機電一體化11

1、?？飘厴I(yè)設(shè)計報告（畢業(yè)論文（畢業(yè)論文/ /設(shè)計形式用）設(shè)計形式用） 課題名稱 數(shù)字時鐘設(shè)計數(shù)字時鐘設(shè)計 學(xué) 院 機械工程學(xué)院 專 業(yè) 機電一體化 班 級 12 級機電專（1）班 姓 名 張能才 學(xué)號 112102050012 指導(dǎo)老師 湯定德 江西科技學(xué)院教務(wù)處0 畢業(yè)實習(xí)任務(wù)書學(xué)院 機械工程學(xué)院 專業(yè) 機電一體化 年級 12 級 班級 機電專一班 姓名 張能才 起止日期 2014.92014.10 題目： 數(shù) 字 時 鐘 設(shè) 計 1. 畢業(yè)實習(xí)任務(wù)及要求（根據(jù)題目性質(zhì)對學(xué)生提出具體要求） 畢業(yè)實習(xí)任務(wù)：數(shù)字時鐘設(shè)計 要 求： 掌握時鐘設(shè)計原理，并處理問題2畢業(yè)實習(xí)的原始資料及依據(jù)（包括做調(diào)研

2、的背景，研究條件、應(yīng)用環(huán)境等） 時鐘，自從它被發(fā)明的那天起，就成為人們生活中必不可少的一種工具，尤其是在現(xiàn)在這個講究效率的年代，時鐘更是在人類生產(chǎn)、生活、學(xué)習(xí)等多個領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。然而隨著時間的推移，人們不僅對于時鐘精度的要求越來越高，而且對于時鐘功能的要求也越來越多，時鐘已不僅僅是一種用來顯示時間的工具，在很多實際應(yīng)用中它還需要能夠?qū)崿F(xiàn)更多其它的功能。諸如鬧鐘功能、日歷顯示功能、溫度測量功能、濕度測量功能、電壓測量功能、頻率測量功能、過欠壓報警功能等。鐘表的數(shù)字化給人們的生產(chǎn)生活帶來了極大的方便，而且大大地擴展了鐘表原先的報時功能。動報警、按時自動打鈴、時間程序自動控制、定時廣播、自動起

3、閉路燈、定時開關(guān)烘箱、通斷動力設(shè)備、甚至各種定時電氣的自動啟用等，所有這些，都是以鐘表數(shù)字化為基礎(chǔ)的?？梢哉f，設(shè)計多功能數(shù)字時鐘的意義已不只在于數(shù)字時鐘本身，更大的意義在于多功能數(shù)字時鐘在許多實時控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。3主要參考資料、文獻 1康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ).數(shù)字部分 北京:高等教育出版社,2000 2陳小虎.電工實習(xí)（I）.北京:中國電力出版社，1996 3焦輜厚.電子工藝實習(xí)教程.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1993 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日1指導(dǎo)教師評語建議成績：優(yōu) 良 中 及格 不及格 指導(dǎo)教師簽字 年 月 日學(xué)院審核：學(xué)院院長簽（章） 年 月 日2 摘要 加入世貿(mào)組織以后，中國會

4、面臨激烈的競爭。這種競爭將是一場科技實力、管理水平和人才素質(zhì)的較量，風(fēng)險和機遇共存，同時電子產(chǎn)品的研發(fā)日新月異，不僅是在通信技術(shù)方面數(shù)字化取代于模擬信號，就連我們的日常生活也進于讓數(shù)字化取締。說明數(shù)字時代已經(jīng)到來，而且滲透于我們生活的方方面面。就拿我們生活的實例來說明一下“數(shù)字”給我們帶來的便捷。下面我們就以數(shù)字鐘為例簡單介紹一下。數(shù)字鐘我們聽到這幾個字，第一反應(yīng)就是我們所說的數(shù)字，不錯數(shù)字鐘就是以數(shù)字顯示取代模擬表盤的鐘表，在顯示上它用數(shù)字反應(yīng)出此時的時間，相比模擬鐘能給人一種一目了然的感覺，不僅如此它還能同時顯示時、分、秒。而且能對時、分、秒準確校時，這是普通鐘所不及的。與此同時數(shù)字鐘還能

5、準確定時，在你所規(guī)定的時間里準確無誤的想你發(fā)出報時聲音，提醒你在此時所需要去做的事。與舊式鐘表相比它更適用于現(xiàn)代人的生活。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：競爭 電子 數(shù)字目錄3一前言： .1二.設(shè)計目的.3三.設(shè)計功能要求.3四.電路設(shè)計.3（一）設(shè)計方案 .3（二）單元電路的設(shè)計 .4（三） 主體電路部分 .4（四） 振蕩電路 .5（五） 計數(shù)電路 .9（六） 校時電路 .14（七） 譯碼與顯示電路 .16（八）擴展功功能電路的設(shè)計 .18（九）定時控制電路 .18五.調(diào)試.20（一）主體電路部分 .20（二） 擴展電路部分 .22六.總結(jié).22參考文獻參考文獻.24附錄.250 一. 前言中國是世界上最早發(fā)

6、明計時儀器的國家。有史料記載，漢武帝太初年間（紀元前104-101年）由落下閎創(chuàng)造了我國最早的表示天體運行的儀器渾天儀。東漢時期（公元130年）張衡創(chuàng)造了水運渾天儀，為世界上最早的以水為動力的觀測天象的機械計時器，是世界機械天文鐘的先驅(qū)。盛唐時代，公元725年張遂（又稱一行）和梁令瓚等人創(chuàng)制了水運渾天銅儀，它不但能演示天球和日、月的運動，而且立了兩個木人，按時擊鼓，按時打鐘。第一個機械鐘的靈魂擒縱器用于計時器，這是中國科學(xué)家對人類計時科學(xué)的偉大貢獻。它比十四世紀歐洲出現(xiàn)的機械鐘先行了六個世紀。第一只石英鐘出現(xiàn)在二十世紀二十年代，從三十年代開始得到了推廣，從六十年代開始，由于應(yīng)用半導(dǎo)體技術(shù)，成功

7、地解決了制造日用石英鐘問題，石英電子技術(shù)在計時領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。并取代機械鐘做了更精確的時間標準。早在1880年，法國人皮埃爾居里和保羅雅克居里就發(fā)現(xiàn)了石英晶體有壓電的特性，這是制造鐘表“心臟”的良好材料。科學(xué)家以石英晶體制成的振蕩計時器和電子鐘組合制成了石英鐘。經(jīng)過測試，一只高精度的石英鐘表，每年的誤差僅為3-5秒。1942年，著名的英國格林尼治天文臺也開始采用了石英鐘作為計時工具。在許多場合，它還經(jīng)常被列為頻率的基本標準，用于日常測量與檢測。大約在 1970 年前后，石英鐘表開始進入市場，風(fēng)靡全球。隨著科學(xué)的進步，精密的電子元件不斷涌現(xiàn)，石英鐘表也開始變得小巧精致，它既是實用品，也是裝

8、飾品。它為人們的生活提供方便，更為人們的生活增添了新的色彩。 在現(xiàn)行情況下根據(jù)簡單實用強的、走時準確進行設(shè)計。而實驗證明，鐘表的振蕩部分采用石英晶體作為時基信號源時，走時更精確、調(diào)整更方便。鐘是一種計時的器具，它的出現(xiàn)開拓了時間計量的新里程。提起時鐘大家都很熟悉，它是給我們指明時間的一種計時器，并且我們每天都要用到它。二十世紀八十年代中國的鐘表業(yè)經(jīng)歷了一場翻天覆地的大轉(zhuǎn)折。其表現(xiàn)在三個方面：（1）從生產(chǎn)機械表轉(zhuǎn)為石英電子表； （2）曾占據(jù)中國消費市場四十多年的大型國有企業(yè)突然被剛剛冒起的“組業(yè)”所取代，鐘表生產(chǎn)中心轉(zhuǎn)向中國南方沿海一帶；（3）中國鐘表業(yè)發(fā)展從以機芯為龍頭改為以手表外觀件為龍頭。

9、1這場轉(zhuǎn)折以迅雷不及掩耳的速度，沖擊著傳統(tǒng)的中國鐘表工業(yè)。中國的鐘表業(yè)從技術(shù)簡單、零件少的石英鐘機芯制造入手。最初石英鐘機芯全靠從日本、德國進口，1989 年開始完全自己生產(chǎn)，包括模具的制造加工。近十余年，逐漸提高機芯質(zhì)量的穩(wěn)定性，同時轉(zhuǎn)向?qū)κ直頇C芯研制與開發(fā)。目前石英鐘表機芯生產(chǎn)主要在福建省福州、廣東東莞、番禺；機械鐘表機芯在上海、山東等地?，F(xiàn)在我國的電子業(yè)發(fā)展非常快速，電子業(yè)的發(fā)展有利于鐘表業(yè)的發(fā)展。在中國鐘表發(fā)展史上，國產(chǎn)機芯研制的失敗已經(jīng)成為過去， “組裝業(yè)”作為新興鐘表工業(yè)的起步階段也已成為過去。一支新的充滿智慧的鐘表精英在成長。我們相信在科技高速發(fā)展的今天，鐘表業(yè)運用當(dāng)今材料工業(yè)、

10、電子工業(yè)和其他領(lǐng)域的最新技術(shù)，一定會生產(chǎn)出代表中國科學(xué)水平的產(chǎn)品。我們希望鐘表業(yè)的精英們在提高制造技術(shù)水平中不斷創(chuàng)新，培育出擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的品牌。這正是中國鐘表業(yè)發(fā)展的希望。數(shù)字鐘被廣泛用于個人家庭,車站, 碼頭、辦公室等公共場所,成為人們?nèi)粘Ｉ钪械谋匦杵?。由于?shù)字集成電路的發(fā)展和石英晶體振蕩器的廣泛應(yīng)用,使得數(shù)字鐘的精度,運用超過老式鐘表, 鐘表的數(shù)字化給人們生產(chǎn)生活帶來了極大的方便，而且大大地擴展了鐘表原先的報時功能。諸如定時自動報警、按時自動打鈴、時間程序自動控制、定時廣播、自動起閉路燈、定時開關(guān)烘箱、通斷動力設(shè)備、甚至各種定時電氣的自動啟用等，所有這些，都是以鐘表數(shù)字化為基礎(chǔ)的。因

11、此，研究數(shù)字鐘及擴大其應(yīng)用，有著非?，F(xiàn)實的意義。二.設(shè)計目的設(shè)計一種多功能數(shù)字鐘，該數(shù)字鐘具有基本功能和擴展功能兩部分。其中，基本功能部分的有準確計時，以數(shù)字形式顯示時、分、秒的時間和校時功能。擴展功能部分則具有：定時控制、 、自動報整點時數(shù)和觸摸報正點的功能。數(shù)字鐘的電路2也是由主體電路和擴展電路兩部分構(gòu)成，在電路中，基本功能部分由主體電路實現(xiàn)，而擴展功能部電路實現(xiàn)。這兩部分都有一個共同特點就是它們都要用到振蕩電路提供的 1Hz 脈沖信號。在計時出現(xiàn)誤差時電路還可以進行校時和校分，為了使電路簡單所設(shè)計的電路不具備校秒的功能。并且要用數(shù)碼管顯示時、分、秒，各位均為兩位顯示，擴展部分要有相應(yīng)的響

12、應(yīng)電路。分則由擴展三.設(shè)計功能要求基本功能：（1）時的計時要求為“12 翻 1” ，分和秒的計時要求為 60 進制（2）準確計時，以數(shù)字形式顯示時，分，秒的時間（3）校正時間擴展功能：（1）定時控制；（2）仿廣播電臺報時功能；（3）自動報整點時數(shù)；（4）觸摸報整點時數(shù)；四.電路設(shè)計（一）設(shè)計方案根據(jù)設(shè)計要求首先建立了一個多功能 數(shù)字鐘電路系統(tǒng)的組成框圖，框圖如圖1 所示。3時顯示器分顯示器秒顯示器時譯碼器分譯碼器秒譯碼器時計數(shù)器分計數(shù)器秒計數(shù)器校時電路振蕩器分頻器整點報時觸摸報時仿電臺報定時控制主體電路擴展電路圖 1由圖 1 可知，電路的工作原理是：多功能數(shù)字鐘電路由主體電路和擴展電路兩大部分

13、組成。其中主體電路完成數(shù)字鐘的基本功能，擴展電路完成數(shù)字鐘的擴展功能。振蕩器產(chǎn)生的高脈沖信號作為數(shù)字鐘的振源，再經(jīng)分頻器輸出標準秒脈沖。秒計數(shù)器計滿 60 后向分計數(shù)器個位進位，分計數(shù)器計滿 60 后向小時計數(shù)器個位進位并且小時計數(shù)器按照“12 翻 1”的規(guī)律計數(shù)。計數(shù)器的輸出經(jīng)譯碼器送顯示器。計時出現(xiàn)誤差時電路進行校時、校分、校秒。擴展電路必須在主體電路正常運行的情況下才能進行擴展功能。（二）單元電路的設(shè)計數(shù)字電子鐘的設(shè)計方法很多種，例如，可用中小規(guī)模集成電路組成電子鐘；也可以利用專用的電子鐘芯片配以顯示電路及其所需要的外圍電路組成電子鐘；還可以利用單片機來實現(xiàn)電子鐘等。在本次設(shè)計，電路是由

14、許多單元電路組成的，因此首先必須對各個單元電路進行設(shè)計。（三） 主體電路部分主體電路部分的電路主要由振蕩電路、計數(shù)電路、顯示電路以及校時電路四大部4分組成。下面將對各部分電路進行設(shè)計。（四） 振蕩電路振蕩電路由振蕩器和分頻器產(chǎn)生 1Hz 時鐘脈沖和擴展部分所需的頻率，下面對振蕩器和分頻器兩部分進行介紹。（1）振蕩器數(shù)字電路中的時鐘是由振蕩器產(chǎn)生的，振蕩器是數(shù)字鐘的核心。振蕩器的穩(wěn)定度及頻率的精度決定了數(shù)字鐘計時的準確程度，一般來說，振蕩器的頻率越高，計時精度越高。它利用某種反饋方式產(chǎn)生時鐘信號。對數(shù)字電路來說，振蕩器的輸出的幅度范圍為 0v5v 的方波信號而不是鋸齒波、三角波或其他形式。典型的

15、振蕩器是弛豫振蕩器，它通過一個 RC 網(wǎng)絡(luò)將反相器的輸出反饋回來并存在一定的工作延遲時間。基本的電路如圖 2 所示。12A740412A7404R2R1C圖 2在上述電路中，RI-C 網(wǎng)絡(luò)由第一個反相器驅(qū)動，具有 RC 特性曲線的響應(yīng)信號被反饋給反相器的輸入。當(dāng)電容上的電壓達到施密特觸發(fā)器輸入反相器的門限電壓的時候，反相器的狀態(tài)發(fā)生改變，并輸出一個新的電壓值。這個輸出電壓經(jīng)過一定的延遲時間再次通過 RIC 反饋回來，直到電容電壓再次達到門限電壓為止。用施密特觸發(fā)器輸入器件（如 74HC04） ，但是由于電容的參考電壓在每個臨界點都要發(fā)生變化，所以施密特觸發(fā)器不是必需的。由于電容與輸出相連，每次

16、狀態(tài)改變時，電容的充電電壓會超過 5V。從這一點來說，輸出電壓會改變電容的充電電壓，直到電容兩端的電壓變?yōu)?74HC04 的門限電壓（2.5V）為止。振蕩器輸出狀態(tài)的改變發(fā)生在電容上的電壓達到 2.5V 時。弛豫振蕩器對許多低成本而精度要求又不高的場所非常適合，但是并不推薦在任何有精度要求的實際應(yīng)用電路采用它。5如果想要獲得高的精度，就應(yīng)該在振蕩電路中使用石英晶體作振源。在數(shù)字鐘的設(shè)計與制作中應(yīng)采用石英晶體振蕩器，因為石英晶體具有壓電效應(yīng)，是一個壓電器件。當(dāng)交流電壓加在晶體兩端，晶體先隨電壓變化產(chǎn)生對應(yīng)的變化，然后機械振動又使晶體表面產(chǎn)生交變電荷。當(dāng)晶體幾何尺寸和結(jié)構(gòu)一定時，它本生有一個固定的

17、機械頻率。當(dāng)外加交流電壓的頻率等于晶體的固有頻率時，晶體片的機械振動最大，晶體表面電荷量最多，外電路的交流電流最強，于是產(chǎn)生振蕩，因此將石英晶體按一定方位切割成片，兩邊傅以電極，焊上引線，再用金屬或玻璃外殼封裝即構(gòu)成石英晶體。石英晶體的固有頻率十分穩(wěn)定。另外石英晶體的振動具有多諧性，除了基頻振動外，還有奇次諧次泛音振動，對于石英晶體，既可利用基頻振動，也可利用泛音振動。前者稱為基頻晶體，后者稱為泛音晶體，晶片厚度與振動頻率成反比，工作頻率越高，要求晶片厚度越薄。將石英晶體作為高 Q 值諧振回路元件接入反饋電路中，就組成了晶體振蕩器。在設(shè)計中所用的振蕩器的電路圖如圖 3 所示。該電路能產(chǎn)生 1M

18、Hz 的方波脈沖振蕩信號。12A740412A740412A74041K0.01uF5-25pF1MHZ圖 3（2）分頻器分頻器的作用是將由石英晶體產(chǎn)生的高頻信號分頻成基時鐘脈沖信號和擴展部分所需的頻率。在此電路中，分頻器的功能主要有兩個：一是產(chǎn)生標準脈沖信號；二是功能擴展電路所需的信號，如仿電臺用的 1KHz 的高頻信號和 500Hz 的低頻信號等.在此電路中作為分頻器的元件是:CD4518。CD4518 可以組成二分頻電路和十分頻電路。用 CD4518 組成二分頻的電路如圖4；用 CD4518 組成十分頻的電路如圖 5；在本次設(shè)計中所用的分頻器的電路圖如圖6。電路經(jīng)過十分頻后將晶振來的 1

19、MHz 的振蕩脈沖變?yōu)?1Hz 的脈沖信號，該信號作6為計數(shù)器的計數(shù)脈沖使用。輸入 輸 出 輸入 輸入 輸 出清零圖 4 圖 5CK1EN2CLR7Q03Q14Q25Q36A4518CK1EN2CLR7Q03Q14Q25Q36A4518CK1EN2CLR7Q03Q14Q25Q36A4518CK1EN2CLR7Q03Q14Q25Q36A4518CK1EN2CLR7Q03Q14Q25Q36A4518CK1EN2CLR7Q03Q14Q25Q36A4518100KHZ10KHZ1KHZ100HZ10HZ1HZ1MHZ圖 6 4Q1QCr CPEN 4QCr CP7 上表:CD4518 的功能表振蕩器和

20、分頻器兩部分構(gòu)成振蕩電路，它的電路圖如圖 7 所示。根據(jù)圖 7 可知電路的工作原理是：石英晶體振蕩器提供的頻率為 1MHz，CD4518組成十分頻電路。并且一個 CD4518 可以組成兩個十分頻電路即：CD4518 的引腳 2與引腳 6 組成一個十分頻電路而引腳 10 與引腳 14 組成另一個十分頻電路。晶振的輸出接入第一塊 CD4518 的輸入引腳 2，經(jīng)過一次十分頻，頻率變?yōu)?100KHz。輸出引腳 6 接入同一塊 CD4518 的引腳 10 經(jīng)第二次分頻，頻率變?yōu)?10KHz。輸出引腳接人第二塊 CD4518 的輸入引腳 2 再經(jīng)一次分頻，頻率變?yōu)?1KHz。這樣經(jīng)過六次分頻最后可以得到

21、 1Hz 的頻率。輸入輸出CKCREN上升沿LH加計數(shù)LL上升沿加計數(shù)下降沿LXXL上升沿上升沿LLHL下降沿保 持XLX全為 L812A740412A740412A74041K0.01uF5-25pF1MHZCK1EN2CLR7Q03Q14Q25Q36A4518CK1EN2CLR7Q03Q14Q25Q36A4518CK1EN2CLR7Q03Q14Q25Q36A4518CK1EN2CLR7Q03Q14Q25Q36A4518CK1EN2CLR7Q03Q14Q25Q36A4518CK1EN2CLR7Q03Q14Q25Q36A4518100KHZ10KHZ1KHZ100HZ10HZ1HZ圖 7（五）

22、 計數(shù)電路計數(shù)器是一種計算輸入脈沖的時序邏輯網(wǎng)絡(luò)，被計數(shù)的輸入信號就是時序網(wǎng)絡(luò)的時鐘脈沖，它不僅可以計數(shù)而且還可以用來完成其他特定的邏輯功能，如測量、定時控制、數(shù)字運算等等。數(shù)字鐘的計數(shù)電路是用兩個六十進制計數(shù)電路和“12 翻 1”計數(shù)電路實現(xiàn)的。數(shù)字鐘的計數(shù)電路的設(shè)計可以用反饋清零法。當(dāng)計數(shù)器正常計數(shù)時，反饋門不起作用，只有當(dāng)進位脈沖到來時，反饋信號將計數(shù)電路清零，實現(xiàn)相應(yīng)模的循環(huán)計數(shù)。以六十進制為例，當(dāng)計數(shù)器從 00，01，02，59 計數(shù)時，反饋門不起作用，只有當(dāng)?shù)?60 個秒脈沖到來時，反饋信號隨即將計數(shù)電路清零，實現(xiàn)模為 60 的循環(huán)計數(shù)。下面將分別介紹 60 進制計數(shù)器和“12 翻

23、 1”小時計數(shù)器。 （1）60 進制計數(shù)器電路如圖 8 所示9R0(1)6R0(2)7CKA14QA12CKB1QB11QC9QD874LS92_2R0(1)2R0(2)3R9(1)6R9(2)7CKA14QA12CKB1QB9QC8QD1174LS90_5GNDGND+5V+5V圖 8電路中，74LS92 作為十位計數(shù)器，在電路中采用六進制計數(shù)；74LS90 作為個位計數(shù)器在電路中采用十進制計數(shù)。當(dāng) 74LS90 的 14 腳接振蕩電路的輸出脈沖 1Hz時 74LS90 開始工作，它計時到 10 時向十位計數(shù)器 74LS92 進位。下面對電路中所用的主要元件及功能介紹。 十進制計數(shù)器 74L

24、S90 74LS90 是二五十進制計數(shù)器，它有兩個時鐘輸入端 CKA 和 CKB。其中，CKA 和組成一位二進制計數(shù)器；CKB 和組成五進制計數(shù)器；若將與 CKB0Q321Q Q Q0Q相連接，時鐘脈沖從輸入，則構(gòu)成了 8421BCD 碼十進制計數(shù)器。74LS90 有兩個ACP清零端 R0（1） 、R0（2） ，兩個置 9 端 R9（1）和 R9（2） ，其 BCD 碼十進制計數(shù)時序如表 1，二五混合進制計數(shù)時序如表 2，74LS90 的管腳圖如圖 9。R0(1)2R0(2)3R9(1)6R9(2)7CKA14QA12CKB1QB9QC8QD1174LS90圖 9 表 1 BCD 碼十進制計數(shù)

25、時序 表 2 二五混合進制計數(shù)時序10 異步計數(shù)器 74LS92所謂異步計數(shù)器是指計數(shù)器內(nèi)各觸發(fā)器的時鐘信號不是來自于同一外接輸入時鐘信號，因而觸發(fā)器不是同時翻轉(zhuǎn)。這種計數(shù)器的計數(shù)速度慢。一異步計數(shù)器 74LS92 是 二六十二進制計數(shù)器，即 CKA 和組成二進制計數(shù)器，CKB 和0Q在 74LS92 中為六進制計數(shù)器。當(dāng) CKB 和相連，時鐘脈沖從 CKA 輸入，321Q Q Q0Q74LS92 構(gòu)成十六進制計數(shù)器。74LS92 的管腳圖如圖 10。R0(1)6R0(2)7CKA14QA12CKB1QB11QC9QD874LS92 圖 10（2） “12 翻 1”小時計數(shù)器電路 （3） 電路

26、如圖 11 所 示CKDQCQBQAQ00000100012001030011401005010160110701118100091001CKAQBQCQDQ0000010001200103001140100510006100171010810119110011圖 11“12 翻 1”小時 計數(shù)器是按照“01020304050607080910111201”規(guī)律計數(shù)的，計數(shù)器的計數(shù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換表如表 3 所示。表 3“12 翻 1”小時計時時序十位 個位十位 個位CKQ10Q03 Q02 Q01 Q00CK Q10Q03 Q02 Q01 Q0001234567 000000000 0 0 00 0

27、 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 1891011121300011101 0 0 01 0 0 11 0 1 00 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 0 1（4）電路的工作原理由表可知：個位計數(shù)器由 4 位二進制同步可逆計數(shù)器 74LS191 構(gòu)成，十位計數(shù)12器由雙 D 觸發(fā)器 74LS74 構(gòu)成 ，將它們組成 “12 翻 1”小時計數(shù)器。由表可知：計數(shù)器的狀態(tài)要發(fā)生 兩次跳躍：一是：計數(shù)器計到 9，即個位計數(shù)器的狀態(tài)為 =1001 后，在下一計數(shù)脈沖的作用下計數(shù)器進入暫態(tài)03020100Q Q Q Q1010，利用暫態(tài)的兩

28、個 1 即使個位異步置 0，同時向十位計數(shù)器進位使 0301Q Q10Q=1；二是計數(shù)到 12 后，在第 13 個計數(shù)脈沖作用下個位計數(shù)器的狀態(tài)應(yīng)為 =0001，十位計數(shù)器的 =0。第二次跳躍的十位清“0”和個位置03020100Q Q Q Q10Q“1”的輸出端、來產(chǎn)生。對電路中所用的主要元件及功能介紹。10Q01Q00Q D 觸發(fā)器 74LS74在電路中用到了 D 觸發(fā)器 74LS74，74LS74 的管腳圖如圖 12。D2Q5Q6CLK341PRECLRA74LS74 圖 12下面將介紹一些有關(guān)觸發(fā)器的內(nèi)容：觸發(fā)器，它是由門電路構(gòu)成的邏輯電路，它的輸出具有兩個穩(wěn)定的物理狀態(tài)（高電平和低電

29、平） ，所以它能記憶一位二進制代碼。觸發(fā)器是存放在二進制信息的最基本的單元。按其功能可為基本 RS 觸發(fā)器觸、JK 觸發(fā)器、D 觸發(fā)器和 T 觸發(fā)器。這幾種觸發(fā)器都有集成電路產(chǎn)品。其中應(yīng)用最廣泛的當(dāng)數(shù) JK 觸發(fā)器和 D 觸發(fā)器。不過，深刻理解 RS 觸發(fā)器對全面掌握觸發(fā)器的工作方式或動作特點是至關(guān)重要的。事實上，JK 觸發(fā)器和 D 觸發(fā)器是 RS 觸發(fā)器的改進型，其中 JK 觸發(fā)器保留了兩個數(shù)據(jù)輸入端，而 D 觸發(fā)器只保留了一個數(shù)據(jù)輸入端。D 觸發(fā)器有邊沿 D 觸發(fā)器和高電平 D 觸發(fā)器。74LS74 為一個電平 D 觸發(fā)器。 計數(shù)器 74LS191 1374LS191 的管腳圖如圖 13

30、CTEN4D/U5CLK14LD11MAX/MIN12RCO13A15QA3B1QB2C10QC6D9QD774LS191 圖 13（六） 校時電路（1）電路如圖 14 所示8910U10C74LS00123U11A74LS00111213U10D74LS00R33.3kC10.01uFS1GND1011U8E74LS041HZS2/M2 Q2+5V圖 14（2）電路的工作原理校時電路的作用是：當(dāng)數(shù)字鐘接通電源或者出現(xiàn)誤差時，校正時間。校時是數(shù)字鐘應(yīng)具有的基本功能。一般電子表都具有時、分、秒等校時功能。為了使電路簡單，在此設(shè)計中只進行分和小時的校時。校時有“快校時”和“慢校時”兩種，“快校時”

31、是通過開關(guān)控制，使計數(shù)器對 1Hz 校時脈沖計數(shù)。 “慢校時”是用手動產(chǎn)生單脈沖作校時脈沖。圖中 S1 校分用的控制開關(guān)，S2（總圖）為校時用的控制14開關(guān)，它們的控制功能如表 4 所示，校時脈沖采用分頻器輸出的 1Hz 脈沖，當(dāng) S1或 S2 分別為“0”時可以進行“快校時” 。如果校時脈沖由單次脈沖產(chǎn)生器提供，則可以進行“慢校時” 。 表 4 校時開關(guān)的功能 S1S2功能11計數(shù)10校分00校時（3）對電路中所用的主要元件及功能介紹在此電路中，用到的元器件有兩塊四 2 輸入與非門 74LS00 、一塊六反相器 74 LS04、兩個電容、兩個電阻以及兩個開關(guān)。（4）四-2 輸入與非門 74L

32、S00分利用其性能，必須對它的主要參數(shù)和邏輯功能進行測試。74LS00 與非門的主要參數(shù)為：輸出高電平：指與非門有一個以上輸入端接地或接低電平時的輸出電平值。輸出低電平：指與非門的所有輸入端均接高電平時的輸出電平值。開門電平：指與非門輸出處于額定低電平時允許輸入高電平的最小值。關(guān)門電平：指與非門輸出處于高電平狀態(tài)時允許輸入低電平的最大值。電壓傳輸特性：是指門的輸出電壓隨輸入電壓而變化的曲線，由它可以得到門電路的輸出高電平、輸出低電平、關(guān)門電平和開門電平等。低電平的輸出電源電流；是指輸入所有端都懸空，輸出端空載時，電源提供器件的電流。高電平輸出電源電流：是指輸出端空載，每個門各有一個以上的輸入端

33、接地，電源提供給器件的電流。低電平輸入電流：是指被測輸入端接地，其余輸入端懸空時，由被測輸入端流出的電流值。15高電平輸入電流：指被測輸入端接高電平，其余輸入端接地，流入被測輸入端的電流值。扇出系數(shù)：門電路能驅(qū)動同類門的個數(shù)，它是衡量門電路負載能力的一個參數(shù)，TTL 與非門有兩種不同性質(zhì)的負載，即灌電流負載和拉電流負載，因此有兩種扇出系數(shù)。即低電平扇出系數(shù)和高電平扇出系數(shù)。（七） 譯碼與顯示電路（1）電路如圖 15 所示BI/RBO4RBI5LT3A7B1C2D6a13b12c11d10e9f15g1474LS48abfcgdeDPYLEDgn1234567abcdefgDPY_7-SEG圖

34、15（2）電路的工作原理譯碼是編碼的相反過程，譯碼器是將輸入的二進制代碼翻譯成相應(yīng)的輸出信號以表示編碼時所賦予原意的電路。常用的集成譯碼器有二進制譯碼器、二十制譯碼器和 BCD7 段譯碼器、顯示模塊用來顯示計時模塊輸出的結(jié)果。（3）對電路中的主要元件及功能介紹（4）譯碼器 74LS48譯碼器是一個多輸入、多輸出的組合邏輯電路。它的工作是把給定的代碼進行“翻譯” ，變成相應(yīng)的狀態(tài)，使輸出通道中相應(yīng)的一路有信號輸出。譯碼器在數(shù)字系統(tǒng)中有廣泛的用途，不僅用于代碼的轉(zhuǎn)換、終端的數(shù)字顯示，還用于數(shù)字分配，存儲器尋址和組合控制信號等。譯碼器可以分為通用譯碼器和顯示譯碼器兩大類。16在電路中用的譯碼器是共陰

35、極譯碼器 74LS48，用 74LS48 把輸入的 8421BCD 碼 ABCD譯成七段輸出 a-g，再由七段數(shù)碼管顯示相應(yīng)的數(shù)。 74LS48 的管腳圖如圖 16。在管腳圖中，管腳 LT、RBI、BI/RBO 都是低電平是起作用，作用分別為：LT 為燈測檢查，用 LT 可檢查七段顯示器個字段是否能正常被點燃。BI 是滅燈輸入，可以使顯示燈熄滅。RBI 是滅零輸入，可以按照需要將顯示的零予以熄滅。BI/RBO 是共用輸出端，RBO稱為滅零輸出端，可以配合滅零輸出端 RBI，在多位十進制數(shù)表示時，把多余零位熄滅掉，以提高視圖的清晰度。也可用共陰譯碼器 74LS248，CD4511。 圖圖 161

36、6（2）顯示器 SM421050N在此電路圖中所用的顯示器是共陰極形式，陰極必須接地。SM421050N 的管腳功能圖如圖 17abfcgdeDPYLEDgn1234567abcdefgDPY_7-SEG圖 17主體電路部分是由上面的以上的各個單元電路組成的。17（八）擴展功功能電路的設(shè)計（九）定時控制電路數(shù)字鐘在指定的時刻發(fā)出信號，或驅(qū)動音響電路“鬧時” ；或?qū)δ逞b置的電源進行接通或斷開“控制” 。不管是鬧時還是控制，都要求時間準確，即信號的開始時刻與持續(xù)時間必須滿足規(guī)定的要求。（1）設(shè)計電路如圖 18 所示12456UZ1A74LS2013121098UZ1B74LS20456UZ4B74

37、LS03123UZ4A74LS03123UZ9A74LS00456UZ9B74LS00RZ41KRZ322LS1SPEAKERQ13DG130+5VSZ3SW +5V1KHZRL3.3K+5V圖 18（2）電路的工作原理在這里將舉例來說明它的工作原理。要求上午 7 時 59 分發(fā)出鬧時信號，持續(xù)1 分鐘。設(shè)計如下：7 時 59 分對應(yīng)數(shù)字鐘的時時個位計數(shù)器的狀態(tài)為，分十位32101()0111HQ Q Q Q計數(shù)器的狀態(tài)為，分個位計數(shù)器的狀態(tài)為，32102()0101MQ Q Q Q32101()1001MQ Q Q Q若將上述計數(shù)器輸出為“1”的所有輸出端經(jīng)過與門電路去控制音響電路，就可以使

38、音響電路正好在 7 點 59 分響，持續(xù) 1 分鐘后（即 8 點）停響。所以鬧時控制信號 Z 的表達式為0 11SQ2101202301()()()HMMZQ Q QQ QQ QM式中，M 為上午的信號輸出，要求 M=1。18如果用與非門實現(xiàn)的邏輯表達式為：210122301()(0)()HMMZQ Q QMQ QQ Q在該電路圖中用到了 4 輸入二與非門 74LS20，集電極開路的 2 輸入四與非門74LS03，因 OC 門的輸出端可以進行“線與” ，使用時在它們的輸出端與電源+5V 端之間應(yīng)接一電阻 RL。RL 的值由下式?jīng)Q定： minmaxCCOHLOHIHVVRnImImaxminCC

39、OLLOLILVVRImI=0.4V,=0.4mA,=2.4V,=50uA,=8mA,=100Ua;m 為負載門輸入maxOLVILIminOLVIHIOLIOHI端總個數(shù)。取 RL=3.3K。如果控制 1KHz 高音和驅(qū)動音響電路的兩極與非門也采用 OC 門，則 RL 的值應(yīng)該重新計算。由電路圖可以看見，上午 7 點 59 分，音響電路的晶體管導(dǎo)通，則揚聲器發(fā)出1KHz 的聲音。持續(xù) 1 分鐘到 8 點整晶體管因為輸入端為“0”而截止，電路停鬧。（3）對電路中所用的主要元件及功能介紹在電路中所用到的元件有 74LS03，74LS20 等。（4）四 2 輸入與非門 74LS03，只要輸入變量有

40、一個為 0 則輸出為 1，只有輸入全為 1，輸出才為 0.74LS03 的管腳圖如圖 19 圖 19（5）二 4 輸入與非門 74LS20，四個輸入端有一個為 0，則輸出為 1，只有全部輸入為 1，輸出才為 0.74LS20 的管腳圖如圖 20 所示。1912456&A74LS20圖 20五.調(diào)試在本設(shè)計中，為了設(shè)計的順利進行，我在實驗箱上進行了部分調(diào)試，因為電路太復(fù)雜，在實驗箱上不可能整體電路進行調(diào)試。調(diào)試后，我就自己焊接了一個試驗板進行調(diào)試。以確保最后能很好的完成其各部分功能。調(diào)試后，我就畫 PCB 圖，用來制印制板。因為 PCB 圖先畫，后經(jīng)過反復(fù)考慮振蕩電路部分改進了，最后用的

41、是 1MHZ 的晶振經(jīng)過三片 CD4518 六次分頻就能得到 1HZ 的頻率。所以在印制板外加了一個振蕩部分電路。（一）主體電路部分 振蕩電路部分我先用的是 32768HZ 的晶振和反向器 74LS00 接兩個電阻和兩個電容組成的振蕩電路，產(chǎn)生 32768HZ 的方波信號，經(jīng)過 15 級二分頻后得到 1HZ 的基準脈沖。擴展部分所需的頻率可以從 5 級二分頻得到 1024HZ 六級二分頻得到 512HZ 但是這樣用的集成塊較多，時間延遲較長。用 555 產(chǎn)生多諧振蕩方波也可，就是精確度和穩(wěn)定度不高。后來我就用的 1MHZ 的晶振產(chǎn)生 1MHZ 的頻率經(jīng)過 74LS90 組成的二-五-十的分頻器

42、，可很好的擴展部分所需的頻率。只是要用六塊 74LS90，后來我查了手冊，發(fā)現(xiàn) 4518 有兩片十進制分頻器，功能與 74LS90 又基本上相同，這樣就可少用集成塊，減少時間延時。在現(xiàn)用電路調(diào)試中，晶振的輸出頻率為 1MHz，用三片 CD4518 組成了六級十分頻電路，在調(diào)試中我對每級分路進行了測試。在第一級分頻后出現(xiàn)的脈沖信號為100KHz，經(jīng)過第二級得到了 10KHz 的標準脈沖，這樣一級級的分頻，經(jīng)過六次分頻后得到了標準的 1Hz 脈沖信號。計數(shù)電路部分20（1）小時計數(shù)部分這部分電路較復(fù)雜，在第一次焊接完成后的調(diào)試顯示中，發(fā)現(xiàn)小時的十位沒有變化，經(jīng)過分析、檢查發(fā)現(xiàn) 74LS74 的 3

43、 腳沒有接上。（2）秒計數(shù)電路部分這部分的調(diào)試中順利得到了結(jié)果即：秒計數(shù)器的個位能準確以十進制形式計數(shù)；秒計數(shù)器的十位也能準確以六進制的形式計數(shù)。當(dāng)秒計數(shù)器的個位計數(shù)到 9 后自動向秒計數(shù)器的十位計數(shù)。（3）分計數(shù)電路部分這部分的調(diào)試電路與秒計數(shù)器的電路一樣，在調(diào)試中不同的是秒計數(shù)電路的個位計數(shù)器 74LS90 的 14 腳接入振蕩電路部分的輸出端，而分計數(shù)電路的個位計數(shù)器74LS90 的 14 腳本該接校時電路，但是由于校時電路作為最后調(diào)試的電路， 所以在調(diào)試中 74LS90 的 14 腳與單次脈沖連接。調(diào)試的結(jié)果是：這部分的結(jié)果與秒計數(shù)電路部分的結(jié)果一樣。校時電路部分在整個電路的設(shè)計中，需

44、要用到兩個校時電路，兩個校時電路的功能相同，它們不同的是在電路的設(shè)計時，校分電路比校時電路少一個反相器，這是因為74LS191 為高電平有效而 74LS90 為低電平有效。調(diào)試的結(jié)果是：當(dāng)開關(guān)斷開時，分計數(shù)電路，小時計數(shù)電路正常計數(shù)，當(dāng)開關(guān)閉合時，校時電路進行校時。只是有時松開按鍵時，較時數(shù)會有點誤變化，經(jīng)過仔細分析，確定是由于在松按鍵時產(chǎn)生了抖動，如果接上 R-S 觸發(fā)器就能夠消抖。（二） 擴展電路部分 擴展部分的調(diào)試是在主體部分正確的情況下，才能完成的。有些也可模擬調(diào)試。1 定時控制：擴展部分的調(diào)試是在主體部分正確的情況下，才能完成的。單獨在實驗箱上可以調(diào)試其電路的輸入就用模擬開關(guān)輸入高低

45、電平。只要在輸入的變化下能夠控制風(fēng)21鳴器工作就行。因為這部分的電路比較簡單、原理也不難。所以這部分調(diào)試很快，一切很順利。有了以上主要在 DA 軟件虛擬平臺上實現(xiàn)， ，主體電路的功能接上電源后就能實現(xiàn)：能顯示時、分、秒的時間；小時的計數(shù)為“12 翻 1” ，分和秒的計時為 60 進位；擴展部分：定時控制；能夠校時、分。六.總結(jié)通過本次畢業(yè)設(shè)計,我明白了一個道理:無論做什么事情,都必需養(yǎng)成嚴謹,認真,善思的工作作風(fēng).我這畢業(yè)設(shè)計由于我采用的是數(shù)字電路來實現(xiàn)的,所以電路較復(fù)雜,但是容易理解.每一部分我都能理解并且能有多種設(shè)計方法.通過這次設(shè)計,我還掌握了制 PCB 的一系列步驟,在幾個月時間里,我把本設(shè)計的整個電路圖畫好了,并且畫好了 PCB 板圖.通過這次畢業(yè)設(shè)計，我又掌握了些元器件的用途以及它們的參數(shù)、性能。這次設(shè)計提高了我理論和實踐相結(jié)合的能力，增加了把理論用于實踐的興趣，同時也提高了我分析問題和解決問題的能力。沒有最好，只有更好。我相信通過這一次的畢業(yè)設(shè)計之后，我以后會更加努力，用嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度去面對一切。克服困難，戰(zhàn)勝自我，超越自我。 22 參考文獻參考文獻1康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ).數(shù)字部