集成電路數(shù)字電子鐘系統(tǒng)的設(shè)計(jì)說(shuō)明

1、目錄111.1. 11.2.11.3.11.4.1232.1.32.1.1. 42.1.2. 52.1.3. 62.1.4102.1.5102.1.6112.2.122.3.142.4.153.163.1163.2163.3.164. 164.1174.2.174.3. .181 設(shè)計(jì)任務(wù)1.112341.2設(shè)計(jì)要求1、時(shí)間計(jì)數(shù)電路采用24 進(jìn)制，從 00 開始到 23 后再回到 00；2、各用 2 位數(shù)碼管顯示時(shí)、分、秒；3、具有手動(dòng)校時(shí)校分功能，可以分別對(duì)時(shí)、分進(jìn)行單獨(dú)校時(shí)，使其校正標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間；4、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 秒開始，蜂鳴器 1 秒響 1 秒停地響 5 次。

2、1、由一個(gè)數(shù)碼顯示管顯示星期；5、為了保證計(jì)時(shí)的穩(wěn)定及準(zhǔn)確，須由晶體振蕩器提供時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)。1.3 功能擴(kuò)展1、由一個(gè)數(shù)碼顯示管顯示星期，星期計(jì)數(shù)采用7 進(jìn)制；2、星期顯示為，星期一至星期六顯示分別為1、2、3、4、5、6，星期天顯示為日（即為 8）。1.4方案對(duì)比1、方案一如圖 1，可知此方案的電路的校時(shí)開關(guān)中, 電路存在開關(guān)抖動(dòng)問(wèn)題，使電路無(wú)法正常工作。U21U1U2U4U3U55VSEVEN_SEG_DISPLAYSEVEN_SEG_DISPLAYSEVEN_SEG_DISPLAY SEVEN_SEG_SEVENDISPLAYSEG_DISEVENPLAY_SEG_DISPLAYVCCA

3、 BCDEF GAB CDE FGA BCDE F GA B CDEF GABC DE FGAB CDE FG321095432109543210954321095432109543210954111111111111111111111111111111111111ABCD EFGABCD EFGA BCD EFGABCD EFGABCD EFGABCD EFGOOOO OOU22OO OOU6OO OOU7OO OOU8OO OOU9OO OOU10OOOOOOOOO OOOOOOOT4511BDT4511BDT4511BDT4511BDT4511BDTLLLLL4511BDILILILIL

4、ILLILABCDE BABCDEBABC DE BABCDEBABC DE BABCDE BDDDDDDDDDDD DDDDDDDD DDDDD712654371265437126543712654371265437126543298129812981298129812981111111111111ABCDU16ABCDU11ABCDU12ABCDU13ABCDU14ABCDQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQ121274LS90N121274LS90N121274LS90N121274LS90N121274LS90N1212)(990099009900990099009900A

5、BRRRRA BRRRRAB RRRRA BRRRRAB RRRRA BRRRRU1574LS90N414141414141167231672316723167231672316723U17BU17AU20B5U20A256435662174LS08N474LS08N31QQ74LS32N11U18A74LS32NRRL74LS74NP1C1DJ11J34231Key= BV11000Hz 5VKey= A圖1 方案一2、方案二如圖 2，此方案加采用基本RS觸發(fā)器構(gòu)成開關(guān)消除抖動(dòng)電路。U2U1U3U5U4U65VSEVEN_SEG_DISPLAYSEVEN_SEG_DISPLAYSEVEN_S

6、EG_DISPLAYSEVEN_SEG_DISPLAYSEVEN_SEG_DISPLAY SEVEN_SEG_DISPLAYVCCABCDEFGAB CDEFGABCDE FGAB CDE FGABCDEFGAB CDEFG321095432109543210954321095432109543210954111111111111111111111111111111111111ABCDEFABCDEFABCDEFABCDEFABCDEFABCDEFU12OOOOOOGU7OOOOOOGU8OOOOOOGU9OOOOOOGU10OOOOOOGU11OOOOOOGOTOTOTOTOTOT4511B

7、D4511BD4511BD4511BD4511BDLILLILLILLILLIL4511BD LLIABCDEB ABC DEB ABC DEB ABC DEB ABC DEB ABC DEBDDDDDDD DDDD DDDD DDDD DDDD D712654371265437126543712654371265437126543298129812981298129812981111111111111ABCDU18ABCDU13ABCDU14ABCDU15ABCDU16ABCDU17QQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQ)74LS90N)74LS90N)74LS90N)74LS90

8、N)74LS90N)74LS90N121212121212121212121212(990099009900990099009900ABRRRRABRRRRABRRRRABRRRRABRRRRABRRRR414141414141167231672316723167231672316723U19BU19AU23B5U23A26543621474LS08N3174LS08N74LS32N74LS32N36U21AU21B74LS00N74LS00NVCC11000Hz 5V18U20DU20C125V74LS00N74LS00NV145R62390111R2R1R32.0kohm2.0kohm2.

9、0kohm2.0kohmJ2Key= BJ1Key= A圖2 方案二總結(jié)：由于方案二很好的解決了開關(guān)抖動(dòng)的現(xiàn)象，選用方案二2 數(shù)字電子鐘系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.1 各部分設(shè)計(jì)原理數(shù)字鐘實(shí)際上是一個(gè)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率（ 1HZ）進(jìn)行計(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。如下圖 3 所示為數(shù)字鐘的一般構(gòu)成框圖它由石英晶體振蕩器、分頻電路、計(jì)數(shù)器、譯碼顯示器和較時(shí)電路組成。數(shù)字鐘是一個(gè)將“ 時(shí)”，“分”，“秒”顯示于人的視覺(jué)器官的計(jì)時(shí)裝置。它的計(jì)時(shí)周期為 24 小時(shí)，顯示滿刻

10、度為 23 時(shí) 59 分 59 秒，另外應(yīng)有校時(shí)功能和一些顯示星期、報(bào)時(shí)、停電查看時(shí)間等附加功能。因此，一個(gè)基本的數(shù)字鐘電路主要由譯碼顯示器、“時(shí)”，“分”，“秒”計(jì)數(shù)器、校時(shí)電路、報(bào)時(shí)電路和振蕩器組成。干電路系統(tǒng)由秒信號(hào)發(fā)生器、 “時(shí)、分、秒”計(jì)數(shù)器、譯碼器及顯示器、校時(shí)電路、整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路組成。 秒信號(hào)產(chǎn)生器是整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)基信號(hào)， 它直接決定計(jì)時(shí)系統(tǒng)的精度， 一般用石英晶體振蕩器加分頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)。 將標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)送入 “秒計(jì)數(shù)器”，“秒計(jì)數(shù)器” 采用 60 進(jìn)制計(jì)數(shù)器， 每累計(jì) 60 秒發(fā)出一個(gè) “分脈沖” 信號(hào)，該信號(hào)將作為“分計(jì)數(shù)器”的時(shí)鐘脈沖。 “分計(jì)數(shù)器”也采用 60 進(jìn)制計(jì)數(shù)器，每累計(jì)

11、 60 分鐘，發(fā)出一個(gè)“時(shí)脈沖”信號(hào)，該信號(hào)將被送到“時(shí)計(jì)數(shù)器” ?！皶r(shí)計(jì)數(shù)器”采用 24 進(jìn)制計(jì)時(shí)器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)一天 24 小時(shí)的累計(jì)。圖 3 數(shù)字鐘構(gòu)成框架圖2.1.1 電源電路主要選用器件：變壓器、電感、橋堆、穩(wěn)壓管7805、電容圖 4 中，是一個(gè)將頻率為 50Hz220V的單相交流電壓轉(zhuǎn)換為 5V 的直流電壓的直流電壓的直流穩(wěn)壓電源，經(jīng)過(guò)變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓后，輸出為 5V 直流電壓。圖 4 電源電路2.1.2晶體振蕩及分頻電路圖 5 晶體振蕩及分頻電路圖 5 中，石英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的脈沖信號(hào)，可保證數(shù)字鐘的走時(shí)準(zhǔn)確及穩(wěn)定。晶振出來(lái)接CD40

12、60分頻，從3 端出來(lái)的脈沖為2Hz。圖 6 中，再把這 2Hz的脈沖信號(hào)接入 74LS74（此為雙 D 觸發(fā)器），由 74LS74 的 5 端出來(lái)即為數(shù)字鐘的 1Hz 的脈沖。圖 6 1Hz 分頻2.1.3 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)部分。時(shí)計(jì)數(shù)單元一般為 24 進(jìn)制計(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； 一般采用 10 進(jìn)制計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間計(jì)數(shù)單元的計(jì)數(shù)功能，即我們選用74LS90。在本電路中，第一組計(jì)數(shù)器 74LS901 用來(lái)作秒個(gè)位計(jì)數(shù)，輸出端為 1Q4 1Q1，計(jì)數(shù)圍為 00001

13、001循環(huán)。每當(dāng)計(jì)數(shù)到 1001（相當(dāng)于 10 進(jìn)制數(shù)的 9）時(shí)，再輸入一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖則會(huì)變?yōu)?0000，這時(shí) 74LS90 1 的 1Q4 由高電平變低電平輸出一個(gè)負(fù)跳變脈沖到 74LS90 2 的時(shí)鐘輸入端即為 14 端，作為進(jìn)位脈沖使第二組計(jì)數(shù)器 74LS902 作一次秒十位的計(jì)數(shù)。同時(shí) 74LS90 -1 開始作下一個(gè)計(jì)數(shù)循環(huán)。秒十位計(jì)數(shù)為 6 進(jìn)制（可以通過(guò)導(dǎo)線連接使 10 進(jìn)制變?yōu)?6 進(jìn)制。實(shí)現(xiàn)原理：輸出端 2Q42Q32Q2Q1 要從 0101 跳變到 0000, 中間經(jīng)過(guò)一個(gè)瞬間狀態(tài)0110。 這時(shí)我們只須將 2Q3 接入 74LS90 1、74LS90 2 的 1R 端， 2

14、Q 接入到74LS90 1、 74LS902 的 2R 端）。 74LS902 輸出端為2Q4 2Q1，計(jì)數(shù)圍為00000101 循環(huán)。每當(dāng)計(jì)數(shù)到0101（相當(dāng)于 10 進(jìn)制數(shù)的 5）時(shí)，再輸入一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖則會(huì)變?yōu)?0000，這時(shí) 74LS902 的 2Q32Q兩端經(jīng)過(guò)一個(gè)二輸入與門(74LS08)輸出端再送到 74LS90 3 的 CP端，作為進(jìn)位脈沖使74LS903 作一次分個(gè)位的計(jì)數(shù)。同時(shí) 74LS902 開始作下一個(gè)計(jì)數(shù)循環(huán)。 同理分計(jì)數(shù)的實(shí)現(xiàn)原理與秒計(jì)數(shù)的實(shí)現(xiàn)原理一樣，用第三組計(jì)數(shù)器74LS903 作分個(gè)位計(jì)數(shù)，用第四組計(jì)數(shù)器74LS90 4 作分十位計(jì)數(shù)。第五組計(jì)數(shù)器74LS905

15、 和第六組計(jì)數(shù)器74LS906作為時(shí)計(jì)數(shù)器，但要設(shè)置為24 進(jìn)制。由 74LS904 的 2Q32Q 兩端經(jīng)過(guò)一個(gè)二輸入與門輸出端送到的74LS90 5 的 CP端，作為進(jìn)位脈沖使74LS905 作一次時(shí)個(gè)位的計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)圍也是 00001001循環(huán)，當(dāng)計(jì)數(shù)由 1001 變?yōu)?0000 輸出一個(gè)負(fù)跳變脈沖到 74LS902 的時(shí)鐘輸入端即為14 端，作為進(jìn)位脈沖使第六組計(jì)數(shù)器74LS90 6 作一次時(shí)十位的計(jì)數(shù)。因?yàn)槲覀円髸r(shí)間由23：59：59 能跳到 00：00：00。所以當(dāng) 74LS904 向 74LS905 再發(fā)一次脈沖時(shí)， 74LS90 5、 74LS90 6 的輸出端 6Q46Q36

16、Q26Q1 5Q45Q35Q25Q1 要從 00100011 跳變到 00000000，中間經(jīng)過(guò)一個(gè)瞬間狀態(tài) 00100100。這時(shí)我們只須將 6Q2 接入 74LS905、 74LS906 的 R1端， 5Q3 接入 74LS905、74LS906 的 R2 端。（ 1） 秒計(jì)數(shù)器、譯碼、顯示電路（圖7）U2SEVEN_SEG_DISPLA YABCDEFG3210954111111ABCDEFGU5OOOOOOOTABCDLI4511BDEBLDDDD7126543U1A23174LS08N298111ABCDU8QQ)QQ)74LS90N1212(AB9900RRRR4167231U3S

17、EVEN_ SEG_DISPLA YVCCABCDEFG5V3210954111111ABCDEFGU4OOOOOOOTABCDLI4511BDEBLDDDD7126543298111ABCDU7QQ)QQ)74LS90N1212(AB9900RRRR4167231V11Hz 5 V圖 7 秒計(jì)數(shù)器、譯碼、顯示電路（圖中 74LS08的三端是接入分計(jì)時(shí)器的 CP端）（ 2） 分計(jì)數(shù)器、譯碼、顯示電路 ( 圖 8)U2SEVEN_ SEG_DISPLAYABCDEFG3210954111111ABCDEFGU5OOOOOOOTABCDLI4511BDEBLDDDD7126543U1B56474L

18、S08N298111ABCDU8QQ)QQ)74LS90N1212(AB9900RRRR4167231U3SEVEN_ SEG_DISPLAYABCDEFGVCC5V3210954111111ABCDEFGU4OOOOOOOTABCDLI4511BDEBLDDDD7126543298111ABCDU7QQQQ)74LS90N1212(A9900B RRRR4167231圖 8 分計(jì)數(shù)器、譯碼、顯示電路（圖中 74LS08的 6 端是接入時(shí)計(jì)時(shí)器的 CP端）（ 3）時(shí)計(jì)數(shù)器、譯碼、顯示電路 ( 圖 9)U2SEVEN_SEG_DISPLA YABCDEFG3210954111111ABCDEFG

19、U5OOOOOOOTLI4511BDABCDLEBDDDD7126543298111ABCDU8QQ)QQ)74LS90N1212(AB9900RRRR4167231U3SEVEN_SEG_DISPLA YABCDEFGVCC5V3210954111111ABCDEFGU4OOOOOOOTLI4511BDABCDLEBDDDD7126543298111ABCDU7QQ)QQ)74LS90N1212(AB9900RRRR4167231圖 9 時(shí)計(jì)數(shù)器、譯碼、顯示電路2.1.4譯碼與顯示電路譯碼和數(shù)碼顯示電路是將數(shù)字鐘的計(jì)時(shí)狀態(tài)直觀清晰地反映出來(lái)。譯碼是把給定的代碼進(jìn)行翻譯， 將時(shí)、分、秒計(jì)數(shù)器輸

20、出的四位二進(jìn)制代碼翻譯為相應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)，并通過(guò)LED七段數(shù)碼管。而譯碼器采用CD4511器件組成，在譯碼顯示電路輸出信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，顯示出清晰直觀的數(shù)字符號(hào)。2.1.5校時(shí)校分電路當(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)行校正。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)行人工出觸發(fā)計(jì)數(shù)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，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。由于每個(gè)機(jī)械開關(guān)具有抖動(dòng)現(xiàn)象，因此每一個(gè)開關(guān)都需要用RS觸發(fā)器作為去抖電路。采用RS基本觸發(fā)器及單刀雙擲開關(guān)組成，當(dāng)截?cái)嗾５挠?jì)數(shù)脈沖

21、，就可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)校時(shí)功能，如圖1063U4AU4B74LS32N74LS32N1245VCC5V63U3A18U3B74LS00N1U2DU2C74LS00N74LS00N74LS00N12452390R1111R3R2R42.0kohm2.0kohm2.0kohm2.0kohmJ3Key = BJ1Key = A圖 10 消除開關(guān)抖動(dòng)電路（圖中的 74LS32的 2 端由秒計(jì)時(shí)器的 74LS08 的 3 端接入， 74LS32的 3 端接入分計(jì)時(shí)器的 CP端； 74LS32 的 5 端由分計(jì)時(shí)器的 74LS08 的 6 端接入， 74LS32 的 6 端接入時(shí)計(jì)時(shí)器的 CP端 ）2.1.6

22、報(bào)時(shí)電路整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路： 根據(jù)要求， 電路應(yīng)在整點(diǎn)前 10 秒鐘開始整點(diǎn)報(bào)時(shí)， 即當(dāng)時(shí)間在 59 分 50 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)。當(dāng)時(shí)間在 59 分 50 秒到 59 分 59 秒期間時(shí)，分十位、分個(gè)位和秒十位均保持不變，分別為5、 9 和 5，因此可將分計(jì)數(shù)器十位的Q3 和 Q1 、個(gè)位的 Q4 和 Q1 及秒計(jì)數(shù)器十位的Q3 和 Q1 相與，從而產(chǎn)生報(bào)時(shí)控制信號(hào)。報(bào)時(shí)電路可選 74LS30 來(lái)構(gòu)成。 74LS30為 8 輸入與非門。選蜂鳴器為電聲器件， 蜂鳴器是一種壓電電聲器件， 當(dāng)其兩端加上一個(gè)直流電壓時(shí)酒會(huì)發(fā)出鳴叫聲， 兩個(gè)輸入端是極性的， 其較長(zhǎng)引腳應(yīng)與

23、高電位相連。與非門 74LS30輸出端應(yīng)與蜂鳴器的負(fù)極相連，而蜂鳴器的正極則應(yīng)與電源相連。如圖 11。數(shù)字鐘設(shè)計(jì)整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路部分I O1分計(jì)數(shù)器十位I O2U1的 Qc 和 QAVCC1VCC5V25VI O33X1分計(jì)數(shù)器個(gè)位I O4的 QD和 QAI O5秒計(jì)數(shù)器十位I O6的 QC和 QA48564V_0.5W111274HC30D說(shuō)明：當(dāng)時(shí)間在59分50秒到59分59秒期間時(shí)分十位、分個(gè)位和秒十位均保持不變，分別為5，9和5；因 此 ， 可 以 將 分計(jì) 數(shù) 器 十 位 的 Qc 和 QA ， 個(gè) 位 的 QD 和 QA 及秒計(jì)數(shù)器十位的 QC和QA相與，從而產(chǎn)生報(bào)時(shí)控制信號(hào)。圖 11 報(bào)時(shí)電路2.2擴(kuò)展電路部分“時(shí)計(jì)數(shù)器”采用24 進(jìn)制計(jì)時(shí)器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)一天24 小時(shí)的累計(jì)。每累計(jì)24小時(shí)，發(fā)出一個(gè)“星期脈沖”信號(hào)，該信號(hào)將被送到“星期計(jì)數(shù)器”，“星期計(jì)數(shù)器” 采用 7 進(jìn)制計(jì)時(shí)器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)一周7 天的累計(jì)。譯碼顯示電路將“星期”計(jì)數(shù)器的輸出狀態(tài)送到七段顯示譯碼器譯碼，