數(shù)字鐘論文設計

多功能數(shù)字鐘的設計多功能數(shù)字鐘的設計PAGE20PAGE19目錄TOC\o"1-4"\h\z\u1緒論 11.1概述 11.2設計任務 21.3功能要求 22電路設計 32.1設計方案 32.2單元電路的設計 42.2.1主體電路部分 42.2.1.1振蕩電路 42.2.1.2計數(shù)電路 72.2.1.3校時電路 112.2.1.4譯碼與顯示電路 132.2.2擴展功能電路的設計 142.2.2.1仿廣播電臺正點報時電路 164總結 27謝辭 28參考文獻 29附錄 30頁碼自己看的修改下，因為中間有部分，不需要的我刪了，1緒論1.1概述中國是世界上最早發(fā)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。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，這是中國科學家對人類計時科學的偉大貢獻。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，由于應用半導體技術，成功地解決了制造日用石英鐘問題，石英電子技術在計時領域得到了廣泛的應用。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，風靡全球。隨著科學的進步，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折。其表現(xiàn)在三個方面：（1）從生產機械表轉為石英電子表；

（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，鐘表生產中心轉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。這場轉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，包括模具的制造加工。近十余年，逐漸提高機芯質量的穩(wěn)定性，同時轉向對手表機芯研制與開發(fā)。目前石英鐘表機芯生產主要在福建省福州、廣東東莞、番禺；機械鐘表機芯在上海、山東等地。現(xiàn)在我國的電子業(yè)發(fā)展非?？焖伲娮訕I(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)運用當今材料工業(yè)、電子工業(yè)和其他領域的最新技術，一定會生產出代表中國科學水平的產品。我們希望鐘表業(yè)的精英們在提高制造技術水平中不斷創(chuàng)新，培育出擁有自主知識產權的品牌。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,成為人們日常生活中的必需品。由于數(shù)字集成電路的發(fā)展和石英晶體振蕩器的廣泛應用,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、定時開關烘箱、通斷動力設備、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)字化為基礎的。因此，研究數(shù)字鐘及擴大其應用，有著非?，F(xiàn)實的意義。1.2設計任務設計一種多功能數(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：仿廣播電臺正點報時的功能。數(shù)字鐘的電路也是由主體電路和擴展電路兩部分構成，在電路中，基本功能部分由主體電路實現(xiàn)，而擴展功能部分則由擴展電路實現(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，各位均為兩為顯示，擴展部分要有相應的響應電路。1.3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）校正時間擴展功能仿廣播電臺報時功能；2電路設計2.1設計方案根據(jù)設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。秒顯示器分顯示器時顯示器秒顯示器分顯示器時顯示器秒譯碼器分譯碼器時譯碼器秒譯碼器分譯碼器時譯碼器秒計數(shù)器分計數(shù)器時計數(shù)器秒計數(shù)器分計數(shù)器時計數(shù)器仿電臺報仿電臺報校時電路校時電路分頻器振蕩器1s分頻器振蕩器主體電路 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。2.2單元電路的設計數(shù)字電子鐘的設計方法很多種，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。在本次設計，電路是由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計。2.2.1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分組成。下面將對各部分電路進行設計。2.2.1.1振蕩電路振蕩電路由振蕩器和分頻器產生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。振蕩器數(shù)字電路中的時鐘是由振蕩器產生的，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0v—5v的方波信號而不是鋸齒波、三角波或其他形式。典型的振蕩器是弛豫振蕩器，它通過一個RC網(wǎng)絡將反相器的輸出反饋回來并存在一定的工作延遲時間?；镜碾娐啡鐖D2所示。圖2在上述電路中，RI-C網(wǎng)絡由第一個反相器驅動，具有RC特性曲線的響應信號被反饋給反相器的輸入。當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RI—C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)?4HC04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用電路采用它。如果想要獲得高的精度，就應該在振蕩電路中使用石英晶體作振源。在數(shù)字鐘的設計與制作中應采用石英晶體振蕩器，因為石英晶體具有壓電效應，是一個壓電器件。當交流電壓加在晶體兩端，晶體先隨電壓變化產生對應的變化，然后機械振動又使晶體表面產生交變電荷。當晶體幾何尺寸和結構一定時，它本生有一個固定的機械頻率。當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。在設計中所用的振蕩器的電路圖如圖3所示。該電路能產生1MHz的方波脈沖振蕩信號。圖3（2）分頻器分頻器的作用是將由石英晶體產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1MHz的振蕩脈沖變?yōu)?Hz的脈沖信號，該信號作為計數(shù)器的計數(shù)脈沖使用。CrCPENCrCP輸入輸出ENCrCP輸入輸入輸出清零圖4圖5圖6輸入輸出CPCREN上升沿LH加計數(shù)LL上升沿加計數(shù)下降沿LX保XL上升沿上升沿LL持HL下降沿XHX全為L上表:CD4518的功能表振蕩器和分頻器兩部分構成振蕩電路，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)?00KHz。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)?0KHz。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)?KHz。這樣經(jīng)過六次分頻最后可以得到1Hz的頻率。圖72.2.1.2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，被計數(shù)的輸入信號就是時序網(wǎng)絡的時鐘脈沖，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)電路的設計可以用反饋清零法。當計數(shù)器正常計數(shù)時，反饋門不起作用，只有當進位脈沖到來時，反饋信號將計數(shù)電路清零，實現(xiàn)相應模的循環(huán)計數(shù)。以六十進制為例，當計數(shù)器從00，01，02，……，59計數(shù)時，反饋門不起作用，只有當?shù)?0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1”小時計數(shù)器。（一）60進制計數(shù)器電路如圖8所示圖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。①十進制計數(shù)器74LS9074LS90是二—五—十進制計數(shù)器，它有兩個時鐘輸入端CPA和CPB。其中，CPA和組成一位二進制計數(shù)器；CPB和組成五進制計數(shù)器；若將與相連接，時鐘脈沖從輸入，則構成了8421BCD碼十進制計數(shù)器。74LS90有兩個清零端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。圖9表1BCD碼十進制計數(shù)時序表2二—五混合進制計數(shù)時序CPCP0000000000100011000120010200103001130011401004010050101510006011061001701117101081000810119100191100②異步計數(shù)器74LS92所謂異步計數(shù)器是指計數(shù)器內各觸發(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。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，即和組成二進制計數(shù)器，和在74LS92中為六進制計數(shù)器。當和相連，時鐘脈沖從輸入，74LS92構成十六進制計數(shù)器。74LS92的管腳圖如圖10。圖10（二）“12翻1”小時計數(shù)器電路（1）電路如圖11所示圖11“12翻1”小時計數(shù)器是按照“01—02—03—04—05—06—07—08—09—10—11—12—01”規(guī)律計數(shù)的，計數(shù)器的計數(shù)狀態(tài)轉換表如表3所示。表3“12翻1”小時計時時序十位個位十位個位CPQ10Q03Q02Q01Q00CPQ10Q03Q02Q01Q00012345670000000000000001001000110100010101100111891011121300011101000100110100000000100100001（二）電路的工作原理由表4可知：個位計數(shù)器由4位二進制同步可逆計數(shù)器74LS191構成，十位計數(shù)器由雙D觸發(fā)器74LS74構成，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)1010，利用暫態(tài)的兩個1即使個位異步置0，同時向十位計數(shù)器進位使=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)應為=0001，十位計數(shù)器的=0。第二次跳躍的十位清“0”和個位置“1”的輸出端、、來產生。對電路中所用的主要元件及功能介紹。①D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。圖12下面將介紹一些有關

觸發(fā)器的內容：觸發(fā)器，它是由門電路構成的邏輯電路，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)器都有集成電路產品。其中應用最廣泛的當數(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。②計數(shù)器74LS19174LS191的管腳圖如圖13圖132.2.1.3校時電路（一）電路如圖14所示圖14（二）電路的工作原理校時電路的作用是：當數(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”是通過開關控制，使計數(shù)器對1Hz校時脈沖計數(shù)?！奥r”是用手動產生單脈沖作校時脈沖。圖中S1校分用的控制開關，S2為校秒用的控制開關，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生器提供，則可以進行“慢校時”。表4校時開關的功能S1S2功能11計數(shù)10校分01校時（三）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74LS04、兩個電容、兩個電阻以及兩個開關。（1）四-2輸入與非門74LS00集成邏輯門是數(shù)字電路中應用十分廣泛最基本的一種器件，為了合理的使用和充分利用其性能，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。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)。2.2.1.4譯碼與顯示電路（一）電路如圖15所示圖15（二）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BCD—7段譯碼器、顯示模塊用來顯示計時模塊輸出的結果。（三）對電路中的主要元件及功能介紹（1）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”，變成相應的狀態(tài)，使輸出通道中相應的一路有信號輸出。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。在電路中用的譯碼器是共陰極譯碼器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16（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17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，電路圖見附件2.2.2擴展功能電路的設計2.2.2.1仿廣播電臺正點報時電路仿廣播電臺正點報時的功能要求是：每當數(shù)字鐘計時快要到正點時，通常按照4低音1高音的順序發(fā)出間斷聲響，以最后一聲高音結束的時刻為正點時刻。（一）設計電路如圖21所示圖21（二）該電路圖的工作原理電路圖的工作原理舉例來說明；例如設4聲低音（約500Hz）分別在59分51秒、53秒、55秒及