數(shù)字鐘課程設(shè)計(jì)

-.z.數(shù)字鐘課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)目的進(jìn)一步掌握各芯片的邏輯功能及使用方法。進(jìn)一步掌握數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)方法和和計(jì)數(shù)器相互級(jí)聯(lián)的方法。進(jìn)一步掌握數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和數(shù)字系統(tǒng)功能的測(cè)試方法。進(jìn)一步掌握數(shù)字系統(tǒng)的制作和布線方法。設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)指標(biāo)數(shù)字鐘具有顯示時(shí)、分、秒的功能；有校時(shí)功能，可以分別對(duì)時(shí)及分進(jìn)展單獨(dú)校時(shí)，使其校正到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間；計(jì)時(shí)過(guò)程具有報(bào)時(shí)功能，當(dāng)時(shí)間到達(dá)整點(diǎn)前10秒進(jìn)展蜂鳴報(bào)時(shí)，報(bào)時(shí)聲音四低一高；并且要求走時(shí)準(zhǔn)確。設(shè)計(jì)要求畫(huà)出電路原理圖〔或仿真電路圖〕；元器件及參數(shù)選擇，有相關(guān)原器件清單；制作要求

自行裝配和調(diào)試，并能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題。編寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告

寫(xiě)出設(shè)計(jì)與制作的全過(guò)程，附上有關(guān)資料和圖紙，有心得體會(huì)?？傮w概要設(shè)計(jì)數(shù)字鐘實(shí)際上是一個(gè)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率〔1HZ〕進(jìn)展計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)電路。由于計(jì)數(shù)的起始時(shí)間不可能與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間〔如時(shí)間〕一致，故需要在電路上加一個(gè)校時(shí)電路，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)的1HZ時(shí)間信號(hào)必須做到準(zhǔn)確穩(wěn)定。通常使用石英晶體振蕩器電路構(gòu)成數(shù)字鐘。圖1所示為數(shù)字鐘的一般構(gòu)成框圖。圖1數(shù)字鐘的組成框圖

晶體振蕩器電路晶體振蕩器電路給數(shù)字鐘提供一個(gè)頻率穩(wěn)定準(zhǔn)確的32768Ｈz的脈沖，可保證數(shù)字鐘的走時(shí)準(zhǔn)確及穩(wěn)定。不管是指針式的電子鐘還是數(shù)字顯示的電子鐘都使用了晶體振蕩器電路。分頻器電路分頻器電路將32768Ｈz的高頻方波信號(hào)經(jīng)74LS4060和74LS250的二分頻的分頻后得到1Hz的方波信號(hào)，可以供秒計(jì)數(shù)器進(jìn)展計(jì)數(shù)。分頻器實(shí)際上也就是計(jì)數(shù)器。時(shí)間計(jì)數(shù)器電路時(shí)間計(jì)數(shù)電路由秒個(gè)位和秒十位計(jì)數(shù)器、分個(gè)位和分十位計(jì)數(shù)器及時(shí)個(gè)位和時(shí)十位計(jì)數(shù)器電路構(gòu)成，其中秒個(gè)位和秒十位計(jì)數(shù)器、分個(gè)位和分十位計(jì)數(shù)器為60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，時(shí)個(gè)位和時(shí)十位計(jì)數(shù)器可以設(shè)計(jì)為12進(jìn)制計(jì)數(shù)器或者24進(jìn)制計(jì)數(shù)器，我們這里根據(jù)自己的意愿設(shè)計(jì)成24進(jìn)制計(jì)數(shù)器。譯碼驅(qū)動(dòng)電路譯碼驅(qū)動(dòng)電路將計(jì)數(shù)器輸出的8421BCD碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管需要的邏輯狀態(tài)，并且為保證數(shù)碼管正常工作提供足夠的工作電流。數(shù)碼管數(shù)碼管通常有發(fā)光二極管〔LED〕數(shù)碼管和液晶〔LCD〕數(shù)碼管，本設(shè)計(jì)采用的為ＬＥＤ數(shù)碼管。各單元模塊設(shè)計(jì)和分析晶體振蕩器電路晶體振蕩器是構(gòu)成數(shù)字式時(shí)鐘的核心，它保證了時(shí)鐘的走時(shí)準(zhǔn)確及穩(wěn)定。圖2所示電路通過(guò)ＣＭＯＳ非門(mén)構(gòu)成的輸出為方波的數(shù)字式晶體振蕩電路，這個(gè)電路中，ＣＭＯＳ非門(mén)Ｕ１與晶體、電容和電阻構(gòu)成晶體振蕩器電路，Ｕ２實(shí)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。輸出反應(yīng)電

阻Ｒ１為非門(mén)提供偏置，使電路工作于放大區(qū)域，即非門(mén)的功能近似于一個(gè)高增益的反相放大器。電容Ｃ１、Ｃ２與晶體構(gòu)成一個(gè)諧振型網(wǎng)絡(luò)，完成對(duì)振蕩頻率的控制功能，同時(shí)提供了一個(gè)１８０度相移，從而和非門(mén)構(gòu)成一個(gè)正反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)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(zhǔn)確性，從而保證了輸出頻率的穩(wěn)定和準(zhǔn)確。晶體*TAL的頻率選為32768HZ。該元件專(zhuān)為數(shù)字鐘電路而設(shè)計(jì)，其頻率較低，有利于減少分頻器級(jí)數(shù)。從有關(guān)手冊(cè)中，可查得C1、C2分別為20pF，和200PF當(dāng)要求頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度更高時(shí)，還可接入校正電容并采取溫度補(bǔ)償措施。由于CMOS電路的輸入阻抗極高，因此反應(yīng)電阻R1可選為20MΩ。較高的反應(yīng)電阻有利于提高振蕩頻率的穩(wěn)定性。

脈沖輸出端圖2晶體振蕩器電路圖分頻器電路通常，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(hào)輸入，需要對(duì)振蕩器的輸出信號(hào)進(jìn)展分頻。通常實(shí)現(xiàn)分頻器的電路是計(jì)數(shù)器電路，一般采用多級(jí)２進(jìn)制計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，將32767Ｈz的振蕩信號(hào)分頻為１ＨZ的分頻倍數(shù)為32767〔２１５〕，即實(shí)現(xiàn)該分頻功能的計(jì)數(shù)器相當(dāng)于１５極２進(jìn)制計(jì)數(shù)器。本實(shí)驗(yàn)中采用CD4060來(lái)構(gòu)成分頻電路。CD4060在數(shù)字集成電路中可實(shí)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(mén)，使用更為方便。ＣＤ4060計(jì)數(shù)為最高為１４級(jí)２進(jìn)制計(jì)數(shù)器，可以將32767ＨZ的信號(hào)分頻為２ＨZ，而經(jīng)過(guò)74LS90可以將它分為1HZ的信號(hào)。如圖3所示，可以直接實(shí)現(xiàn)振蕩和分頻的功能。

圖3CD4046和74LS90的分頻電路圖時(shí)間計(jì)數(shù)單元時(shí)間計(jì)數(shù)單元有時(shí)計(jì)數(shù)、分計(jì)數(shù)和秒計(jì)數(shù)等幾個(gè)局部。時(shí)計(jì)數(shù)單元一般為24進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器，其輸出為兩位8421BCD碼形式；分計(jì)數(shù)和秒計(jì)數(shù)單元為６０進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其輸出也為8421BCD碼。本實(shí)驗(yàn)采取了74LS90用兩塊芯片進(jìn)展級(jí)聯(lián)來(lái)產(chǎn)生60進(jìn)制和24進(jìn)制秒個(gè)位計(jì)數(shù)單元為１０進(jìn)制計(jì)數(shù)器，無(wú)需進(jìn)制轉(zhuǎn)換，只需將Ｑ0與ＣＰ1〔下降沿有效〕相連即可。ＣＰ0〔下降沒(méi)效〕與１ＨZ秒輸入信號(hào)相連，Ｑ3可作為向上的進(jìn)位信號(hào)與十位計(jì)數(shù)單元的ＣＰ1相連。秒十位計(jì)數(shù)單元為６進(jìn)制計(jì)數(shù)器，需要進(jìn)制轉(zhuǎn)換。將１０進(jìn)制計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)換為６進(jìn)制計(jì)數(shù)器的電路連接，其中Ｑ2可作為向上的進(jìn)位信號(hào)與分個(gè)位的計(jì)數(shù)單元的ＣＰ0相連。分個(gè)位和分十位計(jì)數(shù)單元電路構(gòu)造分別與秒個(gè)位和秒十位計(jì)數(shù)單元完全一樣，也是分個(gè)位計(jì)數(shù)單元的Ｑ3作為向上的進(jìn)位信號(hào)應(yīng)與分十位計(jì)數(shù)單元的ＣＰ0相連，分十位計(jì)數(shù)單元的Ｑ2作為向上的進(jìn)位信號(hào)應(yīng)與時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)單元的ＣＰ0相連。60進(jìn)制的連接如圖4所示。時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)單元電路構(gòu)造仍與秒或個(gè)位計(jì)數(shù)單元一樣，但是要求，整個(gè)時(shí)計(jì)數(shù)單元應(yīng)為24進(jìn)制計(jì)數(shù)器，所以在兩塊74LS90構(gòu)成的100進(jìn)制中截取24，就得在24的時(shí)候進(jìn)展異步清零。24進(jìn)制計(jì)數(shù)功能的電路如圖5所示。圖4

60進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路圖5

24進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路譯碼驅(qū)動(dòng)及顯示單元計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)了對(duì)時(shí)間的累計(jì)以8421BCD碼形式輸出，選用顯示譯碼電路將計(jì)數(shù)器的輸出數(shù)碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼顯示器件所需要的輸出邏輯和一定的電流，選用74LS47作為顯示譯碼電路，選用74LS546八段共陽(yáng)LED數(shù)碼管作為顯示單元電路，如圖6所示。圖6譯碼驅(qū)動(dòng)和顯示電路校時(shí)電源電路當(dāng)重新接通電源或走時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí)都需要對(duì)時(shí)間進(jìn)展校正。通常，校正時(shí)間的方法是：首先截?cái)嗾５挠?jì)數(shù)通路，然后再進(jìn)展人工出觸發(fā)計(jì)數(shù)或?qū)㈩l率較高的方波信號(hào)加到需要校正的計(jì)數(shù)單元的輸入端，校正好后，再轉(zhuǎn)入正常計(jì)時(shí)狀態(tài)即可。根據(jù)要求，數(shù)字鐘應(yīng)具有分校正和時(shí)校正功能，因此，應(yīng)截?cái)喾謧€(gè)位和時(shí)個(gè)位的直接計(jì)數(shù)通路，并采用正常計(jì)時(shí)信號(hào)與校正信號(hào)可以隨時(shí)切換的電路接入其中。圖7所示為所設(shè)計(jì)的校時(shí)電路。圖7校正電路整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路一般時(shí)鐘都應(yīng)具備整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路功能，即在時(shí)間出現(xiàn)整點(diǎn)前數(shù)秒內(nèi)，數(shù)字鐘會(huì)自動(dòng)報(bào)時(shí)，以示提醒。其作用方式是發(fā)出連續(xù)的或有節(jié)奏的音頻聲波，較復(fù)雜的也可以是實(shí)時(shí)語(yǔ)音提示。根據(jù)要求，電路應(yīng)在整點(diǎn)前10秒鐘內(nèi)開(kāi)場(chǎng)整點(diǎn)報(bào)時(shí)，即當(dāng)時(shí)間在59分51秒到59分59秒期間時(shí)，報(bào)時(shí)電路報(bào)時(shí)控制信號(hào)。報(bào)時(shí)電路選74HC30，作為選蜂鳴器為電聲器件，選用CC4016模擬開(kāi)關(guān)作控制，使蜂鳴器可以一響一停。如圖8所示。電路的安裝與調(diào)試在完成了理論設(shè)計(jì)的根底上，進(jìn)展對(duì)自己設(shè)計(jì)不大肯定的電路，利用軟件Multism進(jìn)展模擬，根據(jù)成功與否再進(jìn)展修正之后，開(kāi)場(chǎng)電路的安裝和調(diào)試。在拿到了工具的和器材之后，首先對(duì)各元器件進(jìn)展測(cè)試，檢查是否芯片存在問(wèn)題。在確認(rèn)沒(méi)有問(wèn)題之后，就可以按照布線方案來(lái)進(jìn)展布線了。我的布線方案，首先安裝驅(qū)動(dòng)和計(jì)數(shù)模塊。對(duì)譯碼驅(qū)動(dòng)電路和計(jì)數(shù)電路同時(shí)布線，但是，先只進(jìn)展它的一個(gè)顯示管和一塊74LS47和一塊74LS90〔秒的個(gè)位〕安裝，當(dāng)驗(yàn)證產(chǎn)生的計(jì)數(shù)沒(méi)有問(wèn)題時(shí)，才盡一步對(duì)它進(jìn)展擴(kuò)展，安裝秒的十位，分的個(gè)位和十位，以及時(shí)的個(gè)位和十位，并進(jìn)展檢驗(yàn)，為什么不安裝完驅(qū)動(dòng)模塊再進(jìn)展計(jì)數(shù)模塊的安裝呢？

我認(rèn)為這樣可以方便我們的檢驗(yàn)〔當(dāng)然我的檢驗(yàn)脈沖現(xiàn)在不一定是1HZ的，所以我利用面包板上自帶的脈沖輸出〕，當(dāng)裝完了則一個(gè)龐大的電路后，一旦哪里出錯(cuò)，進(jìn)展檢查怎么說(shuō)也是個(gè)難事。其次安裝的是晶體振蕩電路電路。按照理論設(shè)計(jì)和已經(jīng)在Multism軟件中驗(yàn)證過(guò)的電路進(jìn)展安裝，當(dāng)然實(shí)際安裝中有不可預(yù)見(jiàn)的問(wèn)題可能發(fā)生，我才用示波器來(lái)觀察，果然，象設(shè)計(jì)和預(yù)料的那樣，1HZ的脈沖波形出現(xiàn)。再次安裝的模塊是校時(shí)模塊。接出如圖7的電路然后和計(jì)數(shù)模塊相連接。在這個(gè)連接中，我們?cè)瓉?lái)的設(shè)計(jì)的是采用單刀雙制開(kāi)關(guān)，但是由于在實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有這樣的開(kāi)關(guān)，我們的設(shè)計(jì)只好稍微做下修改，這樣的設(shè)計(jì)我覺(jué)得在數(shù)字電子的設(shè)計(jì)中是常見(jiàn)的。一種典型的接法。最后要接的是正點(diǎn)報(bào)時(shí)電路。這個(gè)局部是我們平時(shí)沒(méi)怎么實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)過(guò)的局部，說(shuō)實(shí)際的，在做這個(gè)設(shè)計(jì)之前，心理真的沒(méi)有底到底蜂明器是怎么工作的，怎樣去驅(qū)動(dòng)它才能讓它正常工作。第一個(gè)在我腦海里產(chǎn)生的利用555接一個(gè)電子琴電路，再加上模擬開(kāi)關(guān)來(lái)選擇上下聲音，理論上設(shè)計(jì)沒(méi)問(wèn)題，也對(duì)它包有很大的信心。但是在實(shí)習(xí)的過(guò)程中，在做這個(gè)人的時(shí)候，到中午了，于是我回來(lái)了，我想利用Internet搜索點(diǎn)對(duì)自己的設(shè)計(jì)有用的信息來(lái)，偶爾的一個(gè)蜂明的電路啟發(fā)了我，那就是現(xiàn)在如設(shè)計(jì)圖紙中的那個(gè)報(bào)時(shí)電路。不過(guò)，先發(fā)現(xiàn)報(bào)時(shí)電路聲音比擬的低，于是我決定見(jiàn)效電阻使聲音適宜。完成了布線的過(guò)程之后，就是一個(gè)綜合的測(cè)試，由于在各個(gè)模塊的安裝，布線的認(rèn)真和有條理性，綜合測(cè)試，一次成功，本人認(rèn)為教為不錯(cuò)！而且就整個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)由于設(shè)計(jì)的原理時(shí)的態(tài)度的認(rèn)真，嚴(yán)謹(jǐn)和對(duì)這次實(shí)習(xí)的重視，以及考慮問(wèn)題的全面和方案的多樣性，使得裝配，布線，和調(diào)試幾乎沒(méi)有什么大問(wèn)題難倒我，一切都還比擬的順利和成功！記得在一個(gè)實(shí)驗(yàn)室一起做實(shí)驗(yàn)的同學(xué)中，我的實(shí)驗(yàn)是第一個(gè)完成的，綜合測(cè)試成功的那一刻，很興奮！總結(jié)設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的問(wèn)題及其解決方法。在檢測(cè)面包板狀況的過(guò)程中，出現(xiàn)本該相通的地方被斷了的導(dǎo)線堵塞，用鑷子將其挑出。在檢測(cè)74LS47驅(qū)動(dòng)電路的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)數(shù)碼管顯示的數(shù)字是沒(méi)有規(guī)律的〔不是從0到9的顯示〕，正是由于我們布線的整齊簡(jiǎn)明，經(jīng)過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)是74LS47其中的兩跟譯碼線與顯示管腳連接出錯(cuò)，交換，就OK了！在連接晶振的過(guò)程中，晶振起振，但是輸出的脈沖明顯不是1HZ的，對(duì)照設(shè)計(jì)電路檢查，發(fā)現(xiàn)CD4060的輸出管腳接錯(cuò)，接上3號(hào)管腳，一切OK！。在制作報(bào)時(shí)電路的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)蜂鳴器在57分59秒的時(shí)候就開(kāi)場(chǎng)報(bào)時(shí)，后經(jīng)檢測(cè)電路發(fā)現(xiàn)是由于把74HC30芯片當(dāng)16引腳的芯片來(lái)接，以至接線都錯(cuò)位，重新接線后能正常報(bào)時(shí)。在布置地線和5V電壓線時(shí)，不甚把兩線接到了一起，導(dǎo)致整個(gè)板沒(méi)法工作。經(jīng)認(rèn)真的檢查，排除了問(wèn)題！設(shè)計(jì)體會(huì)在此次的數(shù)字鐘設(shè)計(jì)過(guò)程中，更進(jìn)一步地熟悉了芯片的構(gòu)造及掌握了各芯片的工作原理和其具體的使用方法。在連接六進(jìn)制、十進(jìn)制、六十進(jìn)制的進(jìn)位及十二進(jìn)制的接法中，要求熟悉邏輯電路及其芯片各引腳的功能，則在電路出錯(cuò)時(shí)便能準(zhǔn)確地找出錯(cuò)誤所在并及時(shí)糾正了。在設(shè)計(jì)電路中，往往是先仿真后連接實(shí)物圖，但有時(shí)候仿真和電路連接并不是完全一致的，例如仿真的連接示意圖中，往往沒(méi)有接高電平的16腳或14腳以及接低電平的7腳或8腳，因此在實(shí)際的電路連接中往往容易遺漏。又例如74HC390芯片，其本身就是一個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，在仿真電路中必須連接反應(yīng)線才能正常顯示，而在實(shí)際電路中無(wú)需再連接，因此仿真圖和電路連接圖還是有一定區(qū)別的。在設(shè)計(jì)電路的連接圖中出錯(cuò)的主要原因都是接線和芯片的接觸不良以及接線的錯(cuò)誤所引起的。對(duì)該設(shè)計(jì)的建議此次的數(shù)字鐘設(shè)計(jì)重在于仿真和接線，雖然能把電路圖接出來(lái)，并能正常顯示，但對(duì)于電路本身的原理并不是十分熟悉?？偟膩?lái)說(shuō)，通