數(shù)字鐘數(shù)電課程設(shè)計(jì)

1、課課 程程 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 報(bào)告報(bào)告 題目題目 數(shù)字鐘數(shù)字鐘- -數(shù)電課程設(shè)計(jì)數(shù)電課程設(shè)計(jì) 2011-20122011-2012 第一學(xué)期第一學(xué)期 班班 級(jí)級(jí) 姓姓 名名 學(xué)學(xué) 號(hào)號(hào) 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師 單單 位位 年年 月月 日日 前言前言 20 世紀(jì)末，電子技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展，在其推動(dòng)下，現(xiàn)代電子產(chǎn)品幾乎 滲透了社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，有力地推動(dòng)了社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展和社會(huì)信息化程度的 提高，同時(shí)也使現(xiàn)代電子產(chǎn)品性能進(jìn)一步提高，產(chǎn)品更新?lián)Q代的節(jié)奏也越來越 快。 時(shí)間對(duì)人們來說總是那么寶貴，工作的忙碌性和繁雜性容易使人忘記當(dāng)前的時(shí) 間。忘記了要做的事情，當(dāng)事情不是很重要的時(shí)候，這種遺忘無傷大雅。但是， 一旦

2、重要事情，一時(shí)的耽誤可能釀成大禍。例如，許多火災(zāi)都是由于人們一時(shí) 忘記了關(guān)閉煤氣或是忘記充電時(shí)間。尤其在醫(yī)院，每次護(hù)士都會(huì)給病人作皮試， 測試病人是否對(duì)藥物過敏。注射后，一般等待 5 分鐘，一旦超時(shí)，所作的皮試 試驗(yàn)就會(huì)無效。手表當(dāng)然是一個(gè)好的選擇，但是，隨著接受皮試的人數(shù)增加， 到底是哪個(gè)人的皮試到時(shí)間卻難以判斷。所以，要制作一個(gè)定時(shí)系統(tǒng)。隨時(shí)提 醒這些容易忘記時(shí)間的人。 鐘表的數(shù)字化給人們生產(chǎn)生活帶來了極大的方便，而且大大地?cái)U(kuò)展了鐘表 原先的報(bào)時(shí)功能。諸如定時(shí)自動(dòng)報(bào)警、按時(shí)自動(dòng)打鈴、時(shí)間程序自動(dòng)控制、定 時(shí)廣播、定時(shí)啟閉電路、定時(shí)開關(guān)烘箱、通斷動(dòng)力設(shè)備，甚至各種定時(shí)電氣的 自動(dòng)啟用等，所有

3、這些，都是以鐘表數(shù)字化為基礎(chǔ)的。因此，研究數(shù)字鐘及擴(kuò) 大其應(yīng)用，有著非常現(xiàn)實(shí)的意義。 目錄目錄 一、一、 設(shè)計(jì)目的設(shè)計(jì)目的.- 3 - 二、二、設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)要求.- 3 - 2.1 設(shè)計(jì)指標(biāo).- 3 - 2.2 設(shè)計(jì)要求.- 3 - 2.3 制作要求.- 3 - 2.4 編寫設(shè)計(jì)報(bào)告.- 3 - 三、三、各單元電路設(shè)計(jì)各單元電路設(shè)計(jì).- 4 - 3.1 工作原理.- 4 - 3.2 原理框圖.- 4 - 3.3 振蕩器.- 5 - 3.3.1 由石英晶體振蕩器構(gòu)成的 1hz 秒脈沖信號(hào).- 5 - 3.4 時(shí)間計(jì)數(shù)器電路 .- 6 - 3.4.1 秒計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì).- 6 - 3.4.2 分計(jì)數(shù)

4、器的設(shè)計(jì).- 7 - 3.4.3 時(shí)計(jì)數(shù)器電路.- 8 - 3.5 譯碼驅(qū)動(dòng)及顯示單元的設(shè)計(jì).- 9 - 3.6 校時(shí)電路.- 9 - 3.7 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路.- 10 - 3.7.1 論證.- 10 - 3.7.2 實(shí)現(xiàn).- 10 - 四、四、總電路設(shè)計(jì)總電路設(shè)計(jì).- 12 - 五、五、元件清單元件清單.- 12 - 六、六、課程設(shè)計(jì)體會(huì)課程設(shè)計(jì)體會(huì).- 13 - 七、七、參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).- 14 - 一、一、 設(shè)計(jì)目的設(shè)計(jì)目的 1、熟悉集成電路的引腳安排； 2、掌握各芯片的邏輯功能及使用方法； 3、了解數(shù)字鐘的組成及工作原理； 4、熟悉數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)與制作； 5、熟悉 protel99 se

5、 軟件的操作； 二、二、 設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)要求 2.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)設(shè)計(jì)指標(biāo) 時(shí)間以 24 小時(shí)為一個(gè)周期；能顯示時(shí)，分，秒； 有校時(shí)功能，可以分別對(duì)時(shí)及分進(jìn)行單獨(dú)校時(shí)，使其校正到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間； 計(jì)時(shí)過程具有報(bào)時(shí)功能，當(dāng)時(shí)間到達(dá)整點(diǎn)前 10 秒進(jìn)行蜂鳴報(bào)時(shí)； 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表針時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)。 2.2 設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)要求 畫出電路原理圖(或仿真電路圖)； 元器件及參數(shù)選擇； 2.32.3 制作要求制作要求 自行裝配和調(diào)試，并能發(fā)現(xiàn)問題和解決問題； 2.42.4 編寫設(shè)計(jì)報(bào)告編寫設(shè)計(jì)報(bào)告 寫出設(shè)計(jì)與制作的全過程，附上有關(guān)資料和圖紙，有心得體會(huì)。 三、三、各單元電路設(shè)計(jì)各單元電路設(shè)計(jì)

6、3.13.1 工作原理工作原理 數(shù)字鐘是一個(gè)將“ 時(shí)” ， “分” ， “秒”顯示于人的視覺器官的計(jì)時(shí)裝置。它 的計(jì)時(shí)周期為 24 小時(shí)，顯示滿刻度為 23 時(shí) 59 分 59 秒，另外應(yīng)有校時(shí)功能和 報(bào)時(shí)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

7、累計(jì) 60 秒發(fā)送一個(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) 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” 。 “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)。譯碼顯示電路將“時(shí)” 、 “分” 、 “秒”計(jì)數(shù)器 的輸出狀態(tài)由七段顯示譯碼器譯碼，通過六位 led 七段顯示器顯示出來。整點(diǎn) 報(bào)時(shí)電路時(shí)根據(jù)計(jì)時(shí)系統(tǒng)的輸出狀態(tài)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，然后觸發(fā)音頻發(fā)生器 實(shí)現(xiàn)報(bào)時(shí)。校時(shí)電路時(shí)用來對(duì)“時(shí)” 、 “分”顯示數(shù)字進(jìn)行校對(duì)調(diào)整的。 數(shù)字電子鐘由振蕩器、分頻器 計(jì)數(shù)器、譯碼顯示、報(bào)時(shí)等電路組成。其中

8、振蕩器和分頻器組成標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)發(fā)生器，由不同進(jìn)制的計(jì)數(shù)器、譯碼器和顯示 器組 成計(jì)時(shí)系統(tǒng)。秒信號(hào)送入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，把累加的結(jié)果 以時(shí)， 、 分， 、 秒的數(shù)字顯示出來。 時(shí)顯示由 24 進(jìn)制 計(jì)數(shù)器、譯碼器、顯示器構(gòu)成， 分 、 秒顯示分別由 60 進(jìn) 制計(jì)數(shù)器、譯碼器、顯示器構(gòu)成?？蛇M(jìn)行整點(diǎn) 報(bào)時(shí)，計(jì)時(shí)出 現(xiàn)誤差時(shí)，可以用校時(shí)電路校時(shí)、校分。 3.23.2 原理框圖原理框圖 時(shí)顯示器分顯示器秒顯示器 秒譯碼器分譯碼器時(shí)譯碼器 時(shí)計(jì)時(shí)器分計(jì)時(shí)器秒計(jì)時(shí)器 校時(shí)電路校分電路分頻器振蕩器 報(bào)時(shí)器 1-1 原理框圖 3.33.3 振蕩器振蕩器 振蕩器產(chǎn)生的時(shí)基信號(hào)通常頻率都很高，要使它成為能用過來計(jì)時(shí)

9、的“秒” 信號(hào)，需由分頻器來完成。分頻器的級(jí)數(shù)和每級(jí)的分頻次數(shù)要根據(jù)時(shí)基頻率來 決定。例如，目前石英電子鐘多采用 32768hz 的時(shí)標(biāo)信號(hào)，將此信號(hào)經(jīng)過 15 級(jí) 即可得到周期為 1s 的“秒”信號(hào)。也可選用其他頻率的時(shí)基信號(hào)，確定好分頻 次數(shù)后再選選擇合適的集成電路。 3.3.13.3.1 由石英晶體振蕩器構(gòu)成的由石英晶體振蕩器構(gòu)成的 1hz1hz 秒脈沖信號(hào)秒脈沖信號(hào) 石英晶體振蕩器產(chǎn)生的 32768hz 時(shí)標(biāo)信號(hào)進(jìn)行 15 分頻。選用 14 為二進(jìn)制 計(jì)數(shù)器分頻器 cmos 集成電路 cc4060，由它可以得到 14 分頻的信號(hào)。再將 ttl 集成電路 74ls74 雙 d 觸發(fā)器鐘的

10、一個(gè)觸發(fā)器結(jié)成計(jì)數(shù)器型，完成第 15 級(jí)分頻， 即可得到周期為 1s 的沖信號(hào)。 振蕩器與分頻器連接電路和 cc4060 引腳排列下圖： q9 13 q5 5 q4 7 q6 4 q10 15 q12 1 q7 6 gnd 8 q13 2 q8 14 q14 3 clk0 10 clk0 9 rst 12 clk1 11 vdd 16 hcc4060bf cc4060列列列列列 圖 3-1cc4060 引腳排列 圖 3-2 cc4060 組成的振蕩器與分頻器連接 電路 3.43.4 時(shí)間計(jì)數(shù)器電路時(shí)間計(jì)數(shù)器電路 時(shí)間計(jì)數(shù)器電路由秒個(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

11、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)器均為 60 進(jìn)制計(jì)數(shù)器，而根據(jù)設(shè)計(jì)要求，時(shí)個(gè)位和時(shí)十位計(jì)數(shù)器為 24 進(jìn)制 計(jì)數(shù)器。這些計(jì)數(shù)器電路都可以由中規(guī)模集成計(jì)數(shù)器 74ls90 來實(shí)現(xiàn)。 3.4.13.4.1 秒計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)秒計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì) 秒信號(hào)發(fā)生器是數(shù)字電子鐘的核心部分，它的精度和穩(wěn)定度決定了時(shí)信號(hào) 發(fā)生器和分信號(hào)發(fā)生器的精度。 “秒”計(jì)數(shù)器為 60 進(jìn)制計(jì)數(shù)器。實(shí)現(xiàn)此 100 模 數(shù)的計(jì)數(shù)器是由兩片中規(guī)模集成計(jì)數(shù)器 74ls90 構(gòu)成的。首先分別將兩片 74ls90 設(shè)置成 10 進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。即將兩片的 74ls90 的置數(shù)端 r0 和 r9 都接 地，將 ina

12、端接到 qa 端，以 qd 為進(jìn)位輸出端，則構(gòu)成了 10 進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。 再將其中一片 74ls90 計(jì)數(shù)器的進(jìn)位輸出端 qd 接到另一片 74ls90 的進(jìn)位輸入端 ina 端。如此，兩片計(jì)數(shù)器最大的即可實(shí)現(xiàn) 100 進(jìn)制的計(jì)數(shù)器。接下來，利用 74ls90 的反饋置數(shù)的方法實(shí)現(xiàn) 60 進(jìn)制。74ls90 屬于異步置數(shù)，所以計(jì)數(shù)器輸 出“2qd2qc2qb2qa、1qd1qc1qb1qa=0110、0000”時(shí)，通過置數(shù)脈沖使計(jì)數(shù)器清 零，也就是此時(shí) qb，qc 發(fā)出置數(shù)脈沖送至清零端 r0，則 r0 使計(jì)數(shù)器清零。 “秒”計(jì)數(shù)器電路圖如圖所示。 圖 3-3 秒計(jì)數(shù)器電路 3.4.23.4

13、.2 分計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)分計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì) “分”計(jì)數(shù)器也是 60 進(jìn)制計(jì)數(shù)器。同“秒”計(jì)數(shù)器一樣是由兩片中規(guī)模集 成計(jì)數(shù)器 74ls90 構(gòu)成。將兩片 74ls90 按同秒計(jì)數(shù)器的方法先接成 10 進(jìn)制加法 計(jì)數(shù)器，再按“秒”計(jì)數(shù)器電路的方法連接就可實(shí)現(xiàn) 100 進(jìn)制的計(jì)數(shù)器。再用 同“秒”計(jì)數(shù)器的方法實(shí)現(xiàn) 60 進(jìn)制。其電路圖同“秒”計(jì)數(shù)器電路圖。如下圖 所示。 圖 3-4 分計(jì)數(shù)器電路 3.4.33.4.3 時(shí)計(jì)數(shù)器電路時(shí)計(jì)數(shù)器電路 時(shí)計(jì)數(shù)器是 24 進(jìn)制計(jì)數(shù)器。實(shí)現(xiàn)此模數(shù)的計(jì)數(shù)器也是由兩片中規(guī)模集成計(jì) 數(shù)器 74ls90 構(gòu)成。同“分” 、 “秒”計(jì)數(shù)器一樣，先將兩片計(jì)數(shù)器 74ls90 連接

14、 成 24 進(jìn)制的加法計(jì)數(shù)器，再把兩片計(jì)數(shù)器 74ls90 用“秒”計(jì)數(shù)器的方法接成 可實(shí)現(xiàn) 100 進(jìn)制的計(jì)數(shù)器。當(dāng)計(jì)數(shù)器狀態(tài)為 “2qd2qc2qb2qa、1qd1qc1qb1qa=0010、0100”時(shí)，要求計(jì)數(shù)器歸零。通過 2qb、1qc 送出的置數(shù)脈沖使兩片計(jì)數(shù)器 74ls90 同時(shí)清零，這樣就構(gòu)成了 24 進(jìn) 制計(jì)數(shù)器。 “時(shí)”計(jì)數(shù)器電路圖如圖所示。 圖 3-5 時(shí)計(jì)數(shù)器電路 3.53.5 譯碼驅(qū)動(dòng)及顯示單元的設(shè)計(jì)譯碼驅(qū)動(dòng)及顯示單元的設(shè)計(jì) 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，為了將計(jì)數(shù)器輸出的 8421bcd 碼顯示出來，需用顯示譯碼電路將計(jì)數(shù)器的輸出數(shù)碼轉(zhuǎn)換為

15、數(shù)碼顯示 器件所需要的輸出邏輯和一定的電流，一般這種譯碼器通常稱為 7 段譯碼顯示 驅(qū)動(dòng)器，4511 驅(qū)動(dòng)顯示電路連接圖如下圖所示。 圖 3-6 譯碼顯示電路 3.63.6 校時(shí)電路校時(shí)電路 校時(shí)電路是數(shù)字電路不可缺少的部分，每當(dāng)數(shù)字鐘與時(shí)間不符時(shí)我們都要 進(jìn)行校時(shí)。s1、s2 分別是時(shí)校時(shí)和分校時(shí)開關(guān)，不校時(shí)時(shí) s1、s2 是閉合的。 當(dāng)校正時(shí)位時(shí)需要把 s1 開關(guān)打開，然后用手撥動(dòng) s3 開關(guān)，來回?fù)軇?dòng)一次就能 使時(shí)位增加 1，可以根據(jù)需要來撥動(dòng)開關(guān)次數(shù)，校正完畢后把 s1 開關(guān)閉上。校 正分時(shí)和校正時(shí)的方法一樣。其電路圖如下： 圖 3-7 校時(shí)電路 3.73.7 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路

16、 3.7.13.7.1 論證論證 整點(diǎn)報(bào)時(shí)是最基本的功能之一。此電路要求每當(dāng)“分”和“秒”計(jì)數(shù)器計(jì) 到 59 分 50 秒時(shí)，使自動(dòng)驅(qū)動(dòng)音響電路，在 10s 內(nèi)自動(dòng)發(fā)出 5 次響聲。要求每 隔 1s 響一次，每次持續(xù)時(shí)間為 1s，共響 5 次，并且前 4 次為低音，最后一響 為高音，此時(shí)計(jì)數(shù)器正好為整點(diǎn)（“0”分“0”秒） 。 3.7.23.7.2 實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn) 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路見下圖，包括控制電路和音響電路兩部分。 圖 3-8 報(bào)時(shí)電路 第一部分為控制門電路部分。當(dāng)“分”和“秒”計(jì)數(shù)器到 59 分 50 秒時(shí)， 從 59 分 50 秒到 59 分 59 秒之間，只有“秒”個(gè)位在計(jì)數(shù)，而“秒”的十位，

17、 “分”的個(gè)位， “分”的十位中 c=qc4=qa4=qd3=qa3=qc2=qa2=1 不變。將它們相 與，即 c=qc4qa4qd3qa3qc2qa2 作為控制信號(hào)，去控制門 u3a 和門 u4a。在每小 時(shí)的最后 10s 內(nèi) c=1。門 u3a 輸入端加有頻率 2084hz 的信號(hào) b（可取自分頻器 cc4060 的 q4 端） ，同時(shí)又受 qd1 和 qa1 的控制，即 c 在 59s 時(shí)，qd1qa1=1，門 u4a 被關(guān)閉，門 u3a 打開，b 信號(hào)通過們 u3a；門 u4a 輸入端加有頻率 1024hz 的信號(hào) a（可取自分頻率 cc4060 的 q5 端） ，同時(shí)又受非 qd1

18、 和 qa1 的控制，即 c 在 51s、53s、57s 時(shí)，非 qd1qa1c=1，門 u3a 被關(guān)閉，門 u4a 打開，4 信號(hào)通 過門 u4a.則 z=qd1qa1cb+非 qd1qa1ca，即可實(shí)現(xiàn)前四響為 1024hz 的低聲，后 一響為 2048hz 的高音，最后一響完畢正好整點(diǎn)。 第二部分為音響電路部分。該電路選用射及跟隨器，推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)生。三 極管選用高頻小功率 3dg4，三極管基極串聯(lián) 2k 限流電阻是為了防止電流過大 燒壞揚(yáng)聲器。報(bào)時(shí)所需的 2048hz 和 1024hz 音頻信號(hào)，分別取自音頻電路。 四、四、 總電路設(shè)計(jì)總電路設(shè)計(jì) 圖 4-1 總電路圖設(shè)計(jì) 五、五、元件清單元件清單 多功能數(shù)字鐘主體電路元器件清單多功能數(shù)字鐘主體電路元器件清單 序號(hào)元器件名稱規(guī)格型號(hào)數(shù)量 1 適應(yīng)晶體振蕩器 3276hz1 2 十進(jìn)制計(jì)數(shù)器 cc45183 3 共陰極七段譯碼驅(qū)動(dòng)器 cc45116 4 四 2 輸入與非門 74ls906 5 非門 dm74ls044 6 雙 4 輸入與非門 74ls202 7 14 為二進(jìn)制