數(shù)字電子鐘設(shè)計(jì)方案

1、目 錄數(shù)字電子鐘設(shè)計(jì)方案數(shù)字計(jì)時(shí)器的設(shè)計(jì)思想要想構(gòu)成數(shù)字鐘，首先應(yīng)選擇一個(gè)脈沖源能自動(dòng)地產(chǎn)生穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖信號(hào)。而脈沖源產(chǎn)生的脈沖信號(hào)地頻率較高，因此，需要進(jìn)行分頻，使得高頻脈沖信號(hào)變成適合于計(jì)時(shí)的低頻脈沖信號(hào)，即“秒脈沖信號(hào)”（頻率為1Hz）。經(jīng)過分頻器輸出的秒脈沖信號(hào)到計(jì)數(shù)器中進(jìn)行計(jì)數(shù)。由于計(jì)時(shí)的規(guī)律是：60秒=1分，60分=1小時(shí)，24小時(shí)=1天，就需要分別設(shè)計(jì)60進(jìn)制，24進(jìn)制計(jì)數(shù)器，并發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。各計(jì)數(shù)器輸出信號(hào)經(jīng)譯碼器、驅(qū)動(dòng)器到數(shù)字顯示器，是“時(shí)”、“分”、“秒”得以數(shù)字顯示出來。值得注意的是：任何記時(shí)裝置都有誤差，因此應(yīng)考慮校準(zhǔn)時(shí)間電路。校時(shí)電路一般采用自動(dòng)快速調(diào)整和手動(dòng)調(diào)

2、整 “自動(dòng)快速調(diào)整”可利用分頻器輸出的不同頻率的脈沖使顯示時(shí)間自動(dòng)迅速調(diào)整時(shí)間?！笆謩?dòng)調(diào)整”可利用手動(dòng)的節(jié)拍調(diào)準(zhǔn)顯示時(shí)間。數(shù)字電子鐘組成框圖數(shù)字鐘的組成框圖如圖1.1所示分別由顯示電路，譯碼電路，計(jì)數(shù)器，校時(shí)電路，和脈沖產(chǎn)生的分頻器及振蕩器。圖1.1數(shù)字鐘的一般構(gòu)成框圖單元電路設(shè)計(jì)及元器件參數(shù)選擇秒信號(hào)電路它是數(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圖1.2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1.2多諧振蕩器電路與分頻電路f=1/0.7(Rw+2R)C多諧振

3、蕩器的頻率設(shè)計(jì)為2Hz，R為50kC為4.7F。f=1/0.7(Rw+2R)C=1/0.7(50+2*51)*103*4.7*10-62Hz調(diào)節(jié)電位器Rw，使多諧振蕩器產(chǎn)生頻率為2Hz的方波信號(hào)。多諧振蕩器產(chǎn)生的2Hz脈沖信號(hào)經(jīng)過CD4013組成的分頻器，進(jìn)行2分頻，輸出1Hz的秒脈沖為計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖。555定時(shí)器的引腳圖如圖1.3所示。圖1.3555定時(shí)器引腳圖D觸發(fā)器CD4013的引腳圖如圖1.4所示圖1.4 CD4013引腳圖時(shí)、分、秒計(jì)數(shù)器秒信號(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。“秒”和“分”計(jì)數(shù)器應(yīng)為六十進(jìn)制，而“時(shí)”計(jì)數(shù)器應(yīng)

4、為二十四進(jìn)制。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或74LS161。a.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74LS161，一塊組成十進(jìn)制，另一塊組成六進(jìn)制。組合起來就構(gòu)成六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，如圖1.5所示六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。圖 1.5兩塊74LS160構(gòu)成的六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器b.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0100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)生反饋清零信號(hào)，如圖1.6所示為二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器。圖 1.6兩塊74LS160構(gòu)成的二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器譯碼顯示電路選用器件時(shí)應(yīng)當(dāng)注意

5、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CD4511，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1.7所示為計(jì)數(shù)、譯碼顯示電路。1.7計(jì)數(shù)、譯碼顯示電路1.3.4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)。置開關(guān)在手動(dòng)位置，分別對(duì)時(shí)、分、秒進(jìn)行單獨(dú)計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)脈沖由單次脈沖或連續(xù)脈沖輸入。校時(shí)電路如圖1.12所示為校時(shí)電路。由與非門和二個(gè)開關(guān)組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)“時(shí)”、“分”的校準(zhǔn)。1.12校時(shí)電路當(dāng)校時(shí)開關(guān)K1、K2扳到A端時(shí)，校時(shí)的2Hz脈沖輸送到時(shí)計(jì)數(shù)器和分計(jì)數(shù)器個(gè)位的CP端，

6、進(jìn)行時(shí)計(jì)數(shù)器和分計(jì)數(shù)器“時(shí)”、“分”的校準(zhǔn)。當(dāng)校時(shí)開關(guān)K1、K2扳到B端時(shí)，時(shí)計(jì)數(shù)器和分計(jì)數(shù)器的進(jìn)位脈沖輸送到時(shí)計(jì)數(shù)器和分計(jì)數(shù)器個(gè)位的CP端，時(shí)鐘正常計(jì)時(shí)。1.3.5總體電路數(shù)字鐘以成為人們常生活中數(shù)字電子鐘一般由振蕩器，分頻器，譯碼器，顯示器等部分組成。數(shù)字鐘的應(yīng)用非常廣泛，應(yīng)用于人家庭以及車站。碼頭。劇場(chǎng)，辦公室等公共場(chǎng)所，給人們的生活，學(xué)習(xí)，工作，娛樂帶來極大的方便，由于數(shù)字集成電路技術(shù)的發(fā)展和采用了先進(jìn)的石英技術(shù)，使數(shù)字鐘具有走時(shí)準(zhǔn)確，性能穩(wěn)定，攜帶方便等特點(diǎn)，它還用于計(jì)時(shí)，自動(dòng)報(bào)時(shí)及自動(dòng)控制等各個(gè)領(lǐng)域。 盡管目前市場(chǎng)上以有現(xiàn)成數(shù)字鐘集成電路芯片，價(jià)格便宜這些都是數(shù)字電路中最基本的，應(yīng)

7、用最廣的電路。數(shù)字電子鐘的基本邏輯功能框圖如下：它是一個(gè)將“時(shí)”，“分”，“秒”顯示于人的視覺器官的計(jì)時(shí)裝置。他的計(jì)時(shí)裝置的周期為24小時(shí)，顯示滿刻度為23時(shí)59分59秒，另外應(yīng)有校時(shí)功能。因此，一個(gè)基本數(shù)字鐘主要由五部分組成。1555定時(shí)器原理：晶體震蕩器的作用是產(chǎn)生時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。數(shù)字鐘的精度，主要取決于時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的頻率及其穩(wěn)定度。因此，一般用石英震蕩器經(jīng)過分得到。雙極型555定時(shí)器由電阻分壓器、比較器、基本RS觸發(fā)器、雙極型三極管T和輸出緩沖器組成。2計(jì)數(shù)器原理：有了時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)：“秒”信號(hào)后，就可以根據(jù)60秒為1分，60分為1小時(shí)，24小時(shí)為一天的計(jì)數(shù)周期，分別組成兩個(gè)60進(jìn)制，一個(gè)24進(jìn)

8、制的計(jì)數(shù)器。將這些計(jì)數(shù)器適當(dāng)連接，就可以夠成秒，分時(shí)的計(jì)數(shù)器 ，實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)功能。CD4518是一個(gè)同步加法計(jì)數(shù)器，在一個(gè)封裝中含有兩個(gè)可互換二/十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其功能引腳分別為17和915.該CD4518計(jì)數(shù)器是單路系列脈沖輸入4路BCD碼信號(hào)輸出。分別由CD4518組成60進(jìn)制和24進(jìn)制實(shí)現(xiàn)秒，分，時(shí)的正常計(jì)數(shù)。3譯碼和數(shù)碼顯示電路原理：譯碼和數(shù)碼顯示電路是將數(shù)字鐘的計(jì)時(shí)狀態(tài)直觀清晰地反映出來，被人們的視覺器官所接受。顯示器件選用LED七段數(shù)碼管。在譯碼及數(shù)碼顯示電路輸出信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，顯示出清晰直觀的數(shù)字符號(hào)。CD4511是一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)共陰極 LED（數(shù)碼管）顯示器的 BCD碼七段碼譯碼器，特點(diǎn)

9、：具有BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動(dòng)功能的CMOS電路能提供較大的拉電流。可直接驅(qū)動(dòng)LED顯示器。4校時(shí)電路原理：實(shí)際的數(shù)字鐘電路由于秒信號(hào)的精確性和不可能做到完全準(zhǔn)確無誤，加之電路中其他原因，數(shù)字鐘總會(huì)產(chǎn)生其他原因，數(shù)字鐘總會(huì)產(chǎn)生走時(shí)誤差的現(xiàn)象，因此，電路中就應(yīng)該有校準(zhǔn)時(shí)間的功能的電路。CD4011為兩輸入與非門集成電路，校時(shí)電路由與非門組成當(dāng)校時(shí)開關(guān)K1、K2扳到A端時(shí)，校時(shí)的2Hz脈沖輸送到時(shí)計(jì)數(shù)器和分計(jì)數(shù)器個(gè)位的CP端，進(jìn)行時(shí)計(jì)數(shù)器和分計(jì)數(shù)器“時(shí)”、“分”的校準(zhǔn)。當(dāng)校時(shí)開關(guān)K1、K2扳到B端時(shí)，時(shí)計(jì)數(shù)器和分計(jì)數(shù)器的進(jìn)位脈沖輸送到時(shí)計(jì)數(shù)器和分計(jì)數(shù)器個(gè)位的CP端，時(shí)鐘正常計(jì)時(shí)。

10、如圖1.13所示為電子鐘整體電路。圖1.13 數(shù)字電子鐘電路1.4安裝與調(diào)試1 首先調(diào)試多諧振蕩器。用示波器觀察多諧振蕩器輸出波形，確定多諧振蕩器是否正常工作，振蕩頻率是否是2Hz。調(diào)節(jié)電位器Rw，使多諧振蕩器產(chǎn)生頻率為2Hz的方波信號(hào)。2 調(diào)試分頻器。用示波器觀察分頻器輸出波形，確定信號(hào)頻率是否是1Hz。3調(diào)試計(jì)數(shù)、譯碼顯示電路。將秒信號(hào)輸送給秒計(jì)數(shù)器、分計(jì)數(shù)器、和時(shí)計(jì)數(shù)器，觀察各計(jì)數(shù)器是否工作正常。4 調(diào)試校時(shí)電路。觀察校時(shí)電路是否起到校時(shí)作用。5 整體調(diào)試。各部分電路連接起來，觀察電子鐘是否正常工作。數(shù)制日常生活中，最常用的進(jìn)位數(shù)制是十進(jìn)制。而在數(shù)字系統(tǒng)中，多采用二進(jìn)制數(shù)，有時(shí)也采用八進(jìn)

11、制數(shù)或十六進(jìn)制數(shù)。電子鐘設(shè)計(jì)用到的計(jì)數(shù)器只識(shí)別二進(jìn)制數(shù)，因此這一節(jié)對(duì)數(shù)制進(jìn)行說明。十進(jìn)制十進(jìn)制特點(diǎn)是“逢十進(jìn)一”，有0，1，2，3，4，5，6，7，8，9十個(gè)數(shù)碼。一個(gè)數(shù)的大小決定于數(shù)碼的位置，即數(shù)位。例如十進(jìn)制數(shù)1995可寫成展開式：1995=1*103+9*102+9*101+5*100二進(jìn)制二進(jìn)制數(shù)的特點(diǎn)是“逢二進(jìn)一”，只有0，1兩個(gè)數(shù)碼。從二進(jìn)制數(shù)的特點(diǎn)可以看到它具有的優(yōu)點(diǎn)。第一，只有兩個(gè)數(shù)碼，只需反映兩種狀態(tài)的元件就可表示一位數(shù)。因此，構(gòu)成二進(jìn)制數(shù)電路的基本單元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。第二，儲(chǔ)存和傳遞可靠。第三，運(yùn)算簡(jiǎn)便，所以在計(jì)算機(jī)中都使用二進(jìn)制數(shù)。十六進(jìn)制用二進(jìn)制表示一個(gè)較大的數(shù)，位數(shù)太多，書

12、寫和閱讀均不方便，因此在計(jì)算機(jī)中還常常使用十六進(jìn)制數(shù)。十六進(jìn)制的特點(diǎn)是“逢十六進(jìn)一”，有0-9，A-F這16個(gè)數(shù)碼。主要元件介紹芯片CD4511原理：CD4511是一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)共陰極 LED （數(shù)碼管）顯示器的 BCD 碼七段碼譯碼器，特點(diǎn)：具有BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動(dòng)功能的CMOS電路能提供較大的拉電流。可直接驅(qū)動(dòng)LED顯示器。CD4511引腳功能：BI：4腳是消隱輸入控制端，當(dāng)BI=0時(shí)，不管其它輸入端狀態(tài)是怎么樣的，七段數(shù)碼管都會(huì)處于消隱也就是不顯示的狀態(tài)。 LE：鎖定控制端，當(dāng)LE=0時(shí)，允許譯碼輸出。 LE=1時(shí)譯碼器是鎖定保持狀態(tài)，譯碼器輸出被保持在LE=0時(shí)的數(shù)

13、值。LT：3腳是測(cè)試信號(hào)的輸入端，當(dāng)BI=1，LT=0時(shí)，譯碼輸出全為1，不管輸入 DCBA 狀態(tài)如何，七段均發(fā)亮全部顯示。它主要用來檢測(cè)數(shù)7段碼管是否有物理損壞。A1、A2、A3、A4、為8421BCD碼輸入端。 a、b、c、d、e、f、g：為譯碼輸出端，輸出為高電平1有效。CD4511的里面有上拉電阻，可直接或者接一個(gè)電阻與七段數(shù)碼管接口如圖2.1所示為CD4511引腳圖圖2.1 CD4511引腳圖芯片CD4518原理：CD4518是一個(gè)同步加計(jì)數(shù)器，在一個(gè)封裝中含有兩個(gè)可互換二/十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其功能引腳分別為17和915.該CD4518計(jì)數(shù)器是單路系列脈沖輸入（1腳或2腳；9腳或10腳）

14、，4路BCD碼信號(hào)輸出（3腳6腳；11腳14腳）。CD4518控制功能：CD4518有兩個(gè)時(shí)鐘輸入端CP和EN若用時(shí)鐘上升沿觸發(fā)信號(hào)由CP輸入此時(shí)EN端為高電平（1）若用時(shí)鐘下降沿觸發(fā)信號(hào)由EN輸入此時(shí)CP端為低噸平（0）同時(shí)復(fù)位端Cr也保持低電平（0）只有滿足了這些條件時(shí)電路才會(huì)處于計(jì)數(shù)狀態(tài).否則沒辦法工作。將數(shù)片CD4518串行級(jí)聯(lián)時(shí)，盡管每片CD4518屬并行計(jì)數(shù)，但就整體而言已變成串行計(jì)數(shù)了。需要指出，CD4518未設(shè)置進(jìn)位端，但可利用Q4做輸出端。有人誤將第一級(jí)的Q4端接到第二級(jí)的CP端，結(jié)果發(fā)現(xiàn)計(jì)數(shù)變成“逢八進(jìn)一”了。原因在于Q4是在CP8作用下產(chǎn)生正跳變的，其上升沿不能作進(jìn)位脈沖

15、，只有其下降沿才是“逢十進(jìn)一”的進(jìn)位信號(hào)。正確接法應(yīng)是將低位的Q4端接高位的EN端，高位計(jì)數(shù)器的CP端接USS。CD4518是一個(gè)雙BCD同步加計(jì)數(shù)器，由兩個(gè)相同的同步4級(jí)計(jì)數(shù)器組成。CD4518引腳功能(管腳功能)：1CP、2CP：時(shí)鐘輸入端。1CR、2CR：清除端。1EN、2EN：計(jì)數(shù)允許控制端。1Q01Q3：計(jì)數(shù)器輸出端。2Q02Q3：計(jì)數(shù)器輸出端。Vdd：正電源。Vss：地。如圖2.2所示為CD4518引腳圖圖2.2 CD4518引腳圖 CD4011芯片CD4011原理：CD4011為兩輸入與非門集成電路。當(dāng)兩輸入短有一個(gè)輸入為0，輸出就為0。只有當(dāng)輸入均為1時(shí)，輸出才為1。CD401

16、1引腳功能：AB:與非門的兩個(gè)輸入端。Y：與非門的輸出端。VDD：高電平。GND：低電平。如圖2.3為CD4011引腳圖。圖2.3 CD4011引腳圖芯片在電子技術(shù)中，N/2(N為奇數(shù))分頻電路有著重要的應(yīng)用，對(duì)一個(gè)特定的輸入頻率，要經(jīng)N/2分頻后才能得到所需要的輸出，這就要求電路具有N/2的非整數(shù)倍的分頻功能。CD4013是雙D觸發(fā)器，在以CD4013為主組成的若干個(gè)二分頻電路的基礎(chǔ)上，加上異或門等反饋控制，即可很方便地組成N/2分頻電路。從以上幾個(gè)N/2分頻電路可得到如下幾個(gè)特性：1電路工作原理是，在第n個(gè)周期，末級(jí)兩分頻器的輸出為高電平時(shí)，輸入時(shí)鐘脈沖的上升沿使分頻電路工作；在第n1個(gè)周

17、期，末級(jí)兩分頻器的輸出為低電平時(shí)，輸入時(shí)鐘脈沖的下降沿使分頻電路工作。2電路采用的是異步觸發(fā)形式，各觸發(fā)器的初始狀態(tài)不會(huì)影響到分頻的功能。3輸入信號(hào)fi的最高工作頻率fimax除受到CMOS元件fM的限制外，還受到D觸發(fā)器、反饋門翻轉(zhuǎn)延遲和電容C濾波頻率特性的影響，所以應(yīng)盡可能提高fi的值如圖2.4所示為CD4011引腳圖。圖2.4 CD4011引腳圖雙極型555定時(shí)器由電阻分壓器、比較器、基本RS觸發(fā)器、雙極型三極管T和輸出緩沖器組成，其外部有八個(gè)引腳，第8腳為電源端，第1腳為接地端，第3腳為輸出端，第4腳為直接復(fù)位端，第5腳為控制電壓輸入端，第6腳為復(fù)位控制端，第2腳為置位控制端，第7腳為

18、放電端。如圖2.5所示為555定時(shí)器引腳圖。圖2.5 555定時(shí)器引腳圖我們學(xué)習(xí)了數(shù)字電子電路和模擬電子電路，對(duì)電子技術(shù)有了一些初步了解，但那都是一些理論的東西。通過這次數(shù)字電子鐘的課程設(shè)計(jì)，我們才把學(xué)到的東西與實(shí)踐相結(jié)合。從中對(duì)我們學(xué)的知識(shí)有了更進(jìn)一步的理解。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(jiǎn)單的課程設(shè)計(jì)，但通過這次課程設(shè)計(jì)我們了解了課程設(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，而是同學(xué)們對(duì)待問題時(shí)的態(tài)度和處理事情的能力。至于設(shè)計(jì)的成績(jī)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(gè)環(huán)節(jié)，電路中各個(gè)部分的功能是如何實(shí)現(xiàn)的。各個(gè)芯片能夠完成什么樣的功能，使用芯片時(shí)應(yīng)該注意那些要點(diǎn)。同一個(gè)電路可以用那些芯片實(shí)現(xiàn)，各個(gè)芯片實(shí)現(xiàn)同一個(gè)功能的區(qū)別。另外