數(shù)字電子電路課程設(shè)計__電子鐘畢業(yè)設(shè)計(0)

1、 畢業(yè)論文設(shè)計成都電子機械高等專科學(xué)校畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）課題名稱 數(shù)字電子鐘電路的設(shè)計 專業(yè) 應(yīng)用電子技術(shù) 班級 T09221 姓名 鄭東 學(xué)號 22號 指導(dǎo)老師 吳睿 技術(shù)職稱 講師2011年 10月 20 日成都電子機械高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書學(xué)生姓名：鄭東 班級：T092211.畢業(yè)設(shè)計（論文）題目：數(shù)字電子鐘電路的設(shè)計2.畢業(yè)設(shè)計（論文）使用的原始資料數(shù)據(jù)及設(shè)計技術(shù)要求：(1)時間以24小時為一個周期. (2)顯示時 分 秒.(3)有校時功能，可以分別對時及分進行單獨調(diào)整，使其校正到標準時間。（4）為了保證計時精準穩(wěn)定，需要用刀晶體振蕩器提供表針時間基準信號。（5）做完電

2、路原理圖設(shè)計，印刷電路版設(shè)計。3.畢業(yè)設(shè)計（論文）完成時間及目的： 設(shè)計目的：1.熟悉集成電路的引腳安排。 2.掌握各芯片的邏輯功能及使用方法。 3.了解數(shù)字鐘的組成及工作原理。 4.熟悉數(shù)字鐘的設(shè)計與制作。日期：自2011年10月1日至2011年11月10日指導(dǎo)老師評語：_ 指導(dǎo)老師：_ 目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc306890365 【摘要】: PAGEREF _Toc306890365 h 5 HYPERLINK l _Toc306890366 前言 PAGEREF _Toc306890366 h 5 HYPERLINK l _Toc306890

3、367 1.數(shù)字鐘的組成和基本工作原理 PAGEREF _Toc306890367 h 6 HYPERLINK l _Toc306890368 振蕩器 PAGEREF _Toc306890368 h 7 HYPERLINK l _Toc306890369 分頻器電路 PAGEREF _Toc306890369 h 7 HYPERLINK l _Toc306890370 計數(shù)器 PAGEREF _Toc306890370 h 7 HYPERLINK l _Toc306890371 1.4 譯碼顯示電路 PAGEREF _Toc306890371 h 7 HYPERLINK l _Toc30689

4、0372 校時電路 PAGEREF _Toc306890372 h 7 HYPERLINK l _Toc306890373 報時電路 PAGEREF _Toc306890373 h 7 HYPERLINK l _Toc306890374 2.設(shè)計步驟與方法 PAGEREF _Toc306890374 h 8 HYPERLINK l _Toc306890375 振蕩電路 PAGEREF _Toc306890375 h 8 HYPERLINK l _Toc306890376 分頻器電路 PAGEREF _Toc306890376 h 8 HYPERLINK l _Toc306890377 計數(shù)器

5、PAGEREF _Toc306890377 h 9 HYPERLINK l _Toc306890378 計數(shù)器六十進制的接法 PAGEREF _Toc306890378 h 10 HYPERLINK l _Toc306890379 二十四進制計數(shù)器的接法 PAGEREF _Toc306890379 h 10 HYPERLINK l _Toc306890380 譯碼顯示電路 PAGEREF _Toc306890380 h 11 HYPERLINK l _Toc306890381 校時電路 PAGEREF _Toc306890381 h 13 HYPERLINK l _Toc306890382 整

6、點報時電路 PAGEREF _Toc306890382 h 14 HYPERLINK l _Toc306890383 控制門電路部分 PAGEREF _Toc306890383 h 14 HYPERLINK l _Toc306890384 音響電路部分 PAGEREF _Toc306890384 h 15 HYPERLINK l _Toc306890385 3.數(shù)字鐘電路原理圖 PAGEREF _Toc306890385 h 15 HYPERLINK l _Toc306890386 4.附錄 PAGEREF _Toc306890386 h 17 HYPERLINK l _Toc30689038

7、7 5.參考文獻 PAGEREF _Toc306890387 h 17數(shù)字鐘設(shè)計與制作【摘要】:數(shù)字鐘采用數(shù)字電路實現(xiàn)對“時”、“分”、“秒”數(shù)字顯示的計時裝置。具有時間顯示、鬧鐘設(shè)置、報時功能、校正作用。走時準確、顯示直觀、精度、穩(wěn)定等優(yōu)點。電路裝置十分小巧,安裝使用也方便。同時在日期中，它以其小巧，價格低廉，走時精度高，使用方便，功能多，便于集成化而受廣大消費的喜愛。關(guān)鍵字:晶體振蕩器、分頻器、計數(shù)器、顯示器和校時電路 前言20世紀末，電子技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展，在其推動下，現(xiàn)代電子產(chǎn)品幾乎滲透了社會的各個領(lǐng)域，有力地推動了社會生產(chǎn)力的發(fā)展和社會信息化程度的提高，同時也使現(xiàn)代電子產(chǎn)品性能進一

8、步提高，產(chǎn)品更新?lián)Q代的節(jié)奏也越來越快。數(shù)字鐘已成為人們?nèi)粘Ｉ钪校罕夭豢缮俚谋匦杵?，廣泛用于個人家庭以及車站、碼頭、劇場、辦公室等公共場所，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)展和采用了先進的石英技術(shù)，使數(shù)字鐘具有走時準確、性能穩(wěn)定、集成電路有體積小、功耗小、功能多、攜帶方便等優(yōu)點，因此在許多電子設(shè)備中被廣泛使用。電子鐘是人們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｓ玫挠嫊r工具，而數(shù)字式電子鐘又有其體積小、重量輕、走時準確、結(jié)構(gòu)簡單、耗電量少等優(yōu)點而在生活中被廣泛應(yīng)用，因此本次設(shè)計就用數(shù)字集成電路和一些簡單的邏輯門電路來設(shè)計一個數(shù)字式電子鐘，使其完成時間及星期的顯示功能。本次設(shè)計以數(shù)字電

9、子為主，分別對1S時鐘信號源、秒計時顯示、分計時顯示、小時計時顯示、整點報時及校時電路進行設(shè)計，然后將它們組合，來完成時、分、秒的顯示并且有整點報時和走時校準的功能。并通過本次設(shè)計加深對數(shù)字電子技術(shù)的理解以及更熟練使用計數(shù)器、觸發(fā)器和各種邏輯門電路的能力。電路主要使用集成計數(shù)器，例如CD4060、CD4518，譯碼集成電路，例如CD4511，LED數(shù)碼管及各種門電路和基本的觸發(fā)器等，電路使用5號電池共電，很適合在日常生活中使用。本次畢業(yè)設(shè)計得到南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院自控系葛先雷老師的大力支持，他提出了許多的意見和建議，在此表示衷心的感謝。由于本人能力有限，在設(shè)計中難免會出現(xiàn)錯誤與不足，希望各位老

10、師及讀者給予批評并提出寶貴意見。1.數(shù)字鐘的組成和基本工作原理數(shù)字鐘實際上是一個對標準頻率進行計數(shù)的計數(shù)電路。它的計時周期是24小時，由于計數(shù)器的起始時間不可能與標準時間（如北京時間）一致所以采用校準功能和報時功能。數(shù)字鐘電路主要由譯碼顯示器、校準電路、報時電路、時計數(shù)、分計數(shù)、秒計數(shù)器，振蕩電路和單次脈沖產(chǎn)生電路組成。其中電路系統(tǒng)由秒信號發(fā)生器、“時”、“分”、“秒”計數(shù)器、譯碼器及顯示器、校準電路、整點報時電路組成。秒信號產(chǎn)生器是整個系統(tǒng)的時基信號，它直接決定計時系統(tǒng)的精度，一般用石英晶體振蕩器加分頻器來實現(xiàn)，將標準秒信號送入“秒計數(shù)器”，“秒計數(shù)器”采用60進制計數(shù)器，每累計60秒發(fā)出一

11、個“分脈沖”信號，該信號將作為“分計數(shù)器”的時鐘脈沖。“分計數(shù)器”也采用60進制計數(shù)器，每累計60分鐘，發(fā)出一個時脈沖信號，該信號將被送到時計數(shù)器。時計數(shù)器采用24進制計時器，可實現(xiàn)對一天24小時的計時。譯碼顯示電路將“時”、“分”、“秒”計數(shù)器的輸出狀態(tài)通過顯示驅(qū)動電路，七段顯示譯碼器譯碼，在經(jīng)過六位LED七段顯示器顯示出來。整點報時電路時根據(jù)計時系統(tǒng)的輸出狀態(tài)產(chǎn)生一個脈沖信號，然后去觸發(fā)一音頻發(fā)生器實現(xiàn)低、高音報時。校準電路時用來對“時”、“分”、“秒”顯示數(shù)字進行校對調(diào)整的。如圖1所示多功能數(shù)字鐘的組成框圖。譯碼驅(qū)動譯碼驅(qū)動時十位計數(shù)分頻器電路分頻器電路振蕩器電路譯碼驅(qū)動譯碼驅(qū)動譯碼驅(qū)動

12、譯碼驅(qū)動時個位計數(shù)分十位計數(shù)分十位計數(shù)秒十位計數(shù)秒十位計數(shù)校時電路校分電路 圖1 數(shù)字鐘組成框圖振蕩器是數(shù)字鐘的核心,其的作用是產(chǎn)生一個頻率標準時間頻率信號,然后再由分頻器分秒脈沖,因此,振蕩器頻率的精度與穩(wěn)定度基本決定了數(shù)字電子鐘的質(zhì)量。振蕩器的穩(wěn)定度及頻率的精確度決定了數(shù)字鐘計時的準確程度，通常選用石英晶體構(gòu)成振蕩器電路。一般來說，振蕩器的頻率越高，計時精度越高。采用石英晶體振蕩器經(jīng)過分頻得到這一個頻率穩(wěn)定準確的32768Hz的方波信號。保證數(shù)字鐘的走時準確及穩(wěn)定。分頻器電路分頻器電路將32768z的高頻方波信號經(jīng)32768（215）次分頻后得到1Hz的方波信號供秒計數(shù)器進行計數(shù)。分頻器實

13、際上也就是計數(shù)器。本次設(shè)計是運用了CD4060分頻器進行分頻，分頻電路可提供512HZ和1024HZ的頻率，在經(jīng)CD4040分頻器進行一分頻，為此電路輸送一秒脈沖。時間計數(shù)電路由秒個位和秒十位計數(shù)器、分個位和分十位計數(shù)器及時個位和時十位計數(shù)器電路構(gòu)成，其中秒個位和秒十位計數(shù)器、分個位和分十位計數(shù)器為60進制計數(shù)器，通常用2個十進位計數(shù)器的集成片組成,其中”秒”個位是十進制,秒十位為六進制?？刹捎梅答仛w零變”秒”十位為六進制,實現(xiàn)秒的六十進制?！狈帧庇嫈?shù)器原理也一樣。而根據(jù)設(shè)計要求。1.4 譯碼顯示電路 是將數(shù)字鐘的計時狀態(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

14、。在譯碼顯示電路輸出信號的驅(qū)動下，顯示出清晰、直觀的數(shù)字符號.并且為保證數(shù)碼管正常工作提供足夠的工作電流。實際的數(shù)字鐘電路由于秒信號的精確性和穩(wěn)定性不可能做到完全(絕對)準確無誤，加之電路中其它原因，數(shù)字鐘總會產(chǎn)生走時誤差的現(xiàn)象。因此，電路中就應(yīng)該有校準時間功能的電路。當數(shù)字鐘顯示整點時，應(yīng)能報時。要求當數(shù)字鐘的“分”和“秒”計數(shù)器計到59分50秒時，驅(qū)動音響電路，要求每隔一秒音響電路嗚叫一次，每次叫聲的時間持續(xù)1秒，10秒鐘內(nèi)自動發(fā)出五聲嗚叫，且前四聲低，最后一聲高，正好報整點。2.設(shè)計步驟與方法晶體振蕩器是構(gòu)成數(shù)字式時鐘的核心，它保證了時鐘的走時準確及穩(wěn)定。如圖2所示電路通過非門構(gòu)成的輸出

15、為方波的數(shù)字式晶體振蕩電路，這個電路中，非門U1與晶體、電容和電阻構(gòu)成晶體振蕩器電路，U2實現(xiàn)整形功能，將振蕩器輸出的近似于正弦波的波形轉(zhuǎn)換為較理想的方波。輸出反饋電阻R1為非門提供偏置，使電路工作于放大區(qū)域，即非門的功能近似于一個高增益的反相放大器。電容C1、C2與晶體構(gòu)成一個諧振型網(wǎng)絡(luò)，完成對振蕩頻率的控制功能，同時提供了一個180度相移，從而和非門構(gòu)成一個正反饋網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了振蕩器的功能。由于晶體具有較高的頻率穩(wěn)定性及準確性，從而保證了輸出頻率的穩(wěn)定和準確。晶體XTAL1的頻率選為32768Hz。其中C1的值取520 pF，C2為30pF。C1作為校正電容可以對溫度進行補償，以提高頻率準確

16、度和穩(wěn)定度。由于電路的輸入阻抗極高，因此反饋電阻R1可選為10M。較高的反饋電阻有利于提高振蕩頻率的穩(wěn)定性。圖2振蕩電路圖分頻器電路由數(shù)字鐘的晶體振蕩器輸出頻率較高，為了得到1Hz的秒信號輸入，需要對振蕩器的輸出信號進行分頻。實現(xiàn)分頻器的電路是計數(shù)器電路，一般采用多級2進制計數(shù)器來實現(xiàn)。例如，將32767Hz的振蕩信號分頻為1Hz的分頻倍數(shù)為32767（2），即實現(xiàn)該分頻功能的計數(shù)器相當于15極2進制計數(shù)器。本實驗中采用CD4060來構(gòu)成分頻電路。CD4060在數(shù)字集成電路中可實現(xiàn)的分頻次數(shù)最高，而且CD4060還包含振蕩電路所需的非門，使用更為方便。CD4060計數(shù)為最高為14級2進制計數(shù)器

17、，首先由U1(CD4060)的Q14(第3腳)產(chǎn)生2Hz的振蕩信號,然后由二進制計數(shù)器CD4040和兩個U3A(74LS20),U3B(74LS20)組成120計數(shù)器分頻,從U3B的輸出端輸出一個的分脈沖,作為分鐘計數(shù)器的分鐘信號,按鍵開關(guān)S作為分鐘調(diào)時有手動脈沖開關(guān),每按動一次,從U3B的輸出端輸出一個脈沖,同時U2的Q1管腳輸出秒脈沖信號驅(qū)動發(fā)光二極管LED1,LED2,作為秒指示(因為2Hz的信號經(jīng)1位二進制計數(shù)器分頻后為1Hz)。如圖3所示。 圖3分頻電路 秒脈沖信號經(jīng)過級計數(shù)器，分別得到“秒”個位、十位，“分”個位、十位以及“時”個位、十位的計時?！懊搿?、“分”計數(shù)器為60秒為1分、

18、60分為1小時、24小時為1天的計數(shù)周期，分別組成兩個六十進制（秒、分）、一個二十四進制（時）的計數(shù)器。將這些計數(shù)器適當?shù)剡B接，就可以構(gòu)成秒、分、時的計數(shù)，實現(xiàn)計時的功能進制計數(shù)器。它們都可以用兩個“二- 十進制”計數(shù)器來實現(xiàn)。六十進制計數(shù)器和二十四進制計數(shù)器均可由雙BCD加法計數(shù)器CC4518組成。因為一片CC4518內(nèi)含有兩個十進制計數(shù)器，因此用一片CC4518就可以構(gòu)成六十進制或二十四進制計數(shù)器了。選取CC4518和與非門CC4511、采用反饋復(fù)位法構(gòu)成的六十進制和二十四進制加法計數(shù)器電路分別見圖4(a)和圖4 (b)所示。 圖4(a)計數(shù)器六十進制計數(shù)器六十進制的接法圖4(a)個位為十

19、進制.故EN=1,Cr=0,計數(shù)到9以后自動清零,向高位進位信號采用Q4Q3Q2Q1=1001,將Q4,Q1送入與非門, 與非門的輸出可以做進位信號。因為:當Q4,Q1不同時為1,Y為1當Q4,Q1同時為1時,Y為0,同時計數(shù)器到9后自動清零,這時Y又變?yōu)?,即出現(xiàn)了一個上升沿。 十位接成六進制,利用Q4Q3Q2Q1=0110的信號清零,同時結(jié)合高位進位。二十四進制計數(shù)器的接法 個位為進制計數(shù)器,當計數(shù)器計數(shù)到24時,即十位為0010,個位為0100時,同時清零,達到了二十四進制計數(shù)器的目的,即高位的Q2,底位的Q3送入與非門做清零信號,如圖4(b) 二十四進制計數(shù)器。4(b) 二十四進制計數(shù)

20、器在這兩個電路中，計數(shù)器的控制脈沖由CP端輸入，1EN接高電平；計數(shù)器的控制脈沖由EN端輸入，狀態(tài)如圖5看出：當“計數(shù)器的狀態(tài)由1001向0000轉(zhuǎn)換時，1Q4(2EN)正好是一個下降沿，高位的計數(shù)器開始計數(shù)。在圖4 (a)中，將2Q3和2Q2相與后接至CR端，構(gòu)成了六十進制計數(shù)器，在圖4(b)中，將2Q2和1Q3相與后接至CR端構(gòu)成了二十四進制計數(shù)器。為了保證電路能可靠地工作，在“秒”、“分”、“時”計數(shù)器反饋復(fù)位支路中，加了一個RS觸發(fā)器，如圖7所示。圖5計數(shù)器狀態(tài)圖6“秒”進位電路各功能模塊中用到的門電路可以采用4011(四2輸入與非門)來實現(xiàn),其外部引線排列見圖7所示。將與非門組成的R

21、S觸發(fā)器的輸出接至計數(shù)器的復(fù)位端，展寬了復(fù)位和進位信號的脈沖寬度，使其在本位可靠地復(fù)位的同時向高位提供了進位觸發(fā)圖7 CC4011引線排列數(shù)碼管是數(shù)碼顯示器的俗稱。常用的數(shù)碼顯示器有半導(dǎo)體數(shù)碼管，熒光數(shù)碼管，輝光數(shù)碼管和液晶顯示器等。譯碼和數(shù)碼顯示電路是將數(shù)字鐘和計時狀態(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。在譯碼顯示電路輸出的驅(qū)動下，顯示出清晰、直觀的數(shù)字符號。本設(shè)計所選用的是半導(dǎo)體數(shù)碼管，是用發(fā)光二極管（簡稱LED）組成的字形來顯示數(shù)字，七個條形發(fā)光二極管排列成七段組合字形，便構(gòu)成了半導(dǎo)體數(shù)碼管。半導(dǎo)體數(shù)碼管有共陽極和共陰極兩種類型。共陽極數(shù)碼管的七個發(fā)

22、光二極管的陽極接在一起，而七個陰極則是獨立的。共陰極數(shù)碼管與共陽極數(shù)碼管相反，七個發(fā)光二極管的陰極接在一起，而陽極是獨立的。 當共陽極數(shù)碼管的某一陰極接低電平時，相應(yīng)的二極管發(fā)光，可根據(jù)字形使某幾段二極管發(fā)光，所以共陽極數(shù)碼管需要輸出低電平有效的譯碼器去驅(qū)動。共陰極數(shù)碼管則需輸出高電平有效的譯碼器去驅(qū)動。當數(shù)字鐘的計數(shù)器在CP脈沖韻作用下，按60秒為1分、60分為1小時，24小時為1天的計數(shù)規(guī)律計數(shù)時，就應(yīng)將其狀態(tài)顯示成清晰的數(shù)字符號。這就需要將計數(shù)器的狀態(tài)進行譯碼并將其顯示出來。我們選用的計數(shù)器全部是二-十進制集成片，“秒”、“分”、“時”的個位和十位的狀態(tài)分別由集成片中的四個觸發(fā)器的輸出狀

23、態(tài)來反映的。每組(四個)輸出的計數(shù)狀態(tài)都按 BCD代碼以高低電平來表現(xiàn)。因此,譯碼顯示電路選用BCD-7段鎖存譯碼驅(qū)動器CC4511。七段顯示數(shù)碼管的外部引線排列見圖8a)、(b)。現(xiàn)以60進制“秒”計時電路為例，將計數(shù)器、譯碼顯示器和顯示數(shù)碼管連在一起，其電路示意圖見圖9 圖8(a) 譯碼器外引線排列 圖8(b) 二極管示意圖圖9譯碼顯示器和顯示數(shù)碼管實際的數(shù)字鐘表電路由于秒信號的精確性不可能做到完全（絕對）準確無誤，加之電路中其它原因，數(shù)字鐘總會產(chǎn)生走時誤差的現(xiàn)象。因此，電路中就應(yīng)該有校準時間功能的電路。校準的方法很多，常用的有“快速校時法”?，F(xiàn)在以“分計時器”的校時電路為例，簡要說明它的

24、校時原理，見圖10，與非門1，2構(gòu)成的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，可以將1Hz的“秒”信號和“秒計數(shù)器的進位信號”送至“分計數(shù)器的CP端”。兩個信號中究竟選哪個送入由開關(guān)K控制，它的工作過程是這樣的：當開關(guān)K置“B”端時，與非門1輸出低電平，門2輸出高電平?！懊胗嫈?shù)器進位信號”通過門4和門5送至“分計數(shù)器的CP端”，使“分計數(shù)器”正常工作；需要校正“分計時器”時，將開關(guān)K置“A”端，與非門1輸出高電平，門2輸出低電平，門4封鎖“秒計數(shù)器進位信號”，而門3將1Hz的CP信號通過門3和門5送至“分計時器”的CP控制端，使“分計數(shù)器”在“秒”信號的控制下“快速”計數(shù)，直至正確的時間，再將開關(guān)置于“B”端，以達到校

25、準時間的目的圖10校時電路圖11整點報時電路圖數(shù)字鐘整點報時是最基本的功能之一。現(xiàn)在設(shè)計的電路要求在離電路應(yīng)在整點前10秒鐘內(nèi)開始整點報時，即當時間在59分51秒到59分59秒期間時，報時電路報時控制信號每隔1秒鐘鳴叫一次，每次持續(xù)時間為1秒，共響5次，前四次為低音500Hz，最后一聲為高音1000Hz。整點報時電路的電路原理圖如圖12所示。控制門電路部分 圖11中與非門1，3，5的輸入信號Q4，Q3，Q2，Q1分別表示“分十位”“分個位”“秒十位”和“秒個位”的狀態(tài)，下標中D，C，B，A分別表示組成計數(shù)器的四個觸發(fā)器的狀態(tài)。Y1=QC4.QA4.QD3.QA32.QA2. 11.QA.F2(500Hz).每當分和秒計數(shù)到59分50秒時,QD4.QC4.QB4.QD4.=0101, QD3,QC3,QB3,QD3=1001,QD2,QC2,QB2,QA2=0101, QD1,QC1,QB1,QA1=0000可見,從59分50秒到59分59秒之間,只有秒個位計數(shù),而分有十位,分的個位,秒的十位中QC4=QA4=QD3=QA3=QC2=QA2”與