功能如74ls160,74ls40以及一些門電路邏輯功能的算法。