數字電子鐘畢業(yè)設計.doc

1.數字鐘的組成和基本工作原理數字鐘實際上是一個對標準頻率進行計數的計數電路。它的計時周期是24小時，由于計數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。數字鐘電路主要由譯碼顯示器、校準電路、報時電路、時計數、分計數、秒計數器，振蕩電路和單次脈沖產生電路組成。其中電路系統(tǒng)由秒信號發(fā)生器、“時”、“分”、“秒”計數器、譯碼器及顯示器、校準電路、整點報時電路組成。秒信號產生器是整個系統(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“秒計數器”，“秒計數器”采用60進制計數器，每累計60秒發(fā)出一個“分脈沖”信號，該信號將作為“分計數器”的時鐘脈沖。“分計數器”也采用60進制計數器，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器。時計數器采用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”計數器的輸出狀態(tài)通過顯示驅動電路，七段顯示譯碼器譯碼，在經過六位LED七段顯示器顯示出來。整點報時電路時根據計時系統(tǒng)的輸出狀態(tài)產生一個脈沖信號，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”顯示數字進行校對調整的。如圖1所示多功能數字鐘的組成框圖。譯碼驅動譯碼驅動時十位計數分頻器電路分頻器電路振蕩器電路譯碼驅動譯碼驅動譯碼驅動譯碼驅動時個位計數分十位計數分十位計數秒十位計數秒十位計數校時電路校分電路 圖1 數字鐘組成框圖1.1振蕩器振蕩器是數字鐘的核心,其的作用是產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)定度基本決定了數字電子鐘的質量。振蕩器的穩(wěn)定度及頻率的精確度決定了數字鐘計時的準確程度，通常選用石英晶體構成振蕩器電路。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。保證數字鐘的走時準確及穩(wěn)定。1.2分頻器電路分頻器電路將32768z的高頻方波信號經32768（215）次分頻后得到1Hz的方波信號供秒計數器進行計數。分頻器實際上也就是計數器。本次設計是運用了CD4060分頻器進行分頻，分頻電路可提供512HZ和1024HZ的頻率，在經CD4040分頻器進行一分頻，為此電路輸送一秒脈沖。1.3計數器時間計數電路由秒個位和秒十位計數器、分個位和分十位計數器及時個位和時十位計數器電路構成，其中秒個位和秒十位計數器、分個位和分十位計數器為60進制計數器，通常用2個十進位計數器的集成片組成,其中”秒”個位是十進制,秒十位為六進制。可采用反饋歸零變”秒”十位為六進制,實現(xiàn)秒的六十進制。”分”計數器原理也一樣。而根據設計要求。1.4 譯碼顯示電路 是將數字鐘的計時狀態(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七段數碼管。在譯碼顯示電路輸出信號的驅動下，顯示出清晰、直觀的數字符號.并且為保證數碼管正常工作提供足夠的工作電流。1.5校時電路實際的數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，數字鐘總會產生走時誤差的現(xiàn)象。因此，電路中就應該有校準時間功能的電路。1.6報時電路當數字鐘顯示整點時，應能報時。要求當數字鐘的“分”和“秒”計數器計到59分50秒時，驅動音響電路，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.設計步驟與方法2.1振蕩電路晶體振蕩器是構成數字式時鐘的核心，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成的輸出為方波的數字式晶體振蕩電路，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與晶體構成一個諧振型網絡，完成對振蕩頻率的控制功能，同時提供了一個180度相移，從而和非門構成一個正反饋網絡，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2.2分頻器電路由數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器電路，一般采用多級2進制計數器來實現(xiàn)。例如，將32767Hz的振蕩信號分頻為1Hz的分頻倍數為32767（2），即實現(xiàn)該分頻功能的計數器相當于15極2進制計數器。本實驗中采用CD4060來構成分頻電路。CD4060在數字集成電路中可實現(xiàn)的分頻次數最高，而且CD4060還包含振蕩電路所需的非門，使用更為方便。CD4060計數為最高為14級2進制計數器，首先由U1(CD4060)的Q14(第3腳)產生2Hz的振蕩信號,然后由二進制計數器CD4040和兩個U3A(74LS20),U3B(74LS20)組成120計數器分頻,從U3B的輸出端輸出一個的分脈沖,作為分鐘計數器的分鐘信號,按鍵開關S作為分鐘調時有手動脈沖開關,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動發(fā)光二極管LED1,LED2,作為秒指示(因為2Hz的信號經1位二進制計數器分頻后為1Hz)。如圖3所示。 圖3分頻電路 2.3計數器秒脈沖信號經過級計數器，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”計數器為60秒為1分、60分為1小時、24小時為1天的計數周期，分別組成兩個六十進制（秒、分）、一個二十四進制（時）的計數器。將這些計數器適當地連接，就可以構成秒、分、時的計數，實現(xiàn)計時的功能進制計數器。它們都可以用兩個“二- 十進制”計數器來實現(xiàn)。六十進制計數器和二十四進制計數器均可由雙BCD加法計數器CC4518組成。因為一片CC4518內含有兩個十進制計數器，因此用一片CC4518就可以構成六十進制或二十四進制計數器了。選取CC4518和與非門CC4511、采用反饋復位法構成的六十進制和二十四進制加法計數器電路分別見圖4(a)和圖4 (b)所示。 圖4(a)計數器六十進制2.3.1計數器六十進制的接法圖4(a)個位為十進制.故EN=1,Cr=0,計數到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,同時結合高位進位。2.3.2二十四進制計數器的接法 個位為進制計數器,當計數器計數到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) 二十四進制計數器。4(b) 二十四進制計數器在這兩個電路中，計數器的控制脈沖由CP端輸入，1EN接高電平；計數器的控制脈沖由EN端輸入，狀態(tài)如圖5看出：當“計數器的狀態(tài)由1001向0000轉換時，1Q4(2EN)正好是一個下降沿，高位的計數器開始計數。在圖4 (a)中，將2Q3和2Q2相與后接至CR端，構成了六十進制計數器，在圖4(b)中，將2Q2和1Q3相與后接至CR端構成了二十四進制計數器。為了保證電路能可靠地工作，在“秒”、“分”、“時”計數器反饋復位支路中，加了一個RS觸發(fā)器，如圖7所示。圖5計數器狀態(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RS觸發(fā)器的輸出接至計數器的復位端，展寬了復位和進位信號的脈沖寬度，使其在本位可靠地復位的同時向高位提供了進位觸發(fā)圖7 CC4011引線排列2.4譯碼顯示電路數碼管是數碼顯示器的俗稱。常用的數碼顯示器有半導體數碼管，熒光數碼管，輝光數碼管和液晶顯示器等。譯碼和數碼顯示電路是將數字鐘和計時狀態(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七段數碼管。在譯碼顯示電路輸出的驅動下，顯示出清晰、直觀的數字符號。本設計所選用的是半導體數碼管，是用發(fā)光二極管（簡稱LED）組成的字形來顯示數字，七個條形發(fā)光二極管排列成七段組合字形，便構成了半導體數碼管。半導體數碼管有共陽極和共陰極兩種類型。共陽極數碼管的七個發(fā)光二極管的陽極接在一起，而七個陰極則是獨立的。共陰極數碼管與共陽極數碼管相反，七個發(fā)光二極管的陰極接在一起，而陽極是獨立的。 當共陽極數碼管的某一陰極接低電平時，相應的二極管發(fā)光，可根據字形使某幾段二極管發(fā)光，所以共陽極數碼管需要輸出低電平有效的譯碼器去驅動。共陰極數碼管則需輸出高電平有效的譯碼器去驅動。當數字鐘的計數器在CP脈沖韻作用下，按60秒為1分、60分為1小時，24小時為1天的計數規(guī)律計數時，就應將其狀態(tài)顯示成清晰的數字符號。這就需要將計數器的狀態(tài)進行譯碼并將其顯示出來。我們選用的計數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)器的輸出狀態(tài)來反映的。每組(四個)輸出的計數狀態(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段鎖存譯碼驅動器CC4511。七段顯示數碼管的外部引線排列見圖8a)、(b)?，F(xiàn)以60進制“秒”計時電路為例，將計數器、譯碼顯示器和顯示數碼管連在一起，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碼管2.5校時電路實際的數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，數字鐘總會產生走時誤差的現(xiàn)象。因此，電路中就應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，簡要說明它的校時原理，見圖10，與非門1，2構成的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，可以將1Hz的“秒”信號和“秒計數器的進位信號”送至“分計數器的CP端”。兩個信號中究竟選哪個送入由開關K控制，它的工作過程是這樣的：當開關K置“B”端時，與非門1輸出低電平，門2輸出高電平?！懊胗嫈灯鬟M位信號”通過門4和門5送至“分計數器的CP端”，使“分計數器”正常工作；需要校正“分計時器”時，將開關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“分計數器”在“秒”信號的控制下“快速”計數，直至正確的時間，再將開關置于“B”端，以達到校準時間的目的圖10校時電路圖11整點報時電路圖2.6整點報時電路數字鐘整點報時是最基本的功能之一?，F(xiàn)在設計的電路要求在離電路應在整點前10秒鐘內開始整點報時，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。2.6.1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分別表示組成計數器的四個觸發(fā)器的狀態(tài)。Y1=QC4.QA4.QD3.QA3, Y2=Y1.QC2.QA2. Y3=Y2.QD1.F1(1KHz), Y4=Y2.QD1.QA.F2(500Hz).每當分和秒計數到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,而分有十位,分的個位,秒的十位中QC4=QA4=QD3=QA3=QC2=QA2=1不變.將它們相”與”,即圖11中Y2=QC4.QA4.QD3.QA3.QC2.QA2作為控制信號,去控制Y3和Y4.在每小最最后10秒Y2=1,Y3輸入端加有頻率為2048Hz的信號B(可取自分頻器CD的Q4端),同時又受QD1,QA1的控制,即C就是在59S時,QD1QA1C=1,將Y4關閉,Y3打開,B信號通過Y3.Y4的輸入端加有頻率為1024Hz的信號A,同時又受QD1,QA1的控制,即在51,53,55,57s時,C.QD1.QA1=1,將Y3關閉Y4打開,A信號通過Y4,則Z=CQD1 QA1B+C.QD1,QA1A,即可實現(xiàn)前四響為1024Hz的底音,后一響為2048Hz的高音,最后一響完畢正好整點。QD1QC2QB3QA1D1QA100000000110010000111010000101101100011112.6.2音響電路部分音響電路中采用射極輸出器，推動8的喇叭，三極管基極串接lk限流電阻，是為了防止電流過大損壞喇叭，集電極串接51限流電阻，三極管選用高頻小功率管即可。當Y5端為高電平時，三極管T導通，有電流流經喇叭，使之發(fā)出鳴叫聲。通過以上分析可知，當計時至59分51、53、55、57秒時，頻率為500Hz的信號通過喇叭，當計時至59分59秒時，頻率為1000Hz的信號通過喇叭，因而發(fā)出四低一高的聲音，音響結束正好為59分60秒。圖12數字鐘的布線圖3.組裝與調試在實驗板上組裝組裝電子時鐘時,應嚴格按圖連接引腳,注意走線整齊,布局合理,器件的懸空端,清0端,置1端要正確處理。插拔集成芯片時要用力均勻,避勉芯片管腳在插拔過程中變彎,折斷。3.1接通電源逐步調試如果出現(xiàn)錯誤,可先檢查各芯片的電源線是否接上,并保證有正常的工作電壓。按圖9電路在數字電路實驗箱上連線。它是由十進制加法計數器CC4518、BCD-7段鎖存譯碼驅動器CC4511和LED七段數碼管組成。觀察在CP作用下數碼管的顯示情況。需要注意的是，CC4511正常工作時，為高電平，LE應為低電平。按圖4電路在實驗箱上連線。因為CC 4518內含有兩個同步十進制計數器，CC 4011內含有四個2輸入與非門，因此分別用一片CC4518和CC4011就夠了。按圖4(a)電路連線，輸出可接發(fā)光二極管。觀察在CP作用下(CP為1Hz可直接由實驗箱連續(xù)脈沖輸出端提供)輸出端發(fā)光二極管的狀態(tài)變化情況，驗證是否為六十進制計數器。按圖4(b)電路連線驗證該電路是否為二十四進制計數器。其次安裝的是晶體振蕩電路電路。按圖2電路連線，輸出接發(fā)光二極管，觀察發(fā)光二極管的顯示情況。3.2按順序對電路連線和調試按圖10所示在數字電路實驗箱上對校時電路連線。將電路輸出(門5)接發(fā)光二極管。撥動開關，觀察在CP(1Hz)作用下，輸出端發(fā)光二極管的顯示情況。根據開關的不同狀態(tài)，輸出端輸出頻率之比約為1：60，“開關可以取自實驗箱上的邏輯電平開關。參照圖11,對整點報時電路的安裝因為報時電路發(fā)出聲響的時間是59分51秒至59分60秒之間，59分的狀態(tài)是不變的。圖12中的Y2=1不變。測試時，lkHz的CP信號可由實驗箱上獲得，500Hz的CP信號可將lkHz的信號經D觸發(fā)器二分頻得到。QAlQDl端可接至十進制計數器的相應輸出端。觀察計數器在CP信號的作用下，喇叭發(fā)出聲響的情況。將時間調整到59分50秒,觀察報時電路能否準確報時。如果不正常,則需檢查相應的CC4518芯片。4.結束語數字鐘的設計涉及到模擬電子與數字電子技術。其中絕大部分是數字部分、邏輯門電路、數字邏輯表達式、計算真值表與邏輯函數間的關系、編碼器、譯碼器顯示等基本原理。數字鐘是典型的時序邏輯電路，包含了計數器，二進制數，六進制數，六十進制，二十四進制，十進制數的概念。數字鐘的設計與制作可以進一步加深對數字電路的了解，通過本次電子電路的設計，為數字電路的制作提供思路。我學到了很多東西，最重要的是去做好一個事情的心態(tài)，也許在你拿到題目時會覺得困難，但是只要你充滿信心，一步一個腳印去實現(xiàn)它，就肯定會完成的。有時候畫的線和其它線重要合時會看不到，有時又會明明連的是這個端點，一移動時卻連到任外一個端點了，再加上電路有這么大了，顯示器的界面寬度又有限，所以做起來有點麻煩，一但搞不好就要重新來，這個時候就要你有足夠的耐心了。從這次設計中我覺得我學到了以下東西：對于數字邏輯一些基本知識有了更深的了解,了解很多集成門電路芯片的使用,增強了面對困難勇于面對，勇于解決的信心。以往每做一次課程設計，感覺自己的收獲總會不少，這次也不例外。做課程設計是為了讓我們對平時學習的理論知識與實際操作相結合，在理論和實驗教學基礎上進一步鞏固已學基本理論及應用知識并加以綜合提高，學會將知識應用于實際的方法，提高分析和解決問題的能力。通過這次對數字鐘的設計與制作，讓我了解了設計電路的程序，也讓我了解了關數字鐘的原理與設計理念，要實現(xiàn)電路功能總要先設計,成功之后才實際接線的。但是最后的成品卻不一定與理想的完全一樣，因為，再實際接線中有著各種各樣的條件制約