數(shù)字電子時鐘的設(shè)計

江 西 理 工 大 學(xué) 南 昌 校 區(qū) 畢 業(yè) 設(shè) 計（論文） 題 目：數(shù)字電子時鐘的設(shè)計 系 ： 專 業(yè)： 班 級： 學(xué) 生： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 職稱： 摘 要 數(shù)字鐘實際上是一個對標(biāo)準(zhǔn)頻率（ 1Hz）進(jìn)行計數(shù)的計數(shù)電路 。 振蕩器產(chǎn)生的時鐘信號經(jīng)過分頻器形成秒脈沖信號，秒脈沖信號輸入計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)，并把累計結(jié)果以“時”、“分”、“秒”的數(shù)字顯示出來。秒計數(shù)器電路計滿 60 后觸發(fā)分計數(shù)器電路，分計數(shù)器 電路計滿 60 后觸發(fā)時計數(shù)器電路，當(dāng)計滿 24 小時后又開始下一輪的循環(huán)計數(shù)。 一般由振蕩器、分頻器、計數(shù)器、譯碼器、數(shù)碼顯示器等幾部分組成。 振蕩電路：主要用來產(chǎn)生時間標(biāo)準(zhǔn)信號，因為時鐘的精度主要取決于時間標(biāo)準(zhǔn)信號的頻率及穩(wěn)定度，所以采用石英晶體振蕩器。 分頻器：因為振蕩器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)信號頻率很高，要是要得到“秒”信號，需一定級數(shù)的分頻器進(jìn)行分頻。 計數(shù)器：有了“秒”信號，則可以根據(jù) 60 秒為 1 分， 24小時為 1 天的進(jìn)制，分別設(shè)定“時”、“分”、“秒”的計數(shù)器，分別為 60進(jìn)制， 60 進(jìn)制 ,24 進(jìn)制計數(shù)器，并輸出一分，一小 時，一天的進(jìn)位信號。 譯碼顯示：將“時”“分”“秒”顯示出來。將計數(shù)器輸入狀態(tài)，輸入到譯碼器，產(chǎn)生驅(qū)動數(shù)碼顯示器信號，呈現(xiàn)出對應(yīng)的進(jìn)位數(shù)字字型。 由于計數(shù)的起始時間不可能與標(biāo)準(zhǔn)時間（如北京時間）一致，故需要在電路上加一個校時電路 可以對分和時進(jìn)行校時。另外，計時過程要具有報時功能，當(dāng)時間到達(dá)整點前 10 秒開始，蜂鳴器 1 秒響 1秒停地響 5次。 為了使數(shù)字鐘使用方便，在設(shè)計上使用了一個變壓器和一個整流橋來實現(xiàn)數(shù)字鐘電能的輸入，使得可以方便地直接插入 220V 的交流電就可以正常地使用了。 關(guān)鍵詞 ： 數(shù)字鐘 ； 振 蕩 ； 計數(shù) ； 校正 ； 報時 ABSTRACT A digital clock is actually a standard frequency (1Hz) to count count circuit. Produced by the clock signal oscillator is forming second pulse separate frequency signal, second pulse signal input counter, and the total count the, to division and second digital display. Seconds after counter circuit plan trigger points with 60 counter circuit, points counter circuit plan trigger after full 60 when, when the program counter circuit after 24 hours and start the next round of cycle count. Generally by oscillator, points, counters, the frequency of an decoder, digital display to wait for a few parts. Oscillating circuit: mainly used to produce the time standards of accuracy signal, because the clock mainly depends on the signal frequency and time standards, so stability using quartz crystal oscillator. Editor: because oscillator separate frequency produce standard signal frequency is very high, if only to get the second signal, need certain series can separate frequency separate frequency. Counter: there were seconds signal, can according to 60 seconds for 1 minute, 24 hours a day for 1 day into the system, set up separately , points, seconds counter, respectively is 60 disables, 60 disables, 24 disables the counters and output a points, an hour, a day of binary signals. Decode display: points seconds displayed. Will counter input states, input to decoder, produce drive digital display signal, presents the corresponding carry digit fonts. Because the start time of counting impossible and standard time (such as Beijing time), so it needs to agree on a school in the electrical circuit can add when to points and in school. In addition, timer process will have to strike the function, when time before the hour, 10 seconds began buzzer 1 second ring 1 second stop the 5 times. In order to make a digital clock use convenient, go up in the design USES a transformer and a rectifier bridge to achieve a digital clock power input, make easily plugged directly into 220V alternating currents can normally use. Keywords: a digital clock； Oscillation； Counting； Correction； chime 目 錄 第一章 數(shù)字電子鐘的組成和工作原理 . 1 1 1 數(shù)字鐘的構(gòu)成 . 1 1 2 原理分析 . 1 1 3 數(shù)字點鐘的基本邏輯功能框圖 . 1 第二章 數(shù)字鐘的電路設(shè)計 . 2 2 1 電源電路的設(shè)計 . 2 2 2 秒信號發(fā)生器的設(shè)計 . 2 第三章 時間計數(shù)電路的設(shè)計 . 4 3 1“分”、“秒”六十進(jìn)制計數(shù)器 . 4 3 2 二十四進(jìn)制計 數(shù)器 . 5 3.3譯碼顯示電路 . 6 第四章 正點報時電路的設(shè)計 . 7 4 1 校時電路的設(shè)計 . 7 第五章 數(shù)字電子鐘的計數(shù)校正電路 . 8 第六章 電路的裝配與調(diào)試過程 . 9 6 1 電路焊接 . 9 6 2 調(diào)試過程 . 9 總結(jié) 參考文獻(xiàn) 江西理工大學(xué) 2011 屆本 科畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 第一章 數(shù)字電子鐘的組成和工作原理 1 1 數(shù)字鐘的構(gòu)成 數(shù)字鐘 一般由振蕩器、分頻器、計數(shù)器、譯碼器、顯示器、較時電路、報時電路等部分組成，這些都是數(shù)字電路中應(yīng)用最廣的基本電路 1 2 原理分析 數(shù)字鐘實際上是一個對標(biāo)準(zhǔn)頻率（ 1Hz）進(jìn)行計數(shù)的計數(shù)電路 。 振蕩器 產(chǎn)生的時鐘信號經(jīng)過分頻器形成秒脈沖信號，秒脈沖信號輸入計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)，并把累計結(jié)果以“時”、“分”、“秒”的數(shù)字顯示出來。秒計數(shù)器電路計滿 60 后觸發(fā)分計數(shù)器電路，分計數(shù)器電路計滿 60 后觸發(fā)時計數(shù)器電路，當(dāng)計滿 24 小時后又開始下一輪的循環(huán)計數(shù)。 由于計數(shù)的起始時間不可能與標(biāo)準(zhǔn)時間（如北京時間）一致，故需要在電路上加一個校時電路 可以對分和時進(jìn)行校時 。另外， 計時過程要具有報時功能，當(dāng)時間到達(dá)整點前 10 秒 開始，蜂鳴器 1 秒響 1 秒停地響 5 次。 1 3 數(shù)字點鐘的基本邏輯功能框圖 江西理工大學(xué) 2011 屆本 科畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 圖 1-1： 功能框圖 第二章 數(shù)字鐘的電路設(shè)計 下面將介紹設(shè)計電路具體方案。其中包括電源電路的設(shè)計、秒信號發(fā)生器的設(shè)計、時間計數(shù)電路的設(shè)計、譯碼驅(qū)動顯示電路的設(shè)計、正點報時電路的設(shè)計、校時電路的設(shè)計幾個部分。 2 1 電源電路的設(shè)計 用一個變壓器把 220V 的家用交流電壓變?yōu)?9V 的小電壓。利用二極管單向?qū)ǖ脑恚盟膫€二極管構(gòu)成一個橋堆，對交流電進(jìn)行半波整形，再經(jīng)過一個電容對其整形，變成供這個近似直流的電壓，但由于還有許多文波，再用一個 W7805穩(wěn)壓管變成 5V 的穩(wěn)定直流電壓，供這 個電路的使用。 如圖 2。 圖 2-1 電源電路 2 2 秒信號發(fā)生器的設(shè)計 通過查找資料，得到了兩個不同的秒信號發(fā)生器的設(shè)計方案。 電容 C1 放電時間為： t1=R2*C1*ln2,充電時間為： t2=(R1+R2)*CI*ln2,則其振蕩頻率為 f=1/(t1+t2)。選擇適當(dāng)?shù)?R1、 R2、 C1 值可使 f 1HZ。 采用頻率 fs 32768Hz 的石英晶體。 江西理工大學(xué) 2011 屆本 科畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 D1、 D2 是反相器， D1 用于振蕩， D2 用于緩沖整形。 Rf 為反饋電阻（ 10-100M），反饋 電阻的作用是為 CMOS 反相器提供偏置，使其工作在放大狀態(tài)。 C1 是頻率微調(diào)電容，改變 C1 可對振蕩器頻率作微量調(diào)整， C1 一般取 5-35pF。 C2 是溫度特性校正用的電容，一般取 20-405pF，電容 C1、 C2 與晶體共同構(gòu)成型網(wǎng)絡(luò)，完成對振蕩器頻率的控制，并提供必要的 1800相移 。 最后輸出 fs=32768Hz 采用 555 多諧振蕩器 ： 優(yōu)點： 555 內(nèi)部的比較器靈敏度較高，而且采用差分電路形式，它的振蕩頻率受電源電壓和溫度變化的影響很小。 缺點：要精確輸出 1Hz 脈沖，對電容和電阻的數(shù)值精度要求很高，所以輸出脈沖既不夠 準(zhǔn)確也不夠穩(wěn)定。 優(yōu)點：由石英晶體的阻抗頻率響應(yīng)可知，它的選頻特非常好，有一個極為穩(wěn)定的串聯(lián)諧振頻率 fs，且等效品質(zhì)因數(shù) Q 很高。只有頻率為 fs的信號最容易通過，且其他頻率的信號均會被晶體所衰減。 振蕩器是數(shù)字鐘的核心，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(zhǔn)確程度。 為了達(dá)到設(shè)計要求，獲取更高的計時精度，選用晶體振蕩器構(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。 江西理工大學(xué) 2011 屆本 科畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 第三章 時間計數(shù)電路的設(shè)計 秒信號經(jīng)秒計數(shù)器、分計數(shù)器、時計數(shù)器之后，分別得到 “ 秒 ” 個位、十位、“ 分 ” 個位、十位以及 “ 時 ” 個位、十位的計時輸出信號，然后送至譯碼顯示電路，以便實現(xiàn)用數(shù)字顯示時、分、秒的要求。 “ 秒 ” 和 “ 分 ” 計數(shù)器應(yīng)為六十進(jìn)制，而 “ 時 ” 計數(shù)器應(yīng)為二十四進(jìn)制。采用 10 進(jìn)制計數(shù)器 74LS90 來實現(xiàn)時間計數(shù)單元的計數(shù)功能，其為雙 2-5-10 異步計數(shù)器，并且每一計數(shù)器均有異步清零端（高電平有效）。 3 1“分”、“秒”六十進(jìn)制計數(shù)器 選用兩塊 74SL290 采用異步清零的方法完成 60進(jìn)制。以“秒” 計數(shù)為例：計秒時，將秒個位計數(shù)單元的 QA與 B（下降沿有效）相連，將 74SL290 連接成 10進(jìn)制計數(shù)器 ， A（下降沿有效）與 Z 秒輸入信號相連， QD 可作為向上的進(jìn)位信號與十位計數(shù)單元的 A 相連。秒十位計數(shù)單元為 進(jìn)制計數(shù)器，需要進(jìn)制轉(zhuǎn)換。將 進(jìn)制計數(shù)器轉(zhuǎn)換為 （ 0110）進(jìn)制計數(shù)器，當(dāng)十位計數(shù)器計到 QD QC QB QA 為 0110 時，同時對秒的個位和十位進(jìn)行清 0，另外 QC 可作為向上的進(jìn)位信號與分個位的計數(shù)單元的 A 相連。其具體連接圖如圖 9 A 相連。其具體連接圖如圖 ：江西理工大學(xué) 2011 屆本 科畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 9 圖 3-1 六十進(jìn)制計數(shù)器 3 2 二十四進(jìn)制計數(shù)器 同樣可以 選用兩塊 74SL290 采用異步清零的方法完成 24 進(jìn)制計數(shù) 如圖 10 江西理工大學(xué) 2011 屆本 科畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 圖 10 二十四進(jìn)制計數(shù)器 3.3 譯碼顯示電路 譯碼顯示電路是將計數(shù)器輸出的 8421 BCD 碼譯成數(shù)碼管顯示所需要的高低電平，我們采用陰極七段數(shù)碼管，引腳如 圖 11。 其則譯碼電路就應(yīng)選接與它配套的共陰極七段數(shù)碼驅(qū)動器。譯碼顯示電路可采用 CD4511BC-7 段譯碼驅(qū)動器，其芯片引腳如圖 12。譯碼器 A、 B、 C、 D 與十進(jìn)制計數(shù)器的四個輸出端相連接， a、 b、 c、 d、 e、 f、 g 即為驅(qū)動七段數(shù)碼顯示器的信號。根據(jù) A、 B、 C、 D所得的計數(shù)信號， 數(shù)碼管顯示的相對應(yīng)的字型。 江西理工大學(xué) 2011 屆本 科畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 第四章 正點報時 電路的設(shè)計 要求當(dāng)時間到達(dá)整點前 10 秒開始，蜂鳴器 1 秒響 1秒停地響 5 次。即當(dāng)時間達(dá)到 xx時 59 分 50秒時蜂鳴器開始響第一次，并持續(xù)一秒鐘，然后停鳴一秒，這樣響五次。在 59 分 50 秒到 59 分 59 秒之間，只有秒的個位計數(shù)，分的十位QD QC QB QA 輸出 0101,個位 QD QC QB QA 輸出 1001，秒的十位 QD QC QB QA 輸出 0101 均不變，而秒的個位 QA 計數(shù)過程中輸出在 0和 1 之間轉(zhuǎn)。所以可以利用與非門的相與功能，把分十位的 QC 、 QA ,分個位的 QD、 QA，秒十位的 QC、 QA 和秒個位的 QA 相“ 與非”作為控制信號控制與非門的開斷，從而控制蜂鳴器的響和停。 如 圖 14。 圖 4-1 整點報時電路 4 1 校時電路的設(shè)計 時鐘出現(xiàn)誤差時，需校準(zhǔn)。校對時間總是在標(biāo)準(zhǔn)時間到來之前進(jìn)行，分四個步驟：首先把小時計數(shù)器置到所需的數(shù)字；然后再將分計數(shù)器置到所需數(shù)字；在此同時或之后，將秒計數(shù)器在零時停計數(shù)，處于等待啟動；當(dāng)選定的標(biāo)準(zhǔn)時刻到達(dá)的瞬間，按起動按鈕，電路則從所預(yù)置時間開始計數(shù)。由此可知，校時電路應(yīng)具有預(yù)置小時，預(yù)置分、等待啟動、計時四個階段，因此，我們設(shè)計的校時電路，方便 、可靠地實現(xiàn)這四個階段所要求的功能。 江西理工大學(xué) 2011 屆本 科畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 第五章 數(shù)字電子鐘的計數(shù)校正電路 圖 5-1 數(shù)字電子鐘的計數(shù)校正電路 江西理工大學(xué) 2011 屆本 科畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 第六章 電路的裝配與調(diào)試過程 6 1 電路焊接 焊接時要主要布線和焊點的合理分布，盡量做到美觀。實際焊接過程中，要保證焊筆不要碰到已經(jīng)焊好的線，否則焊好的線很容易脫落 。 每焊接完一部分電路，就立即進(jìn)行調(diào)試，測試無誤后方可進(jìn)心下一階段的焊接。 插拔集成芯片時用力要均勻，避免芯片管腳在插拔中變彎、折斷 6 2 調(diào)試過程 實際調(diào)試中出現(xiàn)了不少問題，如顯示不正常，秒計時中滿六十后不進(jìn)位等等。仔細(xì)檢測后發(fā)現(xiàn)主要 是電路的 一些接線有錯以及輸出脈沖不行。 下面是我們的 通電源逐級調(diào)試，逐級排除故障錯誤的調(diào)試 調(diào)試過程： 1.用萬用表測量電壓源是否穩(wěn)定輸出 5V電壓。 2.用萬用表在 CD4060 的 3 腳測輸出電壓，如果讀數(shù)有規(guī)律地跳動，且周期為近似為 0.5s，則正常。同樣，用萬用表測分頻電路的輸出信號為 1s，則正常。 3.檢查各級計數(shù)器的工作情況。將“秒”信號直接接入計數(shù)器的 CPA 端，檢查“秒”計數(shù)器和“秒”譯碼驅(qū)動器和顯示器的工作是否正常，計數(shù)器是否為六十進(jìn)制、是否能正常進(jìn)位。以同樣的方法檢查“分”“時”計數(shù)器是否計數(shù)正常。 4.校時電路經(jīng)分析可以工作但電路工作時校時電路的功能始終不能滿足校時要求。 5.整機(jī)不能進(jìn)行工作，但將那塊顯示電路板接數(shù)字電子實驗箱的 5V 電源和脈沖發(fā)現(xiàn)電路能記數(shù)并可以進(jìn)位，制作的電源和脈沖能正常工作，實驗不成功。 江西理工大學(xué) 2011 屆本 科畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 總 結(jié) 加強(qiáng)了團(tuán)隊合作精神 ， 磨練了我們的意志力。我們各人之間好好的配合， 分工合作， 設(shè)計過程 沒有 一團(tuán)亂麻。更為可貴的是，我們彼此鼓勵，同舟共濟(jì)地處理每個問題。這種團(tuán)隊精神將是我們美好的回憶。我們花了很多心血來做這個課程設(shè)計， 由于這兩個星期又要考試所以很緊的時間，后面出錯的時候經(jīng)常檢查電路到凌 晨 2 點多， 但凡事不是一帆風(fēng)順的，我們遇到了許多困難。有些困難甚至看進(jìn)來難于解決，確實也是打擊了我們的信心。但我們毫不氣餒，認(rèn)真地檢查電路，檢查焊接的好壞 ，用堅強(qiáng)的意志解決問題，只可惜的是還是沒做出來。 加強(qiáng)我們對電子器件的了解。一直以來，我們都對 電子器件都很感興趣 ，對電子應(yīng)用感到好奇。這次我們親自制作一個電子器件，雖然原理并不太復(fù)雜，但我們在這一個過程，了解電子應(yīng)用的奇妙之處。 提高了我們使用電腦對電路進(jìn)行仿 真的能力。 我們又要學(xué)會新的軟件 EWB來畫電路圖，并用它進(jìn)行仿真。這又讓我們的知識增多了。 做到理論 聯(lián)系實際。剛剛學(xué)過了數(shù)電這門課程，還沒完全弄懂某些元器件的原理和用途，而此次課程設(shè)計恰恰提供了一個好機(jī)會，讓我們從實踐中 加深了對所學(xué)知識的理解。 以前 我們 在電路實習(xí)中學(xué)習(xí)了 焊 接 電路板， 但只是學(xué)了很短的時間， 此次設(shè)計給我們上 再多一次機(jī)會 ，提高了我們的動手能力，焊 接技術(shù) 也 有了很大提高。 通過撰寫說明書，掌握了畢業(yè)論文的寫作規(guī)范， 我們以后 撰寫 畢業(yè)設(shè)計 論文打下了堅定的基礎(chǔ)。 總的來說這次課程設(shè)計一切都安排得很合理，唯獨時間跟考試的排期沖突，以至考試跟課程設(shè)計兩頭都很難兼顧。希望以后課程設(shè)計的時間安排得更恰當(dāng)。 江西理工大學(xué) 2011 屆本 科畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 參 考 文 獻(xiàn) 1 康華光 .2006 年 . 電子技術(shù)基礎(chǔ) 數(shù)字參部分（第五版） . 北京：高等教育出版社 . 2 韓力 吳海霞 等 .Electronics Workbench 應(yīng)用教程 M.北京 :電