基于555多谐振荡器数字时钟设计

目录

摘要 (1)

第一章电路设计 (1)

1.1电路设计方案 (1)

1.1.1 原理图 (1)

1.1.2 工作原理 (6)

第二章数字时钟功能要求及元器件介绍 (7)

2.1 基本功能 (7)

2.2 元器件介绍和清单 (9)

2.2.1 555多谐振荡器 (9)

2.2.2 74LS160芯片 (9)

2.2.3 74LS248芯片 (10)

2.2.4 数码管 (11)

2.2.5 74LS00芯片 (12)

2.2.6 CD4081芯片 (13)

第三章proteus仿真 (13)

3.1 proteus整体仿真 (13)

第四章PCB板的制作 (14)

4.1PCB板的制作 (14)

4.2电路板制作的基本步棸 (14)

4.2.1 protel软件来画好原理图 (14)

4.2.2 封装并画好PCB图，布好线 (14)

4.2.3 将PCB图打印出来，并压制好电路板 (15)

4.2.4 制作电路板，腐蚀好电路导航的铜，钻孔 (16)

4.2.5 安装元器件，焊接 (16)

4.2.6 手工焊接的步骤 (16)

4.3 注意事项 (18)

第五章电路板的调试 (18)

5.1 555多谐振荡器的调试 (18)

5.2 74LS160计数器的调试 (18)

5.3 数字时钟的整体调试 (19)

第六章总结 (19)

6.1 电路的特点及改进意见 (19)

6.2 心得体会 (19)

附录A 电路原理图 (20)

附录B 元件清单 (21)

附录C 装配图 (22)

任务书

设计题目：基于555多谐振荡器数字时钟设计

设计要求：

1. 设计内容：设计一个数字时钟，可以手动设定时间和清零。

2、性能要求：

1）通电后能自动从零开始计时。

2）时间可调。

3）24进制计时

3、每人撰写一份设计报告，根据个人分工情况有所侧重，页面数目不少于15页。

每位成员应参与设计与制作的每个过程，要了解整机设计的相关知识、掌握安装与调试等相关技能。在提交电路板和设计报告时，能够回答老师所提的问题。小组分工：

根据个人擅长及相关专业技能，我们三个分工如下：

方案设计：

绘图：

安装与调试：

摘要：

本系统是基于555多谐振荡器的数字时钟。通过555多谐振荡器产生1Hz的脉冲给74LS160计数器，使74LS160计数。再把通过74LS248数据锁存器锁存，再由译码器把数据显示出来。

关键字：555多谐振荡器、74LS160计数器、74LS248数据选择器、译码器

第一章电路设计

1.1电路设计方案

1.1.1单元电路设计方案

1.1.1.11Hz脉冲产生电路设计方案

方案一：为了保证基准时间的准确，采用了数字表中常用的32768晶体振荡产生电路发生器，该电路具有价格便宜，产生脉冲稳定性好的特点，这里选用R2为10M,R3为470k，R4为10K，C1为15pF，C2为也为15pF。产生32768HZ的脉冲，经过CD4060（2^15）和74ls390两个芯片进行分频，最后产生在74ls390,3号端口产生1HZ脉冲。

图1 秒脉冲产生电路

CD4060是一个具有2^15分频能力的的芯片，当晶振经过它就会产生2HZ的脉冲信号，于是再经过74ls390一次2分频，既可以获得1HZ脉冲。

方案二：由集成逻辑门与RC组成的时钟源振荡器。

图 2 门电路组成的多谐振荡器图

方案三：以555时钟振荡器为核心，构成多谐振荡器。利用电容的充电和放电，使555时钟振荡器产生1Hz的连续脉冲信号。

图3 555多谐振荡器

从经济考虑，本系统采用555多谐振荡器

1.1.1.2 时钟显示电路设计方案

方案一：

秒计数、译码及显示部分的设计

图 4 秒计数译码电路

秒计数器为M=60的计数器，即显示00～59，采用中规模集成电路双十进制计数器至少需要2片，因为10 < M < 100。它的个位为十进制，十位为六进制。本电路采用两片74LS90实现。当个位计数至1010时，R0(1)=1,R0(2)=1,清零端清零，当达到0000时，产生下降脉冲送给十位。十位计数至0110时清零。

分计数、译码及显示部分的设计

图5 分计数译码电路

分计数器同秒计数器一样为M=60的计数器，即显示00～59，采用中规模集成电路双十进制计数器至少需要2片，因为10 < M < 100。它的个位为十进制，十位为六进制。本电路采用两片74LS90实现。当秒计数器十位计数至0110时清零，达到0000时产生下降沿脉冲送入分计数器的个位开始计数。当个位计数至1010时清零产生下降脉冲送给十位。十位计数至0110时继续清零。

时计数、译码及显示部分的设计

图6 时计数译码电路

时为二十四进制计数器，显示为00～23，个位仍为十进制，而十位为三进制，但当十进位计到2，而个位计到4时清零，就为二十四进制了。时计数进位类似于分和秒。译码器都使用CC4511。

方案二：

秒计数、译码及显示部分的设计

图7 秒计数译码电路

秒计数器为M=60的计数器，即显示00～59，采用中规模集成电路双十进制计数器至少需要2片，因为10 < M < 100。它的个位为十进制，十位为六进制。本电路采用两片74LS160实现。当秒计数器十位计数至0110时清零，达到0000时产生上升沿脉冲送入分计数器的个位开始计数。当个位计数至1010时清零产生下降脉冲送给十位。十位计数至0110时继续清零。

分计数、译码及显示部分的设计

图8 分计数译码电路

分计数器同秒计数器一样为M=60的计数器，即显示00～59，采用中规模集成电路双十进制计数器至少需要2片，因为10 < M < 100。它的个位为十进制，十位为六进制。本电路采用两片74LS160实现。当秒计数器十位计数至0110时清零，达到0110时分为个位使能端为高电平，分计数器的个位开始计数。当个位计数至1010时清零产生下降脉冲送给十位。十位计数至0110时继续清零。当分和秒同时到达0110时，时计数器的个位计数器使能端为高电平，脉冲来时开始计数。

时计数、译码及显示部分的设计

图9 时计数译码电路

时计数器为M=24的计数器，即显示00～23，采用中规模集成电路双十进制计数器至少需要2片，因为10 < M < 100。它的个位为十进制，十位为2进制。本电路采用两片74LS160实现。当分计数器十位计数至0110，同时秒也到达0110时，时计数器的个位计数器使能端为高电平，脉冲来时开始计数。分和秒清零，时加一。

1.1.2 工作原理

第二章数字时钟功能要求及元器件介绍

2.1基本功能

本系统由555多谐振荡器产生1Hz的连续脉冲给74LS160计数器，使整个系统完成计数功能。另外还可以通过按键使系统清零和置数等。

2.2 元器件介绍和清单

2.2.1 555芯片

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。一般用双极性工艺制作的称为 555，用 CMOS 工艺制作的称为 7555，除单定时器外，还有对应的双定时器 556/7556。555 定时器的电源电压范围宽，可在4.5V~16V 工作，7555 可在 3~18V 工作，输出驱动电流约为 200mA，因而其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。

555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555 定时器的内部电路框图和外引脚排列图分如图10所示。它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压VCC /3 和 2VCC /3。

图10 555 定时器的内部电路框图和外引脚排列图

2.2.2 74LS160芯片

74LS160功能简介

CLK是脉冲输入端；RCO是进位信号输出端；ENP

和ENT是计数器工作状态端；CLR是异步清零端；LOAD

是置数端；VCC接正电源，GND接地；A～D是数据输

入端，QA～QD是计数器状态输出端。电源电压5V，输入电压5V。其状态表下所示：

图11 74LS160功能表

2.2.3 74LS248芯片

248为有内部上拉电阻的BCD—七段译码器/驱动器，共有54/74248和54/74LS248两种线路结构型式。其主要电特性的典型值如下(不同厂家具体值有差别):

输出端(a~g)为低电平有效，可直接驱动指示灯或共阴极LED。

当要求输入0～15时，消隐输入(/BI)应为高电平或开路，对于输出0时还要求脉冲消隐输入(/RBI)为高电平或开路。

当BI为低电电平，不管其它输入端状态如何，a～g均为低电平。

当/RBI和地址端(A~D)均为低电平，并且灯测试(/LT)为高电平时，a~g 均为低电平，脉冲消隐输出(/RBO)为低电平。

当BI为高电平开路时，/L T的低电平可使a～g为高电平。

248与48的引出端排列，功能和电特性分别相同，差别仅在显示的字形有点区别。

其功能引脚图和功能表如下：

图12 74LS248功能表

2.2.4数码管

本系统采用的是七段共阴数码管译码，其结构如下图所示：

图13 共阴数码管原理结构

2.2.4 74LS00芯片

74ls00 是常用的2输入四与非门集成电路，他的作用很简单顾名思义就是实现一个与非门。

2.2.5 CD4081芯片

CD4081是常用的两输入的与门集成电路。其作用就是一个与的功能。

第三章 proteus仿真

3.1 proteus仿真

为了方案的可行性，本系统经过proteus仿真软件的验证结果如下图所示。

图14 proteus仿真

第四章 PCB板的制作

4.1PCB板的制作

PCB板的制作要从画图开始，用EDA软件（Protel）从电路原理图开始设计，然后再布局布线，最后打印、腐蚀、做板。

4.2电路板制作的基本步棸：

4.2.1 protel软件来画好原理图

4.2.2 封装并画好PCB图，布好线

本系统因电路较复杂，故采用双面板的PCB布线法布线。

图15 双面PCB布局布线

4.2.3 将PCB图打印出来，并压制好电路板

因手工做板的局限性，故在打印PCB图纸之前要充分考虑好压板时的困难。故采用把PCB板的顶层和底层分开并且把底层镜像好（如图）。把顶

层和底层对齐，找准顶层和底层的中线并标记好，最后打印做板。

图16 分开两层的PCB

4.2.4 制作电路板，腐蚀好电路导航的铜，钻孔

腐蚀PCB板注意腐蚀剂的安全及用量，过多形成浪费，太少又难以腐蚀。钻孔时要选用适当的钻孔针对准焊盘孔，注意力度，否则转针易断。

4.2.5 安装元器件，焊接

安装元件是按照从小到大的先后顺序来安装并且焊接。手工焊接最好插件一部分就焊接一部分。本系统采用底座安装法，大部分芯片和数码管都采用底座，所以大多子安装底座就好。

4.2.6 手工焊接的步骤

五步法

作为一种初学者掌握手工锡焊技术的训练方法，五步法是卓有成效的，值得单独作为一节来讨论。

不少电子爱好者重通行一种焊接操作法，即先用烙铁头沾上一些焊锡，然后将烙铁放道焊点上停留等待加热后焊锡润湿焊件。

这种方法，不是正确的操作方法。虽然这样也可以将焊件焊起来，但却不能保证质量。从我们所了解的锡焊机理不难理解这一点。

当我们把焊锡融化道烙铁头上时，焊锡丝重的焊剂伏在焊料表面，由于烙铁头温度一般都再250℃－350℃以上，当烙铁放道焊点上之前，松香焊剂将不断挥发，而当烙铁放到焊点上时由于焊件温度低，加热还需一段时间，在此期间焊剂很可能挥发大半甚至完全挥发，因而在润湿过程中由于缺少焊剂而润湿不良。同时由于焊料和焊件温度差很多，结合层不容易形成，很难避免虚焊。更由于焊剂的保护作用丧生后焊料容易氧化，质量得不到保证就在所难免了。

正确的方法应该时五步法：

1．准备施焊

准备好焊锡丝和烙铁。此时特别强调的施烙铁头部要保持干净，即可以沾上焊锡（俗称吃锡）。

2．加热焊件

将烙铁接触焊接点，注意首先要保持烙铁加热焊件各部分，例如印制板上引线和焊盘都使之受热，其次要注意让烙铁头的扁平部分（较大部分）接触热容量较大的焊件，烙铁头的侧面或边缘部分接触热容量较小的焊件，以保持焊件均匀受热。

3．熔化焊料

当焊件加热到能熔化焊料的温度后将焊丝置于焊点，焊料开始熔化并润湿焊点。

4．移开焊锡

当熔化一定量的焊锡后将焊锡丝移开。

5．移开烙铁

当焊锡完全润湿焊点后移开烙铁，注意移开烙铁的方向应该是大致45°的方向。

上述过程，对一般焊点而言大约二，三秒钟。对于热容量较小的焊点，例如印制电路板上的小焊盘，有时用三步法概括操作方法，即将上述步骤2，3合为一步，4，5合为一步。实际上细微区分还是五步，所以五步法有普遍性，是掌握手工烙铁焊接的基本方法。特别是各步骤之间停留的时间，对保证焊接质量至关重要，只有通过实践才能逐步掌握。

4.3 注意事项

1、焊接前應觀察各個焊點(銅皮)是否光潔、氧化等。

2、在焊接物品時,要看準焊接點，以免線路焊接不良引起的短路

第五章电路板的调试

5.1 555多谐振荡器的调试

元件安装完毕后仔细检查了一遍元件安装是否得当。然后就给系统通电，通电时注意电源的极性。

通电后用万用表依次检测各芯片的电源是否正常。开始时数码管没有按想象的跳动，用万用表检测555芯片的3脚脉冲输出脚，万用表无示数，说明555没有工作。查看原理图发现问题所在并解决问题。再次上电，数码管开始按555时钟脉冲跳动。

5.2 译码器的调试

在555正常工作的前提下，数码管的小时显示有几个断码不正常，首先检查原理图连接确认无误后检查焊接，发现顶层有几个焊点没有焊接，焊接完毕后通电，数码管显示正常。

5.3 数字时钟的整体调试

依次检查各个模块工作正常后就看各个模块相互沟通有没有问题，这步没有问题的话，整个系统就进入了正常的工作状态。本系统在调试好555多谐振荡器和数码管后便进入了正常的工作状态。

第六章总结

6.1 电路的特点及改进意见

本系统包含计时、显示及外输入键盘等功能特点，缺少个报警功能，加个报警功能就更加完善了。

6.2 心得体会

通过这个电子课程设计，我更加了解数字电子技术，在课堂上所学的理论在实践中实现预期功能。也充分体验到了在设计一个系统电路的过程中确定并且把握好正确的设计方案至关重要。当然在PCB的制作和焊接的环节也是不可小看的。一个系统的成功与否，每一步都是很重要。本系统的方案的可行性让后面的各项工作进行都比较顺利。获得了理想的结果，也达到了设计要求。