基準(zhǔn)數(shù)字時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

1、湖南文理學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告 評(píng)閱意見： 評(píng)閱教師 日期 基準(zhǔn)數(shù)字時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)1.設(shè)計(jì)任務(wù)和基本要求 1.1設(shè)計(jì)任務(wù) 用中小規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)一臺(tái)能顯示時(shí)、分、秒的數(shù)字時(shí)鐘。 1.2基本要求 時(shí)鐘功能：6位數(shù)字（時(shí)、分、秒）顯示。 校時(shí)功能：能快速校準(zhǔn)“時(shí)” 、“分” 、“秒”的功能?？梢苑謩e對(duì)時(shí)及分進(jìn)行單獨(dú)校時(shí)，使其校正到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。 整時(shí)報(bào)時(shí)功能：設(shè)計(jì)要求具有整時(shí)報(bào)時(shí)功能，當(dāng)時(shí)間到達(dá)整點(diǎn)前10秒進(jìn)行蜂鳴報(bào)時(shí)，要求報(bào)時(shí)聲為4底1高。 畫出電路原理圖。 進(jìn)行電路的仿真與調(diào)試。2.工作原理 2.1設(shè)計(jì)要點(diǎn) 設(shè)計(jì)一個(gè)精確的秒脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路。 設(shè)計(jì)60進(jìn)制、24進(jìn)制的計(jì)數(shù)器。 設(shè)計(jì)操作方便的校時(shí)電路。 設(shè)

2、計(jì)整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路。 2.2工作原理數(shù)字電子鐘由信號(hào)發(fā)生器、“時(shí)、分、秒”計(jì)數(shù)器、譯碼器及顯示器、校時(shí)電路、整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路等組成。秒信號(hào)產(chǎn)生器是整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)基信號(hào)，它直接決定計(jì)時(shí)系統(tǒng)的精度，一般用555構(gòu)成的振蕩器加分頻器來實(shí)現(xiàn)。將標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)送入“秒計(jì)數(shù)器”，該計(jì)數(shù)器采用60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，每累計(jì)60秒發(fā)出一個(gè)“分脈沖”信號(hào)，該信號(hào)將作為“分計(jì)數(shù)器”的時(shí)鐘脈沖?！胺钟?jì)數(shù)器”也采用60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，每累計(jì)60分，發(fā)出一個(gè)“時(shí)脈沖”信號(hào)，該信號(hào)將被送到“時(shí)計(jì)數(shù)器”?！皶r(shí)計(jì)數(shù)器”采用24進(jìn)制計(jì)數(shù)器，可以實(shí)現(xiàn)一天24h的累計(jì)。譯碼顯示電路將“時(shí)、分、秒”計(jì)數(shù)器的輸出狀態(tài)經(jīng)七段顯示譯碼器譯碼，通過六位LED顯示

3、器顯示出來。整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路是根據(jù)計(jì)時(shí)系統(tǒng)的輸出狀態(tài)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，然后去觸發(fā)音頻發(fā)生器實(shí)現(xiàn)報(bào)時(shí)。校時(shí)電路是來對(duì)“時(shí)、分、秒”顯示數(shù)字進(jìn)行校對(duì)調(diào)整。其數(shù)字電子鐘系統(tǒng)框圖如下：圖1 數(shù)字電子鐘系統(tǒng)框圖2.2.1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(dòng)，有了機(jī)械振動(dòng)，就會(huì)在相應(yīng)的垂直面上產(chǎn)生電場，從而機(jī)械振動(dòng)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(shí)，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(shí)精度越高，但耗電量將增大。如果精度要求不高也

4、可以采用由集成電路定時(shí)器555與RC組成的多諧振蕩器。2.2.2分頻器由于振蕩器產(chǎn)生的頻率很高，要得到秒脈沖，需要分屏電路。本實(shí)驗(yàn)由集成電路定時(shí)器555與RC組成的多諧振蕩器，產(chǎn)生1KHz的脈沖信號(hào)。一是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)，一是提供功能擴(kuò)電路所需要的信號(hào)。2.2.3計(jì)數(shù)器 根據(jù)計(jì)數(shù)周期分別組成兩個(gè)60進(jìn)制（秒、分）和一個(gè)24進(jìn)制（時(shí)）的計(jì)數(shù)器，把它們適當(dāng)連接舊可以構(gòu)成秒、分、時(shí)的計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)功能。2.2.4譯碼和數(shù)碼顯示電路譯碼和數(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?？杀蝗藗兊囊曈X器官所接受。顯示器件選用LED七段數(shù)碼管。在譯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)

5、。2.2.5校時(shí)電路數(shù)字鐘電路由于秒信號(hào)的精確性和穩(wěn)定性不可能做到完全準(zhǔn)確無誤，又因?yàn)殡娐分衅渌脑驍?shù)字鐘總會(huì)產(chǎn)生走時(shí)誤差的現(xiàn)象。所以，電路中就應(yīng)該有校準(zhǔn)時(shí)間功能的電路。2.2.6報(bào)時(shí)電路當(dāng)數(shù)字鐘顯示整點(diǎn)時(shí)，應(yīng)能報(bào)時(shí)。要求當(dāng)數(shù)字鐘的“分”和“秒”計(jì)數(shù)器計(jì)到59分50秒時(shí)，驅(qū)動(dòng)音響電路，要求每隔一秒音響電路鳴叫一次，每次叫聲的時(shí)間持續(xù)1秒，10秒中內(nèi)自動(dòng)發(fā)出5聲鳴叫，并且前4聲低，最后一聲高，正好報(bào)整點(diǎn)。3.電路設(shè)計(jì) 3.1秒、分、時(shí)計(jì)數(shù)器電路設(shè)計(jì) 3.3.1秒計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)及安裝秒信號(hào)發(fā)生器是數(shù)字電子鐘的核心部分，它的精度和穩(wěn)定度決定了時(shí)信號(hào)發(fā)生器和分信號(hào)發(fā)生器的精度。通常用晶體振蕩器產(chǎn)生的脈

6、沖，經(jīng)過整行、分頻獲得1Hz的秒脈沖。常用的典型電路入圖所示：常用的典型電路入圖所示： 圖2 秒信號(hào)發(fā)生電路圖 秒計(jì)數(shù)器為60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，實(shí)現(xiàn)此模數(shù)的計(jì)數(shù)器是由兩片中規(guī)模集成計(jì)數(shù)器74LS90構(gòu)成。首先將兩片74LS90設(shè)置成10進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。將兩片的74LS90的置數(shù)端s1和s0都接地，將“CP1” 接到Q0端，以Q3為位進(jìn)位端，則構(gòu)成了10進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。再將其中一片（以下都稱片1）74LS90計(jì)數(shù)器的進(jìn)位輸出端Q3接到另一片（以下都稱片2）74LS90的進(jìn)位輸入端CP0，如此，兩片計(jì)數(shù)器最大的即可實(shí)現(xiàn)100進(jìn)制的計(jì)數(shù)器。接下來，利用74LS90的“反饋置零”的方法實(shí)現(xiàn)60進(jìn)制。74LS

7、90屬于一步置數(shù)，所以計(jì)數(shù)器輸出“2Q32Q22Q12Q0、1Q31Q21Q11Q0=0110、0000時(shí),通過置數(shù)脈沖使計(jì)數(shù)器清零,也就是此時(shí)Q2,Q1發(fā)出置數(shù)脈沖松脂清零端R1,R0使計(jì)數(shù)器清零。 3.1.2分計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)及安裝分計(jì)數(shù)器也是60進(jìn)制計(jì)數(shù)器。同秒計(jì)數(shù)器一樣是由兩片中規(guī)模集成計(jì)數(shù)器74LS90構(gòu)成。將兩片74LS90按同秒計(jì)數(shù)器的方法接成10進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，再按同秒計(jì)數(shù)器的方法接成可實(shí)現(xiàn)100進(jìn)制的計(jì)數(shù)器。再用同秒計(jì)數(shù)器的方法實(shí)現(xiàn)60進(jìn)制。 圖3 分信號(hào)發(fā)生電路圖3.1.3時(shí)計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)及安裝時(shí)計(jì)數(shù)器是24進(jìn)制計(jì)數(shù)器。實(shí)現(xiàn)此模數(shù)的計(jì)數(shù)器是由兩片中規(guī)模集成計(jì)數(shù)器74LS90構(gòu)成。

8、同分、秒計(jì)數(shù)器一樣,先將兩片計(jì)數(shù)器74LS90連接成10進(jìn)制的加法計(jì)數(shù)器,再把兩片計(jì)數(shù)器74LS90用秒計(jì)數(shù)器的方法接成可實(shí)現(xiàn)100進(jìn)制的計(jì)數(shù)器.當(dāng)計(jì)數(shù)器狀態(tài)為2Q32Q22Q12Q0、1Q31Q21Q11Q0=0010、0100時(shí),要求計(jì)數(shù)器歸零.通過2Q1、1Q2送出的指數(shù)脈沖使兩片計(jì)數(shù)器74LS90同時(shí)歸零,這樣就構(gòu)成了24進(jìn)制計(jì)數(shù)器。圖4 時(shí)信號(hào)發(fā)生電路圖3.2實(shí)現(xiàn)進(jìn)位 將秒計(jì)數(shù)器的第14個(gè)管腳與分顯示器個(gè)位上的C相連接,將分計(jì)數(shù)器的第14個(gè)管腳與時(shí)顯示器個(gè)位上的C相連接,即可實(shí)現(xiàn)秒計(jì)數(shù)器的脈沖打入分顯示器,分計(jì)數(shù)器的脈沖打入時(shí)顯示器.可達(dá)到進(jìn)位的目的。3.3譯碼顯示電路圖5譯碼電路的

9、功能是將“秒”“分”“時(shí)”計(jì)數(shù)器的輸出代碼進(jìn)行編譯，變成相應(yīng)的數(shù)字。用于驅(qū)動(dòng)LED七段譯碼器常用的有74LS47.74LS47是BCD-7段譯碼器/驅(qū)動(dòng)器，其輸出是OC門輸出且低電平有效，專用于驅(qū)動(dòng)LED七段共陽極顯示數(shù)碼管。由74LS47和LED七段共陽數(shù)碼管組成的一位數(shù)碼顯示電路。若將“秒”“分”“時(shí)”計(jì)數(shù)器的每位輸出分別接到相應(yīng)七段譯碼器的輸入端，便可進(jìn)行不同數(shù)字顯示。在譯碼器輸出與數(shù)碼管之間串聯(lián)的R為限流電阻。當(dāng)數(shù)字鐘的計(jì)數(shù)器在CP脈沖的作用下，按60秒為一分，60分為一小時(shí)，24小時(shí)為1天的計(jì)數(shù)規(guī)律計(jì)數(shù)時(shí)，就應(yīng)將其狀態(tài)顯示成清晰的數(shù)字符號(hào)，需要將計(jì)數(shù)器的狀態(tài)進(jìn)行譯碼并將其顯示出來。

10、我們選用的計(jì)數(shù)器全部是二十進(jìn)制集成片，“秒”，“分”，“時(shí)”的個(gè)位和十位的狀態(tài)分別由集成片中的四個(gè)觸發(fā)器的輸出狀態(tài)反映的。每組輸出的計(jì)數(shù)狀態(tài)都按BCD代碼以高低電平來表現(xiàn)。因此，需要經(jīng)過譯碼電路將計(jì)數(shù)器輸出的BCD代碼變成能驅(qū)動(dòng)七段數(shù)碼顯示器的工作信號(hào)。將計(jì)數(shù)器和譯碼顯示器連在一起。其電路圖5所示圖5 譯碼顯示電路3.4分頻電路 3.4.1振蕩電路振蕩器是數(shù)字鐘的心臟，它是產(chǎn)生時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)的電路。為了制作簡便，在精度要求不高的條件下，本系統(tǒng)中的振蕩電路選用了555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器，如下圖： 圖6 振蕩器電路多諧振蕩器的振蕩頻率可由以下公式估計(jì)f=1/T1/0.69（R1+2R2）C由于

11、實(shí)驗(yàn)需要，設(shè)f=1KHZ，由上面的公式推算出：R1=4.7K，R2=5.1K，C=0.1F3.4.2分頻器電路由上面555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器發(fā)出的信號(hào)經(jīng)過分頻器電路得到時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，選用三片74LS90進(jìn)行級(jí)聯(lián)，因?yàn)槊科瑸?/10分頻器，三片級(jí)聯(lián)好獲得1Hz標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖。電路圖如下所示： 圖7 分頻器電路3.5校時(shí)電路校時(shí)電路是數(shù)字鐘不可缺少的部分，每當(dāng)叔祖鐘顯示與實(shí)際時(shí)間不符時(shí)，需要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間進(jìn)行校時(shí)。簡單有效的校時(shí)電路如圖所示。該電路針對(duì)秒計(jì)時(shí)脈沖、分計(jì)時(shí)脈沖進(jìn)行控制。達(dá)到校時(shí)的目的?？刂坪髮?duì)應(yīng)秒計(jì)時(shí)脈沖為CP，分計(jì)時(shí)脈沖為CP1，時(shí)計(jì)時(shí)脈沖為CP2。其具體原理圖如下： 圖8 校時(shí)電路

12、?！懊搿睍r(shí)，將開關(guān)S3按下，此時(shí)門電路G7被封鎖，1Hz的秒信號(hào)進(jìn)入不到“秒計(jì)數(shù)器”中，此時(shí)暫停秒計(jì)時(shí)。當(dāng)數(shù)字鐘秒顯示值與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間秒數(shù)值相同時(shí)，立即松開S3，數(shù)字鐘秒顯示與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間秒計(jì)時(shí)同步運(yùn)行，完成秒校時(shí)。校“分”、“時(shí)”的原理比較簡單。例如“分校時(shí)”G4、G5、G6、G8組合門電路來完成。當(dāng)進(jìn)行分校時(shí)時(shí)，按下開關(guān)S2，由于門G6、G8輸出高電平，封鎖秒十進(jìn)制位脈沖，同時(shí)1Hz脈沖信號(hào)直接通過G5、G4門電路被送到分計(jì)時(shí)的個(gè)位計(jì)數(shù)器中，使分計(jì)數(shù)器一秒的節(jié)奏快速計(jì)數(shù)。當(dāng)分計(jì)數(shù)器的顯示與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間數(shù)值相符時(shí)，松開S即可。當(dāng)松開S時(shí)，門電G5路封鎖1Hz秒脈沖，輸出高電平，門電路G6接受來自秒計(jì)數(shù)器

13、的輸出進(jìn)位信號(hào)，分計(jì)數(shù)器正常。通理，“時(shí)”校時(shí)電流與“分”校時(shí)電路工作原理完全相同。當(dāng)然，校時(shí)方法很多，亦可以用手動(dòng)單次脈沖實(shí)現(xiàn)。3.6報(bào)時(shí)電路圖9 報(bào)時(shí)電路 數(shù)字鐘整點(diǎn)報(bào)時(shí)是最基本的功能之一。實(shí)驗(yàn)要求的是在離整點(diǎn)差10秒時(shí)，每隔一秒鳴叫一次，每次持續(xù)時(shí)間為一秒，共響5次，前4次為低音500Hz，最后一聲為高音1000Hz。整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路如圖9所示。整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路主要由控制門電路和音響電路兩部分組成。3.6.1控制門電路部分： 由11個(gè)與非門組成。圖中與非門的輸入信號(hào)Q4、Q3、Q2、Q1、分別表示“分十位”、“分個(gè)位”、“秒十位”、“秒個(gè)位”的狀態(tài)，下標(biāo)中的D、C、B、A分別表示組成計(jì)數(shù)器的四個(gè)

14、觸發(fā)器的狀態(tài)。由上圖可以看出：Y1=QC4*QA4*QD3*QA3Y2=Y1*QC2*QA 2 以上二式表示當(dāng)分十位為5（即QC4QA4=101）、分個(gè)位為9（即QD3QA3=1001）、秒十位為5（即QC2QA2=101）時(shí)，即59分50秒時(shí)發(fā)出控制信號(hào)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，數(shù)字鐘電路要求在59分51秒、53秒、55秒、59秒時(shí)各鳴叫一次。當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到59分50秒時(shí)，分、秒計(jì)數(shù)器的狀態(tài)為：QD4QC4QB4QA4=0101（分十位）QD3QC3QB3QA3=1001（分個(gè)位）QD2QC2QB2QA2=0101（秒十位）QD1QC1QB1QA1=0000（秒個(gè)位）前四聲計(jì)數(shù)器狀態(tài)發(fā)生在59分51秒至

15、59分58秒之間。因此，只有秒個(gè)位的狀態(tài)發(fā)生變化，而其他計(jì)數(shù)器的狀態(tài)無需變化，所以可保持不變。此時(shí) QC4=QA4=QD3=QA3=QC2=QA2=1不變，將它們相與即得Y2。而51秒、53秒、55秒、57，59秒時(shí)的秒計(jì)數(shù)器個(gè)位狀態(tài)分別為QD1QC1QB1QA1=0001（51秒）QD1QC1QB1QA1=0011（53秒）QD1QC1QB1QA1=0101（55秒）QD1QC1QB1QA1=0111（57秒）并根據(jù)需要，前四聲為低，則接如500Hz的脈沖信號(hào)。最后一聲的各計(jì)數(shù)器狀態(tài)分別如下：QD4QC4QB4QA4=0000（分十位）QD3QC3QB3QA3=0000（分個(gè)位）QD2QC2

16、QB2QA2=0000（秒十位）QD1QC1QB1QA1=0000（秒個(gè)位）即只須將分進(jìn)位信號(hào)和1KHz的脈沖信號(hào)接入即可。3.6.2音響電路音響電路采用射極輸出器，推動(dòng)8歐母的喇叭，三極管基極串接1K限流電阻，是為了防止電流過大損壞喇叭。4.電路原理圖 （見附圖）5.調(diào)試方法5.1計(jì)數(shù)器的安裝與調(diào)試按圖2，圖3，圖4電路在實(shí)驗(yàn)箱上連線。連線順序?yàn)槊胗?jì)數(shù)器，分計(jì)數(shù)器，時(shí)計(jì)數(shù)器。接好線路后，將秒計(jì)數(shù)器，分計(jì)數(shù)器，時(shí)計(jì)數(shù)器連接個(gè)位的芯片的第14個(gè)管腳分別接上脈沖上檢驗(yàn)所接電路是否為正確的。5.2譯碼顯示電路的安裝與調(diào)試按圖5電路在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)箱上連線。按已接好的脈沖調(diào)試，看看所接電路是否正確。5.

17、3振蕩器的安裝和調(diào)試按圖6電路在實(shí)驗(yàn)箱上連線。接上示波器，觀察波形可知道振蕩器安裝是否正確。5.4校時(shí)電路的安裝和調(diào)試按圖7所示的電路圖在數(shù)字實(shí)驗(yàn)箱上連線。將電路輸出接二極管。撥動(dòng)開關(guān)。觀察在CP作用下，輸出端二極管的顯示情況。根據(jù)開關(guān)的不同狀態(tài)，輸出端輸出頻率之比約為1：60，“開關(guān)”即數(shù)字實(shí)驗(yàn)箱上的邏輯電平開關(guān)。5.5整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路的安裝和調(diào)試按圖8在數(shù)字實(shí)驗(yàn)箱上連線。報(bào)時(shí)電路發(fā)出的聲響是59分1秒至59分60秒之間，59分的狀態(tài)是不變的。測試時(shí)，1KHz的CP信號(hào)可由實(shí)驗(yàn)箱上獲得，500Hz的CP信號(hào)可將1KHz的信號(hào)經(jīng)K觸發(fā)器二分頻得到。觀察計(jì)數(shù)器CP信號(hào)的作用下，喇叭發(fā)出聲響的情況。6

18、.實(shí)驗(yàn)心得經(jīng)過一個(gè)多星期的查閱資料和反復(fù)修改設(shè)計(jì)，終于完成了本次的課程設(shè)計(jì)。通過此次對(duì)數(shù)字電子電路時(shí)鐘的設(shè)計(jì)，讓我了解了設(shè)計(jì)電路的程序，也讓我了解了關(guān)于數(shù)字鐘的原理與設(shè)計(jì)理念，加強(qiáng)了我們對(duì)數(shù)字電子技術(shù)的更深一步認(rèn)識(shí)，加強(qiáng)了我們動(dòng)手、思考和解決問題的能力。在此次的數(shù)字鐘設(shè)計(jì)過程中,我更進(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，知道了理論聯(lián)系實(shí)際的重要性。認(rèn)識(shí)來源于實(shí)踐，實(shí)踐是認(rèn)識(shí)的動(dòng)力和最終目的，實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會(huì)服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際運(yùn)用能力和獨(dú)立思考的能力。誠然，在此次設(shè)計(jì)過程中，我也遇到不少困來，而且由于自己水平有限，難免會(huì)遇到過各種各樣